劉松，徐梁，周永榮，孫軍，陳昊，鄧凱

（1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211106）

科技的進(jìn)步與電網(wǎng)系統(tǒng)的日漸發(fā)展，使得電力系統(tǒng)自動(dòng)化程度不斷提高，而國(guó)家對(duì)電力系統(tǒng)重視度，特別是智能化戰(zhàn)略不斷推進(jìn)。在智能電網(wǎng)戰(zhàn)略的部署中，變電站的大量日常巡檢工作都逐步交由電力巡檢機(jī)器人來完成，不僅提高了巡檢效率，同時(shí)能降低人工運(yùn)維成本，保證工作人員的人身安全。

本文提出了一種基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的定位精度測(cè)量方法，獲取電力巡檢機(jī)器人的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并根據(jù)點(diǎn)云重心得出相對(duì)定位標(biāo)志物的偏差，以此來衡量機(jī)器人定位導(dǎo)航精度指標(biāo)，該方法經(jīng)驗(yàn)證對(duì)形狀不規(guī)則的物體的定位有很高的精度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析，該測(cè)量方法的重復(fù)掃描誤差被控制在2mm以內(nèi)，具備在實(shí)際驗(yàn)證測(cè)試中的有效性。

1 定位導(dǎo)航精度測(cè)量方法技術(shù)原理

通過在檢測(cè)區(qū)域的x和y兩個(gè)方向上安裝檢測(cè)設(shè)備來獲取機(jī)器人在兩個(gè)方向上的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。檢測(cè)設(shè)備以一個(gè)高精度二維激光雷達(dá)為基礎(chǔ)，通過一個(gè)俯仰裝置轉(zhuǎn)動(dòng)激光雷達(dá)的掃描平面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)前方區(qū)域的掃描。采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)掃描平面的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)對(duì)速度和角度進(jìn)行嚴(yán)格的控制。由此可以使用兩個(gè)方向的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割出機(jī)器人的點(diǎn)云。

圖1 定位精度測(cè)量方法原理示意圖

由于機(jī)器人形狀的不規(guī)則，采取對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重心提取的方法以代表機(jī)器人的位置，繼而分別計(jì)算機(jī)器人相對(duì)定位標(biāo)志物在x、y兩個(gè)方向上的偏差。

2 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的定位算法

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的生成

我們?cè)趚和y方向上分別對(duì)前方區(qū)域進(jìn)行掃描，從而得到兩個(gè)方向的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對(duì)于每個(gè)方向，激光掃描示意圖如圖2所示，激光掃描平面顯示為平面S，激光平面S繞著x軸旋轉(zhuǎn)，OA為激光掃描平面的激光束,由圖可得，可查看到A這個(gè)點(diǎn)的三維立體坐標(biāo)：

圖2 激光掃描示意圖

其中，該束激光的距離長(zhǎng)度在圖中顯示為range，激光平面S與平面xoy的夾角為Pitch，在激光平面S上，OA與x軸正方向的夾角為Yaw。

2.2 定位標(biāo)志物的位置提取

在機(jī)器人進(jìn)入測(cè)試場(chǎng)地之前，在單個(gè)方向使用檢測(cè)裝置檢測(cè)地面的定位標(biāo)志物的位置。由于地面的定位標(biāo)志物會(huì)反光，所以在獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中會(huì)有一部分缺失，因此，定位標(biāo)志物的位置提取十分簡(jiǎn)單，只需要計(jì)算缺失部分的中心作為標(biāo)志物定位。

2.3 數(shù)據(jù)誤差去除

采用窗口滑動(dòng)濾波對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去除一些外界的干擾、噪聲等外部因素引起的誤差。窗口滑動(dòng)濾波的步驟如下所示：

（1）對(duì)于原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)P中的每個(gè)點(diǎn)pi，取它兩側(cè)寬度為k的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為點(diǎn)pi的窗口。

（2）計(jì)算pi窗口內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值：

（3）計(jì)算pi窗口內(nèi)數(shù)據(jù)的方差并存入數(shù)組：

（4）得到每個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方差后，將方差與設(shè)定好的閾值vth比較。若vi＜vth，便將點(diǎn)pi加入輸出的點(diǎn)云集合O。

（5）集合O即為窗口滑動(dòng)濾波后得到的點(diǎn)云集合。

2.4 點(diǎn)云重心的提取

由于獲得的機(jī)器人點(diǎn)云數(shù)據(jù)比較稠密，并且機(jī)器人是不規(guī)則物體，需要多次計(jì)算機(jī)器人到達(dá)該定位標(biāo)志點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重心，通過比較該數(shù)據(jù)的方差，可獲得機(jī)器人的定位導(dǎo)航精度的偏差。

因?yàn)橹恍枰獙?duì)比點(diǎn)云重心與二維定位標(biāo)志物的關(guān)系，所以我們忽略z方向的坐標(biāo)，而只在x和y方向上分別求取機(jī)器人點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重心坐標(biāo)并組合在一起。

在x方向上提取點(diǎn)云重心的x坐標(biāo)：

在y方向只需提取點(diǎn)云重心的y坐標(biāo)：

最終計(jì)算得到點(diǎn)云重心數(shù)據(jù)(x_g, y_g)后，可以通過此重心數(shù)據(jù)來衡量機(jī)器人的定位精度。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與數(shù)據(jù)采集

為了驗(yàn)證本文所提方法的合理性與正確性，實(shí)驗(yàn)環(huán)境以國(guó)內(nèi)某電力實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)，測(cè)試設(shè)備有x、y方向的高精度定位設(shè)備、無線路由設(shè)備、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和實(shí)驗(yàn)管理分析系統(tǒng)。定位導(dǎo)航精度測(cè)量方法程序流程圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程圖

實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)區(qū)域?yàn)?m×2m的空地，在檢測(cè)區(qū)域中設(shè)有定位標(biāo)志物，并將此標(biāo)志物點(diǎn)設(shè)為導(dǎo)航點(diǎn)。在檢測(cè)區(qū)域的x軸和y軸方向分別放置兩個(gè)定位導(dǎo)航精度檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)x軸和y軸這兩個(gè)方向上的定位誤差。將裝置上電工作，等待機(jī)器人進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域，待機(jī)器人停止后，系統(tǒng)開始掃描檢測(cè)。上位機(jī)的界面上會(huì)顯示出機(jī)器人點(diǎn)云重心相對(duì)定位標(biāo)志物的偏移量結(jié)果。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了衡量定位精度測(cè)量方法的測(cè)量精度，對(duì)于同一固定的定位標(biāo)志物，使巡檢機(jī)器人行駛到該位置，系統(tǒng)多次重復(fù)測(cè)量，得到其x軸與y軸方向的誤差。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

畫在二維平面上如圖4所示，每張圖片代表巡檢機(jī)器人定位到同一視覺標(biāo)志物時(shí)，定位裝置多次檢測(cè)到的機(jī)器人點(diǎn)云重心的位置。

表1 測(cè)試結(jié)果表格

圖4 多次測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語

本系統(tǒng)整合了巡檢機(jī)器人的所有點(diǎn)云信息，最終體現(xiàn)為提取點(diǎn)云重心，解決了被測(cè)物體形狀不規(guī)則的問題。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，其在一維方向上的偏差在2mm以內(nèi)，完全可以滿足測(cè)量精度的需求。且激光測(cè)量的精度高，性能穩(wěn)定，原理簡(jiǎn)單，在電力巡檢機(jī)器人中獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢測(cè)這方面有很好的作用效果。同時(shí)，此種檢測(cè)機(jī)器人定位精度的方法也可以很好地應(yīng)用到相似場(chǎng)景中，具有廣闊的檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用前景。