电厂智能巡检机器人导航技术研究及应用

苏 晖,刘鲁京

（神华国华电力研究中心，北京,100025）

电厂智能巡检机器人导航技术研究及应用

苏 晖,刘鲁京

（神华国华电力研究中心，北京,100025）

本文详细介绍了电厂智能巡检机器人的几种导航方式，包括：电磁导航、射频识别导航、激光导航、视觉导航、GPS导航、惯性导航、超声波导航和SLAM导航，并对导航的发展方向提出了见解。

电厂；机器人；导航

0 引言

随着机器人技术的大力发展以及巡检机器人制造水平的突飞猛进，利用机器人代替人工进行电厂巡检，已经成为现实。机器人巡检既具有人工巡检的灵活性以及智能型，同时又能弥补人工巡检存在的安全隐患以及效率和精度的不足，为发电厂设备巡检提供了全新的巡检方式和监测手段，更好的适应了发电厂向数字化、智能化发展的需求，具有巨大的技术优越性和广阔的发展空间，代表了智能发电厂巡检技术的发展方向。

巡检机器人技术融合了精准导航定位、多传感器融合、图像识别、非接触检测、移动物联、测控、触觉传感等多种技术，其中导航技术是机器人实现自主巡检的前提，是保证巡检质量和效率的必备条件。本文将详细介绍常用的几种机器人导航技术。

1 机器人导航技术研究分析

电厂巡检机器人根据使用区域、行进方式的不同，导航方式主要分为以下几种：电磁导航、射频识别导航、激光导航、视觉导航、GPS导航、惯性导航、超声波导航和SLAM导航。

1.1 电磁射频识别组合导航。电磁导航一般配合RFID（射频识别）一起使用，在地面上铺设磁轨道，其包含多条引导电缆，每条电缆流经不同频率的电流，机器人通过感应线圈对电流的检测来感应路径信息，作为移动路线，在需要停止进行巡检的位置预埋RFID，实现精准定位。机器人在巡检过程中，其上的磁传感器阵列检测机器人中心相对于磁轨道的偏差，然后利用运动控制装置调整机器人左右轮的差速，从而使机器人沿磁轨道行驶。机器人需要停止巡检的位置一般由两个RFID标签进行控制，第一个标签为减速点，包含停站点的距离信息，当巡检机器人检测到减速点标签后，即根据停站点距离信息选择合适的多级减速方案，确保机器人在到达精确停站点时处于低速可即停状态，此时当机器人检测到停站点标签时，立即精确停站。电磁导航的优点是巡检机器人能够精准运动，能够做到精准定位，并且抗干扰能力强，缺点是需要预铺磁轨道，机器人不能预测道路变化趋势及不能高速运行，严重限制了机器人的巡检效率。

1.2 激光导航。激光导航利用视觉传感器拍摄路面图像，通过图像识别技术，提取具有特征的点，作为路标，并计算各路标在全局坐标系下的坐标值，为激光导航提供依据。 巡检机器人运行时，激光定位传感器通过检测路标信息（检测到的路标信息不能少于3点），利用三角测量法计算得到机器人的位置信息，从而调整运行路线。具体实现原理为：机器人的激光传感器每扫描一周就会得到被检测路标相对激光传感器的夹角，当检测到3个路标后，经过迭代计算就可以得到激光传感器在全局坐标系下的坐标值，结合设定的导航路线数据，计算得到机器人相对于设定路径的位置偏差和航向偏差，通过调整左右轮驱动器的速度进行路线调整，引导机器人沿设定路线运行。

1.3 视觉导航。机器人通过装配的摄像头拍摄路面及环境的局部图像，通过图像处理技术，进行图像特征识别、距离估计等，作为视觉导航的依据。机器人运行时对拍摄到的画面进行采集、预处理、压缩，与之前存储的图像进行对比，通过一系列算法，计算得到机器人的当前位置。为了将障碍物和背景分开，一般需要进行大量的图像分析，导致导航实时性受限，针对该问题一般把扫描到的图像分为目标、背景、不平地区和平地四部分，来减少无用信息的分析，提高导航速度。由于仅通过单幅图像分析出来的信息来判断障碍物和运行速度存在很大误差，因此在实际中往往采用多摄像头进行导航。

视觉导航的优点是导航定位精度高，信号探测的范围广，缺点为首先现有的视觉导航技术图像处理速度和移动速度不能很好的匹配，造成运行中常出现一定的延迟，其次对不同的道路环境和复杂的作业环境不能较好的适应，实时性和鲁棒性有所欠缺。

1.4 GPS导航。GPS导航原理是通过计算物体与GPS卫星的距离，通过三边测量法来计算定位物体的位置及速度信息，定位所需的GPS卫星不能少于3颗，该方法要求整个系统中存在一个高精度的时间基准以保证距离测量的准确度。GPS导航技术一般分为三种：高精度差分GPS导航技术、DGPS/DR组合导航技术以及GPS/惯性导航技术。

高精度差分GPS导航技术原理是首先建立差分GPS基准台，基准台建立后其精准的三维坐标便确定了，然后通过计算被测点根据该基准点的修正坐标后发送给被测点，对被测点进行修正，以提高GPS定位精度。差分GPS定位分为三类：位置差分、伪距差分和相位差分。

DGPS/DR组合导航技术是一种传统的跟踪导航算法技术，当物体突然失去GPS信号时，通过DR进行位置计算。具体原理是根据运动物体的当前位置坐标，通过惯性导航元件测量物体移动速度和航向角，进而推算物体在下一时刻的位置坐标。此种技术会随着时间的增加导致精度大幅下降，DR导航不能单独、长时间使用，常常作为一种短时辅助的定位手段。

GPS/惯性导航技术以牛顿力学定律为基础，通过加速度计和陀螺仪测量物体在惯性参考系的加速度和转动角速度，通过时间积分，把它变换到导航坐标系中，从而得到物体在导航坐标系中的速度、偏航角和位置。由于惯性导航技术不与外界发生光、电交换，不向外界辐射电磁信号，因此有很好的隐蔽性和抗干扰能力，但是由于导航信息是由于积分产生，定位误差会随着时间的增加而增大，导致其不能长时间独立工作，并需要初始化，其价格也相对比较昂贵。

GPS导航技术的前提是需要有稳定的GPS信号，但在电厂强电磁环境下、室内或钢结构内GPS信号会大幅减弱，严重影响巡检机器人的定位导航。此种导航技术只能适合室外巡检机器人应用。

1.5 超声波导航。超声波是一种频率在20Hz以上的声波，传播路径为直线传播，遇到固体会产生反射，运用这种特点，通过接收超声波传感器自身发射的超声波信号，利用时间差，计算前方物体距离。超声波传感器角度分辨率较差，但具探测速度快、灵敏度、距离分辨率高。在实际应用中，超声波传感器存在一定的局限性，往往配合其他的导航方式一起应用，能够实现精准避障。

1.6 SLAM导航。SLAM导航指的是机器人在自身位置不确定的条件下,在完全未知环境中通过定位、建图、SLAM算法进行路径规划，实现自主定位和导航，前面提到的激光导航和视觉导航都是SLAM导航。

2 结束语

目前，由于电厂巡检机器人要同时应用于室内和室外，大多数采用电磁导航和激光导航，能够满足巡检运行的需要。随着导航定位精度要求的提高，视觉导航将成为导航技术未来的发展方向，随着计算机视觉理论及算法的发展及处理能力的提高，实时性和鲁棒性得到解决后，视觉导航将成为巡检机器人的主要导航方式。

[1] 肖鹏.变电站智能巡检机器人激光导航系统研究.天津:自动化与仪表,2015（5）.

[2] 祖丽楠.变电站巡检机器人导航方法研究.北京:科学技术与工程,2014（9）.

苏晖, 男,1984年出生, 2005年毕业于河北工业大学电子信息工程专业，高级工程师，2012年获华北电力大学动力工程硕士学位。现工作于神华国华电力研究中心，从事热工及信息专业工作。

刘鲁京，男,1988年出生,2014年毕业于华北电力大学控制与计算机技术，工程师，现工作于神华国华电力研究中心，从事信息专业工作。

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