韋江平，李浩瑋，王 偉，黃智榜

（龍灘水力發(fā)電廠，廣西 河池 547000）

巡檢機(jī)器人是水電廠生產(chǎn)管理研究領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，自主導(dǎo)航是機(jī)器人應(yīng)具備的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其配合應(yīng)用各類功能型傳感器給機(jī)器人進(jìn)行方位指引，準(zhǔn)確識別道路及障礙物所處區(qū)段，輔助規(guī)劃達(dá)到目標(biāo)地的適宜渠道。自定位及導(dǎo)航精準(zhǔn)能使機(jī)器人高效執(zhí)行設(shè)備故障檢測等任務(wù)，體現(xiàn)出自身的使用價值。

1 導(dǎo)航運(yùn)動控制

針對以地面導(dǎo)航線為基礎(chǔ)的兩輪差動式移動機(jī)器人，設(shè)計運(yùn)用機(jī)器人相對導(dǎo)航線的運(yùn)行方向，動態(tài)修正左右輪的轉(zhuǎn)速，精準(zhǔn)調(diào)控機(jī)器人和導(dǎo)航線兩者的距離差、角度差，確保機(jī)器人能沿著導(dǎo)航線行進(jìn)，執(zhí)行直走、轉(zhuǎn)彎等過程，落實(shí)特定的現(xiàn)場巡檢任務(wù)。

1.1 整體電路

從宏觀層面上，可以將系統(tǒng)分成檢測、控制與驅(qū)動三大模塊。運(yùn)用紅外技術(shù)掃描檢查表面狀況，運(yùn)用處理器剖析檢測結(jié)果，隨后將結(jié)果完整地傳輸給控制模塊進(jìn)行動態(tài)化管理控制，將相關(guān)信號傳輸給驅(qū)動芯片以驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，至此就實(shí)現(xiàn)對小車現(xiàn)場運(yùn)動軌跡的合理規(guī)劃與有效控制。

1.2 路徑探測

無軌導(dǎo)航是機(jī)器人執(zhí)行巡視檢查任務(wù)的關(guān)鍵，在具體實(shí)踐中，機(jī)器人設(shè)備要集成運(yùn)用編碼里程計、激光定位、智能視覺定位達(dá)到準(zhǔn)確定位，定位精度能達(dá)到10 mm，符合水電廠內(nèi)設(shè)備巡檢工作要求。

安裝調(diào)試環(huán)節(jié)，技術(shù)人員運(yùn)用機(jī)器人配置的激光發(fā)射倉創(chuàng)建激光掃描地圖，隨后于本體控制后臺內(nèi)規(guī)劃機(jī)器人的現(xiàn)場巡檢路線，機(jī)器人就能按照設(shè)計任務(wù)或路線自動運(yùn)行。機(jī)器人依照操作人員設(shè)定的要求，按照巡檢點(diǎn)位排序，發(fā)揮自主優(yōu)化巡檢路徑等功能。

在設(shè)定機(jī)器人大致現(xiàn)場巡檢路線以后，可以加入標(biāo)識線，通過巡線相機(jī)辨識標(biāo)識線的方法進(jìn)一步提升巡檢機(jī)器人定位的精準(zhǔn)度。

基于紅外探測法使機(jī)器人執(zhí)行循跡導(dǎo)航過程，運(yùn)用紅外線對差異化色彩的物理表層具備不同的反射特性的屬性，使機(jī)器人現(xiàn)場巡檢時紅外光持續(xù)發(fā)射給地面，紅外光遇到白色地面時便會即刻產(chǎn)生發(fā)射動作，裝配在小車上的接收管接收反射光；如果沿途中遇到的是黑線，那么紅外光就會被吸收，此時接收管無法接收到信號，需要運(yùn)用比較器收集高低電平數(shù)據(jù)，進(jìn)而達(dá)到檢測信號的目標(biāo)。

機(jī)器人進(jìn)到彎道時，由于轉(zhuǎn)向舵機(jī)響應(yīng)具有滯后性的特征，所以采用在巡檢機(jī)器人前方安置激光探測板進(jìn)行路徑信息探測的形式很容易造成部分彎道黑線的位置信息遺失。為減少或規(guī)避以上情況，建議運(yùn)用路徑跟隨系統(tǒng)，實(shí)際響應(yīng)速度為轉(zhuǎn)向舵機(jī)2 倍左右的隨動舵機(jī)，它能夠快速驅(qū)動固定于轉(zhuǎn)動臂上的激光探測板運(yùn)轉(zhuǎn)，使中心激光點(diǎn)追隨道路中間黑線，降低部分路徑信息遺失的風(fēng)險。

1.3 避障模塊

在水電廠環(huán)境內(nèi)，道路區(qū)和設(shè)備區(qū)的外觀顏色上存在著明顯的不同，鑒于這種情況，可以進(jìn)行一階差分運(yùn)算，準(zhǔn)確測出道路左右兩側(cè)路牙線。在HSV 空間內(nèi)執(zhí)行相關(guān)處理任務(wù)時，如果檢查發(fā)現(xiàn)有單個像素點(diǎn)的H、S 值對應(yīng)的一階差分高于設(shè)計閾值，那么可以初步認(rèn)定其屬于道路邊沿線范圍內(nèi)?？茖W(xué)判定圖像上所有像素，計算獲得符合以上條件要求的像素以后，進(jìn)行圖像預(yù)處理，剔除噪聲點(diǎn)，而后在最小二乘法的協(xié)助下準(zhǔn)確計算出道路右側(cè)沿線相配套的直線方程。假定圖像上的縱向中心線是機(jī)器人設(shè)備的行進(jìn)線，測算出的直線斜率便是行進(jìn)線和邊沿線兩者的夾角偏差θ，圖像最下部中心點(diǎn)到邊沿線之間的最短距離便是距離偏差d。

如公式（1）所示，運(yùn)用比例控制方法融合θ與d，就能順利獲得機(jī)器人左右車輪的差速，合理調(diào)控機(jī)器人車輪的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，就能使其沿道路邊沿線行進(jìn)[1]。

式（1）中：kθ、kd都為比例系數(shù)；為機(jī)器人與道路單側(cè)邊沿的期許距離長；vl、vr分別為機(jī)器人左、右車輪各自的行進(jìn)速度；v為機(jī)器人質(zhì)心的前進(jìn)速度。

如果機(jī)器人現(xiàn)場巡檢前進(jìn)道路之上存在部分障礙物，那么系統(tǒng)便能自動判斷出障礙物所處區(qū)域的中心點(diǎn)和與機(jī)器人本體之間的距離，如果其在設(shè)計閾值之下，比如1.0 m 時，就需要調(diào)控機(jī)器人的運(yùn)動方向，使其向相反的方向轉(zhuǎn)動以繞行。障礙物區(qū)下角像素點(diǎn)和圖像最下部中心點(diǎn)的連線就是機(jī)器人新規(guī)劃的行進(jìn)線，直線和圖像縱向中心線的夾角即是偏轉(zhuǎn)角度。反復(fù)執(zhí)行以上過程，直到機(jī)器人成功繞行障礙物。

運(yùn)用HC-SR04 超聲波模塊達(dá)到避障目標(biāo)，這類模塊能外供20～4 000 mm 的非接觸距離感測功能，測距精準(zhǔn)度能夠達(dá)到3 mm，在滿足機(jī)器人系統(tǒng)正常使用需求的基礎(chǔ)上具備高精準(zhǔn)度、強(qiáng)抗干擾能力等特點(diǎn)[2]。確保機(jī)器人現(xiàn)場使用工程能快速、精準(zhǔn)地判斷出是否為地面凸起或者無法穿越的障礙，模塊類型以超聲波發(fā)射器、接收器以及控制電路3 種為主。當(dāng)機(jī)器人在特定黑色軌跡線路上突然遇到障礙物時，程序會自動把機(jī)器人切換到手動控制模式并傳送出圖像信號，這樣值班人員就可以通過手動操控的形式使機(jī)器人返回至線路重新自動循跡。

1.4 驅(qū)動模塊

運(yùn)用直流電動機(jī)驅(qū)動機(jī)器人的行走輪。如果有左轉(zhuǎn)的需求是R 電機(jī)反轉(zhuǎn)、L 電機(jī)正轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)時則是R電機(jī)正轉(zhuǎn)、L 電機(jī)反轉(zhuǎn)。

2 軟件設(shè)計

紅外板運(yùn)用“三對一”的對光反復(fù)，因此需要系統(tǒng)化處理紅外探測收管的信息以后再進(jìn)行集中存儲。如果接收信號是“高”，則預(yù)示著相應(yīng)接收管無法接收到反射而來的光，偏差值大小能呈現(xiàn)出小車相對中心線的相對方位大小，單片機(jī)或微控制器參照采集到的路徑信息適時調(diào)控隨動舵機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。關(guān)于隨動舵機(jī)的管控問題，要嚴(yán)格按照反射光偏差值大小調(diào)整其旋轉(zhuǎn)角度，該角度大小和偏差值高低之間存在著正比關(guān)系。配置運(yùn)用了能支持2.4 G Wi-Fi 信號傳輸?shù)男孤峨娎|進(jìn)行通信，在整個電纜發(fā)散分布中泄露電纜表現(xiàn)出較高的一致性，在道路障礙較多的復(fù)雜化環(huán)境內(nèi)表現(xiàn)出良好的使用性能，當(dāng)前在軌道交通、隧道工程領(lǐng)域內(nèi)均有廣泛應(yīng)用，能較好地滿足水電廠現(xiàn)場巡檢的通信要求。

2.1 運(yùn)動控制系統(tǒng)

選用研祥EC7-1812CLDNA 工控機(jī)作為機(jī)器人的主控平臺構(gòu)造，功能主要是處理各類傳感器運(yùn)行過程中采集到的數(shù)據(jù)，幫助相關(guān)人員掌握現(xiàn)場環(huán)境信息及電廠設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)信息，將視頻信息完整地傳送到監(jiān)控中心內(nèi)，結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求適度調(diào)控電機(jī)驅(qū)動器的運(yùn)作模式，確保機(jī)器人在現(xiàn)場能高效率、精準(zhǔn)地進(jìn)行自主導(dǎo)航。

本課題研究的巡檢機(jī)器人是輪式機(jī)器人，雙輪同軸差分驅(qū)動形式作為其運(yùn)動控制系統(tǒng)，通過調(diào)整左右兩個驅(qū)動輪電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式達(dá)到轉(zhuǎn)向。要清晰闡明以上問題，先要構(gòu)建機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型，分析機(jī)器人本體的運(yùn)動特性。

機(jī)器人的運(yùn)動模型如圖1 所示，假定機(jī)器人在平地面上運(yùn)動，車輪僅旋轉(zhuǎn)不打滑且與地面接觸點(diǎn)的速度是0，左右車輪有等同的輪半徑r，左右車輪的角速度分別為ω1、ω2，那么抵達(dá)新的位置后，機(jī)器右輪和左輪相比，多轉(zhuǎn)過的位移量為[3]：

圖1 機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型

假定機(jī)器人的輪距是L，圖內(nèi)∣A′B′∣=∣AB∣=L，那么可以將式（2）簡化成：

當(dāng)機(jī)器人左右車輪的角速度滿足ωr≠-ωl時，質(zhì)心的線速度是0，機(jī)器人可以進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)；ωr≠±ωl時，機(jī)器人會以某曲率半徑進(jìn)行圓周運(yùn)動，機(jī)器人巡檢時執(zhí)行轉(zhuǎn)彎任務(wù)，轉(zhuǎn)彎半徑R為：

推導(dǎo)出巡檢機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程式為[4]：

式（3）中：vx、vy分別為機(jī)器人質(zhì)心在電子地圖Xm、Ym軸方向的分速度；ωc為質(zhì)心的角速度。

通過調(diào)控巡檢機(jī)器人左右兩個車輪的速度，去執(zhí)行直行和轉(zhuǎn)彎的過程。

2.2 立體視覺開發(fā)平臺

2.2.1 Bumblebee Ⅱ雙目攝像機(jī)

這種攝像機(jī)產(chǎn)品是由Point Grey 公司研發(fā)的，2005年上市，是一種典型的雙目式立體視覺攝像頭，其最大的特點(diǎn)是有效滿足了雙目圖像在清晰度、幀率等方面的實(shí)際需求，并充分考慮了攝像機(jī)自身尺寸大小、經(jīng)濟(jì)性等因素，實(shí)現(xiàn)了在不犧牲幀率的情景下獲得優(yōu)質(zhì)的環(huán)境圖像資料的目標(biāo)。

雙目攝像機(jī)長、寬、高值分別為158 mm、35 mm、46.9 mm，基線全長12 cm。攝像機(jī)鏡頭配置使用了2個全智能化的索尼ICX204 彩色CCD，鏡頭光軸相互平行且與基線垂直，同步時差被控制在20 μs 之內(nèi)，焦距精準(zhǔn)到6 mm，視角為42°。攝像機(jī)的分辨率最高、最低值分別為1 024×768、640×480，具體應(yīng)用時操作者可以通過啟用軟件上局部控制面板的方法去精準(zhǔn)調(diào)控分辨率大小，本課題研究選用的分辨率是640×480。IEEE-13 94a 是攝像機(jī)與PC 機(jī)之間進(jìn)行通信的基礎(chǔ)，信號實(shí)際傳輸速率400 bps，能夠達(dá)到高速的實(shí)時追蹤測量[5]。理論上講，當(dāng)攝像機(jī)分辨率是640×480時，圖像采集速度能抵達(dá)48 fps，但是在水電廠現(xiàn)場設(shè)備巡檢過程中通常不能取得這一成效，幀率會低出許多。

2.2.2 軟件開發(fā)包

Bumblebee Ⅱ雙目攝像機(jī)本體有軟件開發(fā)包，一種是Digiclops SDK，另一種是Triclops Stereo Vision SDK。前者最顯著的功能作用是實(shí)現(xiàn)了對數(shù)臺攝像機(jī)讀取圖像資料的同步化調(diào)控，基于圖像處理算法完成圖像色彩的處置工作任務(wù)，確保了所得時間信息的精準(zhǔn)度，檢查并抑制掉幀狀況。運(yùn)用Digiclops SDK 還能設(shè)置設(shè)計相機(jī)的使用參數(shù)，及獲取、處理及存儲圖像信息。Triclops Stereo Vision SDK 能精準(zhǔn)、快捷地處理Digiclops SDK 獲取的雙目圖像對，進(jìn)而生成客觀世界的深度圖，這種開發(fā)包能使機(jī)器人更高效率地執(zhí)行處理器緩存、MMX 指令集資源的應(yīng)用過程，顯著提升三維空間信息的處置效率，操作者無需再追求提升系統(tǒng)的運(yùn)行速率，從而可以省略立體視覺算法的部分執(zhí)行步驟。

3 結(jié)束語

本課題設(shè)計開發(fā)的巡檢機(jī)器人具備良好的巡視導(dǎo)航定位功能，選擇atmega328P 作為控制核心，運(yùn)用軟件平臺編程實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，運(yùn)用各類傳感器識別、定位道路障礙物，準(zhǔn)確獲得現(xiàn)場信息并將其作為導(dǎo)航憑據(jù)，進(jìn)行準(zhǔn)確、快速導(dǎo)航，確保機(jī)器人能依照系統(tǒng)提供的路線執(zhí)行巡檢任務(wù)，確?，F(xiàn)場巡檢過程安全性，提升巡檢效率。