變電站巡檢機(jī)器人激光建圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王振祥，李建祥，肖 鵬

（1.中交機(jī)電工程局有限公司，北京 100088；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

變電站巡檢機(jī)器人激光建圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王振祥1，李建祥2，肖 鵬2

（1.中交機(jī)電工程局有限公司，北京 100088；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

基于環(huán)境地圖的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，針對(duì)傳統(tǒng)變電站巡檢機(jī)器人導(dǎo)航方式存在的不足，設(shè)計(jì)了變電站巡檢機(jī)器人激光建圖系統(tǒng)。首先介紹了系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，之后著重對(duì)地圖創(chuàng)建算法進(jìn)行了詳細(xì)描述，并搭建了原型系統(tǒng)。最后，為驗(yàn)證系統(tǒng)性能，在500 kV變電站現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以成功建立變電站現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境電子地圖，同時(shí)所建地圖也與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境具有較好的一致性。

變電站；巡檢；機(jī)器人；激光；導(dǎo)航

0 引言

傳統(tǒng)的變電站巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)一般采用磁軌跡引導(dǎo)外加射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）標(biāo)簽輔助定位方式實(shí)現(xiàn)［1-2］，該導(dǎo)航方式具有可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)并具備較高的重復(fù)定位精度，非常適合執(zhí)行站內(nèi)設(shè)備例行巡檢任務(wù)，但利用這種導(dǎo)航方式需要在機(jī)器人運(yùn)行路線上鋪設(shè)磁條和設(shè)定RFID標(biāo)簽，施工的工作量較大。

為解決這一問題，其他的一些導(dǎo)航方式（如：衛(wèi)星導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等）已被引入巡檢機(jī)器人并在變電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，通過對(duì)公開資料的對(duì)比，激光導(dǎo)航表現(xiàn)出了良好的定位精度和對(duì)室外變電站環(huán)境具有較好適應(yīng)性，文獻(xiàn)［3-5］介紹了一種基于人工路標(biāo)的變電站巡檢機(jī)器人激光導(dǎo)航系統(tǒng)，由于其導(dǎo)航需要按照一定要求在環(huán)境中安置人工路標(biāo)，路標(biāo)安置和調(diào)整的工作量較大，一般不適用于變電站較大范圍的機(jī)器人導(dǎo)航運(yùn)行。

本文詳細(xì)描述了一種基于激光點(diǎn)云匹配的激光建圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，同時(shí)通過變電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的地圖創(chuàng)建性能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著自主建圖技術(shù)尤其是同時(shí)定位與建圖（Simultaneous Localization and Map Building，SLAM）技術(shù)的不斷成熟，基于環(huán)境地圖的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用［6］。在這類系統(tǒng)中，如何獲取正確且精確的環(huán)境地圖是系統(tǒng)中其他功能（定位、路徑規(guī)劃、避障等）實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。本文所設(shè)計(jì)激光建圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)依據(jù)功能又劃分為感知和處理兩層結(jié)構(gòu)。

感知層主要包含系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備。在這一層中，一臺(tái)德國(guó)生產(chǎn)的室外型二維激光傳感器被用來(lái)探測(cè)機(jī)器人周邊環(huán)境特征。另外，安裝于機(jī)器人兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)末端的光電編碼器脈沖也被采集，用于后續(xù)對(duì)機(jī)器人位姿（位置和姿態(tài)，下同）的估計(jì)。

處理層主要包含測(cè)距數(shù)據(jù)預(yù)處理、航位推算和數(shù)據(jù)融合3個(gè)模塊，這3個(gè)模塊構(gòu)成了激光建圖系統(tǒng)的軟件核心。激光傳感器輸出測(cè)距數(shù)據(jù)首先通過數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，濾除數(shù)據(jù)中的粗大誤差數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)融合模塊則將其與航位推算得到的機(jī)器人位姿估計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而完成機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境地圖創(chuàng)建。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 算法設(shè)計(jì)

變電站內(nèi)部環(huán)境通常為準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化的，設(shè)備區(qū)內(nèi)不僅有設(shè)備較為密集的區(qū)域，也有相對(duì)空曠且被植被覆蓋的區(qū)域，為保證對(duì)站內(nèi)所有區(qū)域的電子地圖創(chuàng)建能力，采用基于激光測(cè)距數(shù)據(jù)的電子地圖創(chuàng)建方法。

2.1 測(cè)距數(shù)據(jù)預(yù)處理

激光傳感器是巡檢機(jī)器人地圖創(chuàng)建及定位導(dǎo)航系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要負(fù)責(zé)探測(cè)機(jī)器人周邊環(huán)境中物體相對(duì)于傳感器中心的距離，然而在其與外部環(huán)境交互過程中，外部環(huán)境中各種因素必然會(huì)直接或間接施加于傳感器本身，進(jìn)而影響傳感器的實(shí)際測(cè)距性能。

針對(duì)在室外應(yīng)用過程中，激光傳感器輸出數(shù)據(jù)包含了比較多的環(huán)境噪聲及異常值，為保證后續(xù)激光建圖定位算法性能，有必要對(duì)獲得的原始激光測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，抑制環(huán)境噪聲對(duì)系統(tǒng)精度的影響。激光傳感器測(cè)距數(shù)據(jù)的預(yù)處理流程如圖2所示。

圖2 激光數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

圖3 測(cè)距數(shù)據(jù)預(yù)處理中間過程和處理結(jié)果

圖2中，距離濾波用于濾除因環(huán)境內(nèi)空曠區(qū)域或傳感器表面灰塵造成的極值數(shù)據(jù)；區(qū)域分割則通過判別相鄰測(cè)距數(shù)據(jù)間的差值是否超出設(shè)定閾值，將傳感器檢測(cè)到同一物體上的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，以便剔除位于遠(yuǎn)近不同物體間的錯(cuò)誤掃描點(diǎn)，即傳感器混疊數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)平滑則通過對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，抑制數(shù)據(jù)中存在的波動(dòng)，從而保證后續(xù)地圖創(chuàng)建精度。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的一幀激光測(cè)距數(shù)據(jù)的預(yù)處理中間過程及結(jié)果如圖3所示。

2.2 航位推算

為了實(shí)現(xiàn)后續(xù)地圖創(chuàng)建，需要利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)機(jī)器人位姿估計(jì)值與觀測(cè)值進(jìn)行融合實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人位姿觀測(cè)值可由后續(xù)激光數(shù)據(jù)匹配得到，而機(jī)器人位姿的估計(jì)值則需要在分析機(jī)器人運(yùn)動(dòng)幾何結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，由機(jī)器人航位推算模型得到。所述巡檢機(jī)器人為一典型差速運(yùn)動(dòng)方式，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分幾何簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 機(jī)器人幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

圖4中，兩輪輪軸中心分別為A和B，連線AB長(zhǎng)度為W；點(diǎn)E位于AB連線中點(diǎn)，并定義該點(diǎn)為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中心，通過該點(diǎn)可定義機(jī)器人在工作環(huán)境中的位置，而機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向則可由機(jī)器人縱向軸線EF的確定，圖中箭頭方向表示為機(jī)器人平臺(tái)的朝向。全局坐標(biāo)系下的航位推算模型為

式中：Δs、Δθ分別為單位時(shí)間內(nèi)機(jī)器人的移動(dòng)距離和轉(zhuǎn)過角度，其值則可由左、右輪轉(zhuǎn)動(dòng)弧長(zhǎng)ΔsR、ΔsL以及兩輪中心距W計(jì)算得到，為

式中：ΔR和ΔL為單位時(shí)間內(nèi)兩輪編碼器脈沖變化量；C為轉(zhuǎn)換系數(shù)；D為驅(qū)動(dòng)輪直徑；N為減速比；M為電機(jī)每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)；εR和εL為單位時(shí)間內(nèi)兩輪轉(zhuǎn)動(dòng)距離誤差。

2.3 數(shù)據(jù)融合

SLAM方法被Smith等人提出后，這一研究方向目前已經(jīng)成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，從概率方法到圖優(yōu)化方法在內(nèi)的眾多創(chuàng)新性的方法被提出并應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)激光建圖系統(tǒng)的快速搭建，本文數(shù)據(jù)融合部分采用了擴(kuò)展卡爾曼濾波（Extended Kalman Filter，EKF）框架實(shí)現(xiàn)［7-8］，完整的激光建圖過程如圖5所示。

圖5 激光建圖過程

圖5中，地圖數(shù)據(jù)由一系列激光路標(biāo)組成，每一個(gè)路標(biāo)又包含了其在加入地圖時(shí)的全局坐標(biāo)系位姿以及預(yù)處理后的激光測(cè)距數(shù)據(jù)。擴(kuò)展卡爾曼濾波模塊通過融合航位推算數(shù)據(jù)和由激光點(diǎn)云匹配得到的機(jī)器人相對(duì)位姿數(shù)據(jù)以得到全局坐標(biāo)系下的機(jī)器人位姿。

激光點(diǎn)云匹配部分采用了迭代最近點(diǎn)（Iterative Closest Point，ICP）算法［9］，其通過兩點(diǎn)集間最近點(diǎn)迭代運(yùn)算，求取其相對(duì)位姿變化。此處，該算法用于估計(jì)機(jī)器人當(dāng)前位姿與第n個(gè)路標(biāo)之間得相對(duì)位姿（Δxn，Δyn，Δθn），而機(jī)器人當(dāng)前位姿（xk+1，yk+1，θk+1）與路標(biāo)位姿（xn，yn，θn）之間的關(guān)系為

式中：a、b分別為激光傳感器相對(duì)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中心的橫向和縱向距離。

在地圖創(chuàng)建過程中，路標(biāo)匹配負(fù)責(zé)在地圖數(shù)據(jù)中尋找距離機(jī)器人當(dāng)前位姿最近距離的路標(biāo)，如果找到其就將獲取到已有路標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送至激光點(diǎn)云匹配部分，否則就把機(jī)器人當(dāng)前位姿與激光測(cè)距數(shù)據(jù)作為路標(biāo)數(shù)據(jù)加入當(dāng)前地圖，從而實(shí)現(xiàn)增量式地圖創(chuàng)建。

當(dāng)?shù)趎個(gè)路標(biāo)被加入地圖時(shí)，擴(kuò)展卡爾曼濾波器中的狀態(tài)向量和協(xié)方差矩陣為

式中：XR和Xn分別為機(jī)器人和第n個(gè)路標(biāo)的位姿；P為系統(tǒng)協(xié)方差矩陣；PR為機(jī)器人本體位姿協(xié)方差子矩陣；PRn則為機(jī)器人位姿與第n個(gè)路標(biāo)位姿的協(xié)方差子矩陣；PnR為PRn的轉(zhuǎn)置矩陣。依據(jù)式（1）～（5），系統(tǒng)誤差傳遞協(xié)方差矩陣如式（11）所示，其中A為狀態(tài)誤差傳遞矩陣，B為控制誤差傳遞矩陣。

對(duì)于卡爾曼濾波過程中所需觀測(cè)向量協(xié)方差矩陣則可從式（6）～（8）得到，如式（12）～（14）所示，其中：HR和Hn分別用于更新機(jī)器人狀態(tài)和第n個(gè)路標(biāo)的位姿。

3 系統(tǒng)測(cè)試

在算法設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，搭建激光建圖原型系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)與現(xiàn)有巡檢機(jī)器人具有相同的差速運(yùn)動(dòng)方式，并在其上安裝了激光傳感器及相關(guān)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備。為了測(cè)試上述建圖算法在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的建圖效果，原型系統(tǒng)在一500 kV室外變電站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該變電站的衛(wèi)星俯瞰圖如圖7所示。

圖6 激光建圖原型系統(tǒng)

圖7 變電站的衛(wèi)星俯瞰圖

為了使測(cè)試能更好地貼近機(jī)器人實(shí)際巡檢運(yùn)行要求，在站內(nèi)選擇兩個(gè)比較有代表性的子區(qū)域Ⅰ、Ⅱ，如圖7所示。其中區(qū)域Ⅰ位于站內(nèi)主變后方的電纜溝蓋板上，區(qū)域Ⅱ?yàn)樵O(shè)備區(qū)內(nèi)的一條正常巡檢路線。

對(duì)區(qū)域Ⅰ進(jìn)行測(cè)試得到結(jié)果如圖8所示。圖8（a）為由所設(shè)計(jì)建圖定位系統(tǒng)得到的測(cè)試區(qū)域電子地圖及測(cè)試運(yùn)行軌跡，圖8（b）為僅依靠航位推算數(shù)據(jù)建立的該區(qū)域電子地圖，圖8（c）為本測(cè)試區(qū)域內(nèi)比較有代表性的幾個(gè)場(chǎng)景。

圖8中，測(cè)試從A點(diǎn)處電纜溝蓋板開始，經(jīng)過B點(diǎn)，此處前方為一相對(duì)空曠區(qū)域，然后在E點(diǎn)所處區(qū)域轉(zhuǎn)向約90°，整個(gè)測(cè)試終止于F點(diǎn)所處區(qū)域。整個(gè)建圖定位運(yùn)行距離約為150m。在圖8（b）中，由于受到電纜溝蓋板上接縫處地面起伏影響，所建立地圖中環(huán)境特征混疊現(xiàn)象明顯，同時(shí)運(yùn)行軌跡偏轉(zhuǎn)明顯，運(yùn)行軌跡的幾何形狀與該區(qū)實(shí)際情況偏差較大。而由所設(shè)計(jì)的激光建圖與定位算法得到的圖8（a）則較好地反映了測(cè)試區(qū)域內(nèi)的環(huán)境特點(diǎn)，同時(shí)得到的運(yùn)行軌跡幾何形狀與機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行情況一致。

區(qū)域Ⅱ測(cè)試運(yùn)行距離約250m，由圖9可知，經(jīng)過建圖定位算法生成的電子地圖，同樣較好地反映了該區(qū)域內(nèi)的環(huán)境特征。

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了變電站巡檢機(jī)器人激光建圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，介紹了其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，著重對(duì)建圖過程中涉及的核心算法進(jìn)行了詳細(xì)描述，并搭建了激光建圖原型系統(tǒng)。通過變電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以成功建立現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境電子地圖，同時(shí)所建地圖也與變電站現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境具有較好的一致性。最后需要說明，目前本系統(tǒng)只在變電站內(nèi)小范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，后續(xù)還需對(duì)如何創(chuàng)建變電站全區(qū)域電子地圖等問題做進(jìn)一步研究。

圖8 區(qū)域I測(cè)試結(jié)果

圖9 區(qū)域II測(cè)試結(jié)果

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Design of a Laser M apping System for Substation Inspection Robot

WANG Zhenxiang1，LIJianxiang2，XIAO Peng2
（1.CCCCMechanical&Electrical Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100088，C hina；2.Shandong Luneng Intelligence Technology Co.，Ltd.，Jinan 250101，C hina）

More and more navigation systems based on themap of the environment have becomemature enough to be used in practical application.To overcome some defects of the classical navigation system used by the substation inspection robot now，a laser mapping system is designed and hoped to help the robot to fulfill the navigation tasks in the future application.The structure of the system is presents firstly，and then the algorithms formapping are described in detail.Finally a prototype system is constructed，and an experimental test is carried out in a 500 kV outdoor substation to verify the performance of the system. The experimental results show that the laser mapping system designed can build the map successfully，and the outputmap correctly represents the actual feature of the substation environment.

substation；inspection；robot；laser；navigation

TP242；TM63

A

1007－9904（2017）06－0017－05

2017－03－28

王振祥（1977），男，高級(jí)工程師，主要從事智能變電站工程設(shè)計(jì)等方向的研究工作。