CN112859840B - 一种变电站足式巡检机器人路径规划方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变电站足式巡检机器人路径规划方法及系统，包括：控制机器人沿设定的巡检路线运行，巡检过程中采集周边环境信息，识别出待检电力设备类型及当前运行路面特征；提取待检电力设备的语义信息，获得与所述待检电力设备相关联的监测点位信息；利用局部路径规划控制机器人脱离设定巡检路线，运行至待检设备最佳的观测位置进行巡检数据采集。本发明利用足式巡检机器人对站内各种路面环境适应性好的特点，在接近巡检设备时通过局部路径规划控制机器人脱离巡检任务设定全局巡检路线，环绕待检设备运行，可实现对待检设备的全方位巡检数据采集，并保证从最佳观测角度采集待检点位巡检数据。
Description
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路径规划方法及系统。
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。
与传统轮式巡检机器人运动平台相比，足式巡检运动平台具有更强的环境适应性和运动灵活性，既可以在站内草地、砂石路面等复杂路面环境运行，也可以跨越障碍、上下楼梯、翻越路边石等站内典型障碍，对站内复杂路面环境的适应能力得到了极大提高，从而为变电站全覆盖巡检提供了必要条件。
然而，由于变电站内部分区域存在防鼠挡板、安全围栏、施工防护网等固定或临时设施，约束了足式机器人站内巡检运行区域，如何规划合理巡检路线，实现机器人对变电站设备全覆盖巡检，最大化发挥足式巡检效益，则是目前机器人路径规划所面临的问题。
现有技术中对于巡检机器人的路径规划，往往是基于变电站内环境预先规划出巡检路径，这些路径虽然能够避开一些障碍设施，但是无法实现对变电站内设备的全方位巡检，同时受到规划路径的限制，也无法保证以最佳的观测角度获取巡检数据。
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路径规划方法及系统，通过机器人视觉系统对站内路面环境及待检设备的识别，将识别得到的语义信息加入路径规划，实现了足式机器人对变电站设备的全覆盖巡检。
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路径规划方法，包括：
控制机器人沿设定的巡检路线运行，巡检过程中采集周边环境信息，识别出待检电力设备类型及当前运行路面特征；
提取待检电力设备的语义信息，获得与所述待检电力设备相关联的监测点位信息；
依据机器人与检测点位相对位置关系以及当前运行路面特征，利用局部路径规划控制机器人脱离设定巡检路线，运行至待检设备最佳的观测位置进行巡检数据采集。
作为进一步的方案，巡检过程中采集的周边环境信息，具体包括：路面特征信息、障碍物信息和待检测电力设备信息。
作为进一步的方案，对采集到的图像数据进行预处理，利用目标检测模型对图像进行检测，定位路面特征信息、障碍物信息或者待检测电力设备信息在图像中的位置，并利用设备分类模型对定位后的特征信息、障碍物或者待检测电力设备种类进行识别。
作为进一步的方案，利用局部路径规划控制机器人脱离设定巡检路线，运行至待检设备最佳的观测位置之后，还包括：对足式巡检机器人进行站立位姿调整。
作为进一步的方案，进行站立位姿调整的具体方法包括：
获取足式巡检机器人站立平稳后的姿态信息和几何信息；
根据获取的姿态信息和几何信息，得到足端在肩关节坐标系中的初始坐标；
对肩关节坐标系进行旋转得到第二坐标系，进一步得到第二坐标系中髋关节相对于原点的位置，结合腿左右张开调整量、躯干调整量和初始坐标，得到新坐标。
作为进一步的方案，所述躯干调整量包括躯干扭转角调整量、躯干俯仰角调整量、躯干横滚角调整量、躯干左右平移调整量、躯干前后平移调整量和躯干上下平移调整量。
作为进一步的方案，所述几何信息包括躯干到大腿根部的长度、大腿长度和小腿长度，姿态信息包括躯干与大腿间的夹角以及大腿与小腿间的夹角。
作为进一步的方案，提取待检电力设备的语义信息，与设定的巡检任务中包含的待检电力设备信息进行匹配，得到待检电力设备在全局地图中的坐标以及与所述设备关联的检测点位信息。
作为进一步的方案，利用局部路径规划控制机器人脱离设定巡检路线运行至待检电力设备，在满足安全运行约束的条件下，环绕待检电力设备运行，以获得最佳观测位置。
作为进一步的方案，所述最佳观测位置满足：机器人当前坐标与检测点的坐标连线最接近法向量方向，且机器人离检测点距离最近。
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路径规划系统，包括：
信息采集模块，用于控制机器人沿设定的巡检路线运行，巡检过程中采集周边环境信息，识别出待检电力设备类型及当前运行路面特征；
信息提取模块，用于提取待检电力设备的语义信息，获得与所述待检电力设备相关联的监测点位信息；
局部路径规划模块，用于依据机器人与检测点位相对位置关系以及当前运行路面特征，利用局部路径规划控制机器人脱离设定巡检路线运行至待检设备最佳的观测位置进行巡检数据采集。
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路径规划系统，或者采用上述的变电站足式巡检机器人路径规划方法进行电力设备的巡检。
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路径规划方法。
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机器人全局巡检与局部巡检相结合的最优路径规划方法，在接近巡检设备时通过局部路径规划控制机器人脱离巡检任务设定全局巡检路线，环绕待检设备运行，解决变电站内临时设施约束机器人巡检路线问题，实现了足式机器人对变电站设备的全覆盖巡检，提高了机器人巡检的适应性，可实现对待检设备的全方位巡检数据采集，并保证从最佳观测角度采集待检点位巡检数据。
(2)本发明创新性提出一种足式机器人环绕式动态识别方法，构建待检电力设备类型及运行路面特征模型，开发足式机器人智能视觉识别系统，解决待检点位巡检数据不准确的难题，实现对待检设备的全方位巡检数据采集，降低足式机器人巡检时间，提高机器人巡检效率。
(3)本发明创新性提出了一种变电站巡检机器人机械臂姿态主动增稳控制方法，利用足式运动平台上安装的机械臂姿态的主动调整，辅助足式平台控制系统对平台姿态的控制，解决了足式运功平台由于搭载巡检作业设备而影响平台重心位置造成运动平台姿态难以稳定控制的问题，提升了足式巡检机器人在不同路面环境下的稳定性，增强了足式平台对站内不同路面的适应性，实现了在满足腿部各关节约束条件下，平台保持受力及转矩的平衡状态。
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为本发明实施例中的变电站足式巡检机器人路径规划方法流程图；
图2为本发明实施例中的变电站足式巡检机器人站立位姿调整过程示意图；
图3为本发明实施例中的足端坐标在肩关节坐标系中的坐标计算方法示意图。
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路径规划方法的实施例，参照图1，包括以下过程：
S101：控制机器人沿设定的巡检路线运行，巡检过程中采集周边环境信息，识别出待检电力设备类型及当前运行路面特征；
具体地，机器人接收巡检任务，沿巡检任务设定的全局巡检路线导航运行；机器人运行过程中，利用视觉传感器或激光雷达等传感器采集机器人周边环境信息，利用深度学习或其他模式识别技术识别待检电力设备类型、提取待检电力设备的语义信息及当前运行路面特征和边界。
其中，环境信息包括：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)、障碍物信息(屏柜、杆塔、避雷器、变压器、车辆、运维人员等)和待检电力设备信息(设备类型、位置、朝向等)。
S102：提取待检电力设备的语义信息，获得与所述待检电力设备相关联的检测点位信息；
具体地，提取待检电力设备语义信息及与机器人之间的相对位姿，之后与巡检任务中包含待检设备进行匹配,获得待检设备在全局地图中的坐标及与该设备关联的检测点位信息；
S103：依据机器人与检测点位相对位置关系以及当前运行路面特征，利用局部路径规划控制机器人脱离设定巡检路线运行至待检设备最佳的观测位置进行巡检数据采集。
为保证从最佳位置获取与待检设备关联检测点位图像，在机器人运行至设备周边后，依据机器人与检测点位相对位置关系以及前述识别的当前运行路面特征信息，利用局部路径规划控制机器人脱离设定巡检路线运行至待检设备，在满足安全运行约束(路面宽度、与周边障碍物距离)条件下围绕待检设备做环绕运行，同时依据下式使机器人运行至最佳观测位置进行巡检数据采集。
式中：nx,ny,nz为待检设备检测表面法向量，(xr,yr,zr)和(xj,yj,zj)分别为全局地图中机器人当前坐标与检测点位空间坐标。
机器人的当前坐标与检测点的坐标连线越接近法向量方向、机器人离检测点越近，则上述公式的值越小。即，最佳观测位置能够让机器人尽量在设备朝向的方向观测设备，且尽量靠近设备。
另外，利用局部路径规划控制机器人脱离设定巡检路线运行至待检设备后，在进行数据采集之前，还包括：对站立位姿进行调整的过程。
参照图2，该过程具体如下：
足式机器人的巡检步骤是逐个遍历预置的巡检点位，每当到达目标点附近时，逐渐减速直至踏步，随后切换至站立状态。
站立时，左右腿分开一定间距，使四只脚围成的支撑多边形大于肩关节和髋关节围成的四边形，增强机器人的站立稳定性，该间距需要按实际情况进行调整，太小会导致后续躯干偏移时失稳倾倒，太大会导致腿部侧摆角度达到机械极限。
站稳后，足式机器人根据定位程序的位置和姿态反馈，进行躯干的位姿调整。其中，位置调整包含前后调整(沿X轴平移)和左右调整(沿Y轴平移)，姿态调整为机器人左右扭转(绕Z轴扭转)。此外，足式机器人也可按照巡检需要进行躯干倾斜度的调整，即横滚角调整(绕X轴旋转)和俯仰角调整(绕Y轴旋转)。
下面介绍具体的姿态调整流程：
常规步态规划方式为控制四条腿末端在躯干坐标系下的位置，即BHIPpTOE来实现，本实施例将站立控制与姿态控制、腿张开的距离解耦，通过ΣP和ΣB两个坐标系来实现运动。
不改变原先的步态生成方式，站立步态输入PHIPpTOE，经变换后融入躯干位移、姿态调整量和左右脚分开的距离，生成新的BHIPpTOE，用于足端控制。
具体旋转方式和平移方式推导过程如下，如图2所示，单腿足端坐标在肩关节坐标系中的坐标为：
由图3可知：
PpTOE＝PRB BpTOE+PpB (2)
PRB＝RZ(φref)RY(θref)RX(ψref) (3)
PpTOE＝PHIPpTOE+PpHIP+δw (4)
进一步的，得到：
BHIPpTOE＝RX(-ψref)RY(-θref)RZ(-φref)(PHIPpTOE+PpHIP+PpB+δw)-BpHIP (5)
其中，
坐标系ΣP由ΣB旋转而成，旋转采用Z-Y-X欧拉角表示，由ΣP到ΣB的旋转矩阵为式(3)；其中，φref表示绕动坐标系Z轴的扭转角，θref表示绕动坐标系Y轴的俯仰角，ψref表示绕动坐标系X轴的横滚角，PHIPpTOE为坐标系ΣP中足尖相对于髋关节的位置，PpHIP为坐标系ΣP中髋关节相对于原点的位置。
由此即可通过在PHIPpTOE中加入姿态和位置信息，得到BHIPpTOE。
控制式(5)中的变量即可控制足式机器人进行调整运动，其中，xoffset表示足式机器人躯干前后平移调整量(前为正)；yoffset表示足式机器人躯干左右平移调整量(左为正)；ψref表示足式机器人躯干横滚角调整量(左倾为正)，θref表示足式机器人躯干俯仰角调整量(前倾为正)，φref表示足式机器人躯干扭转角调整量(左扭转为正)，W表示足式机器人腿左右张开调整量(张开为正)。
足式机器人到达巡检预置位附近后，先张开四条腿增加支撑面积，然后站立微调，此时躯干姿态不再晃动，因而可获得更精确的定位精度，从而通过原地躯干平移和原地躯干扭转提升了最终站立的位置精度和角度精度。
足式机器人站立时，左右腿分开一定间距，使四只脚围成的支撑多边形大于肩关节和髋关节围成的四边形，增强了机器人的站立稳定性，通过进一步的躯干调整，进一步的提高了站立的位置和角度精度。
S104：机器人脱离设定巡检路线完成当前设备对应所有点位数据采集后，利用局部路径规划控制机器人回到巡检任务设定的全局巡检路线继续巡检运行。
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路径规划系统的实施例，具体包括：
信息采集模块，用于控制机器人沿设定的巡检路线运行，巡检过程中采集周边环境信息，识别出待检电力设备类型及当前运行路面特征；
信息提取模块，用于提取待检电力设备的语义信息，获得与所述待检电力设备相关联的监测点位信息；
局部路径规划模块，用于依据机器人与检测点位相对位置关系以及当前运行路面特征，利用局部路径规划控制机器人脱离设定巡检路线运行至待检设备最佳的观测位置进行巡检数据采集。
作为可选的实施方式，为了增加足式机器人站立过程的稳定性，还包括：站立位姿调整模块，用于对足式机器人站立位姿进行调整。
需要说明的是，上述各模块的具体实现过程采用实施例一中公开的方法实现，不再赘述。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种变电站足式巡检机器人，包括实施例二中所述的变电站足式巡检机器人路径规划系统，或者采用实施例一中所述的变电站足式巡检机器人路径规划方法进行电力设备的巡检。
实施例四
在一个或多个实施方式中，公开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路径规划方法。
实施例一中的变电站足式巡检机器人路径规划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 (12)
1.一种变电站足式巡检机器人路径规划方法，其特征在于，包括：
控制机器人沿设定的巡检路线运行，巡检过程中采集周边环境信息，识别出待检电力设备类型及当前运行路面特征；
提取待检电力设备的语义信息，获得与所述待检电力设备相关联的监测点位信息；
依据机器人与检测点位相对位置关系以及当前运行路面特征，利用局部路径规划控制机器人脱离设定巡检路线，运行至待检设备最佳的观测位置进行巡检数据采集；
利用局部路径规划控制机器人脱离设定巡检路线，运行至待检设备最佳的观测位置之后，还包括：对足式巡检机器人进行站立位姿调整，具体步骤为：站立时，左右腿分开一定间距，使四只脚围成的支撑多边形大于肩关节和髋关节围成的四边形；站稳后，足式机器人根据定位程序的位置和姿态反馈，进行躯干的位姿调整；具体的姿态调整流程：
常规步态规划方式为控制四条腿末端在躯干坐标系下的位置，即BHIPpTOE来实现，将站立控制与姿态控制、腿张开的距离解耦，通过ΣP和ΣB两个坐标系来实现运动；
不改变原先的步态生成方式，站立步态输入PHIPpTOE，经变换后融入躯干位移、姿态调整量和左右脚分开的距离，生成新的BHIPpTOE，用于足端控制；
具体旋转方式和平移方式推导过程如下，单腿足端坐标在肩关节坐标系中的坐标为：
PpTOE＝PRB BpTOE+PpB (2)
PRB＝RZ(φref)RY(θref)RX(ψref) (3)
PpTOE＝PHIPpTOE+PpHIP+δw (4)
得到：
BHIPpTOE＝RX(-ψref)RY(-θref)RZ(-φref)(PHIPpTOE+PpHIP+PpB+δw)-BpHIP (5)
其中，
坐标系ΣP由ΣB旋转而成，旋转采用Z-Y-X欧拉角表示，由ΣP到ΣB的旋转矩阵为式(3)；其中，φref表示绕动坐标系Z轴的扭转角，θref表示绕动坐标系Y轴的俯仰角，ψref表示绕动坐标系X轴的横滚角，PHIPpTOE为坐标系ΣP中足尖相对于髋关节的位置，PpHIP为坐标系ΣP中髋关节相对于原点的位置；
由此通过在PHIPpTOE中加入姿态和位置信息，得到BHIPpTOE；
控制式(5)中的变量控制足式机器人进行调整运动，其中，xoffset表示足式机器人躯干前后平移调整量；yoffset表示足式机器人躯干左右平移调整量；ψref表示足式机器人躯干横滚角调整量，θref表示足式机器人躯干俯仰角调整量，φref表示足式机器人躯干扭转角调整量，W表示足式机器人腿左右张开调整量。
2.如权利要求1所述的一种变电站足式巡检机器人路径规划方法，其特征在于，巡检过程中采集的周边环境信息，具体包括：路面特征信息、障碍物信息和待检测电力设备信息。
3.如权利要求2所述的一种变电站足式巡检机器人路径规划方法，其特征在于，对采集到的图像数据进行预处理，利用目标检测模型对图像进行检测，定位路面特征信息、障碍物信息或者待检测电力设备信息在图像中的位置，并利用设备分类模型对定位后的特征信息、障碍物或者待检测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路径规划方法，其特征在于，进行站立位姿调整的具体方法包括：
获取足式巡检机器人站立平稳后的姿态信息和几何信息；
根据获取的姿态信息和几何信息，得到足端在肩关节坐标系中的初始坐标；
对肩关节坐标系进行旋转得到第二坐标系，进一步得到第二坐标系中髋关节相对于原点的位置，结合腿左右张开调整量、躯干调整量和初始坐标，得到新坐标。
5.如权利要求4所述的一种变电站足式巡检机器人路径规划方法，其特征在于，所述躯干调整量包括躯干扭转角调整量、躯干俯仰角调整量、躯干横滚角调整量、躯干左右平移调整量、躯干前后平移调整量和躯干上下平移调整量。
6.如权利要求4所述的一种变电站足式巡检机器人路径规划方法，其特征在于，所述几何信息包括躯干到大腿根部的长度、大腿长度和小腿长度，姿态信息包括躯干与大腿间的夹角以及大腿与小腿间的夹角。
7.如权利要求1所述的一种变电站足式巡检机器人路径规划方法，其特征在于，提取待检电力设备的语义信息，与设定的巡检任务中包含的待检电力设备信息进行匹配，得到待检电力设备在全局地图中的坐标以及与所述设备关联的检测点位信息。
8.如权利要求1所述的一种变电站足式巡检机器人路径规划方法，其特征在于，利用局部路径规划控制机器人脱离设定巡检路线运行至待检电力设备，在满足安全运行约束的条件下，环绕待检电力设备运行，以获得最佳观测位置。
9.如权利要求8所述的一种变电站足式巡检机器人路径规划方法，其特征在于，所述最佳观测位置满足：机器人当前坐标与检测点的坐标连线最接近法向量方向，且机器人离检测点距离最近。
10.一种变电站足式巡检机器人路径规划系统，其特征在于，包括：
信息采集模块，用于控制机器人沿设定的巡检路线运行，巡检过程中采集周边环境信息，识别出待检电力设备类型及当前运行路面特征；
信息提取模块，用于提取待检电力设备的语义信息，获得与所述待检电力设备相关联的监测点位信息；
局部路径规划模块，用于依据机器人与检测点位相对位置关系以及当前运行路面特征，利用局部路径规划控制机器人脱离设定巡检路线运行至待检设备最佳的观测位置进行巡检数据采集；
利用局部路径规划控制机器人脱离设定巡检路线，运行至待检设备最佳的观测位置之后，还包括：对足式巡检机器人进行站立位姿调整，具体步骤为：站立时，左右腿分开一定间距，使四只脚围成的支撑多边形大于肩关节和髋关节围成的四边形；站稳后，足式机器人根据定位程序的位置和姿态反馈，进行躯干的位姿调整；具体的姿态调整流程：
常规步态规划方式为控制四条腿末端在躯干坐标系下的位置，即BHIPpTOE来实现，将站立控制与姿态控制、腿张开的距离解耦，通过ΣP和ΣB两个坐标系来实现运动；
不改变原先的步态生成方式，站立步态输入PHIPpTOE，经变换后融入躯干位移、姿态调整量和左右脚分开的距离，生成新的BHIPpTOE，用于足端控制；
具体旋转方式和平移方式推导过程如下，单腿足端坐标在肩关节坐标系中的坐标为：
PpTOE＝PRB BpTOE+PpB (2)
PRB＝RZ(φref)RY(θref)RX(ψref) (3)
PpTOE＝PHIPpTOE+PpHIP+δw (4)
得到：
BHIPpTOE＝RX(-ψref)RY(-θref)RZ(-φref)(PHIPpTOE+PpHIP+PpB+δw)-BpHIP (5)
其中，
坐标系ΣP由ΣB旋转而成，旋转采用Z-Y-X欧拉角表示，由ΣP到ΣB的旋转矩阵为式(3)；其中，φref表示绕动坐标系Z轴的扭转角，θref表示绕动坐标系Y轴的俯仰角，ψref表示绕动坐标系X轴的横滚角，PHIPpTOE为坐标系ΣP中足尖相对于髋关节的位置，PpHIP为坐标系ΣP中髋关节相对于原点的位置；
由此通过在PHIPpTOE中加入姿态和位置信息，得到BHIPpTOE；
控制式(5)中的变量控制足式机器人进行调整运动，其中，xoffset表示足式机器人躯干前后平移调整量；yoffset表示足式机器人躯干左右平移调整量；ψref表示足式机器人躯干横滚角调整量，θref表示足式机器人躯干俯仰角调整量，φref表示足式机器人躯干扭转角调整量，W表示足式机器人腿左右张开调整量。
11.一种变电站足式巡检机器人，其特征在于，包括权利要求10所述的变电站足式巡检机器人路径规划系统，或者采用权利要求1-9任一项所述的变电站足式巡检机器人路径规划方法进行电力设备的巡检。
12.一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1-9任一项所述的变电站足式巡检机器人路径规划方法。
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