數(shù)字化變電站巡視機(jī)器人避障路徑智能規(guī)劃研究

趙澤龍 鄭 磊 易克松 朱清耀 周仲波

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司遵義供電局）

0 引言

現(xiàn)如今，變電站的智能自動(dòng)化水平得到了極大的提升，而巡視自主移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，為數(shù)字化變電站日常的工作提供了極大的便利［1］。所謂巡視機(jī)器人是電力特種機(jī)器人系列中的一種，主要用于代替人工完成變電站巡檢工作，而路徑規(guī)劃則是保證巡視機(jī)器人工作質(zhì)量與效率的關(guān)鍵［2］。傳統(tǒng)的巡視機(jī)器人通常是以單向避障或者定位避障的模式實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑的規(guī)劃，這種形式雖然可以完成預(yù)期的規(guī)劃目標(biāo)，但是較容易受到外部因素的影響，導(dǎo)致規(guī)劃質(zhì)量不高。在實(shí)際中，對(duì)于避障環(huán)境的要求和規(guī)劃限制也是極嚴(yán)格的，因此研究一種新的數(shù)字化變電站巡視機(jī)器人避障路徑智能規(guī)劃方法具有重要意義［3］。

為了提升數(shù)字化變電站巡視機(jī)器人避障路徑智能規(guī)劃質(zhì)量，通過(guò)劃定數(shù)字化變電站巡檢覆蓋范圍，對(duì)機(jī)器人避障程序進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，并根據(jù)實(shí)際環(huán)境情況及路徑選擇合理的規(guī)劃方案，保證數(shù)字化變電站的安全平穩(wěn)運(yùn)行［4］。因此需要結(jié)合三維技術(shù)、高精度GPS技術(shù)，進(jìn)一步構(gòu)建更加靈活、多變的巡視規(guī)劃?rùn)C(jī)器人內(nèi)置結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大對(duì)應(yīng)的覆蓋區(qū)域，推動(dòng)相關(guān)行業(yè)及技術(shù)邁入一個(gè)新的發(fā)展臺(tái)階［5］。所以研究一種新的數(shù)字化變電站巡視機(jī)器人避障路徑智能規(guī)劃方法勢(shì)在必行。

1 變電站巡視機(jī)器人避障路徑規(guī)劃方法設(shè)計(jì)

1.1 明確人工避障勢(shì)場(chǎng)區(qū)域

在對(duì)變電站巡視機(jī)器人避障路徑規(guī)劃方法設(shè)計(jì)之前，需要根據(jù)變電站巡視機(jī)器人實(shí)際的工作區(qū)域，明確人工避障勢(shì)場(chǎng)區(qū)域［6］。所謂人工避障勢(shì)場(chǎng)主要指的是結(jié)合三維技術(shù)所構(gòu)建的一個(gè)虛擬的空間，是根據(jù)實(shí)際變電站的空間按照比例縮小而成的。將巡視機(jī)器人實(shí)際的運(yùn)動(dòng)程序作為構(gòu)建勢(shì)場(chǎng)的限制條件，在標(biāo)定的空間中搭建引力和斥力的場(chǎng)強(qiáng)線，致使巡視機(jī)器人依據(jù)“磁場(chǎng)”的變化不斷運(yùn)動(dòng)，完成預(yù)期的避障路徑智能規(guī)劃［7］。首先，需要在模糊區(qū)域之中布設(shè)一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，測(cè)定機(jī)器人在行進(jìn)的過(guò)程中所受的合力大小，計(jì)算出區(qū)域范圍之內(nèi)的斥力和引力，具體如式（1）所示：

式中，G表示避障范圍內(nèi)的斥力；I表示覆蓋范圍；φ表示磁場(chǎng)可控直徑；m表示磁場(chǎng)重合距離；i表示避障次數(shù)；κ表示單向運(yùn)動(dòng)范圍。通過(guò)上述計(jì)算，最終可以得出避障范圍內(nèi)的斥力。隨后，結(jié)合得出的數(shù)值及磁場(chǎng)的變化情況計(jì)算出磁場(chǎng)的引力，具體如式（2）所示：

式中，o表示磁場(chǎng)的引力；β1表示障礙物識(shí)別預(yù)設(shè)時(shí)間；β2表示障礙物實(shí)際識(shí)別時(shí)間；χ表示目標(biāo)點(diǎn)距離；?表示斥力場(chǎng)函數(shù)。通過(guò)上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的磁場(chǎng)的引力。利用得出的引力和斥力，標(biāo)記機(jī)器人的識(shí)別盲區(qū)，在對(duì)應(yīng)位置安裝檢測(cè)裝置，形成全覆蓋式的人工避障勢(shì)場(chǎng)，根據(jù)總勢(shì)場(chǎng)的變動(dòng)狀態(tài)決定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向，建立動(dòng)態(tài)化的路徑規(guī)劃梯度，完成對(duì)人工避障勢(shì)場(chǎng)區(qū)域的明確，為后續(xù)路徑規(guī)劃提供重要的參考依據(jù)［8］。

1.2 巡檢障礙距離及方位計(jì)算

在明確人工避障勢(shì)場(chǎng)區(qū)域之后，接下來(lái)需要根據(jù)實(shí)際的避障需求及路徑規(guī)劃方法，進(jìn)行巡檢障礙距離及方位的計(jì)算。通常情況下，與工業(yè)巡檢機(jī)器人不同的是，數(shù)字化變電站巡檢機(jī)器人的工作范圍是有限的，一般會(huì)在機(jī)器人的前方、后方、左側(cè)和右側(cè)各個(gè)位置安裝異常識(shí)別器和多維傳感裝置，利用相應(yīng)的測(cè)試程序分析核算所識(shí)別障礙物與巡檢機(jī)器人之間的距離，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 巡檢障礙距離測(cè)定結(jié)構(gòu)圖示

根據(jù)圖1，可以完成巡檢障礙距離測(cè)定結(jié)構(gòu)的設(shè)定與調(diào)整，隨后結(jié)合機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算出實(shí)際的巡檢障礙距離，具體如式（3）所示：

式中，J表示巡檢障礙距離；θ1表示探測(cè)范圍；θ2表示重合范圍；π表示空間矢量；?表示探測(cè)直徑。通過(guò)上述計(jì)算，最終可以計(jì)算得出實(shí)際的巡檢障礙距離。依據(jù)實(shí)際的巡檢障礙距離數(shù)值，判定此時(shí)巡檢機(jī)器人與障礙物之間的距離，結(jié)合周圍環(huán)境及磁場(chǎng)的變化，將機(jī)器人在變電站內(nèi)部的識(shí)別角度從0°調(diào)整到360°，在此過(guò)程中逐步測(cè)定路徑智能規(guī)劃的空間方向矢量，具體如表1所示。

表1 機(jī)器人避障路徑智能規(guī)劃空間方向矢量表

根據(jù)表1，可以完成對(duì)機(jī)器人避障路徑智能規(guī)劃空間方向矢量的測(cè)定和分析。根據(jù)空間矢量的變動(dòng)，結(jié)合機(jī)器人采集障礙物的運(yùn)動(dòng)方位信息，并通過(guò)設(shè)定模糊路徑，完成對(duì)巡檢障礙距離及方位的計(jì)算。

1.3 Dijkstra多目標(biāo)避障路徑智能規(guī)劃模型設(shè)計(jì)

在完成對(duì)巡檢障礙距離及方位的計(jì)算之后，接下來(lái)根據(jù)變電站機(jī)器人的巡檢工作項(xiàng)目，結(jié)合Dijkstra多目標(biāo)避障技術(shù)構(gòu)建路徑智能規(guī)劃模型。通常情況下，巡檢機(jī)器人的運(yùn)行是通過(guò)預(yù)設(shè)目標(biāo)來(lái)催動(dòng)的，雖然能夠完成預(yù)期的任務(wù)，但是不夠靈活。

在控制系統(tǒng)中融入Dijkstra多目標(biāo)避障程序，從多個(gè)方向設(shè)計(jì)避障路徑。這部分需要注意的是，可以在機(jī)器人上搭載二維激光雷達(dá)，結(jié)合URDF調(diào)度模型，構(gòu)建多范圍、動(dòng)態(tài)化的模型的規(guī)劃流程，具體如圖2所示。

根據(jù)圖2，可以完成對(duì)Dijkstra多目標(biāo)避障路徑智能模型流程的設(shè)計(jì)與調(diào)整，將上述計(jì)算出的數(shù)值應(yīng)用在路徑智能規(guī)劃模型之中，優(yōu)化模型對(duì)于障礙物的規(guī)避能力，實(shí)現(xiàn)Dijkstra多目標(biāo)避障路徑智能規(guī)劃。

圖2 Dijkstra多目標(biāo)避障路徑智能模型規(guī)劃流程

1.4 動(dòng)態(tài)窗口法實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃

在完成對(duì)Dijkstra多目標(biāo)避障路徑智能規(guī)劃模型的設(shè)計(jì)之后，接下來(lái)采用動(dòng)態(tài)窗口法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障路徑的智能規(guī)劃。在機(jī)器人的識(shí)別程序之中設(shè)定關(guān)聯(lián)窗口，并構(gòu)建動(dòng)態(tài)化的標(biāo)記空間。根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)行區(qū)域，對(duì)異常位置逐一做出標(biāo)定。

同時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)窗口將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息傳輸至控制系統(tǒng)程序之中，便于管理人員及時(shí)查看維護(hù)。但是這部分需要注意的是，動(dòng)態(tài)窗口法對(duì)于機(jī)器人的路徑的規(guī)劃并不受到限制，所以覆蓋的范圍也會(huì)更大一些，更加有利于路徑的智能規(guī)劃處理，以此完成數(shù)字化變電站巡視機(jī)器人避障路徑智能規(guī)劃。

2 方法測(cè)試

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字化變電站巡視機(jī)器人避障路徑智能規(guī)劃方法的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。選擇H數(shù)字化變電站作為測(cè)試的主要目標(biāo)對(duì)象，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性，設(shè)定傳統(tǒng)插補(bǔ)軌跡路徑規(guī)劃測(cè)試組、傳統(tǒng)融合視覺(jué)路徑規(guī)劃測(cè)試組以及本文所設(shè)計(jì)的Dijkstra多目標(biāo)避障路徑規(guī)劃測(cè)試組，測(cè)試得出的結(jié)果比照分析，得到相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

在對(duì)數(shù)字化變電站巡視機(jī)器人避障路徑智能規(guī)劃進(jìn)究前，需要搭建相應(yīng)的測(cè)試環(huán)境。將巡檢機(jī)器人與變電站的控制平臺(tái)相關(guān)聯(lián)，選擇bobac搭載上下兩層控制程序，并將全向輪設(shè)備作為基礎(chǔ)搭接。將預(yù)設(shè)好的巡檢工作任務(wù)以指令或者協(xié)議的形式設(shè)定在機(jī)器人的執(zhí)行程序之中，根據(jù)相關(guān)的巡檢任務(wù)設(shè)置機(jī)器人的定向巡檢動(dòng)作，具體如圖3所示。

圖3 機(jī)器人工作狀態(tài)圖示

根據(jù)圖3，可以完成對(duì)機(jī)器人工作狀態(tài)的調(diào)整的分析，隨后在機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)中預(yù)裝ROS控制系統(tǒng)，關(guān)聯(lián)上位機(jī)與下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)多層級(jí)、多目標(biāo)控制。與此同時(shí)，將傳感器與bobac工控器搭接，實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃環(huán)境的構(gòu)建。核定測(cè)試設(shè)備及裝置是否處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，并確保不存在影響測(cè)試結(jié)果的外部因素，核定無(wú)誤后，開(kāi)始測(cè)定。

2.2 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果分析

根據(jù)上述搭建的測(cè)試環(huán)境，進(jìn)行相關(guān)避障實(shí)驗(yàn)測(cè)試。將所構(gòu)建的避障任務(wù)分別設(shè)定在機(jī)器人之中，結(jié)合避障目標(biāo)點(diǎn)的設(shè)定，測(cè)算出路徑規(guī)避指標(biāo)值，具體如表2所示。

表2 路徑規(guī)避指標(biāo)值設(shè)定表

根據(jù)表2，可以完成對(duì)路徑規(guī)避指標(biāo)值的設(shè)定。隨后，根據(jù)調(diào)整的范圍，得到機(jī)器人進(jìn)行避障路徑的智能規(guī)劃結(jié)果，結(jié)果如圖4所示。

圖4 巡檢機(jī)器人避障路徑智能規(guī)劃圖示

根據(jù)圖4，可以完成對(duì)巡檢機(jī)器人避障路徑智能規(guī)劃的設(shè)計(jì)與測(cè)定，在不同的測(cè)試避障目標(biāo)下，測(cè)試變電站巡視機(jī)器人避障路徑智能規(guī)劃的耗時(shí)，對(duì)得出的測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析，具體如表3所示。

表3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析表

分析表3可知，對(duì)比于傳統(tǒng)插補(bǔ)軌跡路徑規(guī)劃測(cè)試組、傳統(tǒng)融合視覺(jué)路徑規(guī)劃測(cè)試組，本文所設(shè)計(jì)的Dijkstra多目標(biāo)避障路徑規(guī)劃測(cè)試組最終得出的路徑智能規(guī)劃耗時(shí)均控制在了較低的水平，基本保持在1.4s以下，說(shuō)明本文方法應(yīng)用后，機(jī)器人對(duì)于障礙物的識(shí)別速度較快，路徑規(guī)劃的可靠率較高，實(shí)際應(yīng)用效果較好。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了保證機(jī)器人巡檢質(zhì)量與效率，本文設(shè)計(jì)一種新的數(shù)字化變電站巡視機(jī)器人避障路徑智能規(guī)劃方法。與傳統(tǒng)的機(jī)器人避障路徑模式相對(duì)比，本次設(shè)定的路徑規(guī)劃方法更加靈活、穩(wěn)定，且具有較強(qiáng)的針對(duì)性。在數(shù)字化變電站日常的工作中，動(dòng)態(tài)障礙物環(huán)境、不符合實(shí)際需求等因素常常出現(xiàn)，這也導(dǎo)致巡視工作受到消極影響。使用本文方法后，巡視機(jī)器人會(huì)在標(biāo)定的范圍之內(nèi)，對(duì)動(dòng)態(tài)或者非動(dòng)態(tài)的障礙物進(jìn)行規(guī)避，從多個(gè)角度考慮，設(shè)定更短且安全性更高的全局規(guī)劃路徑軌跡，過(guò)程中如果環(huán)境發(fā)生改變，還可以融合運(yùn)動(dòng)障礙物軌跡做出二次分析，使用動(dòng)態(tài)窗口法對(duì)路徑方案做出合理調(diào)整，進(jìn)一步增加機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境的適應(yīng)度，進(jìn)一步滿足避障需求，提升巡檢機(jī)器人工作質(zhì)量與效率。