[发明专利]变电站巡检机器人定位导航系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及自主移动机器人定位导航领域，特别是涉及一种变电站巡检机器人用定位导航系统及方法。

背景技术

变电站巡检机器人是一种全自主运行的地面移动机器人，其可携带可见光摄像机、红外热像仪、拾音器等传感器对电力设备进行自动巡检，有效降低人工巡检的劳动强度，保障变电站设备安全运行。

在变电站巡检机器人的应用中，精确定位导航是保证其完成巡检任务的关键。目前，变电站巡检机器人定位导航系统一般采用磁轨迹引导加RFID(Radio Frenquency Identification，射频识别)标签辅助定位方法实现，该方法依靠安装于机器人底盘前部的磁传感器阵列检测机器人相对于磁轨迹的偏移，据此控制机器人沿磁轨迹运动，同时在停靠点处设置RFID标签，以辅助机器人停靠。该方法可靠性好、抗干扰能力强并具备较高的重复定位精度，但是磁条轨迹的铺设涉及大量现场施工、磁条成本及磁条维护成本、一旦磁轨迹铺设完工则巡检路线不能灵活改变，机器人底盘受限于磁传感器检测距离，使得机器人只能在平地上运动，对于站内砂石、草地等自然地形不能适用。

为解决这一问题，差分GPS、航位推算、惯性及视觉标识等定位导航方式已被引入巡检机器人并在变电站现场进行了测试，但由于变电站室外大规模环境里，电力设备林立且存在强电磁干扰，上述定位导航方法，因受电磁干扰、误差累积及视觉标识受雨雪遮挡等因素影响难以在变电站内可靠工作。从公开的资料可知，基于激光传感器的定位导航表现出了良好的定位精度和对室外变电站环境具有较好适应性。

专利201120115524.7公开了一种变电站巡检机器人用激光定位导航系统，该系统运行前需要预先在机器人运行路线两侧安装反光标识，机器人依据激光传感器检测到的反光标识信息就可以计算得到其在全局坐标系下的位置和姿态。该方法虽然可靠而且精度好，可灵活改变机器人运行路线，但是由于需要在站内设定反光标识，因此不可避免的会带来一定的运维费用。

专利201310686467.1公开了一种巡检机器人无轨化导航方法，其通过从激光传感器扫描数据中提取环境特征，利用SLAM技术构建机器人运行环境地图，实现机器人在站内的定位导航。该方法所构建的环境地图数据存储量小，定位导航实时性好，同时可灵活配置机器人运行区域，无需在变电站内加装辅助设施，极大降低了定位导航系统前期施工和后期运维费用，但该方法需要从激光传感器扫描得到的原始数据中提取环境特征，在这一过程中不可避免的会引入误差，另外变电站内部分区域特征比较稀疏，所需特征可能无法提取，因此以上两方面最终都会影响机器人站内定位导航效果。

文献“基于地图匹配的变电站巡检机器人激光导航系统设计”提出了一种利用激光数据匹配的机器人地图创建及定位导航系统，系统中的地图创建模块通过将里程计与激光扫描数据融合创建变电站环境地图，之后机器人位姿解算利用ICP-EKF算法将激光传感器获取数据与创建的环境地图进行匹配，从而获得机器人全局坐标系下的位置和姿态，但该系统中地图数据以栅格方式存储，为实现所需定位解算精度其必须采用小尺度栅格，在变电站大规模环境下该方式的栅格数据存储量较大，必然造成定位导航过程中的计算量较大。

另外，上述文献与专利201110216379.6公开了一种利用Floyd(弗洛伊德)算法计算所有路径点之间的最短路径的路径规划方法，实现了机器人在站内执行特殊巡检任务时沿最短路径运行，但实际使用中由于变电站内停靠点数量众多，以上路径规划算法只能采用离线方式计算节点间的最短路径，一旦计算并存储完成，每一个新节点的加入都必须对所有节点重新计算和存储，计算效率不高且路径存储量较大，因此上述方法难以满足变电站某些突发情况发生时，需要在线规划机器人运行路径，使机器人迅速到达站内临时设定的停靠点执行检测任务的需求。

总之，现有的技术存在的主要问题为：

1、变电站巡检机器人无法实现定位导航实时性的前提下实现巡检机器人变电站内精确定位；

2、从激光数据提取环境特征容易引入误差对定位导航精度的影响，无法实现通过对当前激光测距数据与地图中激光路标包含的测距数据的匹配，机器人停靠点处的定位精度不高。

3、变电站巡检机器人现有的路径规划计算效率较低，无法满足机器人根据特殊巡检任务在线规划机器人行驶路径的需求。

4、现有的变电站巡检机器人没有建立运行环境地图，没有与原有全局激光路标地图融合，效率低下。

发明内容