信通機(jī)房機(jī)器人高相似度空間定位導(dǎo)航技術(shù)

殷齊林，李建祥，黃 振，李希智

（1.國網(wǎng)山東省電力公司信息通信公司，山東 濟(jì)南 250001；2.國網(wǎng)智能科技股份有限公司，山東 濟(jì)南 250001）

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代數(shù)據(jù)的爆炸性增長，信通機(jī)房的設(shè)備數(shù)量急劇上升，機(jī)房巡檢的工作量大大增加，同時(shí)也對機(jī)房巡檢提出了更高的要求。為保證信通機(jī)房通信系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)房環(huán)境必須滿足一系列要求。此外信通機(jī)房一般需要24h運(yùn)行，其巡檢工作就成了數(shù)據(jù)中心必然要進(jìn)行的日常運(yùn)維工作。但目前采用的傳統(tǒng)人工巡檢方式存在巡檢效率低、人工成本高，巡檢質(zhì)量分散和隱患發(fā)現(xiàn)不及時(shí)等問題。為了更快推進(jìn)信通機(jī)房無人值守進(jìn)程，確保機(jī)房設(shè)備安全可靠運(yùn)行，提升其信息化、自動(dòng)化水平，迫切需要部署功能完備的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)房無人值守。

基于以上需求，巡檢機(jī)器人的研發(fā)被提上了日程，其可以實(shí)現(xiàn)對信通機(jī)房的實(shí)時(shí)監(jiān)控。目前針對信通機(jī)房高相似度空間的巡檢機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航需要進(jìn)行實(shí)時(shí)定位、路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤等。對于機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位，文獻(xiàn)[1]利用里程計(jì)與GPS定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位，文獻(xiàn)[2]為提高巡檢機(jī)器人里程測量精度，提出了一種基于從動(dòng)輪測距傳感器與驅(qū)動(dòng)輪編碼器數(shù)據(jù)融合的里程測量方法，使里程計(jì)定位性能大幅提高。近來，越來越多的研究人員利用SLAM 方法來實(shí)現(xiàn)定位功能：文獻(xiàn)[3]利用SLAM 實(shí)時(shí)建圖與定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)環(huán)境地圖構(gòu)建與定位，文獻(xiàn)[4]利用Fast SLAM 算法先確定機(jī)器人移動(dòng)軌跡再估計(jì)地圖并實(shí)現(xiàn)定位。針對路徑規(guī)劃問題，文獻(xiàn)[5]對柵格算法、粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，快速擴(kuò)展隨機(jī)樹算法等都有了較為深入的研究，可以根據(jù)實(shí)際情況靈活選取。針對軌跡跟蹤算法，文獻(xiàn)[6]提出了軌跡跟蹤控制、雙模軌跡跟蹤控制等控制算法，可以解決大多數(shù)問題。

綜合考慮信通機(jī)房高相似度空間巡檢的要求，提出了一種巡檢機(jī)器人的定位導(dǎo)航方式。利用激光SLAM技術(shù)同步進(jìn)行機(jī)房地圖構(gòu)建和機(jī)器人自身定位工作，然后利用快速擴(kuò)展隨機(jī)樹算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，生成理想巡檢路徑，再利用雙環(huán)軌跡跟蹤控制實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的自動(dòng)循跡。如此，便可實(shí)現(xiàn)巡檢功能。

2 巡檢系統(tǒng)組成

巡檢系統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)主要分為以下幾部分：機(jī)器人本體硬件結(jié)構(gòu)、無線傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控后臺(tái)、充電系統(tǒng)。其主要的系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 巡檢系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of Inspection System

工作時(shí)，機(jī)器人搭載激光SLAM系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)房地圖構(gòu)建，并利用高掃描頻率的激光傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)測距以獲得機(jī)器人地圖中的準(zhǔn)確位姿[7]，并據(jù)此進(jìn)行路徑規(guī)劃，隨后由主控芯片控制進(jìn)行自動(dòng)巡檢，在巡檢過程中，各傳感器所得到的信息都通過無線傳輸系統(tǒng)傳遞給監(jiān)控后臺(tái)，若出現(xiàn)異常可停止設(shè)備運(yùn)行或采用其他補(bǔ)救方法。同時(shí)，在機(jī)器人電量到達(dá)臨界點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人可以自動(dòng)退回到充電設(shè)備處進(jìn)行充電，充電結(jié)束再繼續(xù)進(jìn)行巡檢工作。在高相似度的信通機(jī)房中，巡檢機(jī)器人進(jìn)行準(zhǔn)確的建圖與自動(dòng)導(dǎo)航工作便十分必要。本巡檢系統(tǒng)擬采用激光SLAM巡檢系統(tǒng)拉進(jìn)行地圖構(gòu)建、路徑規(guī)劃與自動(dòng)導(dǎo)航功能，下面就此進(jìn)行闡述。

3 SLAM 技術(shù)

3.1 SLAM地圖構(gòu)建算法選擇

SLAM（simultaneous localization and mapping）即同時(shí)建圖與定位技術(shù)，本系統(tǒng)使用的SLAM 方法為激光雷達(dá)SLAM。目前SLAM算法主要有兩類，一類是基于概率學(xué)的SLAM算法，一類是基于優(yōu)化思想的SLAM算法。

本設(shè)計(jì)所指的機(jī)房巡檢機(jī)器人在高相似度空間內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航與定位，需要移動(dòng)機(jī)器人可以在全局地圖中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的自身定位，且由信通機(jī)房的實(shí)際環(huán)境，只需要進(jìn)行二維地圖的構(gòu)建即可。綜合考慮各種算法的優(yōu)劣，決定采用基于優(yōu)化思想的Hector_SLAM算法。

3.2 地圖類型選擇

激光SLAM，自然要考慮建圖的地圖類型，目前主流的室內(nèi)二維地圖類型有三種[8]：柵格地圖、幾何信息地圖、拓?fù)涞貓D。其中柵格地圖的地圖創(chuàng)建簡單、容易維護(hù)，方便機(jī)器人在全局地圖中精準(zhǔn)定位與路徑規(guī)劃。但在環(huán)境規(guī)模較大時(shí)，柵格數(shù)量會(huì)急劇增大，使計(jì)算量大幅提高。幾何信息地圖更為緊湊且便于進(jìn)行定位和目標(biāo)識別，但其在較大的環(huán)境中不能準(zhǔn)確定位。拓?fù)涞貓D在大規(guī)模簡單環(huán)境中能得到很好的應(yīng)用，但在機(jī)房這類高相似度空間中很難進(jìn)行準(zhǔn)確定位與建圖。

對于信通機(jī)房而言，其環(huán)境具有高相似度的特點(diǎn)，不適合利用幾何特征來建立環(huán)境地圖，而且面積不是很大，要求機(jī)器人能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的自動(dòng)導(dǎo)航。因此選擇的SLAM地圖類型為柵格地圖。機(jī)房柵格地圖，如圖2所示。

圖2 機(jī)房布局柵格地圖Fig.2 Grid Map of Computer Room Layout

4 路徑規(guī)劃方法

在根據(jù)激光SLAM進(jìn)行實(shí)時(shí)建圖與定位之后，要想實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)導(dǎo)航，還需要對軌跡進(jìn)行規(guī)劃。快速擴(kuò)展隨機(jī)樹算法[9]運(yùn)算過程中所需參數(shù)較少，而且結(jié)構(gòu)簡單，能夠很好地與其他算法配合使用，故而選其為巡檢系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃方法，其工作原理為：

首先確定一個(gè)初始點(diǎn)qs，然后確定一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)qg，以此來建立擴(kuò)展樹，其具體過程為：以qs為根節(jié)點(diǎn)，開始建立，再選取一個(gè)任意的節(jié)點(diǎn)qr，選取已有的隨機(jī)樹上的最近的節(jié)點(diǎn)qn，二者連線并根據(jù)給定的步長來截取一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)qnew，將新的節(jié)點(diǎn)qnew、新節(jié)點(diǎn)qnew與節(jié)點(diǎn)qn之間的連線加入到原有的隨機(jī)樹上，得到新的隨機(jī)樹。一直重復(fù)上述步驟，就可以得到所需求解的路徑[10]。

在進(jìn)行算法設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要建立BMP格式的求解地圖，然后進(jìn)行算法求解。利用MATLAB 對路徑規(guī)劃進(jìn)行仿真時(shí)，建立新節(jié)點(diǎn)的程序如下：

在到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)之前不斷重復(fù)上述操作找到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)即可，在輸入任意地圖時(shí)，從左上角到達(dá)右下角的軌跡規(guī)劃，如圖3所示。

圖3 路徑規(guī)劃仿真示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Path Planning Simulation

5 軌跡跟蹤控制

對移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制主要是速度和位置的控制問題。要實(shí)現(xiàn)對巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制，首先要對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，巡檢機(jī)器人為輪式移動(dòng)機(jī)器人，其驅(qū)動(dòng)控制為雙后輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)，故而表現(xiàn)為非協(xié)調(diào)系統(tǒng)，在移動(dòng)機(jī)器人的工作平面內(nèi)建立直角坐標(biāo)系，則機(jī)器人的空位姿，如圖4所示。

圖4 移動(dòng)機(jī)器人位姿誤差坐標(biāo)Fig.4 Position and Posture Error Coordinates of Mobile Robot

以移動(dòng)機(jī)器人的兩驅(qū)動(dòng)輪連線中點(diǎn)所在位置來代表移動(dòng)機(jī)器人的空間位置，以其軸線與x軸正向夾角來表示移動(dòng)機(jī)器人的空間姿態(tài)。設(shè)機(jī)器人的空間位姿為p=(x，y，θ)T，運(yùn)動(dòng)速度表達(dá)式為則可構(gòu)建出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為：

其誤差可以定義為：

構(gòu)建完系統(tǒng)模型后，就需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的反演控制率計(jì)算。由前述可知，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型包括三個(gè)輸出變量，即兩個(gè)位置坐標(biāo)和一個(gè)位姿角。但運(yùn)動(dòng)模型的控制輸入一般為v和ω，即由兩個(gè)輸入控制三個(gè)輸出，此系統(tǒng)為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于巡檢機(jī)器人的軌跡跟蹤較為重要，選取機(jī)器人的兩個(gè)位置變量為主動(dòng)跟蹤變量，位姿角為隨動(dòng)狀態(tài)。對運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行控制可采用雙環(huán)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)控制框圖，如圖5所示。

圖5 雙環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Structure Block Diagram of Double-Loop Control System

為實(shí)現(xiàn)前述軌跡控制，首先要建立起位置控制環(huán)，即進(jìn)行進(jìn)行位置控制率的設(shè)計(jì)。位置控制由控制率v實(shí)現(xiàn)，取理想軌跡為［xd yd]，則有誤差跟蹤方程如下：

取：

為使控制系統(tǒng)的Lyapunov函數(shù)滿足穩(wěn)定性條件，設(shè)控制率為：

如果由上式計(jì)算出的θ與理想夾角θd相等，則理想的軌跡控制率可以實(shí)現(xiàn)，但在實(shí)際控制模型中，θ與θd是不可能一致的，尤其是控制過程的初始階段，二者差異較大，這會(huì)造成位置誤差跟蹤方程的不穩(wěn)定。因此需要將式（8）求得的角度θ當(dāng)做理想值，即實(shí)現(xiàn)：

此時(shí)設(shè)計(jì)的理想指令［xd yd］時(shí)，需要使此時(shí)實(shí)際的控制率為：

為實(shí)現(xiàn)上式對θd與θ的一致性，較簡單的解決方法是通過設(shè)計(jì)比位置控制率收斂更快的姿態(tài)控制算法，使θ盡快跟蹤θd。現(xiàn)姿態(tài)控制率設(shè)計(jì)如下：取滑模函數(shù)為s3=θe，則有設(shè)計(jì)姿態(tài)控制率為：

式中：k3＞0，η3＞0。

6 仿真分析

將前述控制系統(tǒng)利用MATLAB 進(jìn)行仿真，則有控制流程圖如圖6所示。其中，指令輸入模塊用以輸入指定的路徑，位置控制器用于根據(jù)前述原理來計(jì)算出速度控制率以及利用中間控制率u1、u2得出的理想角度θd，微分器用以對理想角度求導(dǎo)，姿態(tài)控制器用以求解角速度控制率，被控對象模塊實(shí)時(shí)輸出移動(dòng)機(jī)器人的位姿信息用于下一步控制。

圖6 MATLAB仿真流程圖Fig.6 MATLAB Simulation Flow Chart

圖7 MATLAB仿真結(jié)果圖Fig.7 Simulation results of MATLAB

由仿真結(jié)果可知利用此算法得到的控制率控制下，巡檢機(jī)器人的位姿在經(jīng)過初始狀態(tài)的調(diào)整之后能夠基本實(shí)現(xiàn)位姿跟蹤，其定位精度可達(dá)到±1cm，滿足巡檢機(jī)器人的要求。

7 結(jié)語

針對當(dāng)下信通機(jī)房的自動(dòng)巡檢問題，提出了一種自動(dòng)導(dǎo)航與定位方式。所述巡檢機(jī)器人，利用激光雷達(dá)SLAM方法進(jìn)行同步建圖與定位，隨后利用快速擴(kuò)展隨機(jī)樹法進(jìn)行路徑規(guī)劃，找出適合巡檢的路徑，再利用速度與角速度的雙環(huán)軌跡跟蹤控制進(jìn)行軌跡跟蹤，從而達(dá)到巡檢要求。通過仿真分析表明言，本路徑規(guī)劃算法可以很好地實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤，滿足要求。在未來的工作中，可以在目前的基礎(chǔ)上增加三維地圖構(gòu)建功能同時(shí)與機(jī)器人六自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的無死角巡檢。