王賢強，劉軍，張正祥，胡云輝

（國網(wǎng)安徽省電力公司合肥供電公司，安徽 合肥 230000）

目前，民用電量和工業(yè)用電量急劇增多，給電力系統(tǒng)帶來了較大的壓力，同時也為電力系統(tǒng)提供了新的發(fā)展機遇[1]。電力系統(tǒng)的安全運行是保證電網(wǎng)穩(wěn)定的重要前提，早期對電網(wǎng)系統(tǒng)的檢查主要依賴于人工，工作人員使用特定的環(huán)境監(jiān)控設備定期對電網(wǎng)進行巡檢，以此保障電網(wǎng)的安全運行。隨著用電量的成倍增加，電網(wǎng)供電范圍的擴大，早期的人工巡檢方法工作效率低、危險性高，易出現(xiàn)錯檢、漏檢的情況，巡檢工作逐漸被機器人取代[2-4]。針對電網(wǎng)特殊的工作環(huán)境，機器人代替人工巡檢的方法更加安全可靠，且實時性強，是未來電網(wǎng)帶電運維無人化的趨勢和研究熱點[5]。

國外對帶電作業(yè)機器人的研究比較早，運維機器人作為移動機器人的一種，其研究在80 年代末已經(jīng)取得了一定的成果，進入21 世紀后，國外的一些學者已經(jīng)開發(fā)出運維機器人的樣機，且對機器人的行為導航技術也有一定的研究成果[6]。傳統(tǒng)的機器人作業(yè)位置預判方法只能單自由度地控制機器人機械臂識別周圍環(huán)境，部分角度的環(huán)境信息缺失，使預判位置存在一定的位置誤差和航向角度誤差[7]。針對這一問題，該文提出了基于六軸慣導的電網(wǎng)帶電運維機器人作業(yè)位置預判方法，解決了傳統(tǒng)方法中存在的問題。

1 機器人作業(yè)位置預判方法設計

1.1 運維環(huán)境溫度誤差

利用六軸慣導控制機器臂末端的手持慣導設備軌跡，獲取以機器人為中心的周圍環(huán)境特征，為機器人作業(yè)位置的預判做準備。使用六軸慣導為帶電作業(yè)機器人的控制核心，其設計的控制模塊主要包括手持慣導設備、機器人空間機械臂和機械臂控制器，其中手持慣導設備采集操作員手部動作，將手部動作數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)綑C械臂控制器。六軸慣導控制結構如圖1 所示。

圖1 六軸慣導控制結構

在實際的電網(wǎng)帶電運維過程中，機器人通過云臺被推送到作業(yè)高空，工作人員操作機器臂和環(huán)境感知部件感知周圍環(huán)境，傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)，完成作業(yè)任務[8]。在云臺上，雙目立體相機實時將環(huán)境感知部件采集的圖像數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)降孛?。機器臂操作控制器通過操作員手部操作，自動規(guī)劃各自由度的運行軌跡，驅(qū)動機械臂運動，從而使機器臂調(diào)整到操作員期望的空間角度，獲取周圍完整的環(huán)境信息[9-10]。

在獲取圖像的同時，使用紅外測溫功能，識別周圍環(huán)境溫度異常的物體。在電網(wǎng)系統(tǒng)中，很多設備零件內(nèi)部存在熱運動，符合黑體輻射定律[11]。根據(jù)黑體輻射定律：

式中，α1和α2表示輻射常數(shù)，β表示光譜輻射波長，T表示絕對溫度，P表示能量密度。

結合上述公式可知紅外測溫的原理，輻射能力越強的物體代表其溫度也越高[12-13]。帶電運維機器人上裝有紅外熱像儀，利用紅外熱像儀上的探測器聚焦設備零件的局部區(qū)域熱度，從而將溫度數(shù)據(jù)傳輸至顯示界面，獲得已知的溫度數(shù)據(jù)。

根據(jù)已知的溫度數(shù)據(jù)進行診斷時，針對不同的情況，考慮溫升、溫差和相對溫差3 個關鍵因素[14]。相對誤差是根據(jù)相應的兩個測點之間的溫差與其中較熱點的溫升之比的百分數(shù)獲得[14]。公式如下：

式中，κ1表示發(fā)熱點的溫升，κ2為正常相對應點的溫升，g0表示環(huán)境參照體的溫度，g1和g2分別表示發(fā)熱點和正常相對應點的溫度。根據(jù)電網(wǎng)線路的溫度診斷，明確機器人運維環(huán)境，避免由溫度引起的運維誤差。

1.2 運維環(huán)境特征模型構建

通過上述過程獲得周圍環(huán)境特征，從而對機器人作業(yè)位置進行預判[15]。通過環(huán)境感知部件獲得一定的距離數(shù)據(jù)，距離數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的特征就是觀測到的環(huán)境特征。在環(huán)境感知部件工作時，受到外界因素的影響，距離數(shù)據(jù)中存在部分噪聲，不能直接獲取到完美直線。針對這一問題，引用約束規(guī)則，將屬于同一直線的距離點歸并，獲得完美的環(huán)境特征直線。用極坐標r=(θ,λ) 表示距離點，直線由模型參數(shù)(d,γ)描述，d表示機器人到直線的距離，γ表示d到機器人坐標橫軸的夾角。該直線特征作為機器人位置估計的觀測，觀測模型可以用下式表示：

式中，Ma表示在機器人極坐標下a時刻的觀測模型，通過觀測模型可獲得環(huán)境地圖中的特征。

1.3 機器人作業(yè)位置預判

假設帶電運維機器人從已知的位置出發(fā)，通過機器人上的運動感受傳感器達到獲取機器人行動信息的目的，將收集到的多種行動信息集成為控制輸入數(shù)據(jù)，通過這些輸入數(shù)據(jù)達到跟蹤機器人位置的目的[16]。需要注意的是，傳感器測量的數(shù)據(jù)并不能完美地代替機器人實際執(zhí)行的動作，在測量過程中存在部分誤差，被引入到后續(xù)操作中，給機器人作業(yè)位置預判帶來了誤差。因此，建立機器人的位置預測模型，以預測機器人的作業(yè)位置。

利用IMU（慣性測量單元）獲取機器人的絕對航向信息，利用里程計和IMU 實現(xiàn)機器人在起始點的初始位置對準：

式中，W0表示機器人的初始位置。根據(jù)機器人的運動學模型，得到機器人位置更新的基本方程：

式中，v表示機器人的線速度，W表示前一時刻位置的估計數(shù)據(jù)，ω表示機器人移動的旋轉(zhuǎn)角速度，W'表示后一時刻位置的估計數(shù)據(jù)。通過初始位置和更新位置獲得預測直線。在對電網(wǎng)帶電運維機器人作業(yè)位置預判時，將通過觀測模型獲得的觀測直線及通過IMU 得到的預測直線相匹配，將預測直線數(shù)據(jù)組成預測子集，觀測子集則由環(huán)境感知數(shù)據(jù)組成。為了保證匹配過程中預測和觀測的數(shù)據(jù)一一對應，避免出現(xiàn)一對多或多對一的異常情況，將觀測直線和預測直線都關聯(lián)同一個環(huán)境特征。同時建立一個預測和觀測之間的修正量ξij，更好地找到觀測之間預測的配對。

式中，(v·t)ja表示a時刻的觀測，(v·t)'ia表示a時刻的預測。為了判斷特征預測和觀測之間匹配是否有效，給出匹配的判定門限：

其中，G表示預測和觀測之間匹配的門限閾值。在預測子集和觀測子集匹配過程中，通過式（9）的判定條件判斷一個觀測與各個預測之間的關系。在真實的作業(yè)過程中，只有一個觀測結果落在一個判定門限才是有效的。若出現(xiàn)一個觀測對應多個判定門限，則通過計算和多次匹配，篩選出最佳的配對作為有效配對。對于匹配過程中沒有落入判定門限的觀測，則直接棄置，僅利用預測來估計機器人的作業(yè)位置。

在電網(wǎng)帶電運維過程中，其機器人作業(yè)環(huán)境基本相似，環(huán)境特征相似度較高，為了避免落入多個判定門限的情況，選擇環(huán)境特征差異較大的區(qū)域。

至此，基于六軸慣導的電網(wǎng)帶電運維機器人作業(yè)預判方法設計完成。

2 實驗結果與分析

在電網(wǎng)帶電運維機器人作業(yè)位置預判實驗研究中，主要引用傳統(tǒng)的預判方法進行對比實驗，實驗所用的機器人如圖2 所示。

圖2 實驗機器人

為減少自然環(huán)境的干擾，定位實驗在室內(nèi)進行，分別使用基于六軸慣導的電網(wǎng)帶電運維機器人作業(yè)位置預判方法和文獻[7]提出的巡線機器人輸電線路狀態(tài)檢修方法進行對比實驗，使用第三方軟件Rviz輸出結果，通過仿真結果能夠明顯看出不同預判方法的對比效果。

圖3顯示的a、b、c、d 4個點為預判點，圖中的軌跡為機器人行動軌跡。從圖中可以看出，傳統(tǒng)預判方法預判的位置與機器人實際行動軌跡相比，出現(xiàn)了嚴重的偏離，而該文方法預判的位置與機器人實際行動軌跡十分貼切。統(tǒng)計出兩組實驗結果的位置誤差和航向角誤差，使用不同的預判方法進行多次實驗，利用統(tǒng)計軟件SPSS 統(tǒng)計位置誤差和航向角誤差。具體統(tǒng)計結果如表1 所示。

圖3 不同預判方法位置預判實驗結果

表1 不同預判方法誤差統(tǒng)計結果

由表1 可知，文獻[7]提出的巡線機器人輸電線路狀態(tài)檢修方法平均位置誤差為30.55 cm，航向角誤差為9.41°；基于六軸慣導的預判方法平均位置誤差為2.79 cm，航向角誤差為0.52°。對比以上數(shù)據(jù)，可以明顯看出傳統(tǒng)的預判方法位置誤差遠高于基于六軸慣導的電網(wǎng)帶電運維機器人作業(yè)位置預判方法，說明設計的預判方法優(yōu)于傳統(tǒng)預判方法。

3 結束語

機器人在電網(wǎng)帶電運維中承擔著電力巡檢的任務，通過對作業(yè)位置的預判，完成預定的作業(yè)任務并實時上報。通過引用六軸慣導控制機器人的行為，利用機器臂獲取機器人周圍環(huán)境信息，依據(jù)環(huán)境信息及物件溫度變化預判出機器人作業(yè)位置。針對不同預判方法，設計對比實驗，在相同的實驗條件下，證明了設計的基于六軸慣導的電網(wǎng)帶電運維機器人作業(yè)位置預判方法更加優(yōu)秀。但是所提方法仍然存在一些問題，由于實驗過程數(shù)據(jù)主要依靠人工測量，定位精度不足，下一步研究工作可以圍繞這一問題展開。