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0 引言

繼電保護(hù)器廣泛用于各種電力系統(tǒng)。近年來，繼電保護(hù)裝置得到了迅速發(fā)展，硬件技術(shù)和軟件技術(shù)的結(jié)合可以有效地保護(hù)電力系統(tǒng)，提升系統(tǒng)安全，提升繼電保護(hù)系統(tǒng)的安全級別。為了研究復(fù)雜和未知環(huán)境下混合巡檢機(jī)器人混合導(dǎo)航和三維地圖重建的問題，對巡檢機(jī)器人的運動控制進(jìn)行了分析，合理解決視覺導(dǎo)航與機(jī)器人描述之間的關(guān)系，高效避免其他問題的出現(xiàn)[1]。

機(jī)器人可以在水電站繼電保護(hù)的環(huán)境下長期自主的導(dǎo)航，盡管自主辦公導(dǎo)航的技術(shù)比較先進(jìn)，但長期要求機(jī)器人在地上行走必然存在一些不可避免的問題。機(jī)器人常常弄不清楚自己在哪里，一旦發(fā)生這種情況，它們很難重新定位[1]。為此，我們開發(fā)了一種導(dǎo)航技術(shù)，該技術(shù)使用馬爾可夫模型對機(jī)器人的位置進(jìn)行全面跟蹤，并指導(dǎo)其航向。建立了一個部分可觀測的馬爾可夫決策過程模型，該模型由環(huán)境的拓?fù)湫畔?、近似距離信息、傳感器和執(zhí)行器特性等組成。馬爾可夫模型以概率分布的形式估計機(jī)器人的位置。國內(nèi)外學(xué)者對機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)做了深入的研究：Yuka Kato和Mamiko Tanaka討論網(wǎng)絡(luò)延遲對使用云環(huán)境的低成本簡單機(jī)器人的遠(yuǎn)程導(dǎo)航的影響，使用機(jī)器人模擬器進(jìn)行遠(yuǎn)程導(dǎo)航的實驗[2][3]。Yi Liu，Xiang Liu和Yunyu Shi討論了通過自主機(jī)器人視覺系統(tǒng)捕獲的圖像的處理和識別，自主機(jī)器人的視覺系統(tǒng)可以獲得和分析用于自主決策的必要的環(huán)境信息[4～5]。Mohammed TahriSqalli，KyoichiTatsuno 和 Koichi Kurabe 討 論 了一種改進(jìn)的障礙物避免算法，改進(jìn)的算法基于同時定位和映射（SLAM），這種新的障礙物避免算法使用Kinect 2收集深度幀和RGB圖像，然后將其合成到點云文件（PCL）。這些點云被處理并收集到3D地圖中，并用做同時定位和映射（SLAM）算法的輸入，以幫助機(jī)器人在其室內(nèi)環(huán)境中盡可能平滑地導(dǎo)航[6]。

本文將繼電巡邏機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)分為三個層次：對已知環(huán)境的瀏覽，對全局環(huán)境中已知環(huán)境的瀏覽，對全局環(huán)境中未知環(huán)境的瀏覽。提出了一種大型水電站繼電保護(hù)巡檢機(jī)器人的導(dǎo)航方法。研究了自主繼電器檢測機(jī)器人的混合導(dǎo)航和三維地圖重建，并將研發(fā)功能劃分為機(jī)器人、生產(chǎn)系統(tǒng)、三維仿真和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，用于實現(xiàn)實時地圖。同時，建立了一種基于自然語言約束的混合導(dǎo)航算法。建立了地標(biāo)與近似方位角和距離之間的映射關(guān)系。建立了導(dǎo)航地圖對于實現(xiàn)機(jī)器人路徑規(guī)劃的重要性。提取路線計劃可以實現(xiàn)避障并找到最佳路線[7]。在救援機(jī)器人檢測環(huán)境條件和外部環(huán)境信息的過程中，實現(xiàn)了一種基于路徑規(guī)劃運動控制決策的避障算法。實驗結(jié)果可以證明該方法的可行性與高效性。

1 繼電保護(hù)裝置

電力系統(tǒng)保障了中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和民眾的日常生活，是現(xiàn)代社會發(fā)展的重要組成部分，繼電保護(hù)是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的技術(shù)手段。在電力變壓器的運行期間，可能會發(fā)生各種故障，威脅到電力系統(tǒng)的安全性和連續(xù)運行。繼電保護(hù)是一種非常實用的操作方法，必須依靠事故保護(hù)來正確操作繼電保護(hù)。在當(dāng)今快速發(fā)展的電力系統(tǒng)社會中，對水電站繼電保護(hù)裝置能夠確保水電站電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

圖1 水電站繼電巡檢機(jī)器人Figure 1 Relay inspection robot for hydropower station

如圖1所示，為本文研究的水電站繼電巡檢機(jī)器人，該救援機(jī)器人在差動底盤部署中有視覺傳感器。通過該視覺傳感器實現(xiàn)地圖重建與導(dǎo)航算法。用于水電站的全系列繼電保護(hù)和巡航，一旦發(fā)現(xiàn)故障，馬上通知總控單元。巡檢機(jī)器人可以用于各種電氣保護(hù)裝置，并且不同設(shè)備的繼電保護(hù)裝置有不同的繼電保護(hù)系統(tǒng)。各種繼電保護(hù)裝置的工作原理反映了各種繼電保護(hù)之間的協(xié)同作用以及繼電巡檢機(jī)器人導(dǎo)航關(guān)系。此外，繼電保護(hù)仿真模型必須滿足仿真計算的實時要求。

1.1 水電站繼電保護(hù)裝置的基本概念

所謂的繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)內(nèi)的停電，如電力部件，如果系統(tǒng)受到安全運行的威脅，報警人員及時到位并且執(zhí)行這一系列功能的設(shè)備和系統(tǒng)（稱為繼電保護(hù)）通過控制中心發(fā)出安全命令，并向故障電路的斷路器發(fā)出跳閘命令以切斷電路，防止事故蔓延。在對繼電器組件和數(shù)據(jù)對比之后，數(shù)據(jù)被傳遞到邏輯決策組件中，邏輯決策組件分析故障類型并發(fā)出相應(yīng)的操作信號，即信號繼電器、斷路器等執(zhí)行器。繼電器保護(hù)器中有一個智能主機(jī)，主機(jī)使用高性能數(shù)字信號處理器，獨立運行，連接到一臺機(jī)器上的計算機(jī)，清晰識別各種信息，信息通過LCD顯示庫并顯示到大屏幕中，使用者通過大屏幕來獲取信息。保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計有多個接線端口，可直接輸出電流和電壓，不僅可以保護(hù)電源系統(tǒng)，還可以保護(hù)自身。

1.2 繼電保護(hù)裝置的性能特點

根據(jù)實際使用要求，繼電保護(hù)裝置有四個主要的性能特征，這四個性能特征密切相關(guān)。選擇性適用于排除故障。如果線路或設(shè)備發(fā)生故障，應(yīng)通過保護(hù)其自身的線路或設(shè)備并具有無法通過線路或設(shè)備移除的保護(hù)功能來移除故障組件。它可以通過電線保護(hù)，保護(hù)相鄰的設(shè)備或斷開相鄰的設(shè)備。繼電設(shè)備具備故障保護(hù)功能，可保護(hù)系統(tǒng)，消除故障。配電網(wǎng)絡(luò)之間的中繼保護(hù)基于階段性原則，以確保在配電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，有選擇的消除故障并確保故障部件可以運行。繼電保護(hù)系統(tǒng)的靈敏度意味著如果電源系統(tǒng)接線或設(shè)備中存在金屬短路，則繼電保護(hù)器需要檢測毛刺所需的靈敏度因子，對發(fā)生短路情況快速響應(yīng)，在電力系統(tǒng)傳輸線路或設(shè)備故障的情況下，繼電器盡快保護(hù)故障的傳輸線路或設(shè)備，設(shè)備進(jìn)行自動輸入程序，例如自動重新進(jìn)入。保護(hù)范圍內(nèi)的可靠性是確保按照正常程序激活繼電保護(hù)[8]。沒有繼電保護(hù)，電線和變壓器等電源無法安全運行?？煽啃允抢^電保護(hù)裝置最基本的性能要求。

1.3 繼電保護(hù)裝置管理的重要性

要了解繼電保護(hù)裝置管理的重要性，必須了解繼電保護(hù)裝置的作用。根據(jù)實際情況，繼電保護(hù)器的作用可分為三個主要方面：第一，如果受保護(hù)的組件或設(shè)備發(fā)生故障，組件或設(shè)備的繼電保護(hù)器會發(fā)出跳閘命令以激活斷路器并從電源系統(tǒng)中移除故障組件或設(shè)備[9]。第二，當(dāng)電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備變得異常時，繼電保護(hù)裝置發(fā)送相應(yīng)的信號，監(jiān)控人員可以根據(jù)信號的類型采取相應(yīng)的動作。第三，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，自動運行，繼電器保護(hù)器的作用很明顯。因此，實施水電站繼電保護(hù)裝置的管理非常重要。

2 水電站繼電巡檢機(jī)器人導(dǎo)航

2.1 四輪驅(qū)動全輪差速轉(zhuǎn)向移動

輪式移動機(jī)器人的特點是結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定，廣泛用于機(jī)械工業(yè)（如圖2所示）?；瑒愚D(zhuǎn)向不需要專門設(shè)計的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)（例如四輪滑動轉(zhuǎn)向機(jī)器人）來實現(xiàn)兩個車輪之間的速度差。四輪轉(zhuǎn)向模式通常適用于新型號并且易于操作，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。 Fischer等，楊樹峰開發(fā)的四輪驅(qū)動四輪獨立機(jī)器人和四輪全能機(jī)械臂移動機(jī)器人用于薄鋼液化儲罐。這種類型的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向模式需要更多的電機(jī)驅(qū)動和控制，是非常復(fù)雜的。

圖2 輪式機(jī)器人底盤外觀Figure 2 Appearance of wheeled robot chassis

基于阿克曼轉(zhuǎn)向原理實現(xiàn)了機(jī)器人的四輪獨立轉(zhuǎn)向功能（如圖3所示）。目前，有兩種主要的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為低速和高速轉(zhuǎn)向模型，并且四個輪保持相同的扭矩中心。建議在高速移動或翻滾期間不要增加機(jī)器人的側(cè)角。但是，由于在慢速模式下，您需要分別操作機(jī)器人周圍的四個輪子。在低速轉(zhuǎn)向模式中，機(jī)器人的兩個前輪和兩個后輪在相反方向上偏轉(zhuǎn)并且具有小的轉(zhuǎn)彎半徑。

圖3 基于阿克曼轉(zhuǎn)向原理的低速轉(zhuǎn)向模型Figure 3 Low speed steering model based on Ackerman steering principle

以左轉(zhuǎn)向為例，根據(jù)圖中阿克曼幾何模型的轉(zhuǎn)向可以得出四輪轉(zhuǎn)向的角度與機(jī)器人的參數(shù)關(guān)系，如式：

式中：βi（i=A，B，C，D）是移動輪的偏轉(zhuǎn)角；r是移動輪到瞬心之間的距離；a、b分別是前后軸與瞬心延長線之間的水平距離；W為左右輪距。

在式中，W為已知，即該機(jī)器人左右輪距，通過設(shè)置移動輪的轉(zhuǎn)向角，則可以進(jìn)一步計算出式中機(jī)器人的實際轉(zhuǎn)彎半徑R。

式中：將R作為質(zhì)心半徑，L為前后之間的軸距。

此外，通過計算出的a值，可以得出機(jī)器人前輪轉(zhuǎn)動的線速度V值分別是：

式中：Vi（i=A，B，C，D）為移動輪繞瞬心轉(zhuǎn)動線速度；ω為機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角速度；Ri（i=A，B，C，D）為移動輪繞瞬心旋轉(zhuǎn)半徑。

2.2 四輪控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于適用于農(nóng)場復(fù)雜運行的農(nóng)用輪式機(jī)器人控制平臺的多樣化模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，本文遵循合理配電，高能量利用效率和快速響應(yīng)速度等控制要求，設(shè)計獨立的輪子。轉(zhuǎn)向驅(qū)動控制系統(tǒng)的硬件部分允許機(jī)器人的移動速度從0到3.6 km/h連續(xù)調(diào)節(jié)，從而可以平穩(wěn)地執(zhí)行四輪獨立轉(zhuǎn)向和運動任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)的硬件部分采用模塊化機(jī)器人系統(tǒng)（MRS）設(shè)計方法，不僅提高了系統(tǒng)的容錯性能，降低了開發(fā)和維護(hù)成本，而且提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展應(yīng)用能力和機(jī)器人自身的功能。由于環(huán)境和工作的限制，機(jī)器人在工作時提供了極大的靈活性和穩(wěn)定性。

如圖4所示，控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)主要由四個主要部件組成，包括中央處理單元模塊、終端致動器模塊、主單元和遙控單元。 ①中央處理模塊在系統(tǒng)中的作用是負(fù)責(zé)集合信息和傳輸任務(wù)，保證完成串口與總線之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，接收和接收遙控器傳輸?shù)臒o線數(shù)據(jù)傳輸，接收核心平臺農(nóng)業(yè)，延遲輪機(jī)器人控制系統(tǒng)整個農(nóng)場的信息交換。②終端執(zhí)行器模塊是控制系統(tǒng)的核心部分，分為核心控制模塊（CCM）和增強(qiáng)接口模塊（EIM）（以下簡稱CCM和EIM）兩部分，主要實現(xiàn)了終端致動器模塊的控制功能。③主機(jī)由VB軟件平臺開發(fā)，通過串行通信與中央處理單元模塊通信，實現(xiàn)傳送機(jī)器人的移動輪速度，用于收集和顯示農(nóng)用輪。旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)指令的其他功能。④具有AD轉(zhuǎn)換功能的執(zhí)行模塊轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)程電位器內(nèi)部電位器，數(shù)字信號變化，方便角度增加，速度控制功能模塊運行。遙控器可以通過無線站與中央處理器模塊通信，控制機(jī)器人的基本步行和操縱模式，以便于測試和研究。

圖4 繼電巡檢機(jī)器人平臺系統(tǒng)Figure 4 Relay inspection robot platform system

2.3 幾何特征提取

幾何特征提取是將期望的特征模板與傳感器掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和匹配。通常，傳感器反饋數(shù)據(jù)會超出要匹配的屬性，通過系統(tǒng)來完成匹配結(jié)果。考慮到傳感器數(shù)據(jù)的誤差，不能直接獲得數(shù)據(jù)中包含的幾何特征。需要通過提取與實際數(shù)據(jù)偏差最小的傳感器輸出數(shù)據(jù)部分來優(yōu)化環(huán)境中的幾何信息。假定測量值符合正態(tài)分布，對于被測點xi=(ρi,θi)，可通過隨機(jī)變量Xi=(Pi,Qi)來逼近測量值，其中：

通常情況下，視覺雷達(dá)掃描到的環(huán)境信息可分割為多段近似直線，經(jīng)由視覺測量數(shù)據(jù)在視覺掃描方向上可確定一條直線為：

其中r為傳感器坐標(biāo)系原點與該特征直線的距離，β為原點到該直線的鉛垂線與橫軸的夾角。定義評價函數(shù)：

求取直線的問題可轉(zhuǎn)化為求取評價函數(shù)G的最小值。通過求解二元函數(shù)G的偏導(dǎo)數(shù)的零點，可得：

則由ρ及r可確定環(huán)境直線特征。

2.4 視覺導(dǎo)航建立

假設(shè)導(dǎo)航圖中的坐標(biāo)系記為{B}，該坐標(biāo)系以界面的左上角為零點，軸正方向與{A}相同，軸正方向與{A}相反，這就必須把{A}坐標(biāo)中的點，按照合理的比例映射到{B}中。映射方法如下：

（1）設(shè)機(jī)器人在{B}中的坐標(biāo)為(u0,v0)，一般把這個值設(shè)定在界面的中心位置。

（2）li在{A}中的坐標(biāo)(u0,v0)與其在{B}中的坐標(biāo)(ui,vi)的關(guān)系為：

其中j為調(diào)整路標(biāo)在地圖界面上的像素距離的參數(shù)。導(dǎo)航圖中提取關(guān)鍵點的條件是在其內(nèi)的相鄰兩路標(biāo)之間距離要大于固定像素閾值。設(shè)定(ui,vi)為li對應(yīng)的像素坐標(biāo)，則：

其中n為路標(biāo)的數(shù)量。令j從1開始取值，逐漸增加，直到一個或多個量剛好未超出界面邊界值為止。機(jī)器人可以更新世界坐標(biāo)系的比例和世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)，并且NLRP中的距離不用于直接導(dǎo)航，而是用于在導(dǎo)航地圖中建立道路標(biāo)志的相對位置。輔助完成特定安排和導(dǎo)航的視覺依賴。根據(jù)上述過程，在本文中，在選擇主要引導(dǎo)點時，通過提取道路標(biāo)志周圍的點直接提取主要引導(dǎo)點，如下所述：

（1）設(shè)li和li+1在坐標(biāo)系 {B}中的坐標(biāo)為（ui，vi）、（ui+1，vi+1，）、li+1對應(yīng)的關(guān)鍵點的坐標(biāo)是，通常情況下關(guān)鍵引導(dǎo)點距離路標(biāo)一個固定距離d，通過多次試驗，根據(jù)導(dǎo)航意像圖的大小，當(dāng)d取l0～40時實驗效果較好，這里采用的值是40。

（2）具體的解分類討論：

至此，機(jī)器人前進(jìn)路徑的提取和表示已經(jīng)完成，形成了機(jī)器人的導(dǎo)航圖。

3 水電站繼電保護(hù)裝置管理核心對策

3.1 強(qiáng)化管理理念

不斷提高水電站機(jī)電保護(hù)裝置管理的管理理念，需要從兩個方面展開，一是不斷完善繼電保護(hù)裝置的管理理念，管理者需要重點關(guān)注。繼電保護(hù)裝置的管理可以應(yīng)用在水電站總體規(guī)劃或相關(guān)的工作計劃中，并且可以集中調(diào)整工作區(qū)域。二是加強(qiáng)基層員工繼電保護(hù)管理理念。為基層員工提供專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，提高專業(yè)技術(shù)水平，提高繼電保護(hù)裝置意識，建立正確的繼電保護(hù)裝置管理理念，建立適合日常工作的系統(tǒng)和管理政策，以提高管理運作的有效性。

3.2 完善管理體系

完善管理系統(tǒng)是管理液壓繼電保護(hù)器的先決條件，可以從兩個角度同時運行。一是改進(jìn)機(jī)電保護(hù)裝置的管理方法，充分考慮繼電保護(hù)裝置的功能與特點，結(jié)合各個部件的應(yīng)用，制定繼電保護(hù)裝置的管理辦法，管理方案的設(shè)置可以涵蓋多個方面[10]。二是改進(jìn)繼電保護(hù)設(shè)備管理器設(shè)置。首先，有必要選擇合適的管理人員，聘請專業(yè)技術(shù)人員作為管理重點。其次是合理分配管理人員管理，不同的專家和工程師分配到不同的管理環(huán)節(jié)，同時管理每個環(huán)節(jié)。

3.3 建立監(jiān)測系統(tǒng)

建立完善的監(jiān)控系統(tǒng)就可以對繼電保護(hù)裝置進(jìn)行監(jiān)督管理。首先，建立監(jiān)督機(jī)制，定制監(jiān)督計劃。監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)必須與繼電保護(hù)裝置的實際管理相結(jié)合，并且必須在管理工作、管理方法和管理系統(tǒng)三方面研發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，制定了全面合理的監(jiān)測計劃，包括對管理人員、管理工具和管理目標(biāo)等方面的監(jiān)督。二是實施監(jiān)督制度和監(jiān)督計劃，嚴(yán)格執(zhí)行監(jiān)督制度，實施監(jiān)督計劃，做好監(jiān)督工作，確認(rèn)繼電保護(hù)設(shè)備管理到位，繼電保護(hù)設(shè)備促進(jìn)管理進(jìn)步[11]。

4 實驗

水電站繼電巡檢機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)研究工作內(nèi)容不斷更新，需要不斷提高繼電保護(hù)的專業(yè)水平和整體素質(zhì)，加強(qiáng)事故預(yù)防措施的管理，不斷改進(jìn)技術(shù)，不斷提高穩(wěn)定安全運行的技術(shù)要求?，F(xiàn)代社會水電站的繼電保護(hù)在硬件和軟件方面的發(fā)展水平都非?？臁ｋS著軟件，硬件和最新網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，水電保護(hù)和事故預(yù)防的措施和設(shè)備將達(dá)到新的水平。本文首先分析了視覺導(dǎo)航效果。如圖5～圖7所示，為導(dǎo)航經(jīng)過位置點的效果圖，從圖中可以得到導(dǎo)航算法的有效證實。

圖5 導(dǎo)航經(jīng)過位置點Figure 5 Navigation Through Position Points

綜述了機(jī)器人導(dǎo)航中傳感器融合技術(shù)，重點介紹了自定位算法。當(dāng)移動機(jī)器人的傳感器套件由幾個不同的傳感器組成時，這些傳感器就派上了用場，有些是互補(bǔ)的，有些是冗余的。整合傳感器讀數(shù)，機(jī)器人尋求完成任務(wù)，如構(gòu)建其環(huán)境的地圖，在地圖中定位自己，以及識別應(yīng)該避免或?qū)ふ业膶ο?，為后續(xù)進(jìn)一步研究的提供了依據(jù)。

5 結(jié)論

繼電保護(hù)裝置對維持水電站的正常穩(wěn)定運行有著關(guān)鍵性的作用，因此水電站管理理念需要不斷加強(qiáng)，解決系統(tǒng)運行中存在的問題，妥善處理疑難問題。本文首先通過對底盤建模和執(zhí)行差分控制來考慮繼電器檢測機(jī)器人的導(dǎo)航問題。在行動計劃的背景下，在機(jī)器人的軟件設(shè)計中，它提供了優(yōu)雅降級的能力，使其在復(fù)雜的現(xiàn)實環(huán)境中更具適應(yīng)性。實施了關(guān)于環(huán)境信息和路線規(guī)劃的運動控制決策。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，多傳感器信息融合進(jìn)一步優(yōu)化了機(jī)器人避障的性能，模糊與遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論的結(jié)合也有助于提高避障效果。在傳統(tǒng)方法中，提出了多超聲波傳感器速度反饋模糊避障算法，有效克服了傳統(tǒng)超聲波避障算法對機(jī)器人控制能力和定位精度的影響。保證從初始地址到目標(biāo)地址的完成路徑是最短的，用時是最少的，消耗最少的，合理的完成避障設(shè)計。