面向環形管道的電力巡檢機器人設計與環境建圖

李輝, 羅勇, 黃世超, 蘇浩鴻, 季子銘, 裴軒*

(1.雅礱江流域水電開發有限公司官地水電站, 涼山彝族自治州 615000; 2.北京航空航天大學機械工程及自動化學院, 北京 100191; 3. 北京交通大學電子信息工程學院, 北京 100044)

在一些大型發電廠中,常將電纜鋪設在管道內,尤其是大型水電站中的離相封閉母線(isolated phase enclosed bus,IPB)。在管道內部,支撐絕緣子、焊縫等可能會出現裂紋,對電網的正常運行帶來威脅[1],因此,在電網的運行過程中,需要對電纜及管道內進行定期巡檢,以發現潛在隱患。目前大多數巡檢任務由人工完成,然而,由于管道內是密閉空間,操作空間小[2],并且,在檢修過程中,需要進行一些如搭腳手架、拆卸管道的操作,導致人力檢測的效率低。該場景下對半無人化或無人化的巡檢系統的需求迫切。

巡檢機器人是一種有效的解決方案[3]。巡檢機器人可通過遠程或自主控制的方式,在預定路線上巡查,機器人可搭載視覺攝像頭、紅外攝像頭、紫外攝像頭、激光雷達等感知設備,利用特定的算法及策略發現可能存在的缺陷。任新新等[4]使用二值化的圖像處理方式,判斷管內雜物并清理。胡文韜[5]設計了一款輪式移動機器人,用于管道內的雜物清掃,并對管內雜物、裂縫等進行圖像處理,形成了缺陷的目標識別及定位功能。以上管道內巡檢機器人都是通過視覺來遠程遙控機器人,并未探索機器人的全自主運行。另外,IPB管道既有水平、也有垂直布置,給機器人在管道內的行走帶來困難[6]。

為實現機器人的自主行走,首先,針對巡檢機器人的垂直和水平管道攀爬需求,設計了一種雙懸掛的移動機器人本體;其次,移動機器人需要自身的準確定位[7-8],即機器人的即時定位與建圖(simultaneous localization and mapping, SLAM)。而管道存在特征重復、可區分特征少、基準面為曲面的特性,因此管道內的SLAM技術鮮有研究。本研究中,設計基于柱坐標系的激光點云配準方法,并在仿真實驗驗證環境建圖的快速性和精確性。實際場景分別測試機器人在豎直段、水平段的軸向和周向運動,驗證該巡檢機器人系統的有效性及適應性。

1 機器人總體設計

巡檢機器人運行于高壓電纜管道中,采用離相封閉母線 (isolated phase enclosed bus,IPB)的形式,即母線具有單獨的外殼,且外殼間具有空隙隔離,形成了一種大管套小管的圓環形檢測管道形式 [圖1(a)]。巡檢機器人在水平和垂直的管道中運行,使用視覺傳感器對管道內異物,裂縫等缺陷進行巡檢,使用激光雷達、慣性測量單元(inertial measurement unit, IMU)等實現機器人的定位與建圖。

NVIDIA Jetson Nano為圖像處理器英偉達Jetson Nano圖1 巡檢機器人的總體框架圖Fig.1 Overview of the inspection robot

電力巡檢機器人系統的框架如[圖1(b)]所示,自底向上包含:機械執行層、機電控制和算法層、傳輸層和應用層。機械執行層為巡檢機器人的移動、攀爬吸附、機械臂抓取等結構形式。機電控制和算法層通過對傳感器的信息感知,采用特定策略決策并執行運動規劃、軌跡跟隨、運動控制等操作。傳輸層是對采集的視頻信號、控制及狀態信號的數據轉發,實現控制中心與機器人端的數據交換。應用層則為視頻的可視化及控制指令的輸入界面。

2 機器人本體設計

對于垂直管道攀爬機器人,可從移動方式和壁面附著方式兩方面著手。對于移動方式,常見機器人可分為輪式[9]、履帶式[10]、足式[11]、軌道式[12]、蠕動式[13]等。而壁面附著方式可分為負壓式[14]、磁吸附[15]、推力附著[16]、抓持式[17]等。總結以上方式的優缺點如表1所示。

表1 攀爬機器人移動及附著方式對比Table 1 Comparison of moving and attachment methods of climbing robots

管道為金屬大圓環面,對于小型巡檢機器人,可認為是接近于平面的移動。另外,管道內為封閉環境,其障礙物較少。結合表1分析可知,以高速度及低控制難度為基準,設計輪式推力附著攀爬機器人為基本框架。

2.1 總體構型

巡檢機器人的整體外型如圖2(a)所示,采用上下底盤的設計方案,上、下底盤分別與內、外管接觸。下底盤有一套動力裝置,包括一個大扭力電機和一個轉向舵機,保證行駛過程的動力。電機通過傳動系統為4個輪子帶來驅動力,車身前設計阿克曼轉向機構,使用舵機控制機器人的行駛方向。兩底盤間均設計懸掛裝置,即通過彈簧預設壓緊力的方式,使機器人在水平和豎直環形管道環境(管距L為265～269 mm)具有強的自適應附著能力和優秀的攀爬、通過能力。所設計機器人長l為460 mm,寬w為245 mm,高度h為300 mm, 通過壓緊裝置可調節高度范圍為240～300 mm,即h∈[240 m, 300 m],以適應不同管距。

Ti為電機提供驅動力矩,i=1,2;Ni為壁面對輪的支撐力,i=1,2,…,6;Rs和Rl分別為圓環管道內管與外管半徑;fi為對輪的摩擦力,i=1,2,…,6;Fi為在各輪的產生力,i=1,2,…,6;懸掛系統由剛度為k的彈簧組成;m為機器人的總體質量;g為重力加速度;Fcent為向心力;α、β分別為被動輪、主動輪與車體中心軸線夾角;L為管距;l為車長圖2 巡檢機器人運動分析Fig.2 Motion analysis of inspection robot

2.2 動力學分析

巡檢機器人下底盤采用四驅的動力設置,上盤為被動輪,實現水平及豎直兩種方式行走,其中軸豎直方向與周向運動上設計的推力附著系統,提供足夠的摩擦力以保證攀爬機器人運行。

2.2.1 軸向豎直分析

針對管道軸向方向上的剖面進行受力分析,如圖2(b)所示。機器人以速度為v、加速度為a沿著壁面向上運動。假設輪序號為i,4個主動輪i∈{1～4},4個從動輪i∈{5～8},如圖2(a)所示。

受力分析,可得

(1)

式(1)中:xi為第i個彈簧的工作長度;r為金屬夾胎的直徑;x0為初始長度;k為懸掛系統的彈簧剛度;μ為輪胎與管壁的摩擦系數。

對于驅動動力,底盤設計1個直流電機通過金屬車橋將動力傳輸到n(n=4)個輪子上,故共有直流電機數量N為1,為保證穩定性和通過能力,選用直徑r為100 mm的金屬夾胎。巡檢機器人平臺總重m約10 kg, 當機器人豎直移動時,所需的電機轉矩與功率最大, 取峰值加速度a為1 m/s2,此時需要的電機最大輸出扭矩為

(2)

考慮最高運行速度vm=5 km/h。電機轉速需滿足:

(3)

可選用7.2 V、額定轉速482 r/min、最大扭力2.8 N·m的直流無刷電機(M3508, robomaster, 大疆),搭配電調(C620, robomaster, 大疆)實現正弦驅動。上、下底盤各一個LF-20MG舵機,在工作電壓下堵轉力矩可達到18 kg·cm。通過與拉桿連接帶動車軸控制前輪的方向進行轉向。

行駛過程中輪胎與管壁主要是滾動摩擦。為保證能夠提供足夠大的壓力,保持機器人不發生滑動摩擦,也就是向下滑落,可減小輪胎的胎壓,增大輪胎與管壁的摩擦系數μ[18],每個輪預緊力均相等,可得預緊力為

(4)

可確定懸掛系統的彈簧剛度k和預緊距離d0需滿足式(5)。

k(x0-d0)≥Fi

(5)

2.2.2 周向運動分析

如圖2(c)所示,考慮機器人的車長l,車輪在圓形壁面上的運行軌跡實際上是長為l的割線環繞著圓心運動,可形成圓形的包絡線即為實際的車輪運行軌跡。與豎直方向上運行相似,機器人以切線速度v和加速度a環繞行進,如圖2(d)所示,可建立周向運動過程中的力學模型,機器人的圓周運動需考慮向心運動,其向心力Fcent滿足

(6)

假定圓環管道內管與外管半徑分別為Rs和Rl,輪所受支撐力Ni和摩擦力fi的方向分別為輪接觸點[圖2(d)中A、B、C、D]在管壁的切線方向及垂直于切線方向,可表示為

(7)

車體與垂直方向上的夾角為θ,則被動輪、主動輪與車體中心軸線夾角分別為α和β,可表示為

(8)

根據機器人的受力方向分解,則需滿足關系如式(9)所示。

(9)

機器人周向運動在其他象限分析相似。

2.3 通過性分析

為使得機器人能夠順利從水平段行駛至豎直段,對于機器人的運動過程進行分析,如圖3所示,可分為5個階段。

圖3 機器人在彎頭連接通過性分析Fig.3 Passability analysis of robot at pipelineelbow pipeline

(1)在水平段時,機器人首先從八輪接觸變成六輪接觸[圖3(a)],前端彈簧懸掛系統勢能釋放,使車頭出現翹頭趨勢,有助于完成車體旋轉。

(2)車體沿著豎直管壁進行旋轉,此時仍保持六輪接觸[圖3(b)],此過程后輪的懸掛系統釋放勢能,車體上升,使后輪上下皆可接觸[圖3(c)]。需注意的是,為防止車架與管道干涉,在設計過程中需去除上底盤在車長方向上的橫梁。

(3)當車體后輪懸掛系統充分釋放,上底盤的前后輪均不接觸管壁,由下底盤的驅動繼續提供旋轉向上的力[圖3(d)]。因此,需要盡可能減少此過程完成時間,可從增大通過速度和增加輪胎摩擦系數。

(4)車體繼續旋轉,直至機器人前上側輪接觸到豎直管壁[圖3(e)],此時前側的懸掛系統發揮作用,增大輪胎摩擦力,將機器人車身向上拉,機器人邊旋轉邊上升。

(5)機器人與管壁六輪接觸[圖3(f)],機器人直線上升,直至后端輪與管壁接觸,即可完成整個通過過程。

3 管內環境建圖

3.1 場景分析

IPB管道為外管接內管形成環形截面,兩者之間有絕緣子連接[圖2(c)]。機器人搭載激光雷達對管道內環掃并前進,多幀點云疊加即可形成管道內地圖。

然而,環形管道在環形掃描中的特征幾乎一致,即使絕緣子可為其提供可用特征,但是其數量較少,在使用經典的激光SLAM算法:激光雷達里程計建圖 (lidar odometry and mapping, LOAM)算法[19]進行點云建圖時,雷達實際環繞一圈,然而獲得約1/2圈的地圖,即發生混疊,如圖4所示。

圖4 LOAM在管道中的錯誤建圖Fig.4 Failed mapping using the LOAM algorithm in the pipeline

3.2 點云配準方法

將笛卡爾坐標系下的xyz正交坐標表示變換為柱坐標系下ρθz的正交坐標表示,即

(10)

(11)

圖5為激光雷達環掃管道沿z軸方向的截面圖,經過坐標變化,可獲得以下效果:①內外環狀管道變為柱坐標系下的平直管道;②絕緣子在柱坐標系下從x,y軸轉成沿ρ軸展開,分離度顯著;③機器人的繞圓周運動變為柱坐標系下沿θ軸的平移運動,即Δθ,可減少計算量;沿管道縱深z軸的移動在柱坐標系下保持不變,即Δz。

ρ為極軸坐標圖5 環形管道點云分布Fig.5 Point cloud distribution of circular pipe

而后對兩幀點云進行最佳匹配,定義相鄰兩幀點云為P={p1,p2, …,pi, …,pn},Q={q1,q2, …,qi, …,qn},兩幀點云之間變換關系滿足:

?i,qi=Rpi+t

(12)

式(12)中:R為旋轉矩陣;t為平移矩陣;pi、qi分別為點云P、Q中的第i個元素。

優化目標使得兩幀點云之間的誤差平方和最小,即

(13)

分別計算兩幀點云之間的質心,即

(14)

則平移向量的最優值為

(15)

式(15)中:柱坐標系下無姿態差異兩點云旋轉矩陣R為3階單位陣。

使用以上方法即可對數據集點云循環遍歷進行運動估計與建圖。

4 運行測試實驗

4.1 行走實驗

依據實際場景模擬運行環境,內管道和外管道的直徑分別為450 mm和1 000 mm,可分為水平和豎直段,使用透明亞克力材料來搭建IPB管道測試場景,以便觀測機器人的運動狀態。調整巡檢機器人的各個懸掛的預緊力,使得輪胎充分接觸管道壁面。使用遙控器控制巡檢機器人分別行走于水平軸向段、水平周向段和豎直軸向段,以觀測巡檢機器人在管道內的運行狀態。

如圖6(a)所示,巡檢機器人在水平軸向段的所有輪胎均充分接觸,具有良好的性能。在水平周向段[圖6(b)],由于行走過程中可轉向運動,即不完全為周向運動,還有沿著軸向的運動,整體軌跡為周向方向與軸向方向的運動疊加,因此輪胎并不是完全貼合。但是由于其預緊力的作用,機器人仍然可以在管道內完成周向運動。對于豎直軸向段[圖6(c)],機器人從水平段過渡至豎直段的整個過程,由八輪接觸變為兩次六輪接觸,前者為后四輪與前下兩輪,而后轉變成前四輪與后下兩輪接觸,到達豎直段后完成八輪接觸。實驗驗證彈簧的預緊力可提供足夠的壓力,可使得機器人從水平軸向段直角轉彎,向著豎直段向上爬行。使得機器人在豎直管道內攀爬。

4.2 管道建圖

建立管道三維模型[圖7(a)],在機器人操作系統ROS中搭建仿真環境,機器人搭載激光雷達在管道內進行10圈的環形掃描,可獲得機器人在軸向方向上前端和后端稠密的點云數據[圖7(c)],將其作為標準的點云數據。

圖7 管道SLAM建圖結果對比Fig.7 Comparison of SLAM mapping results in the pipeline

為驗證本文提出建圖方法的有效性和效率,分別將該方法與LOAM[19]、迭代最近點 (iterative closest point, ICP)[20]建圖方法進行對比,其中ICP方法添加了旋轉的運動約束,建圖結果如圖7所示。LOAM算法和帶約束的ICP方法均無法正確建圖,其中LOAM[圖7(b)]的結果無法收斂,完成了約半圈的建圖,ICP方法在添加約束后,可完成整圈的建圖[圖7(c)],但是其中的絕緣子特征出現疊加混沌,表現為出幀間旋轉角度估計不準確。本文方法[圖7(d)]可完成完整建圖,且絕緣子特征明顯。

為驗證各方法的計算效率,分別使用ICP、LOAM以及本文方法,在同一環形管道數據上運行,記錄其配準拼接步驟計算時間以及迭代次數,因ICP和LOAM方法并未完成收斂,因此對比單步迭代的平均時間,結果如表2所示。得益于坐標轉換的計算簡化,相較于ICP和LOAM方法,使用本文方法計算時間減少約26%與66%,驗證了本文方法的運行效率。

表2 不同SLAM算法單步平均計算時間對比Table 2 Comparison of single-step average calculation time of different SLAM algorithms

5 結論

為解決離相封閉母線(IPB)管道這種大管套小管的巡檢場景,完成機器人本體設計與環境建圖。得出如下結論。

(1) 搭建了一款可在水平、豎直段上行走的輪式巡檢機器人。設計基于雙懸掛的推力附著結構,通過分析機器人在豎直段以及周向段的動力學,完成機器人的動力系統選型及設計,實驗驗證了機器人在管道內的軸向、周向的水平運動和軸向的豎直運動的適應能力。

(2) 提出基于柱坐標系的管道點云配準方法,仿真實驗驗證該方法可實現IPB管道的正確建圖,且平均單步計算時間優于LOAM及ICP方法,解決了現有SLAM算法 (LOAM、ICP) 對環形管道存在無法正確建圖的問題。