CN112847356A - 一种变电站足式巡检机器人安全控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站足式巡检机器人安全控制方法及系统，包括：获取机器人周围设定范围内的路面特征信息和待检电力设备信息，形成三维点云；将所述三维点云的坐标转换为地面坐标系下的坐标；基于足式机器人尺寸确定其前进通道的范围；基于前进通道距离范围内的点云数量，确定足式机器人的通行策略。本发明方法能够通过抬脚和下蹲的方式实现避障，同时保证足式机器人在前进时摆动腿竖直抬起，避免踢到地面而立面影响平衡。

Description

一种变电站足式巡检机器人安全控制方法及系统

技术领域

本发明涉及变电站巡检机器人技术领域，尤其涉及一种变电站足式巡检机器人安全控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前的变电站内巡检机器人，大多采用轮式机器人或者履带式机器人进行巡检；巡检过程中，通常采用超声传感器、毫米波雷达、激光雷达等检测环境中的障碍物，然后停障或通过路径规划绕障。

但是，上述巡检机器人仅能够在平整的路面上运行，而无法实现对于变电站内存在台阶、楼梯、石子路面或者门洞等地形的巡检，其避障方法只考虑平面地图，平面上一点要么可以通过，要么不可以通过，遇到台阶需要绕过，遇到低矮通道也无法通过，难以实现巡检区域全覆盖。

利用足式机器人站立高度可调的特点，能够实现迈步过坎、下蹲钻洞等避障动作，但是现有技术仍无法实现在三维空间中的避障，且足式机器人抬脚时可能会发生踢到障碍物影响平衡甚至被障碍物绊倒的情况。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种变电站足式巡检机器人安全控制方法及系统，使用传感器探测环境的三维轮廓，结合自身尺寸的先验信息完成三维避障，从而穿越变电站中的设备区。

根据本发明实施例的第一个方面，提供了一种变电站足式巡检机器人安全控制方法，包括：

获取机器人周围设定范围内的路面特征信息和待检电力设备信息，形成三维点云；

将所述三维点云的坐标转换为地面坐标系下的坐标；

基于足式机器人尺寸确定其前进通道的范围；

基于前进通道范围内的点云数量，确定足式机器人的通行策略。

作为进一步的方案，所述前进通道为具有设定长度、宽度和高度的三维立体通道结构；所述通道的尺寸根据足式机器人的尺寸确定。

作为进一步的方案，基于采集到的图像信息获取机器人周围设定范围内的路面特征信息和待检电力设备信息；对图像数据进行预处理，利用目标检测模型对图像进行检测，定位设定路面区域或者电力设备在图像中的位置，并利用路面特征分类模型或者设备分类模型对定位后的路面特征或者电力设备种类进行识别。

作为进一步的方案，基于前进通道范围内的点云数量，确定足式机器人的通行策略，具体包括：

如果前进通道内的点云个数小于设定阈值，则认为是传感器噪声，判定足式机器人可以通行；

如果点云个数大于设定的阈值，切除前进通道内设定高度以上或者设定高度以下的点云数据；重新判定剩余点云数量，若小于设定阈值，则判定足式机器人可以通行，否则，判定为有障碍，执行避障策略。

作为进一步的方案，若切除前进通道内设定高度以上的点云数据后，剩余点云数量小于设定阈值，则控制足式机器人下蹲至该高度以下通行。

作为进一步的方案，若切除前进通道内设定高度以下的点云数据后，剩余点云数量小于设定阈值，则控制足式机器人跨越该高度通行。

作为进一步的方案，控制足式机器人跨越该高度通行时，采用同速后撤法，使得摆动腿相对于躯干的移动速度与支撑腿相对于躯干的移动速度相同；采用超速后撤法，使摆动腿的后撤速度超过支撑腿的蹬地速度。

作为进一步的方案，所述超速后撤法具体为：

摆动腿的后撤速度＝k×支撑腿的蹬地速度；其中，k大于1。

作为进一步的方案，所述超速后撤法具体为：摆动腿的后撤位置＝支撑腿的位置-抬脚结束后多后撤的距离与摆动相的预计时长的比值×进入摆动相后的计时时间。

作为进一步的方案，摆动腿抬脚时的运动轨迹包括X轴轨迹和Z轴轨迹，摆动腿在Z轴的位置根据迈步高度、摆动相的预计时长以及进入摆动相后的计时时间确定。

根据本发明实施例的第二个方面，提供了一种变电站足式巡检机器人安全控制系统，包括：

三维点云获取模块，用于获取机器人周围设定范围内的路面特征信息和待检电力设备信息，形成三维点云；

坐标转换模块，用于将所述三维点云的坐标转换为地面坐标系下的坐标；

前进通道模块，用于基于足式机器人尺寸确定其前进通道的范围；

通行策略模块，用于基于前进通道距离范围内的点云数量，确定足式机器人的通行策略。

根据本发明实施例的第三个方面，提供了一种变电站足式巡检机器人，包括上述的变电站足式巡检机器人安全控制系统，或者采用上述的变电站足式巡检机器人安全控制方法。

根据本发明实施例的第四个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的变电站足式巡检机器人安全控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明创新性提出了一种变电站足式巡检机器人安全控制方法，研制了路面特征及电力设备识别模型，利用前进通道的点云数量，通过抬脚或下蹲的方式实现足式机器人在三维空间的避障，解决轮式巡检机器人无法空间越障的难题，实现了足式巡检机器人在设备区内的停障或绕障功能，拓宽足式巡检机器人的作业范围，提高机器人的适应性与灵活性。

(2)本发明创新性提出一种足式机器人抬脚步态规划方法，研制了足式机器人抬脚步态规划系统，解决了足式机器人在爬越楼梯时摆动腿容易踢到楼梯立面以及足式机器人抬脚时可能会发生踢到障碍物影响平衡甚至被障碍物绊倒的问题，实现了摆动腿与支撑腿在前后方向的运动相关联且同速运动，足式机器人在前进时摆动腿竖直抬起及抬脚时摆动腿的后撤速度超过支撑腿的蹬地速度，提高了足式机器人运动的稳定性，避免了抬脚时被楼梯台面的凸出部分压住破坏平衡。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为根据本发明实施例中的变电站足式巡检机器人安全控制方法流程图；

图2是本发明实施例的同速后撤法示意图；

图3是本发明实施例的机器人处于坡面时的同速后撤法示意图；

图4是本发明实施例的超速后撤法示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

根据本发明实施例，提供了一种变电站足式巡检机器人安全控制方法的实施例，参照图1，包括以下过程：

步骤S101：获取机器人周围设定范围内的路面特征信息和待检电力设备信息，形成三维点云；

所用的环境探测器包含且不限于可见光双目相机(如ZED)、红外双目相机(如RealSense)、机械或固态激光雷达、TOF相机等。

通过以上传感器扫描环境的轮廓信息，形成三维点云。其中，环境轮廓信息包括路面特征信息(平坦路面、石子路面、草地、电缆沟盖板、楼梯、斜坡、门口等)和待检电力设备类型。

作为进一步的方案，基于采集到的图像信息获取机器人周围设定范围内的路面特征信息和待检电力设备信息；对图像数据进行预处理，利用目标检测模型对图像进行检测，定位设定路面区域或者电力设备在图像中的位置，并利用路面特征分类模型或者设备分类模型对定位后的路面特征或者电力设备种类进行识别。

步骤S102：将三维点云的坐标转换为地面坐标系下的坐标；

具体地，按照传感器在机器人上的安装位置进行运动学解算，将传感器坐标系下的点云转换为地面坐标系下的点云。

步骤S103：基于足式机器人尺寸确定其前进通道的范围；

本实施例中，前进通道为具有设定长度、宽度和高度的三维立体通道结构；前进通道的尺寸和范围根据足式机器人的尺寸确定。

步骤S104：基于前进通道范围内的点云数量，确定足式机器人的通行策略。

具体地，通过滤波器获取前进通道范围内的点云，按照以下规则对点云数量进行处理，从而判定能否通过和选择通过策略：

判断前进通道内是否有点云，若无则认为可通行，若有则判断点云的个数，若小于设定的阈值则认为是传感器干扰杂点，依然可通行；否则按照下面的规则继续判断：

(1)切除前进通道内设定高度以下的点云，此高度依据足式机器人的越障高度进行设置，此高度以下的障碍均可依靠足式机器人的越障能力顺利通过。切除后重新判断点云个数，若小于设定阈值则认为是干扰杂点，依然可通行。否则进入(2)；

(2)切除前进通道内设定高度以上的点云，此高度依据足式机器人可下蹲的距离进行设置，此高度以上的障碍均可依靠足式机器人的半蹲行走顺利通过。切除后重新判断点云个数，若小于设定阈值则认为是干扰杂点，依然可通行；否则，判定为有障碍，执行停障或绕障策略。

作为一种可选的实施方式，足式机器人进行越障过程中，为了避免足式机器人抬脚时可能会踢到障碍物影响平衡甚至被障碍物绊倒的情况，本实施例还设计了足式机器人抬脚步态规划方法，具体过程如下：

足式机器人在行走时，腿部根据支撑状态分为支撑腿和摆动腿，支撑腿蹬地，足端后移推动躯干前进；摆动腿腾空前伸，为触地做准备。其中，摆动腿的摆动阶段按照足端在Z轴(竖直向上为正)的运动方向分为上升阶段和下降阶段，上升阶段即为抬脚阶段。

本实施例的足式机器人抬脚步态规划方法，采用同速后撤法，使摆动腿与支撑腿在前后方向的运动相关联，保证摆动腿相对于躯干的移动速度与支撑腿相对于躯干的移动速度相同，从而保证足式机器人在前进时摆动腿竖直抬起，避免踢到地面立面而影响平衡。

如图2所示，摆动腿抬脚时的运动轨迹可分为X轴(向前为正)轨迹和Z轴轨迹，同速后撤法的核心是保证摆动腿相对于躯干的移动速度与支撑腿相对于躯干的移动速度相同，即：

于是从地面坐标系来看，摆动腿足端无水平初速度。

为摆动腿的后撤速度；

为支撑腿的蹬地速度。

对于Z轴轨迹，采用以下方程中的任意一种均可：

其中，Z_max为迈步高度，t_Swing为摆动相的预计时长，t为进入摆动相后的计时时间，0≤t≤t_Swing。p_{Z_Swing}为摆动腿在Z轴的位置。

得到足端轨迹后，使用足端逆运动学方程，将X轴和Z轴坐标换算为关节转角，再通过关节伺服实现运动。逆运动学方程由腿部机械结构决定，因腿而异。具体地，该运动在XOZ平面内通过规划X轴和Z轴的足端轨迹，然后经过逆运动学方程换算至关节角度，然后通过伺服关节角度实现。

在躯干坐标系中，摆动腿和支撑腿后撤速度相同，支撑腿后撤推动躯干前进，摆动腿后撤避免碰撞障碍。从地面坐标系来看，摆动腿末端是竖直抬起的。

当足式机器人处于斜坡上时，X轴和Z轴轨迹规划方式与上述相同，但此时的X轴不再与前进方向相同，而是旋转至水平，Z轴竖直向上。该旋转角度为机器人的俯仰角，可由安装于机器人本体的惯性测量单元或其他传感器测出。此时摆动腿表现为竖直抬脚，如图3所示。

当地面障碍立面存在凸起时，可采用超速后撤法。该方法可用速度描述或位置描述，如图4所示。在躯干坐标系中，摆动腿的后撤速度大于支撑腿的后撤速度。从地面坐标系来看，摆动腿末端是边抬起边后撤的。

在具体实施中，摆动腿的后撤值可通过增加速度或增加位移量实现。

速度描述方程为：

其中，k>1，该参数可根据实际情况进行调整。

为摆动腿的后撤速度；

为支撑腿的蹬地速度。

位置描述方程为：

其中，d为抬脚结束后多后撤的距离，可根据地形预估，也可使用激光雷达或立体相机等传感器扫描地形后动态设定。p_{X_Swing}为摆动腿的后撤位置；p_{X_Support}为支撑腿的位置。t_Swing为摆动相的预计时长，t为进入摆动相后的计时时间，0≤t≤t_Swing。

上述的足式机器人抬脚步态规划方法也适用于砾石地形、草地等其他可能在抬脚时绊倒腿足式机器人的情况。

实施例二

根据本发明实施例，提供了一种变电站足式巡检机器人安全控制系统的实施例，包括：

三维点云获取模块，用于获取机器人周围设定范围内的路面特征信息和待检电力设备信息，形成三维点云；

坐标转换模块，用于将所述三维点云的坐标转换为地面坐标系下的坐标；

前进通道模块，用于基于足式机器人尺寸确定其前进通道的范围；

通行策略模块，用于基于前进通道距离范围内的点云数量，确定足式机器人的通行策略。

进一步地，为了避免足式机器人抬脚时可能会踢到障碍物影响平衡甚至被障碍物绊倒的情况，本实施例系统还包括：步态规划模块，用于对机器人抬脚步态进行控制。

需要说明的是，上述各模块的具体实现方法在实施例一中已经进行了详细的说明，不再赘述。

实施例三

根据本发明实施例，提供了一种变电站足式巡检机器人的实施例，包括实施例二中所述的变电站足式巡检机器人安全控制系统，或者采用实施例一中所述的变电站足式巡检机器人安全控制方法进行足式机器人巡检过程的安全控制。

实施例四

根据本发明实施例，提供了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中所述的变电站足式巡检机器人安全控制方法。

实施例一中的变电站足式巡检机器人安全控制方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (13)

1.一种变电站足式巡检机器人安全控制方法，其特征在于，包括：

获取机器人周围设定范围内的路面特征信息和待检电力设备信息，形成三维点云；

将所述三维点云的坐标转换为地面坐标系下的坐标；

基于足式机器人尺寸确定其前进通道的范围；

基于前进通道距离范围内的点云数量，确定足式机器人的通行策略。

2.如权利要求1所述的一种变电站足式巡检机器人安全控制方法，其特征在于，所述前进通道为具有设定长度、宽度和高度的三维立体通道结构；所述通道的尺寸根据足式机器人的尺寸确定。

3.如权利要求1所述的一种变电站足式巡检机器人安全控制方法，其特征在于，基于采集到的图像信息获取机器人周围设定范围内的路面特征信息和待检电力设备信息；对图像数据进行预处理，利用目标检测模型对图像进行检测，定位设定路面区域或者电力设备在图像中的位置，并利用路面特征分类模型或者设备分类模型对定位后的路面特征或者电力设备种类进行识别。

4.如权利要求1所述的一种变电站足式巡检机器人安全控制方法，其特征在于，基于前进通道范围内的点云数量，确定足式机器人的通行策略，具体包括：

如果前进通道内的点云个数小于设定阈值，判定足式机器人可以通行；

如果点云个数大于设定的阈值，切除前进通道内设定高度以上或者设定高度以下的点云数据；重新判定剩余点云数量，若小于设定阈值，则判定足式机器人可以通行，否则，判定为有障碍，执行避障策略。

5.如权利要求4所述的一种变电站足式巡检机器人安全控制方法，其特征在于，若切除前进通道内设定高度以上的点云数据后，剩余点云数量小于设定阈值，则控制足式机器人下蹲至该高度以下通行。

6.如权利要求4所述的一种变电站足式巡检机器人安全控制方法，其特征在于，若切除前进通道内设定高度以下的点云数据后，剩余点云数量小于设定阈值，则控制足式机器人跨越该高度通行。

7.如权利要求6所述的一种变电站足式巡检机器人安全控制方法，其特征在于，控制足式机器人跨越该高度通行时，采用同速后撤法，使得摆动腿相对于躯干的移动速度与支撑腿相对于躯干的移动速度相同；采用超速后撤法，使摆动腿的后撤速度超过支撑腿的蹬地速度。

8.如权利要求7所述的一种变电站足式巡检机器人安全控制方法，其特征在于，所述超速后撤法具体为：摆动腿的后撤速度大于支撑腿的后撤速度。

9.如权利要求7所述的一种变电站足式巡检机器人安全控制方法，其特征在于，所述超速后撤法具体为：摆动腿的后撤位置＝支撑腿的位置-抬脚结束后多后撤的距离与摆动相的预计时长的比值×进入摆动相后的计时时间。

10.如权利要求9所述的一种变电站足式巡检机器人安全控制方法，其特征在于，摆动腿抬脚时的运动轨迹包括X轴轨迹和Z轴轨迹，摆动腿在Z轴的位置根据迈步高度、摆动相的预计时长以及进入摆动相后的计时时间确定。

11.一种变电站足式巡检机器人安全控制系统，其特征在于，包括：

三维点云获取模块，用于获取机器人周围设定范围内的路面特征信息和待检电力设备信息，形成三维点云；

坐标转换模块，用于将所述三维点云的坐标转换为地面坐标系下的坐标；

前进通道模块，用于基于足式机器人尺寸确定其前进通道的范围；

通行策略模块，用于基于前进通道距离范围内的点云数量，确定足式机器人的通行策略。

12.一种变电站足式巡检机器人，其特征在于，包括权利要求11所述的变电站足式巡检机器人安全控制系统，或者采用权利要求1-10任一项所述的变电站足式巡检机器人安全控制方法。

13.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-10任一项所述的变电站足式巡检机器人安全控制方法。

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