[關(guān)鍵詞]機(jī)器人；路徑規(guī)劃；自主導(dǎo)航；配電系統(tǒng)；無(wú)人值守

引言

無(wú)人值守配電系統(tǒng)已逐漸成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要組成部分，其主要優(yōu)勢(shì)在于能夠有效降低人力成本，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。銅礦峪礦選礦廠園子溝輸送泵站在運(yùn)行過(guò)程中需要大量的電力，因此電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性就十分關(guān)鍵，而隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和復(fù)雜化，對(duì)無(wú)人值守系統(tǒng)的巡檢和維護(hù)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的人工巡檢方式在效率和安全性上難以滿足現(xiàn)代配電系統(tǒng)的需求，因此，利用機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)巡檢成為一種必然趨勢(shì)。機(jī)器人巡檢相較于人工方式，不僅能夠全天候、全方位地覆蓋巡檢區(qū)域，還能通過(guò)搭載多種傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的精確監(jiān)測(cè)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，如何提高機(jī)器人在復(fù)雜配電環(huán)境下的巡檢效率和故障檢測(cè)能力，仍然是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

一、無(wú)人值守配電站智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用價(jià)值

（一）提高巡檢效率和準(zhǔn)確性

傳統(tǒng)的人工巡檢需要依賴于人力，耗費(fèi)大量時(shí)間，且容易受到環(huán)境因素的影響導(dǎo)致檢查結(jié)果出現(xiàn)誤差或遺漏。而巡檢機(jī)器人通過(guò)預(yù)先設(shè)定的智能路徑規(guī)劃和高精度傳感器，可以在復(fù)雜的電力設(shè)備環(huán)境中自主導(dǎo)航，全天候進(jìn)行巡檢任務(wù)。這不僅降低了對(duì)人力的依賴，也提高了巡檢工作的頻次和覆蓋率。機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)采集設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、電流和電壓等參數(shù)，并將其傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)進(jìn)行分析。這種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取和分析能力大幅度提高了故障檢測(cè)的精度，使得設(shè)備隱患能夠在早期被發(fā)現(xiàn)和處理，避免了潛在的故障升級(jí)，從而保障了配電系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。

（二）增強(qiáng)配電系統(tǒng)的安全性

電力設(shè)備往往處于高壓、高溫環(huán)境下，人工巡檢不僅耗時(shí)耗力，還存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)器人耐高溫、防水、防塵的特點(diǎn)可以讓它們適應(yīng)極端環(huán)境，在惡劣條件下能持續(xù)工作。在安全區(qū)域之外或其他危險(xiǎn)區(qū)，機(jī)器人可以替代人類進(jìn)行檢查，避免人身安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，在面對(duì)緊急情況時(shí)，智能巡檢機(jī)器人具備快速響應(yīng)的能力，能夠通過(guò)預(yù)設(shè)的應(yīng)急響應(yīng)程序和自主導(dǎo)航功能，迅速抵達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行初步的評(píng)估和處理。

（三）降低配電站的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本

巡檢機(jī)器人能夠降低配電站的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。這主要是因?yàn)樽詣?dòng)化巡檢減少了對(duì)高技能巡檢人員的需求，從而降低了人力成本。同時(shí)，機(jī)器人能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行更為頻繁和細(xì)致的檢查，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，并降低突發(fā)設(shè)備故障的概率。此外，巡檢機(jī)器人能夠在收集數(shù)據(jù)的過(guò)程中積累大量歷史運(yùn)行信息，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)分析處理后，可為設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)和優(yōu)化調(diào)度提供支持。

二、軌道式智能巡檢機(jī)器人的安裝優(yōu)化

銅礦峪礦選礦廠園子溝輸送泵站中配電室應(yīng)用的機(jī)器人類型為軌道式智能巡檢機(jī)器人，其主要包括電源管理單元、視覺(jué)單元、水平運(yùn)動(dòng)單元、升降運(yùn)動(dòng)單元和通訊單元等部分，想要切實(shí)提高巡檢機(jī)器人的巡檢效率，還需要對(duì)其安裝工藝進(jìn)行優(yōu)化。

（一）電纜鋪設(shè)

在巡檢機(jī)器人安裝過(guò)程中，電纜鋪設(shè)會(huì)直接影響機(jī)器人操作的穩(wěn)定性和安全性。系統(tǒng)主機(jī)與各傳感器、控制器之間用電纜連接，各單元連接電纜主要布線于電纜溝中，在墻上布線時(shí)應(yīng)穿PVC線管。在施工過(guò)程中取電纜蓋板時(shí)要小心輕放，防止電纜蓋板跌落而損傷電纜和地面，特別要注意不能碰撞電纜，防止電纜連接處因碰撞松動(dòng)而影響到設(shè)備的運(yùn)行。提高電纜的使用壽命和安全性，需使用線槽、保護(hù)管等保護(hù)設(shè)施，避免電纜受到物理?yè)p傷或環(huán)境影響，特別是在轉(zhuǎn)彎或穿越不同環(huán)境時(shí)，需采用柔性接頭和適當(dāng)?shù)膹澢霃?，以防止電纜折斷或磨損。

（二）導(dǎo)軌安裝

在機(jī)器人導(dǎo)軌安裝時(shí)，需要依據(jù)機(jī)器人的重量、行駛速度和運(yùn)行環(huán)境選用合適的導(dǎo)軌材料（如鋁合金、鋼軌等）。導(dǎo)軌的布局應(yīng)結(jié)合配電系統(tǒng)的實(shí)際情況，合理設(shè)計(jì)導(dǎo)軌長(zhǎng)度、寬度和傾斜角度，以確保機(jī)器人在巡檢時(shí)的平穩(wěn)性。在安裝導(dǎo)軌時(shí)，要確保導(dǎo)軌之間的間距和水平度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，以避免機(jī)器人在行駛過(guò)程中出現(xiàn)偏差或卡障；使用水平儀等測(cè)量工具，對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行逐段檢查，確保其平直，并在固定前進(jìn)行必要的調(diào)整；此外，柜體間有橋架時(shí)，需考察橋架是否與軌道干涉，若干涉，需和當(dāng)?shù)仉娏Σ块T協(xié)調(diào)調(diào)整橋架高度后再吊裝。

三、對(duì)局部路徑的規(guī)劃

機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中配電室的環(huán)境并不是一成不變的，如果機(jī)器人在巡檢過(guò)程中遇到配電室內(nèi)部配件移動(dòng)或者工作人員行走等這類位置故障，就會(huì)影響機(jī)器人的整體巡檢效率。因此在巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)其避障能力進(jìn)行提高。針對(duì)機(jī)器人局部路徑規(guī)劃的算法有很多，可以采用DWA局部路徑規(guī)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)，該算法具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，而且對(duì)計(jì)算機(jī)CPU的占用率不高，能夠有效實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的避障。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，該算法可以通過(guò)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型、周邊環(huán)境、初始速度進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算出動(dòng)態(tài)速度窗口進(jìn)而選擇最優(yōu)的速度。

（一）軌道式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型

軌道式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型主要包括兩部分：軌道設(shè)計(jì)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)。軌道設(shè)計(jì)是指為機(jī)器人確定行駛路線和軌道結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)學(xué)則是描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性。軌道一般采用直線軌道或曲線軌道的形式，由于軌道的長(zhǎng)度、曲率、升降變化等參數(shù)都會(huì)影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式和巡檢效率，因此需要根據(jù)配電設(shè)備的布局和巡檢需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。軌道式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可以分為線性運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，主要是通過(guò)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行建模，定義其位置、速度和加速度等狀態(tài)變量。常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型包括差速驅(qū)動(dòng)模型、兩輪驅(qū)動(dòng)模型等，這些模型能夠準(zhǔn)確描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡和行為。

（二）機(jī)器人的速度采樣

根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)機(jī)器人采樣點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行計(jì)算，以便推算出與采樣點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡相符的運(yùn)動(dòng)軌跡，并對(duì)其整體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定。由于配電室是一個(gè)平面，機(jī)器人始終在一個(gè)平面空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，其速度組合有無(wú)數(shù)種，但是真實(shí)環(huán)境和機(jī)器人的性能存在一定限制，所以巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡也存在一定限制，速度采樣也會(huì)有一定范圍。在計(jì)算過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)機(jī)器人的速度進(jìn)行計(jì)算，對(duì)其最大、最小速度進(jìn)行合理控制，確保機(jī)器人在模擬過(guò)程中的速度始終符合真實(shí)速度，這需要根據(jù)機(jī)器人的電機(jī)做功大小進(jìn)行確定。

（三）改進(jìn)的局部路徑規(guī)劃

根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型和速度采樣，機(jī)器人的局部路徑規(guī)劃得以確定。通過(guò)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型中部分項(xiàng)為零時(shí)，機(jī)器人的整體導(dǎo)航效果最好。這是因?yàn)樵跈C(jī)器人與障礙物碰撞過(guò)程中，速度采樣就會(huì)將速度進(jìn)行篩選，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。而在對(duì)局部路徑規(guī)劃過(guò)程中，相關(guān)人員可以對(duì)機(jī)器人的軌跡篩選進(jìn)行明確：首先，在機(jī)器人巡檢過(guò)程中為了提高整體效率，需要遠(yuǎn)離配電室內(nèi)部的障礙物，避免出現(xiàn)碰撞；其次，在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中需要有明確目標(biāo)，并且能夠始終朝著目標(biāo)前進(jìn)，同時(shí)需要在運(yùn)動(dòng)中對(duì)全局路徑規(guī)劃的特點(diǎn)進(jìn)行利用，靠近全局路徑形式；最后，機(jī)器人需要在確保安全的前提下快速運(yùn)行，以提高巡檢效率。

在路徑規(guī)劃完成之后，設(shè)計(jì)人員對(duì)其進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比，通過(guò)將傳統(tǒng)的DWA算法與改進(jìn)之后的局部路徑規(guī)劃進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)其在導(dǎo)航效率上差別并不明顯，但是在障礙物躲避方面有著較大優(yōu)勢(shì)，能夠在巡檢過(guò)程中對(duì)障礙物進(jìn)行有效躲避。

四、對(duì)全局路徑的規(guī)劃

對(duì)機(jī)器人的局部路徑進(jìn)行合理規(guī)劃，能夠使其準(zhǔn)確避開(kāi)障礙物，并且對(duì)臨時(shí)出現(xiàn)的障礙物進(jìn)行躲避。在傳統(tǒng)的軌道機(jī)器人中，對(duì)障礙物的躲避主要依靠設(shè)備傳感器實(shí)現(xiàn)，但是這種避障方式需要多個(gè)傳感器同時(shí)運(yùn)行，這容易導(dǎo)致傳感器之間相互影響，且可能影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，從而難以精準(zhǔn)檢測(cè)物體位置。此外，由于近距離測(cè)距時(shí)存在盲區(qū)和不穩(wěn)定問(wèn)題，容易導(dǎo)致傳統(tǒng)軌道機(jī)器人的穩(wěn)定性不佳。若要對(duì)全局路徑進(jìn)行合理規(guī)劃，只提供距離信息難以獲取物體尺寸和形狀等信息，為了使機(jī)器人能夠在巡檢過(guò)程中，在出發(fā)地與目標(biāo)之間選擇一條最短的路徑，進(jìn)而提高整體巡檢效率，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以采用A*算法對(duì)地圖上兩點(diǎn)之間的距離進(jìn)行估算。

（一）傳統(tǒng)的A*算法

A*算法作為一種啟發(fā)式算法，是一種在任意兩點(diǎn)上獲取最短路徑的搜索方法。其估價(jià)函數(shù)可以表示為如下公式：

f（n）=g（n）+h（h）（1）

在上述公式中，f（n）是估價(jià)函數(shù)，是從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的估價(jià)；g（n）是代價(jià)函數(shù)，是從初始節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n的實(shí)際代價(jià)；h（n）為啟發(fā)函數(shù)，是從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)路徑的估計(jì)代價(jià)。

在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，該算法通過(guò)偽代碼的形式進(jìn)行描述。首先需要對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括機(jī)器人在配電室中的起點(diǎn)、終點(diǎn)和到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的移動(dòng)距離等：之后利用函數(shù)進(jìn)行估價(jià)，并對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

（二）對(duì)A真算法的優(yōu)化

雖然A*算法在機(jī)器人路徑的規(guī)劃上被廣泛使用，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，其規(guī)劃的路徑與配電室路徑規(guī)劃不適配，也與正常的人類思維不符。因此本文根據(jù)配電室的實(shí)際環(huán)境，對(duì)A*算法進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)傳統(tǒng)算法中轉(zhuǎn)折次數(shù)多、拐點(diǎn)多等問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化。在傳統(tǒng)算法中往往需要通過(guò)歐氏距離對(duì)機(jī)器人到目標(biāo)點(diǎn)位的距離進(jìn)行計(jì)算，但是由于配電室中往往具有回字形走廊的特點(diǎn)，這類算法并不適用。因此，在對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，結(jié)合歐式距離以及哈頓距離的特點(diǎn)，對(duì)啟發(fā)函數(shù)進(jìn)行了重新規(guī)劃。同時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程往往不需要進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，因此在對(duì)軌跡進(jìn)行優(yōu)化時(shí)采用了多項(xiàng)式對(duì)軌跡進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)將多項(xiàng)式一階到四階導(dǎo)數(shù)作為軌跡的位置、速度、加速度等，使機(jī)器人能夠進(jìn)行連續(xù)、最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)。

（三）仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為了對(duì)優(yōu)化后的機(jī)器人整體路徑進(jìn)行對(duì)比，研究選擇在配電室仿真模擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)對(duì)比對(duì)象為ROS自帶的A*算法。對(duì)比結(jié)果顯示，在同一個(gè)配電室場(chǎng)景下，改進(jìn)完成后A*算法的路徑規(guī)劃時(shí)間變長(zhǎng)了。這主要是因?yàn)樵谟?jì)算過(guò)程中需要對(duì)路徑進(jìn)行平滑處理，導(dǎo)致計(jì)算量增加。但是能夠使整體路徑變得更加科學(xué)，并且符合人類思維，因此增加的時(shí)間是可以被接受的。

五、配電室環(huán)境建圖實(shí)驗(yàn)與分析

為了對(duì)巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃的真實(shí)性能進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)計(jì)人員構(gòu)建了真實(shí)的配電室環(huán)境，配電室內(nèi)部包含兩個(gè)儲(chǔ)物柜、兩套桌椅以及兩臺(tái)冰箱，在配電室地面設(shè)有絕緣墊，局部存在不平整地塊。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，工作人員在筆記本上安裝了遠(yuǎn)程操控軟件，將筆記本作為機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制端。之后在管理軟件中打開(kāi)系統(tǒng)配置參數(shù)，對(duì)機(jī)器人的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，確保其各方面配置處于最小狀態(tài)（如表1）。

在參數(shù)配置完成之后，工作人員開(kāi)啟了配電室內(nèi)的站點(diǎn)巡檢測(cè)試，目的是確保機(jī)器人能夠在完成避障和路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上快速完成站點(diǎn)巡檢任務(wù)。工作人員在保護(hù)柜處提前設(shè)置了巡檢站，之后將機(jī)器人設(shè)置成常規(guī)巡檢模式，在這個(gè)模式下機(jī)器人接收到指令就會(huì)按照預(yù)先設(shè)置好的站點(diǎn)順序進(jìn)行巡檢。機(jī)器人到達(dá)站點(diǎn)之后，就會(huì)對(duì)姿勢(shì)進(jìn)行調(diào)整，將智能攝像機(jī)緩緩抬升，最后達(dá)到預(yù)定高度，完成拍照和圖像識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果上傳至服務(wù)器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，雖然存在一定誤差，但是從路徑規(guī)劃的整體效果來(lái)看，能夠滿足配電室巡檢要求。

結(jié)語(yǔ)

無(wú)人值守配電站智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)在提高巡檢效率、增強(qiáng)安全性和降低運(yùn)營(yíng)成本等多個(gè)方面。為了切實(shí)提高機(jī)器人的巡檢效率，為我國(guó)無(wú)人值守配電系統(tǒng)的運(yùn)行提供有效幫助，本文結(jié)合銅礦峪礦選礦廠園子溝輸送泵站的配電室現(xiàn)狀，針對(duì)巡檢機(jī)器人的路徑進(jìn)行了全面優(yōu)化，使其能夠更加符合配電室的復(fù)雜環(huán)境，并能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)避障。