变电站智能巡检机器人激光导航系统研究.pdf

1、文章编号 ： 1 0 0 1 9 9 4 4 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 0 5 0 5 变电站智能巡检机器人 激光导航 系统研究 肖 鹏 ， 栾贻青 ， 郭 锐 ， 王 明瑞 ， 孙 勇 ( 山东电力研 究院 国家 电网电力机器人技术实验室 ， 济南 2 5 0 0 0 2 ) 摘要 ： 针对现有变电站智能巡检机器人导航定位方式的不足 ， 将 激光定位技 术应用于巡检 机 器人 导航 。设计 了巡检机 器人激光导航原 型系统 ，并在 室外环境 下对其进行 了实验 测 试 ， 实验结果表 明 ， 巡检机 器人运行 平稳 ， 具有较 高的导航控制精度。另外 ， 文 中详 细论述 了巡

2、检机 器人激光导航 系统 实现过程 中所涉及 的激光 定位及 导航控 制原理 ，并给 出了导 航 系统 的硬 件 组 成 结 构和 软 件 执 行 流 程 关键词 ： 变电站 ； 巡检机器人 ； 激光导航 中图分类号 ： T P 2 4 2 3 文献标 志码 ： A Re s e a r c h o f t h e La s e r Na v i g a t i o n S y s t e m f o r t h e I n t e l l i g e n t Pa t r o l Ro bo t XI AO Pe n g， L UAN Yi q i n g， GU0 Ru i ， W ANG

3、 Mi n g r u i ， SUN Yo ng ( S h a n d o n g E l e c t ric P o w e r Re s e a r c h I n s t i t u t e， S t a t e Gr i d E l e c t r i c P o w e r R o b o t i c L a b o r a t o r y， J i n a n 2 5 0 0 0 2， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ai me d a t t h e d e f i c i e n c y o f t h e n a v i g a t i o n

4、s y s t e m o f t h e i n t e l l i g e n t p a t r o l r o b o t ， t h e l a s e r p o s i t i o n i n g t e c h n o l o g y w a s a p p l i e d t o t h e n a v i g a t i o n o f t h e r o b o t ， a p r o t o t y p e n a v i g a t i o n s y s t e m w a s d e s i g n e d， a n d a n e x p e r i me n

5、t a l t e s t wa s ma d e i n t h e o u t d o o r e n v i r o n me n t E x p e ri me n t t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e r o b o t r u n n i n g w a s s t e a d y a n d t h e q u a l i t y o f n a v i g a t i o n wa s p r e c i s e I n a d d i t i o n， t h e t h e o ry o f l a s e r p o

6、s i t i o n i n g a n d n a v i g a t i o n c o n t r o l i n v o l v e d i n t h e l a s e r n a v i g a t i o n s y s t e m w a s d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r ， t h e h a r d wa r e s t r u c t u r e a n d s o f t w a r e fl o w c h a r t o f t h e n a v i g a t i o n s y s t e m we r e

7、 a l s o g i v e n o u t Ke y wor ds ： s u b s t a t i o n； pa t r o l r o bo t； l a s e r na vi g a t i on 变电站智 能巡检机器 人是一种室外轮式移动 机器人 ， 其可 以携带可见光 、 红外等检测设备对室 外变 电站 内设备进行全时段 自主巡检【 ” 。导航 和定 位 是 巡检 机 器人 完全 自主运 行 的关 键 ， 巡 检 机器 人 导航 系统 的性能直接决定了其完成巡检任务 的质 量 。 目前 ， 变 电站现 场 运行 的巡 检机 器 人 均 采用 磁 轨迹引导配合 R F I

8、D定位的导航定位方式 ，该方式 需要预先在机器人运行路线上埋设磁轨迹 ， 并在机 器人需要停靠 的位置埋设 R F I D标签 ；机器人运行 过程 中， 机器人上的磁传感器阵列检测机器人运动 中心相对 于磁轨迹的偏移 通过运动控制器控制左 右两轮差速 ，从而使机器人 沿设定路线运行 ； R F I D 读 卡器 则在 检测 到埋设 在路 径上 的标 签后通 知机 器 人到达设定位置 。 此 时机器人可在车载计算机控制 下完成停靠 、 转向、 加减速、 设备检测等动作l 2 l 。该方 式虽然具有导航定位重复精度高 、 抗干扰能力强等 特点 。 但在实际使用中也面临一些问题， 比如磁轨迹 铺 设

9、 时地 面施 工复 杂 工作 量 大 、 机 器人 运 行路 线 不 收稿 日期 ： 2 01 1 - 0 9 1 9： 修 订 1 3期 ： 2 01 1 -l l 一 2 9 基金项 目： 山东 电力研究院科研基金项 目( K Y 2 0 1 1 - 1 5 ) 作者简介 ： 肖鹏 ( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 硕士 ， 工程师 ， 主要从事机器人导航控制 、 电机控制、 嵌入式软件开发方面的研究。 自 动 化 与 仪 表 2 0 12 (5 ) 日 灵 活 、机器人越 障高度受限于磁传感 器检测距离 等 ， 这些问题在现有方式下较难解决。 针对 以上问题 ， 一些新的导航定位方

10、式被应用 于巡检机器人导航 ， 其中 ： 文献f 3 1 介绍 了一种基于 地面标志引导 的巡检机器人单 目视觉导航方法 ， 其 通过摄像机采集路面图像并从 中提取引导线和停 靠标志 使机器人沿设定路线运行和停靠 ， 但未解 决对 于十字路 口以及黑暗条件灯光照射下 的导航 问题 ， 并且路面导航标志 的污染势必会影响其导航 定位性能 ； 文献 4 1 给出了高精度差分 G P S应用于巡 检机器人导航的具体实施方式 探讨 了 G P S在变电 站强电磁环境下所受干扰的特点与原因； 文献 5 1 则 提 出了一种巡检机器人 D G P S D R组合导航方案， 该 方案 中当 G P S信号受

11、干扰后就切换至 D R导航 ， 但 是 G P S和 D R未进行有效的数据融合 ， 导致切换至 D R导航 时机器人 导航精度快速下降 ； 文献 6 7 1 分 别 探 讨 了 巡 检 机 器 人 G P S D R 和 G P s 惯 性 组 合 导 航 中的数据融合方法 ， 利用卡尔曼滤波对 G P S和各 传感器数据进行有效融合 ，取得了 良好的效果 ， 但 是这两种方法对 G P S输 出数据 中定位精度指示延 迟比较敏感 对 G P S设备性能要求较高。 目前 ， 可用于室外机器人导航定位 的方式除上 述介绍之外还有超声波 、 激光 、 地 图匹配和无线传 感 器 网络 等 。 由

12、 于巡 检机 器人 运 行需 要 厘 米级 导 航 定位精度 ， 而激光导航具有定位设备成本低 、 可全 时段工作 、 不受 电磁干扰 、 定 位精度高 、 无 累积误 差 、 地面附属设施施工简单等特点 ， 因此特别适合 于机器人 的高精度导航定位。鉴于已公开刊物中还 未有激光导航在巡检机器人 中应用 的相关文献 ， 本 文将其应用于巡检机器人 ， 探讨 了巡检机器人激光 导航 系统 的组成结构及其在应用 中涉及 的原理方 法 ，利用 S I C K公 司的 N A V 2 0 0系 统 开发 了一 个 巡 检机器人激光导航原型系统并进行了导航实验 。 1 巡检机器人激光导航 系统原理 1

13、1 激 光定 位原 理 实现巡检机器 人激光导航 的关键是通过激 光 传感器确定机器人在全局坐标系下的位置。本文所 述的激光定位是一种基于人工路标( 简称“ 路标 ” ， 下同) 的定位方式 ， 其 一般利用旋转激光传感器 检 测环境中的路标 ， 经三角几何计算就可得到传感器 在全局坐标系下的位置和方向。相关定位算法主要 有 三边 测 量法 和三 角测 量 法 ， 三 边测 量 法 是通 过测 量 已知路标 与机器人之间的距离来 实现机器人定 位 ， G P S是该方法应用 比较成功的例子 ， 但该方法要 求整个系统中存在一个高精度的时间基准以保证距 离测量的准确性 ， 实施较困难 ： 而三角

14、测量法实施过 程相对简单 ， 因此得到了广泛应用 ， 激光定位也是利 用 该方法 实现 。 其定 位原理 如 图 1 所示 。 D 图 1激 光 足位 原 理 图 F i g 1 L a s e r p o s it io n p r i n c i p l e 图 1中 ，在所需定位环境 中的固定位置安装 ( n 3 ) 个路标 ， 并建立全局坐标 系 xo Y， 各路标在 xo Y坐标系下的位置已知； 以旋转激光传感器转动 中心 o 建立传感器坐标系 o Y ，传感器每扫描 一周就会得到被检测到路标相对于 轴 的夹角 九 ( i = 1 ， 2 ， ， ) ； 检测 到环 境 中至少 3个

15、 路标 后 ， 经过 迭代计算就可以得到传感器转动中心 D 在全局坐 标系 x o Y下的坐标 ( ， Y ) 以及传感器 坐标 系 轴 与全局坐标系 轴之间的夹角 0 ，其涉及 的具体计 算方法可参见文献f 8 】 。 1 2导 航控 制原 理 根据文献 4 所述 ， 由于变电站 内巡检路线中的 路 径 绝大 多数 为直 线 机 器人 运 行路 径 均 可 简化 为 直 线 路径 对 于巡 检路 线 中长距 离 转弯 则 可用 几 段 直线路径代替 ， 因此机器人导航控制就可归结为对 机 器 人相对 于 当前 运行 路 径 的位 置偏 差 A S和航 向 偏差 A O的控制。实际导航时 ，

16、利用激光定位传感器 实时输出的高精度定位数据 。 由机器人运动控制器 处理后闭环控制机器人左右两轮速度 。 使其始终沿 着预先设定 的巡检路线运行。 巡检机器人导航控制原理如图 2所示 ， 激光定 位传感器预先存储环境 中所有路标在全局坐标系下 的坐标值 ， 机器人导航时， 定位传感器 自动将检测到 Au t o mat i o n I n s t r u m e nt a t i o n 20 1 2f 5 1 的路标与存储 的路标匹配 ， 进而计算得到机器人位 置航 向信息。 博 s c ， 箍 葬 星 图 2巡 检 机器 人导 航 控 制 原 理 F i g 2 Na v i g a t

17、 i o n c o n t r o l p r i n c i p l e o f p a t r o l r o b o t 巡检机器人导航过程中位置及航向偏差如图 3 所示 图中旋转激光传感器转动 中心与机器人运动 中心重合 ，传感器坐标系中的 轴与机器人纵轴重 合 这样激光定位得到的坐标和方 向即为机器人在 全局坐标系下的位置( ， y ) 和航 向0 。 路标 路标 P 1 ( ， _ 一 P 2 ( z ， ) 一一一一一一- 路径方 向 路标 路标 路标 图 3巡检机器人位置及航 向偏差 F ig 3 P o s i t io n a n d b e a r i n g er r

18、 o r o f p a t r o l r o b o t 如图 3所示 ， 已知全局坐标系 X O Y下路径起点 尸 l ( ， Y ) 和终点 P 2 ( z ， y 2 ) ， 由以下两式即可求得机 器人与行驶路径的位置偏差 S和航向偏差 A O t 4 J ： = 毙 A O ： 0 一 t a n 一 1 f 丝 1 Xf 。 c 1 j ( 2 ) 式 中： 参与 计算的角度数据取值范围为 0 ， 3 6 0 ) ， S和 A 0的正 负 反 映 了巡 检 机 器人 相对 于 运 行 路 径 是偏 右还是 偏左 。 假定 机 器人运 行速 度为 为 了调 整机 器人 运 行姿态

19、， 可根据计算得 到的 A S和 A O ， 分别 乘 以系 数 和 ( 均为非负值 ， 具体数值可由现场调试确 定 ) ， 就可得到机器人两轮的速度控制量增量 AV = K s A S A O ( 3 ) 最终输出给左右两轮的运行速度 和 分别为 V = K ( V - AV) ( 4 ) V R = K e ( + V ) ( 5 ) 式 中： 乘 以系数 是为了保证机器人可以在设定停 自动化与仪表2 0 1 2 5 ) 靠点 P x p ， y P ) 准确停靠 ， 可按如下方法确定 ： f l d r K p = d r s d r ( 6 ) 【0 d d = 、 ( y ) ： (

20、 一 ) ( 7 ) 式中： d为机器人当前位置与停靠位置之间的距离 ； r 为设定的停靠控制范围， 如 图 2 所示。当机器人进 入设定的停靠控制范围 r 后 ， 机器人开始减速， 待机 器人停靠误差小于允许值 后 ， 机器人停止运动。 2巡检机器人激光导航 系统设计 2 1 硬件 系统 设计 目前大部分激光定位应用受到系统中传感器工 作环境温度、 防护等级等条件限制， 主要应用于室内 环境。随着技术的发展 。 适合室外应用 的激光定位产 品 相 继 问世 ，如 S I C K 的 N A V 3 0 0 、 D a n a h e r Mo t i o n 的L S 5 、 G U I D

21、 A N C E N A V I G A T I O N 的 L S M- N a v i g a t o r 等。本文开发的原型系统中，激光定位部分使用了 S I C K公司的 N A V 2 0 0系统 ， 该系统 由一台旋转激光 传感器和若干反光路标组成 ； 旋转激光传感器包含 了激光发射装置、 接收装置和计算单元 ， 其路标检测 的最远距离为 2 8 5 m， 定位精度为 2 5 mm， 定 向精 度为 0 1 。 ， 数据输出频率为 8 H z 9 。 虽然 N A V 2 0 0是 一款室内型的激光定位系统 ， 但 之后 的实验测试表 明， 在环境温度符合其工作要求的前提下， 短时

22、间的 室外应用对其定位性能几乎不产生影响： 另外 ， 不论 室 内和室外应用 ， 激光定位系统均通过旋转激光传 感器检测周 边 3 6 0 。 二维平面 内预先设置的路标来 计算其在全局坐标系下位置和方 向 因此为 了验证 巡检机器人导航控制原理及系统工作性能 。 本文所 述激光导航原型系统以 N A V 2 0 0激光定位系统为基 础进行开发。巡检机器人运动控制器通过 R S 2 3 2接 口与 N A V 2 0 0进行通信 ， 一方面采集当前机器人实 际运行速度并传送至 N A V 2 0 0供其定位计算使用 ， 另 一 方 面接 收 N A V 2 0 0输 出 的定 位数 据 ， 根

23、 据 后 台 监控计算机下发的导航任务控制机器人沿设定路线 运行。另外 ， 运动控制器还将机器人导航运行数据 ， 通过无线方式 回传至后台监控计算机。巡检机器人 激光导航系统的硬件组成如图 4所示。 2 2软 件 系统 设计 软 件 系统 由运 动控 制器 软件 和后 台监控 软件 两 部 分组 成 。 f C 0_ ( ( 0 C ( 0 ( C ( 、0C 。c C ( C ( 。C 0 0C C 。C 5 欢 迎 投 稿 欢 迎 订 阅 欢 迎刊 登广 告 2 t 0 c 9 ) (1 0 0 o 0 ( ： ( 自 动 化 s 仪 表2 0 1 2 (5) O00OO00OOOOO0O 40 4 罐 p