基于ROS的室內(nèi)變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人定位技術(shù)

鄧立林

（寧波智電電力科技有限公司，浙江 寧波 315000）

基于ROS的室內(nèi)變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人定位技術(shù)

鄧立林

（寧波智電電力科技有限公司，浙江 寧波 315000）

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的形勢(shì)下，對(duì)電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量要求也越來(lái)越高，也推進(jìn)了電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化自動(dòng)化進(jìn)程，對(duì)于變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人的要求也有所提升。室內(nèi)變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人要想完成巡檢任務(wù)就需要定位準(zhǔn)確。而巡檢機(jī)器人在巡檢工作中還存在一定的問(wèn)題.文中就圍繞室內(nèi)變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人的定位問(wèn)題進(jìn)行研究，并且對(duì)ROS系統(tǒng)軟件以及室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行分析。

ROS；室內(nèi)變電站設(shè)備；巡檢機(jī)器人，定位技術(shù)

在我國(guó)目前電力行業(yè)已引進(jìn)了機(jī)器人技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站設(shè)備的巡檢工作，而采用機(jī)器人進(jìn)行巡檢工作面臨的就是機(jī)器人運(yùn)行中的定位問(wèn)題。以下就對(duì)機(jī)器人定位技術(shù)進(jìn)行分析，并且對(duì)機(jī)器人在ROS基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)定位的方法進(jìn)行研究，在ROS系統(tǒng)軟件的支持下，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的準(zhǔn)確定位，為機(jī)器人提供更好的應(yīng)用前景。

1 ROS的開(kāi)發(fā)進(jìn)程

ROS是由Ubantu的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，在機(jī)器人操作和控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，是一種系統(tǒng)軟件框架。ROS集合了當(dāng)下最流行的服務(wù)軟件技術(shù)，可以說(shuō)是集諸多優(yōu)點(diǎn)與一身。ROS是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議作用于節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)，因此，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同語(yǔ)言和功能的代碼集成。ROS的作用就是可以完成對(duì)代碼的復(fù)用，是在不改變?cè)a的基礎(chǔ)上，將代碼在不同類(lèi)型機(jī)器人上進(jìn)行復(fù)用，由于這一特點(diǎn)，機(jī)器人的開(kāi)發(fā)人員可以對(duì)不同機(jī)器人的功能進(jìn)行復(fù)用，避免重復(fù)編寫(xiě)代碼帶來(lái)的時(shí)間浪費(fèi)。

ROS是在2007年由StanfordUniversity人工智能實(shí)驗(yàn)室在斯坦福的AI機(jī)器人項(xiàng)目中研發(fā)的一款技術(shù)控制軟件。自2008年就由WillowGarage公司以及20多家研究機(jī)構(gòu)共同研發(fā)。至今，已經(jīng)有多家研發(fā)機(jī)構(gòu)加入到研發(fā)團(tuán)隊(duì)中，同時(shí)，也有眾多公司將公司產(chǎn)品向ROS擴(kuò)展。ROS旨在為軟件提供操作環(huán)境，它通過(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功能的組織與復(fù)用，通過(guò)對(duì)ROS庫(kù)的使用可以隨時(shí)使用其他人開(kāi)發(fā)出的資源。目前，較為成熟的ROS產(chǎn)品還較少，由于ROS展現(xiàn)出了良好的發(fā)展前景。為了推動(dòng)ROS在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，在2013年由多家機(jī)構(gòu)聯(lián)合創(chuàng)建了ROS-Industrial聯(lián)盟，該組織的成立是為了實(shí)現(xiàn)先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。

2 變電站巡檢機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

我國(guó)自2010年開(kāi)始了ROS的研發(fā)工作，在市場(chǎng)需求的影響下，2012年又有一批科研機(jī)構(gòu)投入其中。當(dāng)前，我國(guó)對(duì)ROS的研發(fā)工作已經(jīng)初具成效，但是研發(fā)出的科技產(chǎn)品還是無(wú)法達(dá)到市場(chǎng)的需求，而與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，也還是處于ROS研發(fā)的初級(jí)階段。電力機(jī)器人的研發(fā)工作早在改革開(kāi)放以后就已經(jīng)開(kāi)始了，由于生產(chǎn)所需的電力增多，致使變電站的巡檢工作增多，這就推進(jìn)了電力行業(yè)現(xiàn)代化自動(dòng)化發(fā)展的進(jìn)程。同時(shí)，變電站巡檢機(jī)器人的研究工作也得到了國(guó)家的大力支持。

某研究院對(duì)變電站巡檢機(jī)器人的國(guó)家項(xiàng)目進(jìn)行研發(fā)，且在2012年在其他研究院校的幫助下推出第三代與第四代變電站巡檢機(jī)器人，這兩代機(jī)器人成功的投入到變電站巡檢工作中。同年，某自動(dòng)化研究機(jī)構(gòu)也研發(fā)出了一款可以在冰雪環(huán)境下進(jìn)行巡檢的機(jī)器人。

3 巡檢機(jī)器人的工作流程及問(wèn)題

（1）巡檢機(jī)器人的工作流程。室內(nèi)變電站巡檢機(jī)器人的工作內(nèi)容是移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)設(shè)定好的路線對(duì)室內(nèi)變電站內(nèi)部的設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行巡檢，另外一種是相關(guān)人員對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操控來(lái)完成巡檢工作。室內(nèi)變電站的設(shè)備包括電壓變換器、斷路器、真空開(kāi)關(guān)及電力線等，巡檢機(jī)器人需要完成的是對(duì)這些設(shè)備的運(yùn)行情況和數(shù)據(jù)讀取是否正常進(jìn)行檢測(cè)，做到對(duì)變電站的實(shí)施監(jiān)控，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定提供支持。圖1為移動(dòng)機(jī)器人的巡檢流程。

（2）巡檢機(jī)器人巡檢過(guò)程中的問(wèn)題。變電站內(nèi)的環(huán)境比較復(fù)雜，移動(dòng)機(jī)器人要想完成對(duì)室內(nèi)變電站的巡檢工作，就需要有較強(qiáng)的抗干擾性，并且具備定位準(zhǔn)確優(yōu)勢(shì)。作為室內(nèi)變電站的巡檢機(jī)器人必須具備精準(zhǔn)的定位與導(dǎo)航能力，這樣才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與智能化。變電站內(nèi)部的設(shè)備多為金屬材質(zhì)，且流通的電壓與電流較大。而內(nèi)部的設(shè)備又較為密集，致使周?chē)拇艌?chǎng)受到影響，沒(méi)有規(guī)律可循。在巡檢機(jī)器人采用磁敏傳感器時(shí)，一旦靠近變電站設(shè)備就可能受到周?chē)艌?chǎng)的影響導(dǎo)致機(jī)器人失去作用，為此，在室內(nèi)變電站的巡檢工作中應(yīng)該避免使用磁敏傳感器的機(jī)器人。

當(dāng)前變電站巡檢機(jī)器人比較常采用的導(dǎo)航定位方式是埋入式加RFID的方式。具體操作方式是將磁導(dǎo)軌按照需要巡檢的路線埋入地下約為1cm的位置，并且在需要檢測(cè)的設(shè)備上加RFID卡，以這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的目的。然而，這種方式有一定的弊端，就是巡檢機(jī)器人的路線固定，缺乏靈活性，同時(shí)在施工方面工程也較為巨大，資金的投入也較多。電力公司對(duì)巡檢機(jī)器人的要求是能夠順利完成巡檢工作；不能對(duì)變電站內(nèi)的設(shè)備產(chǎn)生破壞；機(jī)器人的運(yùn)行安全可靠；可以有效減少人工巡檢的任務(wù)量。然而這種導(dǎo)航定位方式并不完全符合電力行業(yè)的需求，為此，需要相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)加快對(duì)變電站機(jī)器人定位技術(shù)的研發(fā)進(jìn)程，為變電站的巡檢工作帶來(lái)便利。

4 移動(dòng)機(jī)器人室內(nèi)定位技術(shù)

定位指的是機(jī)器人在移動(dòng)的過(guò)程中通過(guò)自身的感知系統(tǒng)對(duì)所在的位置進(jìn)行三維確定，這一過(guò)程就是機(jī)器人定位的過(guò)程。移動(dòng)機(jī)器人的準(zhǔn)確定位與導(dǎo)航是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化的基礎(chǔ)。只有精準(zhǔn)的定位才能有序的進(jìn)行巡檢工作，下面就對(duì)現(xiàn)存的幾種定位方式進(jìn)行闡述。

（1）軌跡推測(cè)定位。軌跡推測(cè)實(shí)際上是一種位置推算法，這種方式的使用需要在確定機(jī)器人起始位置的前提下，在傳感器的作用下，對(duì)移動(dòng)的里程等單位為參考通過(guò)推算的方式對(duì)機(jī)器人的位姿進(jìn)行估計(jì)。航跡推測(cè)的優(yōu)勢(shì)是對(duì)外部環(huán)境的限制可以忽略不計(jì)，較為適合室內(nèi)環(huán)境的巡檢工作，隧道和山洞也可以適用。弊端是長(zhǎng)時(shí)間的使用會(huì)出現(xiàn)累計(jì)誤差的情況。

（2）地圖匹配定位。地圖定位體現(xiàn)的是全局性定位。地圖匹配實(shí)現(xiàn)定位的原理是通過(guò)采集當(dāng)前環(huán)境的相關(guān)信息，與原有的地圖進(jìn)行對(duì)比，以此獲得機(jī)器人的位置信息。地圖匹配定位在精準(zhǔn)度上有一定的優(yōu)勢(shì)，并且更加直觀，對(duì)于需要進(jìn)行坐標(biāo)系交換的情況和多種傳感器的情況比較適用。弊端是無(wú)法自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的變化，如果環(huán)境變化較大時(shí)位置確定準(zhǔn)確度也會(huì)隨之降低，并且計(jì)算量較大，在地圖不斷擴(kuò)大的情況下，定位所需的時(shí)間也會(huì)隨之延長(zhǎng)。

（3）基于路標(biāo)的定位。路標(biāo)是移動(dòng)機(jī)器人在空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)所能辨識(shí)的一類(lèi)特征，如RFID。一般情況下，路標(biāo)的位置是固定和己知的，機(jī)器人通過(guò)傳感器檢測(cè)路標(biāo)并進(jìn)行識(shí)別進(jìn)而確定機(jī)器人在全局中的位置?；诼窐?biāo)的定位，其優(yōu)點(diǎn)是定位精度相對(duì)較高，便于實(shí)現(xiàn)。其缺點(diǎn)是路標(biāo)安裝數(shù)量大、維護(hù)費(fèi)用高，且定位精度在很多程度上受到路標(biāo)布局影響。

5 ROS平臺(tái)上的定位技術(shù)

（1）巡檢機(jī)器人系統(tǒng)。在整個(gè)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)中，ROS是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其負(fù)責(zé)了對(duì)機(jī)器人本體的頂層控制，對(duì)設(shè)備巡檢儀器的頂層控制，對(duì)環(huán)境信息和自身狀態(tài)的頂層控制以及對(duì)通信系統(tǒng)的頂層控制。在ROS平臺(tái)上進(jìn)行機(jī)器人定位系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需要按照ROS的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各項(xiàng)開(kāi)發(fā)，包括節(jié)點(diǎn)的組織、信息的傳遞、功能系統(tǒng)組織等。在ROS中，功能一般是通過(guò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，一個(gè)功能就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)就是在ROS管理器控制下按照一定方式進(jìn)行各種節(jié)點(diǎn)的組合，然后進(jìn)行消息的傳遞與處理。

（2）巡檢機(jī)器人功能組織。節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)主題、服務(wù)或參數(shù)服務(wù)器與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。在通過(guò)服務(wù)方式進(jìn)行通信時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間是直接連接的，ROS的控制器只是提供了相應(yīng)的查詢(xún)信息，當(dāng)查詢(xún)到匹配信息時(shí)，在同意連接的基礎(chǔ)之上建立連接，此后對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)之間直接通信，將不會(huì)通過(guò)控制器的查詢(xún)工作，而是節(jié)點(diǎn)通過(guò)服務(wù)的方式進(jìn)行通信，也就間接將節(jié)點(diǎn)連接在了一起。

（3）巡檢機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)。在ROS平臺(tái)上，主要使用C，C++和python進(jìn)行編程。按照一個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)功能的組織方式，編制了激光傳感器節(jié)點(diǎn)、慣性測(cè)量單元節(jié)點(diǎn)、里程計(jì)節(jié)點(diǎn)、Kartomap節(jié)點(diǎn)、粒子濾波節(jié)點(diǎn)等，其他節(jié)點(diǎn)采用原有節(jié)點(diǎn)。在ROS平臺(tái)上，各功能以節(jié)點(diǎn)形式存在，是相互獨(dú)立又是相互依存的。獨(dú)立是因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的功能。相互依存是因?yàn)楸姸喙?jié)點(diǎn)結(jié)合在一起才能共同完成復(fù)雜多變的任務(wù)。

6 結(jié)語(yǔ)

在ROS系統(tǒng)框架得以發(fā)展的形式下，各個(gè)領(lǐng)域?qū)OS系統(tǒng)框架的利用率也有所提升，特別是電力事業(yè)在發(fā)展的過(guò)程中，規(guī)模不斷擴(kuò)大，變電站的巡視工作需要投入大量的人員，這將是一筆很大的開(kāi)銷(xiāo)，不利于減員增效的工作目的。而原有的機(jī)器人定位技術(shù)在準(zhǔn)確度與具體實(shí)施過(guò)程中都有一定難度，因此，我們需要加強(qiáng)對(duì)ROS系統(tǒng)平臺(tái)的應(yīng)用，使變電站的巡視工作和機(jī)器人定位技術(shù)更具可靠性。

[1]趙浩然．變電站巡檢機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)研究[J]．文摘版:工程技術(shù),2015(41):251-253．

[2]沈俊,張華,肖宇峰等．基于ROS的多數(shù)據(jù)融合定位方法[J]．輕工科技,2016(1):83-84．

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