電力巡檢機器人自動避障與軌跡規劃系統研究

楊 海，高山峻，許文斌，楊雪婷

（西南石油大學 機電工程學院，成都610500）

隨著當前國家電力需求越來越高，電力系統得到快速的發展，相應的電力系統也越來越多，且電能的輸送和分配任務變得更加繁重，傳統的人工巡檢的壓力和危險程度也變得越來越大。 因此，對電力系統定期巡檢變成了維護電力系統安全的關鍵[1]。傳統的人工巡檢對工作人員存在一定風險和弊端[2]，例如，隨著巡檢次數增加、測量準確度要求提高和隨著電壓升高對工作人員的危險變大，且一些狹小的空間，工作人員不方便進行檢查，導致對電力系統一部分的疏忽，這些問題都對傳統的人工巡檢方式提出了巨大的挑戰。 隨著機器人技術的發展，將機器人技術帶入到電力系統巡檢中代替人工巡檢，不僅會帶來更好的經濟效益，還會大大減少電力系統中高壓高輻射對工作人員的傷害，還會將機器人技術運用于實際，更好地促進機器人技術的發展[3]。

本文從提升巡檢機器人運動穩定性和功能性出發，自主研發適合電力系統狹小空間的一套針對電力系統場站巡檢能夠進行自由移動的巡檢機器人平臺，利用紅外傳感器[4-6]和超聲波傳感器[7]能夠實現障礙物實時檢測， 自動根據障礙物的形狀避障，具有定位導航功能，利用人工勢場法能夠實現動態的軌跡規劃，達到移動到指定目的地的目的。

1 電力巡檢機器人整體設計

1.1 電力巡檢機器人機械設計

本系統所使用移動機器人平臺的底盤自主研發，在solidworks 軟件中進行設計。 機器人主體采用八邊形玻璃板，玻璃板輕便且在電力系統中相對穩定， 設計了由1 塊5 V 驅動板和Mega2560 電路板對4 個獨立驅動主動輪進行控制。 底板規則多邊形設計和4 個交叉布置的輪子在輪子的運動方向上呈現三角形布局，讓機器人在巡檢過程中擁有更加穩定的條件，三維模型如圖1 所示，裝置圖如圖2所示。

圖1 巡檢機器人三維模型Fig.1 Three dimensional model of inspection robot

圖2 巡檢機器人裝置圖Fig.2 Inspection robot

每個輪子采用的是全方位輪而且在外緣按照一定角度增加了一組輥子可以保證運動的平滑性，并且能夠實現不需要平臺轉換方向的二維移動加一維移動，其正視圖和左視圖如圖3 所示。

圖3 巡檢機器人全方位輪Fig.3 Omnidirectional wheel of inspection robot

1.2 電力巡檢機器人坐標系模型

本文所設計的巡檢機器人在行進平面上選擇一點O，把該點O 作為全局坐標系的原點，選取2條相互垂直線作為全局坐標系X 軸和Y 軸，把巡檢機器人的質心坐標定為原點o，把機器人運動模型左側定位局部y 軸，前面定位為x 軸，如圖4 所示。

圖4 巡檢機器人坐標圖Fig.4 Inspection robot coordinates

該機器人運行以電機轉向為基礎進行運動，采用四輪同轉速的方案，并且假設在機器人運動方向上取逆時針，如圖5 所示描述的是巡檢機器人在二維坐標中的位置。

圖5 巡檢機器人的位置圖Fig.5 Location of inspection robot

L 為輪子到巡檢機器人質心的距離， 機器人質心到四個輪的向量分別為Pn，即：

設F 為機器人坐標系到各個輪中心方向上驅動正方向的單位矢量：

R（β）為二維旋轉矩陣，即：

PB表示機器人在坐標系中的位置：

設各個輪子中心點在機器人坐標系中的向量可表示為Qn，即：

設各個輪子的速度矢量為Vn， 可得到Vn＝Qn′，由此可憑借運動關系得到：

設輪子半徑為r，所以Vn=rωn，得巡檢機器人的運動學模型：

2 基于多傳感器障礙檢測自動運行設計

2.1 局部避障處理

在電力系統條件下實際路況比較單一，機器人可選擇的路線比較有限，遇到障礙物的情況也是有限的，基于此背景，本文會根據實際環境情況做劃分，進而確定避障策略。

當巡檢機器人在按照正常規劃好的路徑巡檢時，會有近紅外傳感器和超聲波傳感器來對前左右3 個方向進行判斷[8]。利用近紅外傳感器和超聲波傳感器測距的原理進行障礙物檢測時，通過設計一個安全距離使傳感器有足夠的時間發出并接收信號來判斷障礙物的位置，從而進行避障。 為了避障的準確性，本文將障礙物標準化為矩形，通過傳感器直接獲取周圍障礙物的距離信息，來保證避障的安全性，機器人與障礙物的相對位置如圖6 所示。

圖6 各個情況下的障礙物位置Fig.6 Location of obstacles in each case

以上是對所能碰到的障礙物的情況做一個分布歸納，全部情況包含在其中，所以采用以上標準化后的空間障礙分布模型算法可以達到安全躲避障礙的效果。

2.2 基于人工勢場法和計數算法的動態路徑規劃

在本文中計數算法和避障功能配合實現，即在避開障礙物的過程中的運行時間是以計數算法來設置的，同時配合調整過的人工勢場法[8-9]在未知環境下向定位點運動，主要包括以下3 個步驟：推出斥力勢函數、推出引力勢函數、計算合力。

2.2.1 斥力勢函數

監測到障礙物時巡檢機器人需要避障，因此在勢場中障礙對機器人產生斥力，且距離越小斥力越大。 因此，勢能和距離成反比，我們可以假設斥力勢函數為

式中：l 為巡檢機器人與障礙物之間的距離；lmax為勢場作用的最大范圍；k1為系數。 所以巡檢機器人機器人所受到的斥力為

當l 趨于0 時，趨向于無窮大。為了避免在監測過程中機器人與障礙物發生碰撞，因此設置一個最小的安全距離L，l 當趨近于L 時，Fl足夠大即可。

2.2.2 引力勢函數

巡檢機器人的動態軌跡是隨著定位目標點規劃的，所以目標點始終會對巡檢機器人產生一種引力，并且這種引力與巡檢機器人與目標點之間的距離大小成正比，二者相距越遠引力勢能就越大[10]。當機器人到達目標點時，引力也就隨之消失。 根據這個相關關系，可以假設機器人的引力勢函數為

式中：k2為系數；h 為機器人與目標點之間的距離，最后得出機器人所受的引力如下：

2.2.3 合力的計算

將引力與斥力同時在x、y 兩個方向上分解，并計算出同方向上合力，再進行合力計算：

式中：Fx為引力和斥力在x 軸分量的合力；Fy是引力和斥力在y 軸分量的合力。

秦明月剛走出盧局長辦公室，手機就響了，還是邊峰打來的，他想想還是接了。邊峰說：“秦隊，你別不夠意思啊，我們一起喝喝茶如何？”

2.3 動態路徑規劃中的定位導航

為了使巡檢機器人更準確地確定目的地，因此增加了一個定位模塊來對目的地進行定位，使機器人實現在未知環境下的定位導航功能。 在巡檢機器人的定位模塊中設定好目的地的位置，巡檢機器人就會開始向著定位好的點進行動態路徑規劃，可以有效避免巡檢機器人巡檢過程中因為繞路而耗費時間的情況。

3 實驗開發與驗證

3.1 實驗軟硬件開發

巡檢機器人的控制系統主要包含Mega2560 電路板的選擇，和相關代碼控制軟件Arduino 等，該電路板具有54 路數字輸入輸出， 具有大量IO 接口。該控制系統通過電腦設計代碼用USB 連接電腦進行代碼的上傳，來控制機器人所具備的功能。

驅動車輪行走的電機采用的是42 步進電機，該電機噪音低、力矩大、運行平穩、精確度高等特點。 本文所用電機，電機機身長40 mm，軸徑5 mm，電機扭力0.4 N·m，電流1 A，最高轉速1200 r/min，額定轉速600 r/min。

電機采用的是二相混合式步進驅動器HB420，該驅動器內部采用類似伺服控制原理電路，此電路可以使電機低速運行平穩， 幾乎沒有震動和噪聲，擁有較多的IO 接口，便于外部信號的接收與反饋。

3.2 實驗驗證

實驗設置的巡檢機器人在實際場景下的軌跡圖，如圖7 所示。

圖7 實際路線圖Fig.7 Actual road map

圖8 避開障礙物的數量Fig.8 Number of obstacles to avoid

可見碰撞到每個障礙物的幾率為2.9%，避障效果較好，體現多傳感器融合的避障算法有效性。

在實際標準路徑中設置起點到目的點距離為3.510 m 為標準，但在實驗過程中也出現了實際軌跡與標準軌跡出現了偏差的情況，因為到達目標點可能會受到附近障礙物的的影響，巡檢機器人受到排斥力可能會偏移軌跡[11]，因此重復實驗15 次，運動軌跡情況如表1 所示。

表1 重復實驗下的運動軌跡情況Tab.1 Motion trace under repeated experiments

由實驗數據得出其中最遠偏移的距離為1.6 cm，可以得出由障礙物排斥影響的效果較小，動態路徑規劃效果較好，證明了人工勢場法和計數算法的有效性。

巡檢機器人面對較復雜障礙物情況時的避障方案：

（1）面對柱形障礙物進行繞柱

將設計代碼輸入到電路板中使巡檢機器人運用超聲波傳感器識別距離在3～7 cm 之間[12]，且在周圍無障礙物的前提下，代碼控制巡檢機器人會向右進行平動此時開始計數中的加法計數，并且此時巡檢機器人左側的近紅外始終處于觸發狀態，當左側近紅外不觸發時，停止加數，機器人繼續向前運行，此時機器人后面的近紅外向左監測到障礙物開始觸發，當近紅外不觸發時小車開始向左進行計數減數，當減到0 時小車即為已經繞開柱形障礙物繼續前進，具體軌跡如圖9 所示。

圖9 繞柱運行圖Fig.9 Column winding operation diagram

（2）當前方和右側監測到障礙物

這種情況下小車的前側超聲波傳感器和頂部近紅外傳感器同時檢測到障礙物的存在，變進行向左平動，直到超聲波傳感器檢測前方無障礙物為止[13]，軌跡如圖10 所示。

4 結語

圖10 面障礙物避障圖Fig.10 Obstacle avoidance

本文進行了對電力巡檢機器人自動避障與軌跡規劃系統的研究，提出了完整的設計方案，通過外形設計和內部代碼完成對巡檢機器人功能和運動的實現，通過運用多種傳感器協調配合來對機器人對障礙物的識別及避障進行完善，在運用計數算法和人工勢場法來實現在位置環境下向目標地點的動態軌跡規劃。 最后通過實驗測試相應功能，證明該系統的可行性。