基于插補軌跡控制的變電站機器人巡檢避障技術

張 永，錢 平，楊松偉

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

在變電站監(jiān)測過程中應用巡檢機器人能夠有效提高巡檢效率，分擔運行人員工作壓力，減少漏檢隱患，因此對變電站巡檢機器人進行研究具有重要的技術和經(jīng)濟意義。早在2003年，日本就有學者提出了變電站巡檢機器人的研究方案，并在實驗室完成了模擬巡檢的實驗，目前已經(jīng)設計出了基于機器視覺的巡檢機器人，通過圖像處理技術完成機器人的導航[1-2]。中國山東電力研究院在巡檢機器人的研發(fā)方面成績不菲，其研制生產的機器人已經(jīng)應用在國內上百個變電站中[3-4]。在應用的過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，當巡檢機器人的移動速度過快時，無法及時的避讓周圍的障礙物，主要是由于在規(guī)劃巡檢路徑時，默認以線性方式進行規(guī)劃，導致插補值無法調節(jié)[5]。針對上述問題，本文設計一種基于插補軌跡控制的變電站機器人巡檢避障技術。插補技術最初應用在數(shù)控機床中，該技術具有良好的計算速度和控制精準度。將該技術應用在巡檢避障中，期望能夠彌補傳統(tǒng)避障方法的不足。

1 基于插補軌跡控制的變電站機器人巡檢避障技術研究

1.1 建立巡檢機器人運動模型

為了提高機器人的避障性能，需要對其運動狀態(tài)有深入的了解。為了準確地對機器人進行控制，需要分析機器人的運動學模型[6]。運動學模型中不考慮機器人受到的外力因素影響，只分析其內部運動過程中的幾何關系。本文研究的機器人的底盤結構如圖1所示。

圖1 機器人底盤行走結構

機器人的移動是靠底盤上的1個萬向輪加2個同軸獨立驅動輪組成的[7]，機器人在移動過程中通過驅動輪控制方向和速度，2個驅動輪速度相同時機器人行走的路線為直線，速度不等時，也就是說2個驅動輪出現(xiàn)差速時，機器人會沿著兩輪軸線上的一點做旋轉。機器人的差速運動模型如圖2所示。

圖2 運動差速模型

設機器人2個驅動輪之間距離為2r，左輪的速度為Vl，右輪的速度為Vr時，那么能夠確定機器人的線速度V為

(1)

角速度ω可以表示為

(2)

將機器人放置到總體坐標系中，在坐標系中的位置如圖3所示。

圖3 機器人在坐標系中的位置表示

機器人在坐標系中的位置圖中，絕對位置是時間t的函數(shù)，用xR(t)和yR(t)來表示，那么可以求得機器人的運動模型為

(3)

完成機器人運動模型的建立之后，可以根據(jù)差速來控制機器人的運動[8-9]。根據(jù)機器人的運動動作，出現(xiàn)2種運行狀態(tài)如圖4所示。

圖4 機器人的2種運動轉彎方式

圖4中有2種轉彎方式。第1種轉彎方式的旋轉中心在軸線的中心點[10]。當規(guī)劃好機器人的行走路線后，可以計算出機器人每一步的行走距離和方向角，從而推出左右輪速關系，協(xié)同軌跡插補算法完成機器人的控制。

1.2 優(yōu)化軌跡插補算法

機器人的運動控制，就是控制機器人的運動精度、連續(xù)性和安全性，軌跡的規(guī)劃是機器人控制的基礎。傳統(tǒng)的插補算法主要對機器人的旋轉角度進行線性插補，算法簡單，但是在實際應用過程中，機器人會由于加速和減速出現(xiàn)晃動，導致軌跡出現(xiàn)偏差。本文選擇在初始位置和結束位置確定機器人坐標，求出勻速運動初始點和結束點坐標，完成軌跡巡插補[11-13]。插補算法在柵格環(huán)境中進行全局規(guī)劃，柵格地圖的每一格都代表環(huán)境中相應的位置，3×3的柵格圖如圖5所示。

圖5 柵格圖

從圖5中可以看出，每一個柵格都與8個柵格相鄰，以圖5中的柵格A為例，標號為1的柵格與A共邊，標號為2的柵格與A共角[14-15]。通過檢測柵格中的障礙物情況后，規(guī)劃出避障軌跡。根據(jù)規(guī)劃出的運動軌跡，運用插補法將該段軌跡劃分為n步，進行插補運算，計算出每一步斷點的坐標值，根據(jù)運動學逆解算解出合理的關節(jié)角。本文使用的是直線位置插補軌跡規(guī)劃，直線插補的v-t圖如圖6所示。

圖6 直線插補v-t

直線插補圖中，假設在機器人移動的軌跡上的A和B兩點，A點為起點，B點為終點，在機器人的運動控制過程中一般會經(jīng)歷加速--勻速--減速3段運動狀態(tài)，假設理想狀態(tài)下，加速與減速的速率相同，因而得到圖6所示的圖像，那么可以推出

(4)

v為勻速運動時的速度；a為加速度；TAB為整個運動過程所需時間；SAB為AB之間的總路程，那么可以得知，加速度的所需步數(shù)為

(5)

Tc為插補周期，那么總插補數(shù)為

(6)

勻速插補數(shù)可以表示為

(7)

根據(jù)A點坐標(xA,yA)，B點坐標(xB,yB)，進一步可以求得C點的坐標

(8)

那么D點坐標為

(9)

得到C點和D點的坐標后，進而能夠完成對整個直線軌跡的插補。至此完成基于插補軌跡控制的變電站機器人巡檢避障技術的研究。

2 模擬實驗

為了驗證本文設計的機器人巡檢避障技術的有效性，需要進行實驗。使用巡檢機器人分別搭載本文避障技術和傳統(tǒng)避障技術，在實驗室的現(xiàn)有工作環(huán)境下進行組裝調試，對機器人的避障性能進行試驗分析。

2.1 搭建測試環(huán)境

變電站巡檢機器人的測試在實驗室環(huán)境下進行，運行路面為白色瓷磚。根據(jù)實驗室的場地條件和室內設施，設計一種常見類型的障礙物環(huán)境。障礙物環(huán)境是在地面上無規(guī)則放置障礙物，測試過程中，交流伺服電機驅動器的輸入電壓為58 V，發(fā)送PWM信號的最大頻率為375 kHz，占空比為50%。考慮到避障延遲，設定機器人傳感器的掃描周期為4 000 ms，搭建好的巡檢機器人如圖7所示。

圖7 巡檢機器人測試平臺

當機器人通電后，通過調試后確認控制系統(tǒng)各個檢測模塊的使用正常，調試過程中需要用到PC機一臺(Win7系統(tǒng)，2 G內存)，7 m串口延長線，萬用表，示波器，卷尺等。在實驗中，根據(jù)PWM信號與編碼器反饋信號可知機器人當前運動速度。預先對機器人設置不同梯度的行駛速度，在障礙物環(huán)境中進行測試，對實驗結果進行觀察并分析比較。

2.2 實驗結果與分析

在不同的機器人運動速度下，分別對2種避障技術進行測試，測試中避障成功與避障失敗的兩種情況如圖8所示。在避障成功情況下，PC端顯示的障礙物避障檢測信息如圖9所示。

圖8 避障測試的兩種實驗結果

圖9 避障檢測信息

避障檢測信息圖顯示的圖像表示機器人的右后方無障礙信息，根據(jù)得到的信息，來設計機器人的避障路線。

在避障成功和避障失敗2種結果中，對應的機器人運動線路如圖10所示。

圖10 避障測試路徑分類

避障測試路徑分類圖中，實線為成功避障路徑，虛線表示避障失敗路徑。本文選擇了8個不同的速度進行測試，測試結果如下表所示。

表1 測試結果統(tǒng)計

在本文測試中，當同一速度下測試次數(shù)為10，成功避障次數(shù)達到8次或8次以上時，認定為可以成功避障。從表1的數(shù)據(jù)可知，在最大運行速度為30 cm/s以下時，2種技術都可以實現(xiàn)100%的成功避障。在最大運行速度為50 cm/s、60 cm/s時，傳統(tǒng)避障技術成功避障次數(shù)均為9次，此時可以被認定為成功避障。當運行速度大于70 cm/s時，傳統(tǒng)技術被認定為避障失敗；本文設計的技術運行速度為90 cm/s，成功避障次數(shù)為8次，此時可以被認定為成功避障，速度上升至100 cm/s時，被認定為避障失敗。由此可以得出結論，傳統(tǒng)技術在運行速度為60 cm/s以下時，能夠實現(xiàn)成功避障，本文技術的成功避障速度最大可以達到90 cm/s，驗證了本文技術的有效性。

3 結束語

通過研究傳統(tǒng)變電站巡檢機器人巡檢避障過程中的缺陷，重新設計了一種基于插補軌跡控制技術，模擬實驗的研究結果表明，設計的技術能夠在成功避障的前提下，提高30 cm/s的機器人移動速度。機器人的巡檢提速在實際應用當中具有重要的意義，能夠有效提高巡檢效率，節(jié)約巡檢時間，提高環(huán)境適應能力。但是本文的研究僅在實驗室進行了模擬實驗，在后續(xù)的研究中，需要應用在真實的變電站監(jiān)測工作中，發(fā)現(xiàn)實際的不足后再進行優(yōu)化設計。