基于ROS的室内变电站设备巡检机器人定位技术

邓立林

（宁波智电电力科技有限公司，浙江 宁波 315000）

基于ROS的室内变电站设备巡检机器人定位技术

邓立林

（宁波智电电力科技有限公司，浙江 宁波 315000）

在我国经济不断发展的形势下，对电力系统的供电质量要求也越来越高，也推进了电力系统的现代化自动化进程，对于变电站设备巡检机器人的要求也有所提升。室内变电站设备巡检机器人要想完成巡检任务就需要定位准确。而巡检机器人在巡检工作中还存在一定的问题.文中就围绕室内变电站设备巡检机器人的定位问题进行研究，并且对ROS系统软件以及室内定位技术进行分析。

ROS；室内变电站设备；巡检机器人，定位技术

在我国目前电力行业已引进了机器人技术，来实现对变电站设备的巡检工作，而采用机器人进行巡检工作面临的就是机器人运行中的定位问题。以下就对机器人定位技术进行分析，并且对机器人在ROS基础上实现定位的方法进行研究，在ROS系统软件的支持下，实现机器人的准确定位，为机器人提供更好的应用前景。

1 ROS的开发进程

ROS是由Ubantu的基础上产生的，在机器人操作和控制系统中得到广泛应用，是一种系统软件框架。ROS集合了当下最流行的服务软件技术，可以说是集诸多优点与一身。ROS是通过网络协议作用于节点与数据，因此，可以实现对不同语言和功能的代码集成。ROS的作用就是可以完成对代码的复用，是在不改变原代码的基础上，将代码在不同类型机器人上进行复用，由于这一特点，机器人的开发人员可以对不同机器人的功能进行复用，避免重复编写代码带来的时间浪费。

ROS是在2007年由StanfordUniversity人工智能实验室在斯坦福的AI机器人项目中研发的一款技术控制软件。自2008年就由WillowGarage公司以及20多家研究机构共同研发。至今，已经有多家研发机构加入到研发团队中，同时，也有众多公司将公司产品向ROS扩展。ROS旨在为软件提供操作环境，它通过节点进行功能的组织与复用，通过对ROS库的使用可以随时使用其他人开发出的资源。目前，较为成熟的ROS产品还较少，由于ROS展现出了良好的发展前景。为了推动ROS在工业领域的应用，在2013年由多家机构联合创建了ROS-Industrial联盟，该组织的成立是为了实现先进技术的发展。

2 变电站巡检机器人的研究现状

我国自2010年开始了ROS的研发工作，在市场需求的影响下，2012年又有一批科研机构投入其中。当前，我国对ROS的研发工作已经初具成效，但是研发出的科技产品还是无法达到市场的需求，而与发达国家相比，也还是处于ROS研发的初级阶段。电力机器人的研发工作早在改革开放以后就已经开始了，由于生产所需的电力增多，致使变电站的巡检工作增多，这就推进了电力行业现代化自动化发展的进程。同时，变电站巡检机器人的研究工作也得到了国家的大力支持。

某研究院对变电站巡检机器人的国家项目进行研发，且在2012年在其他研究院校的帮助下推出第三代与第四代变电站巡检机器人，这两代机器人成功的投入到变电站巡检工作中。同年，某自动化研究机构也研发出了一款可以在冰雪环境下进行巡检的机器人。

3 巡检机器人的工作流程及问题

（1）巡检机器人的工作流程。室内变电站巡检机器人的工作内容是移动机器人根据设定好的路线对室内变电站内部的设备运行情况进行巡检，另外一种是相关人员对移动机器人进行远程操控来完成巡检工作。室内变电站的设备包括电压变换器、断路器、真空开关及电力线等，巡检机器人需要完成的是对这些设备的运行情况和数据读取是否正常进行检测，做到对变电站的实施监控，为电力系统的稳定提供支持。图1为移动机器人的巡检流程。

（2）巡检机器人巡检过程中的问题。变电站内的环境比较复杂，移动机器人要想完成对室内变电站的巡检工作，就需要有较强的抗干扰性，并且具备定位准确优势。作为室内变电站的巡检机器人必须具备精准的定位与导航能力，这样才能实现自动化与智能化。变电站内部的设备多为金属材质，且流通的电压与电流较大。而内部的设备又较为密集，致使周围的磁场受到影响，没有规律可循。在巡检机器人采用磁敏传感器时，一旦靠近变电站设备就可能受到周围磁场的影响导致机器人失去作用，为此，在室内变电站的巡检工作中应该避免使用磁敏传感器的机器人。

当前变电站巡检机器人比较常采用的导航定位方式是埋入式加RFID的方式。具体操作方式是将磁导轨按照需要巡检的路线埋入地下约为1cm的位置，并且在需要检测的设备上加RFID卡，以这种方式来实现导航定位的目的。然而，这种方式有一定的弊端，就是巡检机器人的路线固定，缺乏灵活性，同时在施工方面工程也较为巨大，资金的投入也较多。电力公司对巡检机器人的要求是能够顺利完成巡检工作；不能对变电站内的设备产生破坏；机器人的运行安全可靠；可以有效减少人工巡检的任务量。然而这种导航定位方式并不完全符合电力行业的需求，为此，需要相关研发机构加快对变电站机器人定位技术的研发进程，为变电站的巡检工作带来便利。

4 移动机器人室内定位技术

定位指的是机器人在移动的过程中通过自身的感知系统对所在的位置进行三维确定，这一过程就是机器人定位的过程。移动机器人的准确定位与导航是实现自动化和智能化的基础。只有精准的定位才能有序的进行巡检工作，下面就对现存的几种定位方式进行阐述。

（1）轨迹推测定位。轨迹推测实际上是一种位置推算法，这种方式的使用需要在确定机器人起始位置的前提下，在传感器的作用下，对移动的里程等单位为参考通过推算的方式对机器人的位姿进行估计。航迹推测的优势是对外部环境的限制可以忽略不计，较为适合室内环境的巡检工作，隧道和山洞也可以适用。弊端是长时间的使用会出现累计误差的情况。

（2）地图匹配定位。地图定位体现的是全局性定位。地图匹配实现定位的原理是通过采集当前环境的相关信息，与原有的地图进行对比，以此获得机器人的位置信息。地图匹配定位在精准度上有一定的优势，并且更加直观，对于需要进行坐标系交换的情况和多种传感器的情况比较适用。弊端是无法自动适应环境的变化，如果环境变化较大时位置确定准确度也会随之降低，并且计算量较大，在地图不断扩大的情况下，定位所需的时间也会随之延长。

（3）基于路标的定位。路标是移动机器人在空间中运动时所能辨识的一类特征，如RFID。一般情况下，路标的位置是固定和己知的，机器人通过传感器检测路标并进行识别进而确定机器人在全局中的位置。基于路标的定位，其优点是定位精度相对较高，便于实现。其缺点是路标安装数量大、维护费用高，且定位精度在很多程度上受到路标布局影响。

5 ROS平台上的定位技术

（1）巡检机器人系统。在整个巡检机器人系统中，ROS是整个系统的核心，其负责了对机器人本体的顶层控制，对设备巡检仪器的顶层控制，对环境信息和自身状态的顶层控制以及对通信系统的顶层控制。在ROS平台上进行机器人定位系统的开发需要按照ROS的标准进行各项开发，包括节点的组织、信息的传递、功能系统组织等。在ROS中，功能一般是通过节点实现的，一个功能就是一个节点。系统功能的实现就是在ROS管理器控制下按照一定方式进行各种节点的组合，然后进行消息的传递与处理。

（2）巡检机器人功能组织。节点能够通过主题、服务或参数服务器与其他节点进行通信。在通过服务方式进行通信时，节点之间是直接连接的，ROS的控制器只是提供了相应的查询信息，当查询到匹配信息时，在同意连接的基础之上建立连接，此后对应的节点之间直接通信，将不会通过控制器的查询工作，而是节点通过服务的方式进行通信，也就间接将节点连接在了一起。

（3）巡检机器人功能实现。在ROS平台上，主要使用C，C++和python进行编程。按照一个节点一个功能的组织方式，编制了激光传感器节点、惯性测量单元节点、里程计节点、Kartomap节点、粒子滤波节点等，其他节点采用原有节点。在ROS平台上，各功能以节点形式存在，是相互独立又是相互依存的。独立是因为每个节点就是一个能独立运行的功能。相互依存是因为众多节点结合在一起才能共同完成复杂多变的任务。

6 结语

在ROS系统框架得以发展的形式下，各个领域对ROS系统框架的利用率也有所提升，特别是电力事业在发展的过程中，规模不断扩大，变电站的巡视工作需要投入大量的人员，这将是一笔很大的开销，不利于减员增效的工作目的。而原有的机器人定位技术在准确度与具体实施过程中都有一定难度，因此，我们需要加强对ROS系统平台的应用，使变电站的巡视工作和机器人定位技术更具可靠性。

[1]赵浩然．变电站巡检机器人导航定位系统研究[J]．文摘版:工程技术,2015(41):251-253．

[2]沈俊,张华,肖宇峰等．基于ROS的多数据融合定位方法[J]．轻工科技,2016(1):83-84．

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1671-0711（2017）10（上）-0121-02