水电站继电巡检机器人导航技术研究

（国网安徽省电力有限公司亳州供电公司，安徽省亳州市 236000）

0 引言

继电保护器广泛用于各种电力系统。近年来，继电保护装置得到了迅速发展，硬件技术和软件技术的结合可以有效地保护电力系统，提升系统安全，提升继电保护系统的安全级别。为了研究复杂和未知环境下混合巡检机器人混合导航和三维地图重建的问题，对巡检机器人的运动控制进行了分析，合理解决视觉导航与机器人描述之间的关系，高效避免其他问题的出现[1]。

机器人可以在水电站继电保护的环境下长期自主的导航，尽管自主办公导航的技术比较先进，但长期要求机器人在地上行走必然存在一些不可避免的问题。机器人常常弄不清楚自己在哪里，一旦发生这种情况，它们很难重新定位[1]。为此，我们开发了一种导航技术，该技术使用马尔可夫模型对机器人的位置进行全面跟踪，并指导其航向。建立了一个部分可观测的马尔可夫决策过程模型，该模型由环境的拓扑信息、近似距离信息、传感器和执行器特性等组成。马尔可夫模型以概率分布的形式估计机器人的位置。国内外学者对机器人导航技术做了深入的研究：Yuka Kato和Mamiko Tanaka讨论网络延迟对使用云环境的低成本简单机器人的远程导航的影响，使用机器人模拟器进行远程导航的实验[2][3]。Yi Liu，Xiang Liu和Yunyu Shi讨论了通过自主机器人视觉系统捕获的图像的处理和识别，自主机器人的视觉系统可以获得和分析用于自主决策的必要的环境信息[4～5]。Mohammed TahriSqalli，KyoichiTatsuno 和 Koichi Kurabe 讨 论 了一种改进的障碍物避免算法，改进的算法基于同时定位和映射（SLAM），这种新的障碍物避免算法使用Kinect 2收集深度帧和RGB图像，然后将其合成到点云文件（PCL）。这些点云被处理并收集到3D地图中，并用做同时定位和映射（SLAM）算法的输入，以帮助机器人在其室内环境中尽可能平滑地导航[6]。

本文将继电巡逻机器人导航技术分为三个层次：对已知环境的浏览，对全局环境中已知环境的浏览，对全局环境中未知环境的浏览。提出了一种大型水电站继电保护巡检机器人的导航方法。研究了自主继电器检测机器人的混合导航和三维地图重建，并将研发功能划分为机器人、生产系统、三维仿真和虚拟现实技术，用于实现实时地图。同时，建立了一种基于自然语言约束的混合导航算法。建立了地标与近似方位角和距离之间的映射关系。建立了导航地图对于实现机器人路径规划的重要性。提取路线计划可以实现避障并找到最佳路线[7]。在救援机器人检测环境条件和外部环境信息的过程中，实现了一种基于路径规划运动控制决策的避障算法。实验结果可以证明该方法的可行性与高效性。

1 继电保护装置

电力系统保障了中国经济的发展和民众的日常生活，是现代社会发展的重要组成部分，继电保护是保证电力系统安全稳定运行的技术手段。在电力变压器的运行期间，可能会发生各种故障，威胁到电力系统的安全性和连续运行。继电保护是一种非常实用的操作方法，必须依靠事故保护来正确操作继电保护。在当今快速发展的电力系统社会中，对水电站继电保护装置能够确保水电站电力系统的安全稳定运行。

图1 水电站继电巡检机器人Figure 1 Relay inspection robot for hydropower station

如图1所示，为本文研究的水电站继电巡检机器人，该救援机器人在差动底盘部署中有视觉传感器。通过该视觉传感器实现地图重建与导航算法。用于水电站的全系列继电保护和巡航，一旦发现故障，马上通知总控单元。巡检机器人可以用于各种电气保护装置，并且不同设备的继电保护装置有不同的继电保护系统。各种继电保护装置的工作原理反映了各种继电保护之间的协同作用以及继电巡检机器人导航关系。此外，继电保护仿真模型必须满足仿真计算的实时要求。

1.1 水电站继电保护装置的基本概念

所谓的继电保护装置是电力系统内的停电，如电力部件，如果系统受到安全运行的威胁，报警人员及时到位并且执行这一系列功能的设备和系统（称为继电保护）通过控制中心发出安全命令，并向故障电路的断路器发出跳闸命令以切断电路，防止事故蔓延。在对继电器组件和数据对比之后，数据被传递到逻辑决策组件中，逻辑决策组件分析故障类型并发出相应的操作信号，即信号继电器、断路器等执行器。继电器保护器中有一个智能主机，主机使用高性能数字信号处理器，独立运行，连接到一台机器上的计算机，清晰识别各种信息，信息通过LCD显示库并显示到大屏幕中，使用者通过大屏幕来获取信息。保护系统设计有多个接线端口，可直接输出电流和电压，不仅可以保护电源系统，还可以保护自身。

1.2 继电保护装置的性能特点

根据实际使用要求，继电保护装置有四个主要的性能特征，这四个性能特征密切相关。选择性适用于排除故障。如果线路或设备发生故障，应通过保护其自身的线路或设备并具有无法通过线路或设备移除的保护功能来移除故障组件。它可以通过电线保护，保护相邻的设备或断开相邻的设备。继电设备具备故障保护功能，可保护系统，消除故障。配电网络之间的中继保护基于阶段性原则，以确保在配电网络出现故障时，有选择的消除故障并确保故障部件可以运行。继电保护系统的灵敏度意味着如果电源系统接线或设备中存在金属短路，则继电保护器需要检测毛刺所需的灵敏度因子，对发生短路情况快速响应，在电力系统传输线路或设备故障的情况下，继电器尽快保护故障的传输线路或设备，设备进行自动输入程序，例如自动重新进入。保护范围内的可靠性是确保按照正常程序激活继电保护[8]。没有继电保护，电线和变压器等电源无法安全运行。可靠性是继电保护装置最基本的性能要求。

1.3 继电保护装置管理的重要性

要了解继电保护装置管理的重要性，必须了解继电保护装置的作用。根据实际情况，继电保护器的作用可分为三个主要方面：第一，如果受保护的组件或设备发生故障，组件或设备的继电保护器会发出跳闸命令以激活断路器并从电源系统中移除故障组件或设备[9]。第二，当电力系统中的电气设备变得异常时，继电保护装置发送相应的信号，监控人员可以根据信号的类型采取相应的动作。第三，实现电力系统的远程控制，自动运行，继电器保护器的作用很明显。因此，实施水电站继电保护装置的管理非常重要。

2 水电站继电巡检机器人导航

2.1 四轮驱动全轮差速转向移动

轮式移动机器人的特点是结构简单、稳定，广泛用于机械工业（如图2所示）。滑动转向不需要专门设计的转向机构（例如四轮滑动转向机器人）来实现两个车轮之间的速度差。四轮转向模式通常适用于新型号并且易于操作，但结构相对复杂。 Fischer等，杨树峰开发的四轮驱动四轮独立机器人和四轮全能机械臂移动机器人用于薄钢液化储罐。这种类型的结构，转向模式需要更多的电机驱动和控制，是非常复杂的。

图2 轮式机器人底盘外观Figure 2 Appearance of wheeled robot chassis

基于阿克曼转向原理实现了机器人的四轮独立转向功能（如图3所示）。目前，有两种主要的四轮转向系统可分为低速和高速转向模型，并且四个轮保持相同的扭矩中心。建议在高速移动或翻滚期间不要增加机器人的侧角。但是，由于在慢速模式下，您需要分别操作机器人周围的四个轮子。在低速转向模式中，机器人的两个前轮和两个后轮在相反方向上偏转并且具有小的转弯半径。

图3 基于阿克曼转向原理的低速转向模型Figure 3 Low speed steering model based on Ackerman steering principle

以左转向为例，根据图中阿克曼几何模型的转向可以得出四轮转向的角度与机器人的参数关系，如式：

式中：βi（i=A，B，C，D）是移动轮的偏转角；r是移动轮到瞬心之间的距离；a、b分别是前后轴与瞬心延长线之间的水平距离；W为左右轮距。

在式中，W为已知，即该机器人左右轮距，通过设置移动轮的转向角，则可以进一步计算出式中机器人的实际转弯半径R。

式中：将R作为质心半径，L为前后之间的轴距。

此外，通过计算出的a值，可以得出机器人前轮转动的线速度V值分别是：

式中：Vi（i=A，B，C，D）为移动轮绕瞬心转动线速度；ω为机器人旋转角速度；Ri（i=A，B，C，D）为移动轮绕瞬心旋转半径。

2.2 四轮控制系统硬件结构设计

基于适用于农场复杂运行的农用轮式机器人控制平台的多样化模块化结构设计方法，本文遵循合理配电，高能量利用效率和快速响应速度等控制要求，设计独立的轮子。转向驱动控制系统的硬件部分允许机器人的移动速度从0到3.6 km/h连续调节，从而可以平稳地执行四轮独立转向和运动任务。控制系统的硬件部分采用模块化机器人系统（MRS）设计方法，不仅提高了系统的容错性能，降低了开发和维护成本，而且提高了系统的可扩展应用能力和机器人自身的功能。由于环境和工作的限制，机器人在工作时提供了极大的灵活性和稳定性。

如图4所示，控制系统的整体结构主要由四个主要部件组成，包括中央处理单元模块、终端致动器模块、主单元和遥控单元。 ①中央处理模块在系统中的作用是负责集合信息和传输任务，保证完成串口与总线之间的数据转换，接收和接收遥控器传输的无线数据传输，接收核心平台农业，延迟轮机器人控制系统整个农场的信息交换。②终端执行器模块是控制系统的核心部分，分为核心控制模块（CCM）和增强接口模块（EIM）（以下简称CCM和EIM）两部分，主要实现了终端致动器模块的控制功能。③主机由VB软件平台开发，通过串行通信与中央处理单元模块通信，实现传送机器人的移动轮速度，用于收集和显示农用轮。旋转角度数据和系统状态指令的其他功能。④具有AD转换功能的执行模块转换为远程电位器内部电位器，数字信号变化，方便角度增加，速度控制功能模块运行。遥控器可以通过无线站与中央处理器模块通信，控制机器人的基本步行和操纵模式，以便于测试和研究。

图4 继电巡检机器人平台系统Figure 4 Relay inspection robot platform system

2.3 几何特征提取

几何特征提取是将期望的特征模板与传感器扫描数据进行比较和匹配。通常，传感器反馈数据会超出要匹配的属性，通过系统来完成匹配结果。考虑到传感器数据的误差，不能直接获得数据中包含的几何特征。需要通过提取与实际数据偏差最小的传感器输出数据部分来优化环境中的几何信息。假定测量值符合正态分布，对于被测点xi=(ρi,θi)，可通过随机变量Xi=(Pi,Qi)来逼近测量值，其中：

通常情况下，视觉雷达扫描到的环境信息可分割为多段近似直线，经由视觉测量数据在视觉扫描方向上可确定一条直线为：

其中r为传感器坐标系原点与该特征直线的距离，β为原点到该直线的铅垂线与横轴的夹角。定义评价函数：

求取直线的问题可转化为求取评价函数G的最小值。通过求解二元函数G的偏导数的零点，可得：

则由ρ及r可确定环境直线特征。

2.4 视觉导航建立

假设导航图中的坐标系记为{B}，该坐标系以界面的左上角为零点，轴正方向与{A}相同，轴正方向与{A}相反，这就必须把{A}坐标中的点，按照合理的比例映射到{B}中。映射方法如下：

（1）设机器人在{B}中的坐标为(u0,v0)，一般把这个值设定在界面的中心位置。

（2）li在{A}中的坐标(u0,v0)与其在{B}中的坐标(ui,vi)的关系为：

其中j为调整路标在地图界面上的像素距离的参数。导航图中提取关键点的条件是在其内的相邻两路标之间距离要大于固定像素阈值。设定(ui,vi)为li对应的像素坐标，则：

其中n为路标的数量。令j从1开始取值，逐渐增加，直到一个或多个量刚好未超出界面边界值为止。机器人可以更新世界坐标系的比例和世界坐标系的坐标，并且NLRP中的距离不用于直接导航，而是用于在导航地图中建立道路标志的相对位置。辅助完成特定安排和导航的视觉依赖。根据上述过程，在本文中，在选择主要引导点时，通过提取道路标志周围的点直接提取主要引导点，如下所述：

（1）设li和li+1在坐标系 {B}中的坐标为（ui，vi）、（ui+1，vi+1，）、li+1对应的关键点的坐标是，通常情况下关键引导点距离路标一个固定距离d，通过多次试验，根据导航意像图的大小，当d取l0～40时实验效果较好，这里采用的值是40。

（2）具体的解分类讨论：

至此，机器人前进路径的提取和表示已经完成，形成了机器人的导航图。

3 水电站继电保护装置管理核心对策

3.1 强化管理理念

不断提高水电站机电保护装置管理的管理理念，需要从两个方面展开，一是不断完善继电保护装置的管理理念，管理者需要重点关注。继电保护装置的管理可以应用在水电站总体规划或相关的工作计划中，并且可以集中调整工作区域。二是加强基层员工继电保护管理理念。为基层员工提供专业技术培训，提高专业技术水平，提高继电保护装置意识，建立正确的继电保护装置管理理念，建立适合日常工作的系统和管理政策，以提高管理运作的有效性。

3.2 完善管理体系

完善管理系统是管理液压继电保护器的先决条件，可以从两个角度同时运行。一是改进机电保护装置的管理方法，充分考虑继电保护装置的功能与特点，结合各个部件的应用，制定继电保护装置的管理办法，管理方案的设置可以涵盖多个方面[10]。二是改进继电保护设备管理器设置。首先，有必要选择合适的管理人员，聘请专业技术人员作为管理重点。其次是合理分配管理人员管理，不同的专家和工程师分配到不同的管理环节，同时管理每个环节。

3.3 建立监测系统

建立完善的监控系统就可以对继电保护装置进行监督管理。首先，建立监督机制，定制监督计划。监控系统的开发必须与继电保护装置的实际管理相结合，并且必须在管理工作、管理方法和管理系统三方面研发监控系统。在此基础上，制定了全面合理的监测计划，包括对管理人员、管理工具和管理目标等方面的监督。二是实施监督制度和监督计划，严格执行监督制度，实施监督计划，做好监督工作，确认继电保护设备管理到位，继电保护设备促进管理进步[11]。

4 实验

水电站继电巡检机器人导航技术研究工作内容不断更新，需要不断提高继电保护的专业水平和整体素质，加强事故预防措施的管理，不断改进技术，不断提高稳定安全运行的技术要求。现代社会水电站的继电保护在硬件和软件方面的发展水平都非常快。随着软件，硬件和最新网络通信技术的快速发展，水电保护和事故预防的措施和设备将达到新的水平。本文首先分析了视觉导航效果。如图5～图7所示，为导航经过位置点的效果图，从图中可以得到导航算法的有效证实。

图5 导航经过位置点Figure 5 Navigation Through Position Points

综述了机器人导航中传感器融合技术，重点介绍了自定位算法。当移动机器人的传感器套件由几个不同的传感器组成时，这些传感器就派上了用场，有些是互补的，有些是冗余的。整合传感器读数，机器人寻求完成任务，如构建其环境的地图，在地图中定位自己，以及识别应该避免或寻找的对象，为后续进一步研究的提供了依据。

5 结论

继电保护装置对维持水电站的正常稳定运行有着关键性的作用，因此水电站管理理念需要不断加强，解决系统运行中存在的问题，妥善处理疑难问题。本文首先通过对底盘建模和执行差分控制来考虑继电器检测机器人的导航问题。在行动计划的背景下，在机器人的软件设计中，它提供了优雅降级的能力，使其在复杂的现实环境中更具适应性。实施了关于环境信息和路线规划的运动控制决策。随着传感器技术的发展，多传感器信息融合进一步优化了机器人避障的性能，模糊与遗传算法、神经网络等理论的结合也有助于提高避障效果。在传统方法中，提出了多超声波传感器速度反馈模糊避障算法，有效克服了传统超声波避障算法对机器人控制能力和定位精度的影响。保证从初始地址到目标地址的完成路径是最短的，用时是最少的，消耗最少的，合理的完成避障设计。