鄭亞紅，于雪庭，馬少華，韓子嬌，董雁楠

(1. 沈陽市裝備制造工程學(xué)校 電氣工程系，沈陽 110026；2. 國網(wǎng)遼陽供電公司 白塔區(qū)供電分公司，遼寧 遼陽 111000；3. 沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽 110870；4. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 電力調(diào)度控制中心，沈陽 110006)

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性與整個國民經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)行密切相關(guān)[1].變電站作為電力系統(tǒng)輸配電網(wǎng)絡(luò)中一個重要工程場所，需保障其穩(wěn)定運(yùn)行，但是傳統(tǒng)的人工巡檢方式存在著工作強(qiáng)度大、效率低、有安全隱患等缺點(diǎn).隨著科技進(jìn)步，采用智能控制系統(tǒng)、視覺算法、人工智能等技術(shù)的巡檢機(jī)器人可以替代巡檢人員，模擬巡檢過程中從業(yè)人員的操作行為，可以提供比傳統(tǒng)人工巡檢更為精確的數(shù)據(jù)收集與檢測，減少巡檢所投入的人力成本，降低操作風(fēng)險[2-4].

考慮工程現(xiàn)場中復(fù)雜環(huán)境，制定合適的巡檢路線、準(zhǔn)確地反應(yīng)現(xiàn)場設(shè)備故障、規(guī)避障礙物一直是巡檢機(jī)器人設(shè)計研究當(dāng)中需要面對的核心問題[5-6].文獻(xiàn)[7]通過對巡檢機(jī)器人的研究現(xiàn)狀、技術(shù)要點(diǎn)等方面進(jìn)行綜述，指出巡檢機(jī)器人自主運(yùn)動規(guī)劃所涉及到的智能控制系統(tǒng)一直是該領(lǐng)域的技術(shù)重點(diǎn).文獻(xiàn)[8]針對變電站檢修期間危險性大、勞動強(qiáng)度高等問題，設(shè)計了檢修現(xiàn)場用的智能巡檢機(jī)器人.通過研究與部署，驗證了其良好的運(yùn)動性能，但該文主要在通訊層面進(jìn)行研究，并未深入研究其自主運(yùn)動下的導(dǎo)航精確度.文獻(xiàn)[9]設(shè)計了在地下綜合管廊等復(fù)雜工況下的巡檢機(jī)器人，并制造樣機(jī)開展性能測試，為巡檢機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)提供了借鑒.文獻(xiàn)[10]考慮到巡檢機(jī)器人的巡檢路徑規(guī)劃以及避障能力，提出了一種將改進(jìn)人工勢場法與計數(shù)算法相結(jié)合的新型避障算法，對自動避障及動態(tài)軌跡規(guī)劃功能進(jìn)行了實(shí)驗驗證，該算法能夠完成復(fù)雜工況下的巡檢任務(wù).本文基于變電站內(nèi)部環(huán)境與部署的檢測任務(wù)，結(jié)合巡檢機(jī)器人運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)方程，提出了巡檢機(jī)器人自主運(yùn)動規(guī)劃方法與故障診斷方法.算法克服了傳統(tǒng)蒙特卡洛算法出現(xiàn)的機(jī)器人綁架和粒子數(shù)固定等缺陷，并通過實(shí)驗驗證了提出方法的有效性.

1 巡檢機(jī)器人通信架構(gòu)

巡檢機(jī)器人通信系統(tǒng)總體通信結(jié)構(gòu)如圖1所示.在其使用過程中，通過路由器、無線接入點(diǎn)(AP)等設(shè)備作為通信設(shè)施，結(jié)合AP以及交換機(jī)搭建監(jiān)控后臺，實(shí)現(xiàn)部署終端與巡檢機(jī)器人的實(shí)時通信[11].在通信系統(tǒng)中，監(jiān)控后臺可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人之間實(shí)時的信息交互，其中包含各種功能指令觸發(fā)以及檢測數(shù)據(jù)通信與分析；部署終端可以對變電站內(nèi)部的地形環(huán)境進(jìn)行建模，同時規(guī)劃最優(yōu)巡檢路徑[12].

圖1 巡檢機(jī)器人工作邏輯框架Fig.1 Working logic framework of inspection robot

2 巡檢機(jī)器人自主運(yùn)動規(guī)劃

2.1 環(huán)境拓?fù)淠Ｐ?/h3>

巡檢機(jī)器人在面對復(fù)雜的巡檢工作時，首要考慮的因素是自身安全性，因此，需結(jié)合變電站環(huán)境建立其環(huán)境拓?fù)淠Ｐ图奥窂脚c任務(wù)規(guī)劃方法，在巡檢機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置后，確保其能夠安全地實(shí)施有效檢測[13].操作需結(jié)合變電站實(shí)際工程現(xiàn)場與作業(yè)環(huán)境，為其部署更為有效的作業(yè)任務(wù)以及科學(xué)的行進(jìn)路線，環(huán)境拓?fù)鋱D如圖2所示.

圖2 變電站環(huán)境拓?fù)鋱DFig.2 Environmental topology of substation

圖2中，路徑點(diǎn)是機(jī)器人導(dǎo)航的關(guān)鍵點(diǎn)，通過關(guān)鍵點(diǎn)的有向鏈接可規(guī)劃安全路徑；任務(wù)點(diǎn)由監(jiān)控后臺自定義，是機(jī)器人實(shí)施溫度測量、異常監(jiān)測等功能的關(guān)鍵點(diǎn)；可行邊是連接相鄰路徑點(diǎn)(或任務(wù)點(diǎn))的路徑.

本文采用ROS機(jī)器人控制系統(tǒng)，基于GMapping算法建立環(huán)境拓?fù)鋱D，該方法的坐標(biāo)系定義如表1所示.

表1 坐標(biāo)系定義Tab.1 Definition of coordinate system

2.2 路徑規(guī)劃方法

巡檢機(jī)器人需模擬巡檢人員的作業(yè)行為，結(jié)合監(jiān)控后臺部署的作業(yè)任務(wù)以及機(jī)器人的實(shí)時位置信息，科學(xué)有效地規(guī)劃出最優(yōu)路線，在確保自身安全性與作業(yè)有效性的前提下遍歷每一個巡檢點(diǎn)，最后返回初始位置[14].根據(jù)部署的作業(yè)要求并考慮機(jī)器人作業(yè)效率、安全性等方面的因素，變電站的巡檢工作要求遍歷每個巡檢點(diǎn)且只經(jīng)過一次，是比較典型的約束最短路徑問題.當(dāng)途經(jīng)點(diǎn)n≤4時，需采用窮舉法處理；當(dāng)n>4時，則需采用動態(tài)規(guī)劃方法，路徑規(guī)劃的程序流程框圖如圖3所示.

圖3 路徑規(guī)劃流程Fig.3 Flow chart of path planning

2.3 巡檢機(jī)器人定位

綜合考慮機(jī)器人運(yùn)動和感知模型，本文所使用的巡檢機(jī)器人定位系統(tǒng)采用二維柵格圖定位，并通過粒子濾波算法求解機(jī)器人位姿的近似概率分布.

本文采用自適應(yīng)蒙特卡洛定位(AMCL)算法定位實(shí)時節(jié)點(diǎn)，確保了ROS系統(tǒng)中基于AMCL算法室外定位的穩(wěn)定性.在對所設(shè)定的坐標(biāo)系進(jìn)行定位計算時，需根據(jù)歷程變化實(shí)時更新定位.當(dāng)粒子收斂后系統(tǒng)產(chǎn)生定位偏差時，計算過程收斂性需要進(jìn)一步驗證.收斂后的粒子多樣性減小，與原粒子無法匹配，為避免類似情況，需對粒子重新采樣.

巡檢機(jī)器人初始充電房定位圖如圖4所示.為了實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人定位，本設(shè)計結(jié)合位置信息、充電設(shè)施信息及機(jī)器人本身的結(jié)構(gòu)等制定合適的充電設(shè)計運(yùn)動策略.

圖4 充電房定位圖Fig.4 Positioning map of charging room

在充電房內(nèi)設(shè)置L1、L2兩個定位標(biāo)識物，可將激光數(shù)據(jù)分為兩部分，當(dāng)系統(tǒng)剔除異常值、無效數(shù)值后，獲取數(shù)據(jù)中極大值以及對應(yīng)的激光束.在充電房坐標(biāo)系中，lc、la是左邊兩條激光束的長度，m1、m2分別對應(yīng)充電房的長、寬，C、L1、L2構(gòu)成三角形，三條邊的長度信息可以方便獲得，故充電房中機(jī)器人位置信息為

(1)

(2)

通過幾何計算三角形CL1L2來確定x、θ的值，計算三角形CL1L3確定y的值.為減少數(shù)據(jù)波動對于計算結(jié)果的影響并提升計算的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)集成了滑動平均濾波器，同時選擇多個激光束進(jìn)行計算并取平均值.

2.4 巡檢機(jī)器人PID運(yùn)動控制方法

本設(shè)計所應(yīng)用的巡檢機(jī)器人運(yùn)動方式采用四輪差分移動式，在投入巡檢工作中，其左右輪速度一致，機(jī)器人運(yùn)動模型如圖5所示，b為幾何中心至輪子的距離，r為輪半徑.

圖5 機(jī)器人運(yùn)動模型Fig.5 Motion model of robot

巡檢機(jī)器人在獲取到當(dāng)前位姿x1，y1，θ1及目標(biāo)位姿x2，y2，θ2后，根據(jù)前向直線導(dǎo)航任務(wù)制定前向直線路線，從機(jī)器人的當(dāng)前位姿信息開始，沿著直線行駛到目標(biāo).具體導(dǎo)航策略如圖6所示.

圖6 前向直線導(dǎo)航策略Fig.6 Forward linear navigation strategy

機(jī)器人導(dǎo)航過程分為以下3步：

1) 機(jī)器人角度調(diào)整最主要是確定前進(jìn)的方向，然后系統(tǒng)再進(jìn)行計算調(diào)整并引導(dǎo)車輛.如圖6b所示，系統(tǒng)需指導(dǎo)車輛駛至紅色區(qū)域，使巡檢機(jī)器人車輛車頭朝向L，角度α1為車頭與目標(biāo)點(diǎn)之間角度.考慮工程現(xiàn)場的地面情況以及天氣、環(huán)境等諸多不可控因素，需要引用一個角度誤差來反映顛簸引起的擾動，通過運(yùn)動控制算法以恒定的較小的角速度自轉(zhuǎn)，直至車輛的角度誤差小于給定的精度.

2) 在巡檢機(jī)器人沿著直線L的行駛過程中，需保證機(jī)器人在考慮角度誤差以及位置偏移的情況下不離開所給定的直線.為實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人行駛角度的精確控制，本文采用PID控制，在機(jī)器人行至目標(biāo)點(diǎn)時，保障機(jī)器人按照給定的路徑行進(jìn).此外，在整個過程中需要預(yù)先設(shè)置基準(zhǔn)速度，以保證巡檢機(jī)器人車輛行駛過程中的平穩(wěn)運(yùn)行，并需根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的擾動進(jìn)行調(diào)整.

3) 當(dāng)巡檢機(jī)器人到達(dá)預(yù)設(shè)的目標(biāo)點(diǎn)之后，由于車體身位的不確定性，如圖6d所示，需要調(diào)整車體，自行旋轉(zhuǎn)達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)點(diǎn)的位姿.

在機(jī)器人系統(tǒng)中，對于倒退直線導(dǎo)航的處理方式是將其轉(zhuǎn)換為前進(jìn)直線導(dǎo)航，具體操作是在步驟1)、2)中先對巡檢機(jī)器人角度進(jìn)行修正，當(dāng)巡檢機(jī)器人移動角度進(jìn)行180°調(diào)整后，車的后方轉(zhuǎn)換為車的前方，這樣再將車后方行駛速度取為前向的相反數(shù)即可.

2.5 故障報警算法

在機(jī)器人到達(dá)指定地點(diǎn)后，通過紅外攝像頭對變電站內(nèi)三相刀閘側(cè)套管、電流電容互感器等設(shè)備進(jìn)行抓拍，并采集設(shè)備的溫度信息進(jìn)行分析.本文結(jié)合先前經(jīng)驗設(shè)定了各部件溫度閾值，并提出了故障預(yù)警算法，即當(dāng)檢測溫度大于對應(yīng)安全溫度值時，系統(tǒng)觸發(fā)故障報警模式；當(dāng)兩次檢測不同，箱內(nèi)溫升高于設(shè)定溫度變化范圍時，系統(tǒng)觸發(fā)故障報警.

3 實(shí)驗與分析

利用本文提出的巡檢機(jī)器人自主路徑規(guī)劃方法對巡檢機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航調(diào)試，將其放置在變電站時，需工作人員對其行走點(diǎn)位進(jìn)行定位.本文設(shè)置路徑為：直行—轉(zhuǎn)彎—直行—轉(zhuǎn)彎—直行，在此過程中通過AMCL節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，定位結(jié)果如圖7所示.

圖7 室外定位數(shù)據(jù)實(shí)測Fig.7 Measurement of outdoor positioning data

以倒退直線導(dǎo)航為例說明室內(nèi)導(dǎo)航調(diào)試工作，直線行駛的速度設(shè)置為0.08 m/s，室內(nèi)導(dǎo)航數(shù)據(jù)對比情況如圖8所示.觀察圖8a、b可以發(fā)現(xiàn)在23 s左右有一個定位信息的切換，這是由于AMCL的定位數(shù)據(jù)判斷機(jī)器人進(jìn)入了充電房，將AMCL的定位信息切換到了充電房內(nèi)基于標(biāo)識物的定位所致.

圖8 室內(nèi)導(dǎo)航數(shù)據(jù)對比Fig.8 Indoor navigation data comparison

機(jī)器人到達(dá)定位地點(diǎn)后，對真實(shí)變電站場景進(jìn)行溫度監(jiān)測.以馬山220 kV變電站進(jìn)行紅外測溫數(shù)據(jù)為例，智能巡檢機(jī)器人檢測1號主二次526I甲刀閘側(cè)套管引流線夾A、B、C三相相過熱溫度為41.789 2、17.243 4、29.59 ℃；220 kV龍城變2號電容器電流互感器B相線路側(cè)接線板過熱，溫升為87%，兩次抓拍紅外檢測圖如圖9所示.

圖9 變電站溫度檢測Fig.9 Temperature detection of substation

系統(tǒng)在真實(shí)場景下進(jìn)行多種電力設(shè)備溫度檢測時可以發(fā)現(xiàn)：1號主二次526I甲刀閘側(cè)套管引流線夾各相溫度差大于設(shè)定的溫度變化范圍，系統(tǒng)自動觸發(fā)了故障報警模式.220 kV龍城變2號電容器電流互感器B相線路側(cè)接線板溫升為87%，系統(tǒng)觸發(fā)故障報警模式.本文提出的自主運(yùn)動規(guī)劃方法與故障報警算法可以有效確保巡檢機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)合理的路徑規(guī)劃與導(dǎo)航的情況下，對各電力器件溫度進(jìn)行紅外圖像抓拍與溫度監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)溫度異常狀態(tài)自行觸發(fā)故障報警.

4 結(jié) 論

本文提出了巡檢機(jī)器人自主運(yùn)動規(guī)劃與故障診斷方法，將其應(yīng)用于真實(shí)變電站，能夠完成對工程現(xiàn)場內(nèi)的路徑規(guī)劃、導(dǎo)航與實(shí)時故障監(jiān)測.

在本文所提控制策略下，變電站巡檢機(jī)器有效計算最優(yōu)路徑并完成巡檢任務(wù)，其導(dǎo)航誤差較小.巡線機(jī)器人在實(shí)測巡檢過程中，能夠?qū)ψ冸娬緝?nèi)電力器件的溫度進(jìn)行抓拍與監(jiān)測，對溫度異常狀態(tài)自行發(fā)出故障報警，該策略可應(yīng)用于無人化巡檢等類似場景下.