CN117128975A - 一种开关柜巡检作业机器人导航方法、系统、介质及设备 - Google Patents

一种开关柜巡检作业机器人导航方法、系统、介质及设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及导航技术领域，提供了一种开关柜巡检作业机器人导航方法、系统、介质及设备，包括：基于配电室地图和机器人姿态位置信息，规划出全局最优路径后，驱动机器人沿全局最优路径运动；其中，全局路径规划在A星算法中引入电缆沟盖板位置信息；对于A星算法的开放列表中的所有节点，按照移动代价由小到大，依次选取作为待选节点；对于某待选节点，做一条连接该待选节点与其父节点的直线，并求出横坐标在该待选节点与其父节点的横坐标之间的，且在直线上的所有点，作为储备点，并判断每个储备点是否处于电缆沟盖板位置；若所有储备点均不处于电缆沟盖板位置，则将该待选节点加入封闭列表。减少了巡检作业机器人对电缆沟盖板的损坏。

Description

一种开关柜巡检作业机器人导航方法、系统、介质及设备
技术领域
本发明属于导航技术领域，尤其涉及一种开关柜巡检作业机器人导航方法、系统、介质及设备。
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。
电力快速发展并持续转型升级，大电网不断延伸，电压等级不断提高，电网数字化智能化水平不断提升，伴随着人工智能技术的不断进步，机器人巡检作业技术在变电站中广泛应用。
开关柜巡检作业机器人是集操作和巡检功能为一体的电力机器人，应用于变电站配电室可有效降低变电运维人员带电操作的安全风险、提高变电运维人员的工作效率，有利于变电站集控及运检一体化工作的推进，提升电力巡检作业的智能化水平。
目前，巡检作业机器人在导航过程中存在以下问题：
（1）受室内设备及环境限制，机器人巡检作业时需要在电缆沟盖板上行走，目前常用变电站巡检机器人重量在80kg以上，长期在电缆沟盖板行走会造成电缆沟盖板损坏甚至机器人掉入电缆沟压坏电缆造成设备故障；
（2）巡检作业机器人进行自动充电时，需要在上下左右各个方向上定位精度实现毫米级别，只有这样才可以保证正负电极与充电桩有良好的接触，进而正常充电。但，在实际运行中，由于激光雷达近距离探测有盲区，导致定位精度不稳定，容易出现无法正常自动充电的问题。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种开关柜巡检作业机器人导航方法、系统、介质及设备，将电缆沟盖板的位置信息引入A星（A*）算法，优化A*算法的路径生成策略，使规划路径点尽可能少的覆盖电缆沟盖板区域，减少巡检作业机器人对电缆沟盖板的损坏。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种开关柜巡检作业机器人导航方法，其包括：
获取多种传感器采集的数据，采用视觉激光融合的环境感知算法，构建配电室地图，并得到机器人姿态位置信息；
基于所述配电室地图和机器人姿态位置信息，通过全局路径规划，规划出全局最优路径后，驱动机器人沿全局最优路径运动；
其中，全局路径规划在A星算法中引入电缆沟盖板位置信息；对于A星算法的开放列表中的所有节点，按照移动代价由小到大，依次选取作为待选节点；对于某待选节点，做一条连接该待选节点与其父节点的直线，并求出横坐标在该待选节点与其父节点的横坐标之间的，且在所述直线上的所有点，作为储备点，并结合电缆沟盖板位置信息，判断每个储备点是否处于电缆沟盖板位置；若所有储备点均不处于电缆沟盖板位置，则将该待选节点加入封闭列表，且一旦有节点加入封闭列表，则不再在开放列表中选取待选节点。
进一步地，若开放列表中的所有节点均被选取为待选节点后，依然没有节点加入封闭列表，则选取开放列表中移动代价最小的节点加入封闭列表。
进一步地，所述连接待选节点与其父节点的直线为：
其中，，(xn,yn)为父节点坐标，(xmin,ymin)为待选节点坐标。
进一步地，规划出全局最优路径后，通过局部路径规划，得到局部最优路径，并驱动机器人按照局部最优路径运动。
进一步地，所述多种传感器包括激光雷达、深度相机和惯性测量单元。
进一步地，所述视觉激光融合的环境感知算法在因子图中对视觉测程、激光测程、惯性测量单元预积分和闭环约束进行联合优化。
本发明的第二个方面提供一种开关柜巡检作业机器人导航系统，其包括：
环境感知模块，其被配置为：获取多种传感器采集的数据，采用视觉激光融合的环境感知算法，构建配电室地图，并得到机器人姿态位置信息；
路径规划模块，其被配置为：基于所述配电室地图和机器人姿态位置信息，通过全局路径规划，规划出全局最优路径后，驱动机器人沿全局最优路径运动；
其中，全局路径规划在A星算法中引入电缆沟盖板位置信息；对于A星算法的开放列表中的所有节点，按照移动代价由小到大，依次选取作为待选节点；对于某待选节点，做一条连接该待选节点与其父节点的直线，并求出横坐标在该待选节点与其父节点的横坐标之间的，且在所述直线上的所有点，作为储备点，并结合电缆沟盖板位置信息，判断每个储备点是否处于电缆沟盖板位置；若所有储备点均不处于电缆沟盖板位置，则将该待选节点加入封闭列表，且一旦有节点加入封闭列表，则不再在开放列表中选取待选节点。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种开关柜巡检作业机器人导航方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种开关柜巡检作业机器人导航方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明创新性提出将电缆沟盖板的位置信息引入A*算法，优化A*算法的路径生成策略，解决了巡检机器人长期在电缆沟盖板行走造成电缆沟盖板损坏的问题，使规划路径点尽可能少的覆盖电缆沟盖板区域，减少巡检作业机器人对电缆沟盖板的损坏。
本发明创新性提出搭载3D（三维）激光雷达、深度相机和惯性测量单元等传感器，采用视觉定位与激光定位紧耦合的设计方式，构建更加精确的点云地图，提高自主定位精度，当激光雷达定位或视觉定位中的一个无法获取精确定位时，另一个可独立运行；解决了由于激光雷达近距离探测有盲区，导致定位精度不稳定，容易出现无法正常自动充电的问题；保障了自主充电可靠性，使巡检作业机器人长效、稳定工作。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例一的一种开关柜巡检作业机器人导航方法的流程图；
图2是本发明实施例一的环境感知的流程图；
图3是本发明实施例一的A*算法流程图；
图4是本发明实施例一的改进A*算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例一
本实施例提供了一种开关柜巡检作业机器人导航方法。
本实施例提供的一种开关柜巡检作业机器人导航方法，通过搭载3D激光雷达、深度相机等传感器，获取配电室环境点云信息，采用视觉定位与激光定位紧耦合的设计方式，构建更加精确的点云地图，提高自主定位精度，当激光雷达定位无法获取精确定位时，视觉定位可独立运行，保障自主充电可靠性；同时将配电室电缆沟盖板位置信息引入机器人路径规划A*算法，规划出电缆沟盖板覆盖率最低的自主导航路径。
本实施例提供的一种开关柜巡检作业机器人导航方法，如图1所示，由巡检作业后台、环境感知、运动规划三部分构成。
环境感知，如图2所示，搭载三维激光雷达、深度相机、IMU（惯性测量单元）等传感器，采用视觉激光融合的环境感知算法，获取配电室环境点云信息，构建配电室三维地图并发布自身姿态位置信息。在本发明中，采用一个通过平滑和映射的紧密耦合激光雷达-视觉-惯性里程计的框架，用于实时状态估计和映射。该框架建立在因子图之上，由视觉定位和激光雷达定位两个子系统组成。当其中一个检测到故障时，两个子系统可以独立运行，或者当检测到足够多的特征时，两个子系统可以联合运行。视觉定位系统执行视觉特征跟踪，并可选择使用激光雷达帧提取特征深度。通过优化视觉重投影和IMU测量误差得到的视觉里程计作为激光雷达扫描匹配的初始估计，并在因子图中引入约束。在使用IMU测量对点云进行去斜后，激光雷达定位系统提取激光雷达边缘和平面特征，并将它们与在滑窗中保存的特征图相匹配。激光雷达定位系统中的系统估计状态被发送给视觉定位系统，以方便其初始化。在闭环检测中，候选匹配首先由视觉定位系统识别，然后由激光雷达定位系统进一步优化。在因子图中对视觉测程、激光测程、IMU预积分和闭环约束进行了联合优化。
运动规划，采用move_base（基于动作的路径规划）系统框架。
在全局路径规划节点中，将配电室电缆沟盖板位置信息引入，改进全局路径规划A*算法，接收到巡检作业后台发布的控制指令后，根据环境感知系统发布的地图信息和巡检机器人自身姿态信息，规划出电缆沟盖板覆盖率最低的全局最优路径，local_planner（局部路径规划）节点接收全局最优路径后根据实时环境信息实时发布局部最优路径，机器人底盘接收路径信息运动至目标点。
A*算法是一种属于智能规划方法的启发式算法，它具有简单的估值功能，广泛地应用于各种类型搜索问题，其借鉴了Dijkstra(狄克斯特拉)算法和最佳优先搜索算法，核心思想是在指定地图中规划出一条从起始位置到目标位置的最小移动代价路径，从起始位置到目标位置的移动代价估值函数f(n)为:
f(n)=g(n)+h(n)
其中：n表示路径搜索过程中的当前位置节点；g(n)表示从起始位置到当前位置节点的真实移动距离；h(n)表示从当前位置节点到目标位置节点的启发式函数，即预估移动代价。
A*算法是一种常用的最短路径算法，它的算法流程如图3所示，包括：
1、将地图栅格化，并初始化Open链表（开放列表）和Closed链表（封闭列表），Closed链表用来存放已经生成的节点，Open链表用来存放下一步要探索的节点；
2、将起始点放入Closed链表，假如起始点的邻近点既没有在开放列表或封闭列表里面，计算该邻近点的代价函数f(n）=g(n)+h(n)，并将其加入Open链表，将它的父节点指向当前点；
4、判断Open链表是否为空，如果为空说明在达到结束点前已经找完了所有可能的路径点，寻路失败，算法结束；否则继续；
5、访问Open链表中代价最小的那个节点，将其从Open链表移入Closed链表；
6、判断该点是否为结束点，如果是，则寻路成功，算法结束；否则继续步骤2。
本发明改进A*算法的路径生成策略，在算法中引入电缆沟盖板的位置信息，优化生成路径，使规划路径点尽可能少的覆盖电缆沟盖板位置，改进A*算法流程如图4所示。
本发明改进A*算法将Open链表中的选取评价函数f(n)按值的大小，由小到大排列，设各点为Pmin(xmin,ymin)、Pmin-1(xmin-1,ymin-1)、...、Pmax(xmax,ymax)，设当前点为P(xn,yn)，并判断待选节点与当前节点（其父节点）之间是否存在电缆沟盖板区域，即作一条连接当前节点与待选节点的直线L（以fmin(n)最小节点为例），已知当前节点与待选节点的坐标，则直线L的解析式可由式（1）和式（2）求出：
（1）
（2）
根据直线L方程，求出横坐标在(xn,xmin)之间线上的所有点Pa，作为储备点，逐个判断这些储备点是否处于电缆沟盖板区，如果Pa有点处于电缆沟盖板区，则按照f(n)由小到大的顺序计算下一个待选节点，直至选中Pa都不处于电缆沟盖板区的待选节点，选择该节点并将该点存入Closed链表；若所有Pa都有处于电缆沟盖板区的点，则选择f(n)值最小的节点存入Closed链表。经过改进A*算法生成的路径点尽可能避免了电缆沟盖板的位置，减少了巡检作业机器人对配电室电缆沟盖板的损坏。
本实施例中，全局路径规划在A*算法中引入电缆沟盖板位置信息；对于A*算法的开启列表中的所有节点，按照移动代价估值由小到大，依次选取作为待选节点；对于某待选节点，做一条连接该待选节点与其父节点的直线，并求出横坐标在该待选节点与其父节点的横坐标之间的，且在所述直线上的所有点，作为储备点，并结合电缆沟盖板位置信息，判断每个储备点是否处于电缆沟盖板位置；若所有储备点均不处于电缆沟盖板位置，则将该待选节点加入封闭列表，且一旦有节点加入封闭列表，则不再在开放列表中选取待选节点；若开放列表中的所有节点均被选取为待选节点后，依然没有节点加入封闭列表，则选取开放列表中移动代价估值最小的节点加入封闭列表。
巡检作业后台，用于给巡检作业机器人发布巡检、作业、充电等控制指令。巡检作业后台通过无线通信网络下达任务指令，实时监控开关柜状态及机器人作业过程，与后台运维人员交互完成开关柜作业功能。任务层采用ROS机器人操作系统，采用点对点的分布式通信机制，实现模块间点对点的松耦合连接，利用其最核心的通信机制话题（Topic）通信机制、服务（Service）通信机制、参数（Parameter）管理机制，实现与环境感知系统、运动规划控制系统内部的通信服务。任务层通过网络接收后台指令后，采用ros服务通信将作业目标点发布给运动规划控制系统。运动规划系统接收任务层任务，获取目标点坐标，结合环境感知系统发布的外界环境信息，生成最优规划路径并运动至目标点，并将作业状态、机器人姿态位置、电量等信息实时发送给任务层，任务层不仅解析数据通过网络通信发送至后台，使后台运维人员清晰获取机器人当前位置、任务完成情况，并且当任务层判断机器人电量低于设定阈值时，自动发布自主充电指令，机器人保存当前状态并自主导航至充电桩位置处，基于激光与视觉融合的算法进行定位，准确识别充电接口并连接，在判断电量充满后，任务层取出保存的任务指令，机器人重新工作。
本实施例提供的一种开关柜巡检作业机器人导航方法，通过搭载3D激光雷达、深度相机等传感器，获取配电室环境点云信息，采用视觉定位与激光定位紧耦合的设计方式，构建更加精确的点云地图，提高自主定位精度，当激光雷达定位系统或视觉定位系统无法获取精确定位时，另一套系统可独立运行，保障自主充电可靠性，使巡检作业机器人长效、稳定工作；在运动规划控制中，改进传统的路径规划A*算法，将电缆沟盖板的位置信息引入A*算法，优化A*算法的路径生成策略，使规划路径点尽可能少的覆盖电缆沟盖板区域，减少巡检作业机器人对电缆沟盖板的损坏。
实施例二
本实施例提供了一种开关柜巡检作业机器人导航系统，其具体包括：
环境感知模块，其被配置为：获取多种传感器采集的数据，采用视觉激光融合的环境感知算法，构建配电室地图，并得到机器人姿态位置信息；
路径规划模块，其被配置为：基于所述配电室地图和机器人姿态位置信息，通过全局路径规划，规划出全局最优路径后，驱动机器人沿全局最优路径运动；
其中，全局路径规划在A*算法中引入电缆沟盖板位置信息；对于A*算法的开放列表中的所有节点，按照移动代价由小到大，依次选取作为待选节点；对于某待选节点，做一条连接该待选节点与其父节点的直线，并求出横坐标在该待选节点与其父节点的横坐标之间的，且在所述直线上的所有点，作为储备点，并结合电缆沟盖板位置信息，判断每个储备点是否处于电缆沟盖板位置；若所有储备点均不处于电缆沟盖板位置，则将该待选节点加入封闭列表，且一旦有节点加入封闭列表，则不再在开放列表中选取待选节点。
此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的一种开关柜巡检作业机器人导航方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的一种开关柜巡检作业机器人导航方法中的步骤。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (10)

1.一种开关柜巡检作业机器人导航方法，其特征在于，包括：
获取多种传感器采集的数据，采用视觉激光融合的环境感知算法，构建配电室地图，并得到机器人姿态位置信息；
基于所述配电室地图和机器人姿态位置信息，通过全局路径规划，规划出全局最优路径后，驱动机器人沿全局最优路径运动；
其中，全局路径规划在A星算法中引入电缆沟盖板位置信息；对于A星算法的开放列表中的所有节点，按照移动代价由小到大，依次选取作为待选节点；对于某待选节点，做一条连接该待选节点与其父节点的直线，并求出横坐标在该待选节点与其父节点的横坐标之间的，且在所述直线上的所有点，作为储备点，并结合电缆沟盖板位置信息，判断每个储备点是否处于电缆沟盖板位置；若所有储备点均不处于电缆沟盖板位置，则将该待选节点加入封闭列表，且一旦有节点加入封闭列表，则不再在开放列表中选取待选节点。
2.如权利要求1所述的一种开关柜巡检作业机器人导航方法，其特征在于，若开放列表中的所有节点均被选取为待选节点后，依然没有节点加入封闭列表，则选取开放列表中移动代价最小的节点加入封闭列表。
3.如权利要求1所述的一种开关柜巡检作业机器人导航方法，其特征在于，所述连接待选节点与其父节点的直线为：
其中，，(xn,yn)为父节点坐标，(xmin,ymin)为待选节点坐标。
4.如权利要求1所述的一种开关柜巡检作业机器人导航方法，其特征在于，规划出全局最优路径后，通过局部路径规划，得到局部最优路径，并驱动机器人按照局部最优路径运动。
5.如权利要求1所述的一种开关柜巡检作业机器人导航方法，其特征在于，所述多种传感器包括激光雷达、深度相机和惯性测量单元。
6.如权利要求1所述的一种开关柜巡检作业机器人导航方法，其特征在于，所述多种传感器包括激光雷达、深度相机和惯性测量单元。
7.如权利要求1所述的一种开关柜巡检作业机器人导航方法，其特征在于，所述视觉激光融合的环境感知算法在因子图中对视觉测程、激光测程、惯性测量单元预积分和闭环约束进行联合优化。
8.一种开关柜巡检作业机器人导航系统，其特征在于，包括：
环境感知模块，其被配置为：获取多种传感器采集的数据，采用视觉激光融合的环境感知算法，构建配电室地图，并得到机器人姿态位置信息；
路径规划模块，其被配置为：基于所述配电室地图和机器人姿态位置信息，通过全局路径规划，规划出全局最优路径后，驱动机器人沿全局最优路径运动；
其中，全局路径规划在A星算法中引入电缆沟盖板位置信息；对于A星算法的开放列表中的所有节点，按照移动代价由小到大，依次选取作为待选节点；对于某待选节点，做一条连接该待选节点与其父节点的直线，并求出横坐标在该待选节点与其父节点的横坐标之间的，且在所述直线上的所有点，作为储备点，并结合电缆沟盖板位置信息，判断每个储备点是否处于电缆沟盖板位置；若所有储备点均不处于电缆沟盖板位置，则将该待选节点加入封闭列表，且一旦有节点加入封闭列表，则不再在开放列表中选取待选节点。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的一种开关柜巡检作业机器人导航方法中的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6中任一项所述的一种开关柜巡检作业机器人导航方法中的步骤。
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