淺析磁導(dǎo)航智能巡檢機(jī)器人的里程檢測系統(tǒng)

李斐++袁愿++陳耀高

摘 要：里程檢測系統(tǒng)是磁導(dǎo)航智能巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵系統(tǒng)之一?；诖艑?dǎo)航的智能巡檢機(jī)器人運(yùn)行與軌道上，依靠磁傳感器進(jìn)行導(dǎo)航，一旦出現(xiàn)脫軌的情況就會(huì)影響機(jī)器人的正常運(yùn)行。當(dāng)脫軌情況發(fā)生時(shí)，需要依靠里程檢測系統(tǒng)幫助機(jī)器人恢復(fù)到原來的軌道上。本文結(jié)合基于北斗定位和磁導(dǎo)航的磁導(dǎo)航智能巡檢機(jī)器人，從智能巡檢機(jī)器人的里程檢測系統(tǒng)和脫軌自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)的工作原理出發(fā)，分析里程檢測系統(tǒng)和脫軌自動(dòng)恢復(fù)的關(guān)系，證明里程檢測系統(tǒng)對(duì)脫軌自動(dòng)恢復(fù)的重要性。

關(guān)鍵詞：里程計(jì)；脫軌自動(dòng)恢復(fù)；定位導(dǎo)航

中圖分類號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

在基于北斗定位和磁導(dǎo)航的變電站智能巡檢機(jī)器人中，利用北斗衛(wèi)星進(jìn)行進(jìn)位，通過磁導(dǎo)航使機(jī)器人運(yùn)行在軌道上。定位導(dǎo)航系統(tǒng)是智能巡檢機(jī)器人的主要技術(shù)，也是保證巡檢機(jī)器人系統(tǒng)長期有效的穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。智能巡檢機(jī)器人的定位導(dǎo)航通過定位導(dǎo)航模塊來解決定位、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、路徑規(guī)劃的問題。定位導(dǎo)航模塊包括地圖構(gòu)建子模塊、定位子模塊和導(dǎo)航子模塊。

地圖構(gòu)建子模塊是定位導(dǎo)航的基礎(chǔ)，完整、精確的地圖有助于進(jìn)行定位導(dǎo)航；構(gòu)建地圖需要采集里程計(jì)、慣性測量單元等信息，而這些信息來自里程檢測系統(tǒng)。定位子模塊是巡檢車自主巡檢的核心，準(zhǔn)確地知道巡檢車的當(dāng)前位置，才能進(jìn)行導(dǎo)航、巡檢；定位模塊依據(jù)地圖信息、底盤設(shè)備、慣性測量單元的數(shù)據(jù)，采用粒子濾波、ScanMatch（函數(shù)方法）等方式估計(jì)出機(jī)器人的位置信息，因此該子模塊正常運(yùn)行的前置條件為底盤設(shè)備、慣性測量單元設(shè)備、激光設(shè)備運(yùn)行正常。導(dǎo)航子模塊是在定位模塊的基礎(chǔ)上，給定目標(biāo)點(diǎn)，通過路徑規(guī)劃、控制巡檢車到達(dá)指定位置。

1.里程檢測系統(tǒng)

基于北斗定位和磁導(dǎo)航的變電站智能巡檢機(jī)器人的里程檢測系統(tǒng)包括里程計(jì)和慣性測量單元。里程計(jì)是通過傳感器記錄車運(yùn)動(dòng)的里程數(shù)，用x、y、angle來表示，x為車前進(jìn)方向上的偏移，正為前進(jìn)多少，負(fù)為后退多少；y為垂直于車前進(jìn)的方向上的偏移，正為左偏移多少，負(fù)為右偏移多少；angle表示車旋轉(zhuǎn)的角度偏移，正為左轉(zhuǎn)多少，負(fù)為右轉(zhuǎn)多少。受到傳感器特性的制約，里程計(jì)在測量x、y時(shí)相對(duì)精確，測量angle時(shí)有一定的誤差。里程計(jì)和車的運(yùn)動(dòng)是一體的，因此里程計(jì)數(shù)據(jù)的采集和車的驅(qū)動(dòng)在同一個(gè)模塊中實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)車的模塊依據(jù)所采用的驅(qū)動(dòng)器的不同而不同，也可簡稱為底盤設(shè)備。底盤設(shè)備作為巡檢車最基本的設(shè)備，用于獲取巡檢車的里程計(jì)、速度等信息，同時(shí)可以通過發(fā)送速度控制巡檢車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。該程序的運(yùn)行依賴Copley Chassic Device.ini文件，該文件中記錄了電機(jī)數(shù)（Wheel Num）、車輪直徑（Wheel Diameter）、電機(jī)減速比（Rate Slow）、車輪到底盤中心距離（R Radius）等信息。里程計(jì)中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖1所示。

慣性測量單元（IMU）是測量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）以及加速度的裝置。通過該傳感器可以獲取重力加速度與運(yùn)動(dòng)加速度的合成加速度在三軸上的加速度分量，從而起到判斷物體的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（運(yùn)動(dòng)、靜止）的作用。另外，通過該傳感器還可獲取物體在三軸上的角速率，對(duì)角速率進(jìn)行積分后并可獲取物體旋轉(zhuǎn)的角度。由于里程計(jì)測量angle時(shí)存在很大的誤差，故引入慣性測量單元進(jìn)行該信息的采集。

2.脫軌自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)

磁導(dǎo)航的智能巡檢機(jī)器人是以磁條或磁道釘作為信號(hào)源，利用機(jī)器人所載的磁傳感器檢測磁條或磁道釘?shù)拇艌鲂畔?，確定機(jī)器人的位置以及實(shí)際位置。雖然磁導(dǎo)航具有較高的測量精度及良好的重復(fù)性，不易受天氣情況以及光線變化的影響，具有較高的可靠性，但依然有幾率出現(xiàn)機(jī)器人脫軌的現(xiàn)象。脫軌自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)為巡檢機(jī)器人提供了基本的安全保護(hù)，保障了巡檢機(jī)器人與變電站設(shè)備的安全，實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人的智能化。

脫軌自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)的工作原理是當(dāng)磁傳感器發(fā)現(xiàn)沒有探測到磁條時(shí)，通過CAN總線發(fā)送沒有探測到磁條的命令到控制中心?？刂浦行慕邮盏窖矙z機(jī)器人沒有在磁條上，馬上進(jìn)行緊急制動(dòng)。巡檢機(jī)器人剎車后，對(duì)其前后磁傳感器進(jìn)行判斷。如果前后磁傳感器都沒有在磁條上，那么就發(fā)出報(bào)警，進(jìn)行人工恢復(fù)并且不響應(yīng)任何上位機(jī)命令。如果只有一個(gè)磁傳感器在磁條上，那么就觸發(fā)自動(dòng)恢復(fù)到磁導(dǎo)航上任務(wù)，對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)恢復(fù)，例如：當(dāng)發(fā)現(xiàn)前方磁傳感器沒有在磁條上，那么就觸發(fā)后退命令，直到前后磁傳感器都在磁條上為止。相反如果后方磁傳感器沒有在磁條上，那么就觸發(fā)前進(jìn)命令，直到前后方磁傳感器都在磁條上為止。巡檢機(jī)器人探測到前后方磁傳感器都在磁條上后，調(diào)整當(dāng)前巡檢機(jī)器人的姿態(tài)，并且通知上位機(jī)可以繼續(xù)做任務(wù)。脫軌自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)的工作原理圖如圖2所示。

二、里程檢測系統(tǒng)的重要性

智能巡檢機(jī)器人的里程檢測系統(tǒng)在脫軌自動(dòng)恢復(fù)過程起到重要作用。當(dāng)智能巡檢機(jī)器人出現(xiàn)脫軌情況時(shí)，需要對(duì)前后磁傳感器進(jìn)行判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行前后移動(dòng)，直到前后方磁傳感器都在磁條上為止。但是巡檢機(jī)器人不會(huì)單純的前后移動(dòng)，畢竟機(jī)器人脫軌的因素有很多，也有可能存在任意角度的偏移。脫軌自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)要順利將巡檢機(jī)器人恢復(fù)到正常軌道上，還需要從里程計(jì)中讀取數(shù)據(jù)，得到巡檢機(jī)器人的x，y，angle等參數(shù)，結(jié)合地圖由此知道機(jī)器人之前經(jīng)過的路徑和與軌道偏移的角度。在實(shí)驗(yàn)室模擬了一種脫軌情況，當(dāng)機(jī)器人遭遇外在因素導(dǎo)致脫軌，前后均無磁傳感器。脫軌自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)結(jié)合里程檢測系統(tǒng)，使智能巡檢機(jī)器人通過路徑回溯恢復(fù)到正常軌道上。機(jī)器人模擬脫軌自動(dòng)恢復(fù)圖如圖3所示。

如圖3所示，巡檢機(jī)器人從A點(diǎn)出發(fā)，正常行駛到B點(diǎn)，由于外力因素導(dǎo)致脫軌運(yùn)行到C點(diǎn)。機(jī)器人在C點(diǎn)前后也有磁傳感器，這時(shí)要將機(jī)器人恢復(fù)到正常軌道不單靠磁傳感器。所以脫軌自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)需要結(jié)合里程檢測系統(tǒng)，讀取機(jī)器人之前運(yùn)行路徑，再通過路徑回溯，使機(jī)器人回到正常軌道上，即機(jī)器人從C點(diǎn)回到B點(diǎn)上。

由此可見，智能巡檢機(jī)器人的里程檢測系統(tǒng)對(duì)脫軌自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)有著重要的作用。

結(jié)語

里程檢測系統(tǒng)和脫軌自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)都是基于北斗定位的變電站智能巡檢機(jī)器人的主要技術(shù)。里程檢測系統(tǒng)包括了里程計(jì)和慣性測量單元，在地圖構(gòu)建和脫軌自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)中起到重要作用。里程檢測系統(tǒng)能記錄機(jī)器人的巡檢路線，有利于脫軌自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，減少人工恢復(fù)。本文通過實(shí)驗(yàn)室模擬脫軌自動(dòng)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)證明了里程檢測系統(tǒng)的重要性。里程檢測系統(tǒng)和脫軌自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)都是長期有效地穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。

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