姚楚陽，劉 爽

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200237）

變電站電力設(shè)備巡檢是維護(hù)電力系統(tǒng)正常運(yùn)作的重要途徑。在我國的一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，變電站分布較為分散，傳統(tǒng)的人工巡檢方式勞動強(qiáng)度大，受惡劣天氣干擾大[1-2]，很難滿足對變電站電力設(shè)備的檢測和維護(hù)要求。近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，以機(jī)器人巡檢代替人工巡檢成為未來電力設(shè)備檢測的發(fā)展趨勢。

文獻(xiàn)[3]提出了一種基于引導(dǎo)線識別的視覺導(dǎo)航巡檢機(jī)器人，采用比例-積分-微分（PID）控制實(shí)現(xiàn)電力機(jī)器人對引導(dǎo)線的實(shí)時跟蹤。文獻(xiàn)[4]提出了一種變電站軌道式巡檢機(jī)器人，利用射頻識別（RFID）對機(jī)器人定位，采用凸點(diǎn)碰撞傳感器產(chǎn)生的脈沖信號控制機(jī)器人停車巡檢。文獻(xiàn)[5]提出了一種射頻識別和視覺結(jié)合的巡檢機(jī)器人導(dǎo)航定位方法，通過基于道路邊沿特征的視覺導(dǎo)航，在行進(jìn)路徑關(guān)鍵點(diǎn)處設(shè)置RFID標(biāo)簽來確定機(jī)器人所在區(qū)域，然后利用視覺識別路標(biāo)確定機(jī)器人的位置。

目前，應(yīng)用于變電站室內(nèi)巡檢機(jī)器人的移動方式有固定軌道式和輪式。固定軌道式可以讓機(jī)器人依靠軌道的滑動運(yùn)行，優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)行精確定位，環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，但它的靈活性有待提高，運(yùn)行路徑單一，且導(dǎo)軌鋪設(shè)和維護(hù)成本較高[6]；輪式移動機(jī)器人具有移動范圍廣、機(jī)動靈活等優(yōu)點(diǎn)，但由于變電站特殊的室內(nèi)環(huán)境，儀表柜之間最窄距離只有80 cm，某些設(shè)備造價昂貴且極易損壞[7]，在這種環(huán)境下，巡檢機(jī)器人必須要有極高的控制精度，且一些儀表柜較高，傳統(tǒng)的輪式移動機(jī)器人很難覆蓋到較高的電力設(shè)備。

針對以上問題，本文提出一種可升降式變電站巡檢機(jī)器人。采用兩輪差動移動平臺，并設(shè)計相應(yīng)的路徑規(guī)劃和導(dǎo)航算法，實(shí)現(xiàn)對變電站室內(nèi)儀表的實(shí)時監(jiān)測。

1 巡檢機(jī)器人設(shè)計

1.1 組成和結(jié)構(gòu)

變電站巡檢機(jī)器人由自主導(dǎo)航系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程終端操作系統(tǒng)組成。機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)可自主規(guī)劃路徑到達(dá)指定位置，途中遇到障礙可自動避障。圖像采集系統(tǒng)由升降平臺、監(jiān)控云臺構(gòu)成，圖像采集系統(tǒng)可采集儀器儀表信息發(fā)送給遠(yuǎn)程控制終端。遠(yuǎn)程終端操作系統(tǒng)提供給用戶基于Windows系統(tǒng)的操作界面，用戶通過界面可向機(jī)器人發(fā)送指令（如啟動機(jī)器人到達(dá)指定位置、控制平臺上升或下降到指定高度、監(jiān)控云臺水平或上下旋轉(zhuǎn)到指定角度、采集圖像）。巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structureof patrol system

1.2 硬件設(shè)計

巡檢機(jī)器人硬件構(gòu)成如圖2所示，攝像頭云臺和工控機(jī)（IPC）通過路由器和遠(yuǎn)程終端通信，激光雷達(dá)和升降平臺直接連在工控機(jī)上，編碼器、慣性測量單元（IMU）連接在Arduino控制板上，Arduino控制板通過串口與工控機(jī)相連，工控機(jī)融合編碼器和IMU 數(shù)據(jù)計算得到里程計信息。

圖2 巡檢機(jī)器人硬件構(gòu)成Fig.2 Patrol robot hardwarecomposition

1.3 軟件設(shè)計

圖3所示為巡檢機(jī)器人的軟件框圖。巡檢機(jī)器人軟件設(shè)計分為應(yīng)用層、運(yùn)動控制層和驅(qū)動層。應(yīng)用層包括指令輸入和圖像數(shù)據(jù)存儲兩個模塊，主要用于給機(jī)器人下發(fā)指令和存儲機(jī)器人獲取的圖像數(shù)據(jù)。運(yùn)動控制層嵌入在工控機(jī)當(dāng)中，工控機(jī)基于Ubuntu 操作系統(tǒng)，其中，建圖、全局路徑規(guī)劃、定位導(dǎo)航這3個模塊基于ROS開源操作系統(tǒng)設(shè)計。建圖模塊采用Gmapping 算法建立變電站環(huán)境地圖[8]；全局路徑規(guī)劃模塊根據(jù)巡檢點(diǎn)和路徑關(guān)鍵點(diǎn)規(guī)劃出最優(yōu)路徑；定位采用自適應(yīng)蒙特卡洛粒子濾波算法估計出機(jī)器人在當(dāng)前地圖中的位置姿態(tài)[9]，導(dǎo)航使機(jī)器人完成點(diǎn)到點(diǎn)之間的運(yùn)動。驅(qū)動層包括機(jī)器人底盤的電機(jī)驅(qū)動、升降平臺驅(qū)動和攝像頭云臺驅(qū)動。

圖3 巡檢機(jī)器人軟件框圖Fig.3 Patrol robot software framework

2 巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃

巡檢機(jī)器人的巡檢路徑具有高重復(fù)性[10]，設(shè)計路徑規(guī)劃算法獲得最優(yōu)的全局巡檢路徑，能夠顯著提高巡檢效率。

根據(jù)變電站環(huán)境特征，可將巡檢點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)連接起來形成非連通無向圖,其中巡檢點(diǎn)是機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)時需要停車檢查的點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)是機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)向的點(diǎn)。非連通無向圖邊的權(quán)值為對應(yīng)節(jié)點(diǎn)間的距離。操作人員輸入待巡檢的巡檢點(diǎn)，機(jī)器人規(guī)劃出一條遍歷每個巡檢點(diǎn)并回到初始位置的路徑，要求機(jī)器人繞過障礙物并且行駛路程最短?；谝陨闲枨?，本文提出了一種改進(jìn)Floyd 算法的最短路徑規(guī)劃算法。

2.1 改進(jìn)Floyd算法原理

任意兩點(diǎn)間最短路徑可由Floyd 算法求得，對于每一對頂點(diǎn)u和v，判斷是否存在一個頂點(diǎn)w，使得u→w→v的路程比已知的路徑更短，如果是則更新它[11]。迭代公式如下：

2.2 改進(jìn)Floyd算法步驟

改進(jìn)Floyd 算法步驟如下：

（1）以鄰接矩陣存儲任意兩個巡檢點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)之間的權(quán)值，若兩點(diǎn)非連通，則其權(quán)值設(shè)置為一個極大值；

（2）通過Floyd 算法求解出任意兩個巡檢點(diǎn)之間的最短路徑；

（3）對輸入的巡檢點(diǎn)排列組合；

（4）對每種巡檢點(diǎn)可能的組合情況，將通過Floyd 算法求解出的點(diǎn)與點(diǎn)之間的最短路徑連接起來，求解其路徑總權(quán)值；

（5）比較得出總權(quán)值最小的一條路徑，為所求的最優(yōu)路徑。

3 巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制

巡檢機(jī)器人的運(yùn)動控制包括移動平臺的導(dǎo)航和升降平臺、攝像頭云臺的控制。機(jī)器人到達(dá)指定巡檢點(diǎn)，升降平臺上升至指定高度，攝像頭云臺旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)角度采集電表信息并返回初始點(diǎn)，定義為完成一次巡檢周期。

3.1 導(dǎo)航

圖4 機(jī)器人位姿示意圖Fig.4 Schematic diagram of robot pose

在不考慮車輪滑動的情況下，如圖5所示的輪式移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型可以描述為[12]

圖5 軌跡跟蹤示意圖Fig.5 Schematic diagram of trajectory tracking

（1）位置控制

考慮如下微分方程

機(jī)器人的參考軌跡由上文提到的路徑規(guī)劃器生成，機(jī)器人跟蹤這條參考軌跡行駛到目標(biāo)位姿點(diǎn)，直到給定目標(biāo)點(diǎn)與機(jī)器人實(shí)際到達(dá)位姿點(diǎn)之間的誤差在允許范圍內(nèi)停止。

結(jié)合式（8）和式（9），可得

為了保證式(7)有確定的解，必須存在常量C1、C2使得

式（11）中的姿態(tài)角保證了控制系統(tǒng)方程（7）有解，這個姿態(tài)角定義為θezk，可由式（15）計算得到。

（2）姿態(tài)控制

機(jī)器人在行駛到路徑關(guān)鍵點(diǎn)轉(zhuǎn)向時經(jīng)常過沖，會使機(jī)器人沿著預(yù)先設(shè)計的軌跡震蕩甚至偏離軌跡。為了減小機(jī)器人在路徑關(guān)鍵點(diǎn)因轉(zhuǎn)向而產(chǎn)生的過沖問題，設(shè)計姿態(tài)控制器（圖6）?？刂破鲿袛鄼C(jī)器人是否已到達(dá)路徑關(guān)鍵點(diǎn)，若是，則姿態(tài)控制器按式（17）計算機(jī)器人從當(dāng)前位姿點(diǎn)到下一個關(guān)鍵點(diǎn)的航向角度差Δ θ ：

根據(jù)Δθ的正負(fù)，以恒定的角速度ω自轉(zhuǎn)，使機(jī)器人朝向下一個關(guān)鍵點(diǎn)，到指定誤差允許范圍內(nèi)停止自轉(zhuǎn)。

圖6 姿態(tài)控制示意圖Fig.6 Schematic diagram of orientation control

3.1.2 避障 圖7所示為機(jī)器人避障的示意圖。根據(jù)超聲波模塊的數(shù)據(jù)判斷障礙物與機(jī)器人距離是否小于L，若是，則使機(jī)器人的線速度以一定比例衰減為0，機(jī)器人停止。

圖7 巡檢機(jī)器人避障示意圖Fig.7 Schematic diagram of patrol robot obstacle avoidance

3.2 升降平臺及攝像頭云臺控制

3.2.1 升降平臺控制 升降平臺與工控機(jī)通過RS485協(xié)議通信，工控機(jī)通過串口向升降平臺微控制器發(fā)送命令，命令格式固定為八個字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)。當(dāng)升降平臺微控制器收到工控機(jī)發(fā)送的命令后，控制升降平臺上升、下降、停止。

3.2.2 攝像頭云臺控制 攝像頭云臺通過TCP/IP協(xié)議與遠(yuǎn)程終端通信，當(dāng)固定好IP地址、端口號后，遠(yuǎn)程終端與攝像頭云臺建立起通信。攝像頭運(yùn)動分為水平旋轉(zhuǎn)和上下旋轉(zhuǎn)，操作人員通過遠(yuǎn)程終端向攝像頭云臺發(fā)送水平、上下旋轉(zhuǎn)指定角度的命令，攝像頭云臺執(zhí)行相應(yīng)的命令，使其對準(zhǔn)待巡檢的設(shè)備，采集設(shè)備圖像。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證軌跡跟蹤控制器控制效果，在Gazebo仿真環(huán)境下對機(jī)器人進(jìn)行軌跡跟蹤控制實(shí)驗(yàn)（圖8）。Gazebo是ROS中一款實(shí)現(xiàn)物理仿真的工具包，可以模擬機(jī)器人和環(huán)境的很多特性。機(jī)器人初始位置為(0,0)，讓機(jī)器人分別跟蹤2 m×2 m 的矩形和半徑為2 m 的圓形路徑，并進(jìn)行了多次仿真實(shí)驗(yàn)，得到最佳控制參數(shù)K=0.9。

圖8 Gazebo仿真環(huán)境Fig.8 Gazebo simulated environment

圖9所示為機(jī)器人仿真軌跡和參考軌跡?？梢钥闯鰴C(jī)器人仿真軌跡最大誤差出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角處，并且逐漸趨向于參考軌跡。圖10(b)所示為機(jī)器人在行駛了約10 s后最終趨于設(shè)定的圓形軌跡。由圖10可得，機(jī)器人的跟蹤誤差逐漸收斂并趨向于0。

圖9 仿真軌跡和參考軌跡Fig.9 Simulated and referencetrajectory

圖10 x、y、θ 的跟蹤誤差Fig.10 Tracking error of x, y and θ

本文提出的控制方法在真實(shí)室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。為了更加直觀地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將環(huán)境地圖簡化成拓?fù)涞貓D，如圖11所示。其中陰影部分表示變電站儀表柜，虛線表示機(jī)器人的可行路徑，拓?fù)涞貓D的節(jié)點(diǎn)表示機(jī)器人?？康狞c(diǎn)。設(shè)定B、E、I為本次巡檢周期指定的巡檢點(diǎn)，o為起始位姿點(diǎn)，執(zhí)行巡檢任務(wù)實(shí)驗(yàn)。

圖11 巡檢拓?fù)涞貓DFig.11 Patrol topologic map

圖12所示為巡檢機(jī)器人在室內(nèi)真實(shí)環(huán)境中執(zhí)行巡檢任務(wù)的效果圖，圖13所示為巡檢機(jī)器人執(zhí)行本次巡檢任務(wù)的實(shí)際軌跡。以障礙物代替變電站儀表柜、地面貼標(biāo)簽的方法模擬變電站室內(nèi)環(huán)境。

圖12 機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)Fig.12 Robot performsinspection task

從圖11和圖12可以看出，巡檢機(jī)器人可以跟蹤設(shè)計好的路徑到達(dá)巡檢點(diǎn)。巡檢機(jī)器人抵達(dá)節(jié)點(diǎn)順序?yàn)锳、B、C、D、E、F、G、H、I、H、G、o，易知，此路徑最短，證明本文提出的改進(jìn)Floyd 算法可以規(guī)劃出一條最短的巡檢路徑。由圖13可知，機(jī)器人的跟蹤誤差在10 cm 范圍內(nèi)，最大誤差出現(xiàn)在機(jī)器人轉(zhuǎn)向過程中，當(dāng)機(jī)器人直線行駛時誤差逐漸收斂。在所有實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人搭載的升降平臺可以上升到指定高度，攝像頭可以正常采集儀表圖像數(shù)據(jù)，機(jī)器人遇到障礙物可以停止執(zhí)行巡檢任務(wù)。

圖13 機(jī)器人實(shí)際軌跡Fig.13 Robot actual trajectory

5 結(jié)束語

研究了一種可升降式變電站巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計，重點(diǎn)介紹了路徑規(guī)劃及軌跡跟蹤控制的實(shí)現(xiàn)。提出的改進(jìn)Floyd 路徑規(guī)劃方法可以運(yùn)用于各種環(huán)境已知的場景中，在實(shí)現(xiàn)了智能巡檢的同時降低了機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)的能耗。此外，提出的軌跡跟蹤控制方法適用于所有兩輪差動移動平臺，在線性和非線性軌跡中都表現(xiàn)出了比較好的控制效果，誤差收斂并保持在一個很低的水平。

為了驗(yàn)證本文提出的控制系統(tǒng)的可行性，同時在仿真和室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人可在室內(nèi)環(huán)境有效工作，控制精度滿足能在變電站儀表柜之間狹窄的通道內(nèi)穿行，其搭載的升降平臺使機(jī)器人可以采集到位置較高的電力設(shè)備的圖像數(shù)據(jù)，滿足變電站室內(nèi)巡檢的任務(wù)需求。