淺析磁導航智能巡檢機器人的里程檢測系統

李　斐　袁　愿　陳耀高

（1．廣西電網有限責任公司北海供電局，廣西 北海 536000；2．廈門紅相電力設備股份有限公司，福建 廈門 361001）

淺析磁導航智能巡檢機器人的里程檢測系統

李斐1袁愿2陳耀高2

（1．廣西電網有限責任公司北海供電局，廣西 北海 536000；2．廈門紅相電力設備股份有限公司，福建 廈門 361001）

里程檢測系統是磁導航智能巡檢機器人的關鍵系統之一。基于磁導航的智能巡檢機器人運行與軌道上，依靠磁傳感器進行導航，一旦出現脫軌的情況就會影響機器人的正常運行。當脫軌情況發生時，需要依靠里程檢測系統幫助機器人恢復到原來的軌道上。本文結合基于北斗定位和磁導航的磁導航智能巡檢機器人，從智能巡檢機器人的里程檢測系統和脫軌自動恢復技術的工作原理出發，分析里程檢測系統和脫軌自動恢復的關系，證明里程檢測系統對脫軌自動恢復的重要性。

里程計；脫軌自動恢復；定位導航

0.引言

在基于北斗定位和磁導航的變電站智能巡檢機器人中，利用北斗衛星進行進位，通過磁導航使機器人運行在軌道上。定位導航系統是智能巡檢機器人的主要技術，也是保證巡檢機器人系統長期有效的穩定運行的關鍵。智能巡檢機器人的定位導航通過定位導航模塊來解決定位、運動目標、路徑規劃的問題。定位導航模塊包括地圖構建子模塊、定位子模塊和導航子模塊。

地圖構建子模塊是定位導航的基礎，完整、精確的地圖有助于進行定位導航；構建地圖需要采集里程計、慣性測量單元等信息，而這些信息來自里程檢測系統。定位子模塊是巡檢車自主巡檢的核心，準確地知道巡檢車的當前位置，才能進行導航、巡檢；定位模塊依據地圖信息、底盤設備、慣性測量單元的數據，采用粒子濾波、ScanMatch（函數方法）等方式估計出機器人的位置信息，因此該子模塊正常運行的前置條件為底盤設備、慣性測量單元設備、激光設備運行正常。導航子模塊是在定位模塊的基礎上，給定目標點，通過路徑規劃、控制巡檢車到達指定位置。

1.里程檢測系統

基于北斗定位和磁導航的變電站智能巡檢機器人的里程檢測系統包括里程計和慣性測量單元。里程計是通過傳感器記錄車運動的里程數，用x、y、angle來表示，x為車前進方向上的偏移，正為前進多少，負為后退多少；y為垂直于車前進的方向上的偏移，正為左偏移多少，負為右偏移多少；angle表示車旋轉的角度偏移，正為左轉多少，負為右轉多少。受到傳感器特性的制約，里程計在測量x、y時相對精確，測量angle時有一定的誤差。里程計和車的運動是一體的，因此里程計數據的采集和車的驅動在同一個模塊中實現。驅動車的模塊依據所采用的驅動器的不同而不同，也可簡稱為底盤設備。底盤設備作為巡檢車最基本的設備，用于獲取巡檢車的里程計、速度等信息，同時可以通過發送速度控制巡檢車的運動狀態。該程序的運行依賴Copley Chassic Device.ini文件，該文件中記錄了電機數（Wheel Num）、車輪直徑（Wheel Diameter）、電機減速比（Rate Slow）、車輪到底盤中心距離（R Radius）等信息。里程計中各項數據的關系如圖1所示。

慣性測量單元（IMU）是測量物體三軸姿態角（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動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和運動狀態（運動、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，對角速率進行積分后并可獲取物體旋轉的角度。由于里程計測量angle時存在很大的誤差，故引入慣性測量單元進行該信息的采集。

2.脫軌自動恢復技術

磁導航的智能巡檢機器人是以磁條或磁道釘作為信號源，利用機器人所載的磁傳感器檢測磁條或磁道釘的磁場信息，確定機器人的位置以及實際位置。雖然磁導航具有較高的測量精度及良好的重復性，不易受天氣情況以及光線變化的影響，具有較高的可靠性，但依然有幾率出現機器人脫軌的現象。脫軌自動恢復技術為巡檢機器人提供了基本的安全保護，保障了巡檢機器人與變電站設備的安全，實現了巡檢機器人的智能化。

脫軌自動恢復技術的工作原理是當磁傳感器發現沒有探測到磁條時，通過CAN總線發送沒有探測到磁條的命令到控制中心。控制中心接收到巡檢機器人沒有在磁條上，馬上進行緊急制動。巡檢機器人剎車后，對其前后磁傳感器進行判斷。如果前后磁傳感器都沒有在磁條上，那么就發出報警，進行人工恢復并且不響應任何上位機命令。如果只有一個磁傳感器在磁條上，那么就觸發自動恢復到磁導航上任務，對巡檢機器人進行自動恢復，例如：當發現前方磁傳感器沒有在磁條上，那么就觸發后退命令，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，那么就觸發前進命令，直到前后方磁傳感器都在磁條上為止。巡檢機器人探測到前后方磁傳感器都在磁條上后，調整當前巡檢機器人的姿態，并且通知上位機可以繼續做任務。脫軌自動恢復技術的工作原理圖如圖2所示。

二、里程檢測系統的重要性

智能巡檢機器人的里程檢測系統在脫軌自動恢復過程起到重要作用。當智能巡檢機器人出現脫軌情況時，需要對前后磁傳感器進行判斷，并根據判斷結果進行前后移動，直到前后方磁傳感器都在磁條上為止。但是巡檢機器人不會單純的前后移動，畢竟機器人脫軌的因素有很多，也有可能存在任意角度的偏移。脫軌自動恢復技術要順利將巡檢機器人恢復到正常軌道上，還需要從里程計中讀取數據，得到巡檢機器人的x，y，angle等參數，結合地圖由此知道機器人之前經過的路徑和與軌道偏移的角度。在實驗室模擬了一種脫軌情況，當機器人遭遇外在因素導致脫軌，前后均無磁傳感器。脫軌自動恢復技術結合里程檢測系統，使智能巡檢機器人通過路徑回溯恢復到正常軌道上。機器人模擬脫軌自動恢復圖如圖3所示。

如圖3所示，巡檢機器人從A點出發，正常行駛到B點，由于外力因素導致脫軌運行到C點。機器人在C點前后也有磁傳感器，這時要將機器人恢復到正常軌道不單靠磁傳感器。所以脫軌自動恢復技術需要結合里程檢測系統，讀取機器人之前運行路徑，再通過路徑回溯，使機器人回到正常軌道上，即機器人從C點回到B點上。

由此可見，智能巡檢機器人的里程檢測系統對脫軌自動恢復技術有著重要的作用。

結語

里程檢測系統和脫軌自動恢復技術都是基于北斗定位的變電站智能巡檢機器人的主要技術。里程檢測系統包括了里程計和慣性測量單元，在地圖構建和脫軌自動恢復技術中起到重要作用。里程檢測系統能記錄機器人的巡檢路線，有利于脫軌自動恢復技術的實現，減少人工恢復。本文通過實驗室模擬脫軌自動恢復實驗證明了里程檢測系統的重要性。里程檢測系統和脫軌自動恢復技術都是長期有效地穩定運行的關鍵技術。

圖1　里程計參數圖

圖2　脫軌自動恢復技術工作原理圖

圖3　實驗室模擬脫軌自動恢復圖

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