電廠智能巡檢機器人導航技術研究及應用

蘇 暉,劉魯京

（神華國華電力研究中心，北京,100025）

電廠智能巡檢機器人導航技術研究及應用

蘇 暉,劉魯京

（神華國華電力研究中心，北京,100025）

本文詳細介紹了電廠智能巡檢機器人的幾種導航方式，包括：電磁導航、射頻識別導航、激光導航、視覺導航、GPS導航、慣性導航、超聲波導航和SLAM導航，并對導航的發展方向提出了見解。

電廠；機器人；導航

0 引言

隨著機器人技術的大力發展以及巡檢機器人制造水平的突飛猛進，利用機器人代替人工進行電廠巡檢，已經成為現實。機器人巡檢既具有人工巡檢的靈活性以及智能型，同時又能彌補人工巡檢存在的安全隱患以及效率和精度的不足，為發電廠設備巡檢提供了全新的巡檢方式和監測手段，更好的適應了發電廠向數字化、智能化發展的需求，具有巨大的技術優越性和廣闊的發展空間，代表了智能發電廠巡檢技術的發展方向。

巡檢機器人技術融合了精準導航定位、多傳感器融合、圖像識別、非接觸檢測、移動物聯、測控、觸覺傳感等多種技術，其中導航技術是機器人實現自主巡檢的前提，是保證巡檢質量和效率的必備條件。本文將詳細介紹常用的幾種機器人導航技術。

1 機器人導航技術研究分析

電廠巡檢機器人根據使用區域、行進方式的不同，導航方式主要分為以下幾種：電磁導航、射頻識別導航、激光導航、視覺導航、GPS導航、慣性導航、超聲波導航和SLAM導航。

1.1 電磁射頻識別組合導航。電磁導航一般配合RFID（射頻識別）一起使用，在地面上鋪設磁軌道，其包含多條引導電纜，每條電纜流經不同頻率的電流，機器人通過感應線圈對電流的檢測來感應路徑信息，作為移動路線，在需要停止進行巡檢的位置預埋RFID，實現精準定位。機器人在巡檢過程中，其上的磁傳感器陣列檢測機器人中心相對于磁軌道的偏差，然后利用運動控制裝置調整機器人左右輪的差速，從而使機器人沿磁軌道行駛。機器人需要停止巡檢的位置一般由兩個RFID標簽進行控制，第一個標簽為減速點，包含停站點的距離信息，當巡檢機器人檢測到減速點標簽后，即根據停站點距離信息選擇合適的多級減速方案，確保機器人在到達精確停站點時處于低速可即停狀態，此時當機器人檢測到停站點標簽時，立即精確停站。電磁導航的優點是巡檢機器人能夠精準運動，能夠做到精準定位，并且抗干擾能力強，缺點是需要預鋪磁軌道，機器人不能預測道路變化趨勢及不能高速運行，嚴重限制了機器人的巡檢效率。

1.2 激光導航。激光導航利用視覺傳感器拍攝路面圖像，通過圖像識別技術，提取具有特征的點，作為路標，并計算各路標在全局坐標系下的坐標值，為激光導航提供依據。 巡檢機器人運行時，激光定位傳感器通過檢測路標信息（檢測到的路標信息不能少于3點），利用三角測量法計算得到機器人的位置信息，從而調整運行路線。具體實現原理為：機器人的激光傳感器每掃描一周就會得到被檢測路標相對激光傳感器的夾角，當檢測到3個路標后，經過迭代計算就可以得到激光傳感器在全局坐標系下的坐標值，結合設定的導航路線數據，計算得到機器人相對于設定路徑的位置偏差和航向偏差，通過調整左右輪驅動器的速度進行路線調整，引導機器人沿設定路線運行。

1.3 視覺導航。機器人通過裝配的攝像頭拍攝路面及環境的局部圖像，通過圖像處理技術，進行圖像特征識別、距離估計等，作為視覺導航的依據。機器人運行時對拍攝到的畫面進行采集、預處理、壓縮，與之前存儲的圖像進行對比，通過一系列算法，計算得到機器人的當前位置。為了將障礙物和背景分開，一般需要進行大量的圖像分析，導致導航實時性受限，針對該問題一般把掃描到的圖像分為目標、背景、不平地區和平地四部分，來減少無用信息的分析，提高導航速度。由于僅通過單幅圖像分析出來的信息來判斷障礙物和運行速度存在很大誤差，因此在實際中往往采用多攝像頭進行導航。

視覺導航的優點是導航定位精度高，信號探測的范圍廣，缺點為首先現有的視覺導航技術圖像處理速度和移動速度不能很好的匹配，造成運行中常出現一定的延遲，其次對不同的道路環境和復雜的作業環境不能較好的適應，實時性和魯棒性有所欠缺。

1.4 GPS導航。GPS導航原理是通過計算物體與GPS衛星的距離，通過三邊測量法來計算定位物體的位置及速度信息，定位所需的GPS衛星不能少于3顆，該方法要求整個系統中存在一個高精度的時間基準以保證距離測量的準確度。GPS導航技術一般分為三種：高精度差分GPS導航技術、DGPS/DR組合導航技術以及GPS/慣性導航技術。

高精度差分GPS導航技術原理是首先建立差分GPS基準臺，基準臺建立后其精準的三維坐標便確定了，然后通過計算被測點根據該基準點的修正坐標后發送給被測點，對被測點進行修正，以提高GPS定位精度。差分GPS定位分為三類：位置差分、偽距差分和相位差分。

DGPS/DR組合導航技術是一種傳統的跟蹤導航算法技術，當物體突然失去GPS信號時，通過DR進行位置計算。具體原理是根據運動物體的當前位置坐標，通過慣性導航元件測量物體移動速度和航向角，進而推算物體在下一時刻的位置坐標。此種技術會隨著時間的增加導致精度大幅下降，DR導航不能單獨、長時間使用，常常作為一種短時輔助的定位手段。

GPS/慣性導航技術以牛頓力學定律為基礎，通過加速度計和陀螺儀測量物體在慣性參考系的加速度和轉動角速度，通過時間積分，把它變換到導航坐標系中，從而得到物體在導航坐標系中的速度、偏航角和位置。由于慣性導航技術不與外界發生光、電交換，不向外界輻射電磁信號，因此有很好的隱蔽性和抗干擾能力，但是由于導航信息是由于積分產生，定位誤差會隨著時間的增加而增大，導致其不能長時間獨立工作，并需要初始化，其價格也相對比較昂貴。

GPS導航技術的前提是需要有穩定的GPS信號，但在電廠強電磁環境下、室內或鋼結構內GPS信號會大幅減弱，嚴重影響巡檢機器人的定位導航。此種導航技術只能適合室外巡檢機器人應用。

1.5 超聲波導航。超聲波是一種頻率在20Hz以上的聲波，傳播路徑為直線傳播，遇到固體會產生反射，運用這種特點，通過接收超聲波傳感器自身發射的超聲波信號，利用時間差，計算前方物體距離。超聲波傳感器角度分辨率較差，但具探測速度快、靈敏度、距離分辨率高。在實際應用中，超聲波傳感器存在一定的局限性，往往配合其他的導航方式一起應用，能夠實現精準避障。

1.6 SLAM導航。SLAM導航指的是機器人在自身位置不確定的條件下,在完全未知環境中通過定位、建圖、SLAM算法進行路徑規劃，實現自主定位和導航，前面提到的激光導航和視覺導航都是SLAM導航。

2 結束語

目前，由于電廠巡檢機器人要同時應用于室內和室外，大多數采用電磁導航和激光導航，能夠滿足巡檢運行的需要。隨著導航定位精度要求的提高，視覺導航將成為導航技術未來的發展方向，隨著計算機視覺理論及算法的發展及處理能力的提高，實時性和魯棒性得到解決后，視覺導航將成為巡檢機器人的主要導航方式。

[1] 肖鵬.變電站智能巡檢機器人激光導航系統研究.天津:自動化與儀表,2015（5）.

[2] 祖麗楠.變電站巡檢機器人導航方法研究.北京:科學技術與工程,2014（9）.

蘇暉, 男,1984年出生, 2005年畢業于河北工業大學電子信息工程專業，高級工程師，2012年獲華北電力大學動力工程碩士學位。現工作于神華國華電力研究中心，從事熱工及信息專業工作。

劉魯京，男,1988年出生,2014年畢業于華北電力大學控制與計算機技術，工程師，現工作于神華國華電力研究中心，從事信息專業工作。

Research and application of navigation technology for power plant intelligent inspection robot

Su Hui,Liu Lujing
(Shenhua Guohua Electric Research Center，Beijing，100025)

This article introduces several methods of navigation technology for power plant intelligent inspection robot:electromagnetic navigation,radio frequency identification navigation,laser navigation, visual navigation,GPS navigation,inertial navigation,ultrasonic navigation and SLAM navigation,and next proposes opinions on development direction of navigation.

Power plant；Robot；Navigation technology