浅析磁导航智能巡检机器人的里程检测系统

2016-12-08陈耀高

中国新技术新产品 2016年22期

关键词：磁条里程计里程

李　斐　袁　愿　陈耀高

（1．广西电网有限责任公司北海供电局，广西北海 536000；2．厦门红相电力设备股份有限公司，福建厦门 361001）

浅析磁导航智能巡检机器人的里程检测系统

李斐1袁愿2陈耀高2

（1．广西电网有限责任公司北海供电局，广西北海 536000；2．厦门红相电力设备股份有限公司，福建厦门 361001）

里程检测系统是磁导航智能巡检机器人的关键系统之一。基于磁导航的智能巡检机器人运行与轨道上，依靠磁传感器进行导航，一旦出现脱轨的情况就会影响机器人的正常运行。当脱轨情况发生时，需要依靠里程检测系统帮助机器人恢复到原来的轨道上。本文结合基于北斗定位和磁导航的磁导航智能巡检机器人，从智能巡检机器人的里程检测系统和脱轨自动恢复技术的工作原理出发，分析里程检测系统和脱轨自动恢复的关系，证明里程检测系统对脱轨自动恢复的重要性。

里程计；脱轨自动恢复；定位导航

0.引言

在基于北斗定位和磁导航的变电站智能巡检机器人中，利用北斗卫星进行进位，通过磁导航使机器人运行在轨道上。定位导航系统是智能巡检机器人的主要技术，也是保证巡检机器人系统长期有效的稳定运行的关键。智能巡检机器人的定位导航通过定位导航模块来解决定位、运动目标、路径规划的问题。定位导航模块包括地图构建子模块、定位子模块和导航子模块。

地图构建子模块是定位导航的基础，完整、精确的地图有助于进行定位导航；构建地图需要采集里程计、惯性测量单元等信息，而这些信息来自里程检测系统。定位子模块是巡检车自主巡检的核心，准确地知道巡检车的当前位置，才能进行导航、巡检；定位模块依据地图信息、底盘设备、惯性测量单元的数据，采用粒子滤波、ScanMatch（函数方法）等方式估计出机器人的位置信息，因此该子模块正常运行的前置条件为底盘设备、惯性测量单元设备、激光设备运行正常。导航子模块是在定位模块的基础上，给定目标点，通过路径规划、控制巡检车到达指定位置。

1.里程检测系统

基于北斗定位和磁导航的变电站智能巡检机器人的里程检测系统包括里程计和惯性测量单元。里程计是通过传感器记录车运动的里程数，用x、y、angle来表示，x为车前进方向上的偏移，正为前进多少，负为后退多少；y为垂直于车前进的方向上的偏移，正为左偏移多少，负为右偏移多少；angle表示车旋转的角度偏移，正为左转多少，负为右转多少。受到传感器特性的制约，里程计在测量x、y时相对精确，测量angle时有一定的误差。里程计和车的运动是一体的，因此里程计数据的采集和车的驱动在同一个模块中实现。驱动车的模块依据所采用的驱动器的不同而不同，也可简称为底盘设备。底盘设备作为巡检车最基本的设备，用于获取巡检车的里程计、速度等信息，同时可以通过发送速度控制巡检车的运动状态。该程序的运行依赖Copley Chassic Device.ini文件，该文件中记录了电机数（Wheel Num）、车轮直径（Wheel Diameter）、电机减速比（Rate Slow）、车轮到底盘中心距离（R Radius）等信息。里程计中各项数据的关系如图1所示。

惯性测量单元（IMU）是测量物体三轴姿态角（或角速率）以及加速度的装置。通过该传感器可以获取重力加速度与运动加速度的合成加速度在三轴上的加速度分量，从而起到判断物体的姿态和运动状态（运动、静止）的作用。另外，通过该传感器还可获取物体在三轴上的角速率，对角速率进行积分后并可获取物体旋转的角度。由于里程计测量angle时存在很大的误差，故引入惯性测量单元进行该信息的采集。

2.脱轨自动恢复技术

磁导航的智能巡检机器人是以磁条或磁道钉作为信号源，利用机器人所载的磁传感器检测磁条或磁道钉的磁场信息，确定机器人的位置以及实际位置。虽然磁导航具有较高的测量精度及良好的重复性，不易受天气情况以及光线变化的影响，具有较高的可靠性，但依然有几率出现机器人脱轨的现象。脱轨自动恢复技术为巡检机器人提供了基本的安全保护，保障了巡检机器人与变电站设备的安全，实现了巡检机器人的智能化。

脱轨自动恢复技术的工作原理是当磁传感器发现没有探测到磁条时，通过CAN总线发送没有探测到磁条的命令到控制中心。控制中心接收到巡检机器人没有在磁条上，马上进行紧急制动。巡检机器人刹车后，对其前后磁传感器进行判断。如果前后磁传感器都没有在磁条上，那么就发出报警，进行人工恢复并且不响应任何上位机命令。如果只有一个磁传感器在磁条上，那么就触发自动恢复到磁导航上任务，对巡检机器人进行自动恢复，例如：当发现前方磁传感器没有在磁条上，那么就触发后退命令，直到前后磁传感器都在磁条上为止。相反如果后方磁传感器没有在磁条上，那么就触发前进命令，直到前后方磁传感器都在磁条上为止。巡检机器人探测到前后方磁传感器都在磁条上后，调整当前巡检机器人的姿态，并且通知上位机可以继续做任务。脱轨自动恢复技术的工作原理图如图2所示。

二、里程检测系统的重要性

智能巡检机器人的里程检测系统在脱轨自动恢复过程起到重要作用。当智能巡检机器人出现脱轨情况时，需要对前后磁传感器进行判断，并根据判断结果进行前后移动，直到前后方磁传感器都在磁条上为止。但是巡检机器人不会单纯的前后移动，毕竟机器人脱轨的因素有很多，也有可能存在任意角度的偏移。脱轨自动恢复技术要顺利将巡检机器人恢复到正常轨道上，还需要从里程计中读取数据，得到巡检机器人的x，y，angle等参数，结合地图由此知道机器人之前经过的路径和与轨道偏移的角度。在实验室模拟了一种脱轨情况，当机器人遭遇外在因素导致脱轨，前后均无磁传感器。脱轨自动恢复技术结合里程检测系统，使智能巡检机器人通过路径回溯恢复到正常轨道上。机器人模拟脱轨自动恢复图如图3所示。

如图3所示，巡检机器人从A点出发，正常行驶到B点，由于外力因素导致脱轨运行到C点。机器人在C点前后也有磁传感器，这时要将机器人恢复到正常轨道不单靠磁传感器。所以脱轨自动恢复技术需要结合里程检测系统，读取机器人之前运行路径，再通过路径回溯，使机器人回到正常轨道上，即机器人从C点回到B点上。

由此可见，智能巡检机器人的里程检测系统对脱轨自动恢复技术有着重要的作用。

结语

里程检测系统和脱轨自动恢复技术都是基于北斗定位的变电站智能巡检机器人的主要技术。里程检测系统包括了里程计和惯性测量单元，在地图构建和脱轨自动恢复技术中起到重要作用。里程检测系统能记录机器人的巡检路线，有利于脱轨自动恢复技术的实现，减少人工恢复。本文通过实验室模拟脱轨自动恢复实验证明了里程检测系统的重要性。里程检测系统和脱轨自动恢复技术都是长期有效地稳定运行的关键技术。