鄧立林

（寧波智電電力科技有限公司，浙江 寧波 315000）

基于ROS的室內(nèi)變電站設(shè)備巡檢機器人定位技術(shù)

鄧立林

（寧波智電電力科技有限公司，浙江 寧波 315000）

在我國經(jīng)濟不斷發(fā)展的形勢下，對電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量要求也越來越高，也推進了電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化自動化進程，對于變電站設(shè)備巡檢機器人的要求也有所提升。室內(nèi)變電站設(shè)備巡檢機器人要想完成巡檢任務就需要定位準確。而巡檢機器人在巡檢工作中還存在一定的問題.文中就圍繞室內(nèi)變電站設(shè)備巡檢機器人的定位問題進行研究，并且對ROS系統(tǒng)軟件以及室內(nèi)定位技術(shù)進行分析。

ROS；室內(nèi)變電站設(shè)備；巡檢機器人，定位技術(shù)

在我國目前電力行業(yè)已引進了機器人技術(shù)，來實現(xiàn)對變電站設(shè)備的巡檢工作，而采用機器人進行巡檢工作面臨的就是機器人運行中的定位問題。以下就對機器人定位技術(shù)進行分析，并且對機器人在ROS基礎(chǔ)上實現(xiàn)定位的方法進行研究，在ROS系統(tǒng)軟件的支持下，實現(xiàn)機器人的準確定位，為機器人提供更好的應用前景。

1 ROS的開發(fā)進程

ROS是由Ubantu的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，在機器人操作和控制系統(tǒng)中得到廣泛應用，是一種系統(tǒng)軟件框架。ROS集合了當下最流行的服務軟件技術(shù)，可以說是集諸多優(yōu)點與一身。ROS是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議作用于節(jié)點與數(shù)據(jù)，因此，可以實現(xiàn)對不同語言和功能的代碼集成。ROS的作用就是可以完成對代碼的復用，是在不改變原代碼的基礎(chǔ)上，將代碼在不同類型機器人上進行復用，由于這一特點，機器人的開發(fā)人員可以對不同機器人的功能進行復用，避免重復編寫代碼帶來的時間浪費。

ROS是在2007年由StanfordUniversity人工智能實驗室在斯坦福的AI機器人項目中研發(fā)的一款技術(shù)控制軟件。自2008年就由WillowGarage公司以及20多家研究機構(gòu)共同研發(fā)。至今，已經(jīng)有多家研發(fā)機構(gòu)加入到研發(fā)團隊中，同時，也有眾多公司將公司產(chǎn)品向ROS擴展。ROS旨在為軟件提供操作環(huán)境，它通過節(jié)點進行功能的組織與復用，通過對ROS庫的使用可以隨時使用其他人開發(fā)出的資源。目前，較為成熟的ROS產(chǎn)品還較少，由于ROS展現(xiàn)出了良好的發(fā)展前景。為了推動ROS在工業(yè)領(lǐng)域的應用，在2013年由多家機構(gòu)聯(lián)合創(chuàng)建了ROS-Industrial聯(lián)盟，該組織的成立是為了實現(xiàn)先進技術(shù)的發(fā)展。

2 變電站巡檢機器人的研究現(xiàn)狀

我國自2010年開始了ROS的研發(fā)工作，在市場需求的影響下，2012年又有一批科研機構(gòu)投入其中。當前，我國對ROS的研發(fā)工作已經(jīng)初具成效，但是研發(fā)出的科技產(chǎn)品還是無法達到市場的需求，而與發(fā)達國家相比，也還是處于ROS研發(fā)的初級階段。電力機器人的研發(fā)工作早在改革開放以后就已經(jīng)開始了，由于生產(chǎn)所需的電力增多，致使變電站的巡檢工作增多，這就推進了電力行業(yè)現(xiàn)代化自動化發(fā)展的進程。同時，變電站巡檢機器人的研究工作也得到了國家的大力支持。

某研究院對變電站巡檢機器人的國家項目進行研發(fā)，且在2012年在其他研究院校的幫助下推出第三代與第四代變電站巡檢機器人，這兩代機器人成功的投入到變電站巡檢工作中。同年，某自動化研究機構(gòu)也研發(fā)出了一款可以在冰雪環(huán)境下進行巡檢的機器人。

3 巡檢機器人的工作流程及問題

（1）巡檢機器人的工作流程。室內(nèi)變電站巡檢機器人的工作內(nèi)容是移動機器人根據(jù)設(shè)定好的路線對室內(nèi)變電站內(nèi)部的設(shè)備運行情況進行巡檢，另外一種是相關(guān)人員對移動機器人進行遠程操控來完成巡檢工作。室內(nèi)變電站的設(shè)備包括電壓變換器、斷路器、真空開關(guān)及電力線等，巡檢機器人需要完成的是對這些設(shè)備的運行情況和數(shù)據(jù)讀取是否正常進行檢測，做到對變電站的實施監(jiān)控，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定提供支持。圖1為移動機器人的巡檢流程。

（2）巡檢機器人巡檢過程中的問題。變電站內(nèi)的環(huán)境比較復雜，移動機器人要想完成對室內(nèi)變電站的巡檢工作，就需要有較強的抗干擾性，并且具備定位準確優(yōu)勢。作為室內(nèi)變電站的巡檢機器人必須具備精準的定位與導航能力，這樣才能實現(xiàn)自動化與智能化。變電站內(nèi)部的設(shè)備多為金屬材質(zhì)，且流通的電壓與電流較大。而內(nèi)部的設(shè)備又較為密集，致使周圍的磁場受到影響，沒有規(guī)律可循。在巡檢機器人采用磁敏傳感器時，一旦靠近變電站設(shè)備就可能受到周圍磁場的影響導致機器人失去作用，為此，在室內(nèi)變電站的巡檢工作中應該避免使用磁敏傳感器的機器人。

當前變電站巡檢機器人比較常采用的導航定位方式是埋入式加RFID的方式。具體操作方式是將磁導軌按照需要巡檢的路線埋入地下約為1cm的位置，并且在需要檢測的設(shè)備上加RFID卡，以這種方式來實現(xiàn)導航定位的目的。然而，這種方式有一定的弊端，就是巡檢機器人的路線固定，缺乏靈活性，同時在施工方面工程也較為巨大，資金的投入也較多。電力公司對巡檢機器人的要求是能夠順利完成巡檢工作；不能對變電站內(nèi)的設(shè)備產(chǎn)生破壞；機器人的運行安全可靠；可以有效減少人工巡檢的任務量。然而這種導航定位方式并不完全符合電力行業(yè)的需求，為此，需要相關(guān)研發(fā)機構(gòu)加快對變電站機器人定位技術(shù)的研發(fā)進程，為變電站的巡檢工作帶來便利。

4 移動機器人室內(nèi)定位技術(shù)

定位指的是機器人在移動的過程中通過自身的感知系統(tǒng)對所在的位置進行三維確定，這一過程就是機器人定位的過程。移動機器人的準確定位與導航是實現(xiàn)自動化和智能化的基礎(chǔ)。只有精準的定位才能有序的進行巡檢工作，下面就對現(xiàn)存的幾種定位方式進行闡述。

（1）軌跡推測定位。軌跡推測實際上是一種位置推算法，這種方式的使用需要在確定機器人起始位置的前提下，在傳感器的作用下，對移動的里程等單位為參考通過推算的方式對機器人的位姿進行估計。航跡推測的優(yōu)勢是對外部環(huán)境的限制可以忽略不計，較為適合室內(nèi)環(huán)境的巡檢工作，隧道和山洞也可以適用。弊端是長時間的使用會出現(xiàn)累計誤差的情況。

（2）地圖匹配定位。地圖定位體現(xiàn)的是全局性定位。地圖匹配實現(xiàn)定位的原理是通過采集當前環(huán)境的相關(guān)信息，與原有的地圖進行對比，以此獲得機器人的位置信息。地圖匹配定位在精準度上有一定的優(yōu)勢，并且更加直觀，對于需要進行坐標系交換的情況和多種傳感器的情況比較適用。弊端是無法自動適應環(huán)境的變化，如果環(huán)境變化較大時位置確定準確度也會隨之降低，并且計算量較大，在地圖不斷擴大的情況下，定位所需的時間也會隨之延長。

（3）基于路標的定位。路標是移動機器人在空間中運動時所能辨識的一類特征，如RFID。一般情況下，路標的位置是固定和己知的，機器人通過傳感器檢測路標并進行識別進而確定機器人在全局中的位置?；诼窐说亩ㄎ?，其優(yōu)點是定位精度相對較高，便于實現(xiàn)。其缺點是路標安裝數(shù)量大、維護費用高，且定位精度在很多程度上受到路標布局影響。

5 ROS平臺上的定位技術(shù)

（1）巡檢機器人系統(tǒng)。在整個巡檢機器人系統(tǒng)中，ROS是整個系統(tǒng)的核心，其負責了對機器人本體的頂層控制，對設(shè)備巡檢儀器的頂層控制，對環(huán)境信息和自身狀態(tài)的頂層控制以及對通信系統(tǒng)的頂層控制。在ROS平臺上進行機器人定位系統(tǒng)的開發(fā)需要按照ROS的標準進行各項開發(fā)，包括節(jié)點的組織、信息的傳遞、功能系統(tǒng)組織等。在ROS中，功能一般是通過節(jié)點實現(xiàn)的，一個功能就是一個節(jié)點。系統(tǒng)功能的實現(xiàn)就是在ROS管理器控制下按照一定方式進行各種節(jié)點的組合，然后進行消息的傳遞與處理。

（2）巡檢機器人功能組織。節(jié)點能夠通過主題、服務或參數(shù)服務器與其他節(jié)點進行通信。在通過服務方式進行通信時，節(jié)點之間是直接連接的，ROS的控制器只是提供了相應的查詢信息，當查詢到匹配信息時，在同意連接的基礎(chǔ)之上建立連接，此后對應的節(jié)點之間直接通信，將不會通過控制器的查詢工作，而是節(jié)點通過服務的方式進行通信，也就間接將節(jié)點連接在了一起。

（3）巡檢機器人功能實現(xiàn)。在ROS平臺上，主要使用C，C++和python進行編程。按照一個節(jié)點一個功能的組織方式，編制了激光傳感器節(jié)點、慣性測量單元節(jié)點、里程計節(jié)點、Kartomap節(jié)點、粒子濾波節(jié)點等，其他節(jié)點采用原有節(jié)點。在ROS平臺上，各功能以節(jié)點形式存在，是相互獨立又是相互依存的。獨立是因為每個節(jié)點就是一個能獨立運行的功能。相互依存是因為眾多節(jié)點結(jié)合在一起才能共同完成復雜多變的任務。

6 結(jié)語

在ROS系統(tǒng)框架得以發(fā)展的形式下，各個領(lǐng)域?qū)OS系統(tǒng)框架的利用率也有所提升，特別是電力事業(yè)在發(fā)展的過程中，規(guī)模不斷擴大，變電站的巡視工作需要投入大量的人員，這將是一筆很大的開銷，不利于減員增效的工作目的。而原有的機器人定位技術(shù)在準確度與具體實施過程中都有一定難度，因此，我們需要加強對ROS系統(tǒng)平臺的應用，使變電站的巡視工作和機器人定位技術(shù)更具可靠性。

[1]趙浩然．變電站巡檢機器人導航定位系統(tǒng)研究[J]．文摘版:工程技術(shù),2015(41):251-253．

[2]沈俊,張華,肖宇峰等．基于ROS的多數(shù)據(jù)融合定位方法[J]．輕工科技,2016(1):83-84．

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1671-0711（2017）10（上）-0121-02