变电站巡检机器人定位导航系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自主移动机器人定位导航领域，特别是涉及一种变电站巡检机器人用 定位导航系统及方法。
【背景技术】
[0002] 变电站巡检机器人是一种全自主运行的地面移动机器人，其可携带可见光摄像 机、红外热像仪、拾音器等传感器对电力设备进行自动巡检，有效降低人工巡检的劳动强 度，保障变电站设备安全运行。
[0003] 在变电站巡检机器人的应用中，精确定位导航是保证其完成巡检任务的关键。 目前，变电站巡检机器人定位导航系统一般采用磁轨迹引导加 RFID(Radio Frenquency Identification，射频识别）标签辅助定位方法实现，该方法依靠安装于机器人底盘前部 的磁传感器阵列检测机器人相对于磁轨迹的偏移，据此控制机器人沿磁轨迹运动，同时在 停靠点处设置RFID标签，以辅助机器人停靠。该方法可靠性好、抗干扰能力强并具备较高 的重复定位精度，但是磁条轨迹的铺设涉及大量现场施工、磁条成本及磁条维护成本、一旦 磁轨迹铺设完工则巡检路线不能灵活改变，机器人底盘受限于磁传感器检测距离，使得机 器人只能在平地上运动，对于站内砂石、草地等自然地形不能适用。
[0004] 为解决这一问题，差分GPS、航位推算、惯性及视觉标识等定位导航方式已被引入 巡检机器人并在变电站现场进行了测试，但由于变电站室外大规模环境里，电力设备林立 且存在强电磁干扰，上述定位导航方法，因受电磁干扰、误差累积及视觉标识受雨雪遮挡等 因素影响难以在变电站内可靠工作。从公开的资料可知，基于激光传感器的定位导航表现 出了良好的定位精度和对室外变电站环境具有较好适应性。
[0005] 专利201120115524. 7公开了一种变电站巡检机器人用激光定位导航系统，该系 统运行前需要预先在机器人运行路线两侧安装反光标识，机器人依据激光传感器检测到的 反光标识信息就可以计算得到其在全局坐标系下的位置和姿态。该方法虽然可靠而且精度 好，可灵活改变机器人运行路线，但是由于需要在站内设定反光标识，因此不可避免的会带 来一定的运维费用。
[0006] 专利201310686467. 1公开了一种巡检机器人无轨化导航方法，其通过从激光传 感器扫描数据中提取环境特征，利用SLAM技术构建机器人运行环境地图，实现机器人在站 内的定位导航。该方法所构建的环境地图数据存储量小，定位导航实时性好，同时可灵活配 置机器人运行区域，无需在变电站内加装辅助设施，极大降低了定位导航系统前期施工和 后期运维费用，但该方法需要从激光传感器扫描得到的原始数据中提取环境特征，在这一 过程中不可避免的会引入误差，另外变电站内部分区域特征比较稀疏，所需特征可能无法 提取，因此以上两方面最终都会影响机器人站内定位导航效果。
[0007] 文献"基于地图匹配的变电站巡检机器人激光导航系统设计"提出了一种利用激 光数据匹配的机器人地图创建及定位导航系统，系统中的地图创建模块通过将里程计与激 光扫描数据融合创建变电站环境地图，之后机器人位姿解算利用ICP-EKF算法将激光传感 器获取数据与创建的环境地图进行匹配，从而获得机器人全局坐标系下的位置和姿态，但 该系统中地图数据以栅格方式存储，为实现所需定位解算精度其必须采用小尺度栅格，在 变电站大规模环境下该方式的栅格数据存储量较大，必然造成定位导航过程中的计算量较 大。
[0008] 另外，上述文献与专利201110216379. 6公开了一种利用Floyd(弗洛伊德）算法 计算所有路径点之间的最短路径的路径规划方法，实现了机器人在站内执行特殊巡检任务 时沿最短路径运行，但实际使用中由于变电站内停靠点数量众多，以上路径规划算法只能 采用离线方式计算节点间的最短路径，一旦计算并存储完成，每一个新节点的加入都必须 对所有节点重新计算和存储，计算效率不高且路径存储量较大，因此上述方法难以满足变 电站某些突发情况发生时，需要在线规划机器人运行路径，使机器人迅速到达站内临时设 定的停靠点执行检测任务的需求。
[0009] 总之，现有的技术存在的主要问题为：
[0010] 1、变电站巡检机器人无法实现定位导航实时性的前提下实现巡检机器人变电站 内精确定位；
[0011] 2、从激光数据提取环境特征容易引入误差对定位导航精度的影响，无法实现通过 对当前激光测距数据与地图中激光路标包含的测距数据的匹配，机器人停靠点处的定位精 度不高。
[0012] 3、变电站巡检机器人现有的路径规划计算效率较低，无法满足机器人根据特殊巡 检任务在线规划机器人行驶路径的需求。
[0013] 4、现有的变电站巡检机器人没有建立运行环境地图，没有与原有全局激光路标地 图融合，效率低下。
【发明内容】
[0014] 为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种基于多分辨率地图的巡检机器人 定位导航系统及方法，考虑到变电站巡检机器人执行巡检任务时需要在停靠点进行精确停 靠后才能有效的执行巡检任务，而对停靠点间机器人运行过程中的定位精度要求不高，为 此，本发明通过构建表示机器人运行环境的激光路标、栅格及拓扑相结合的多分辨率地图， 利用基于栅格地图的粗定位与基于激光路标原始数据精细定位相结合定位解算方法，保证 定位导航实时性的前提下实现巡检机器人变电站内精确定位；同时，针对变电站机器人巡 检路线特点，提出了一种基于拓扑点分类的全局路径规划方法，可有效提高路径规划计算 效率并降低存储消耗，满足机器人某些情况下需要在线规划机器人运行路径的需求。
[0015] 为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
[0016] 变电站巡检机器人定位导航系统，包括：激光测距模块所采集的机器人周边障碍 物相对于激光传感器扫描中心的距离信息及航位推算模块所得到的当前机器人在全局坐 标系下的位置姿态估计分别输出至地图创建模块与位姿解算模块，地图创建模块根据得到 的信息创建表示机器人运行环境的激光路标地图与激光栅格地图并输入地图存储模块进 行存储，所述位姿解算模块利用地图存储模块中的地图数据以及航位推算模块的输出数据 实时解算机器人当前位置和姿态并将所得到的位姿数据接入路径规划模块与运动控制模 块，路径规划模块生成机器人运行路径数据并输出至运动控制模块，运动控制模块依据机 器人当前位置姿态数据及路径规划数据生成运动控制量，之后由电机控制模块执行。
[0017] 所述激光测距模块，由固定安装于机器人本体上的激光测距传感器构成。
[0018] 所述航位推算模块，具体用于将运动控制模块上发的机器人驱动电机轴编码器脉 冲数据转换为设定计算周期内驱动轮移动距离，经机器人航位推算模型得到当前机器人在 全局坐标系下的位置姿态估计。
[0019] 所述地图创建模块，该模块融合激光测距数据和里程计数据，利用 SLAM(Simultaneous Localization and Mapping，同时定位与地图构建）技术创建表示机 器人运行环境的激光路标地图与激光栅格地图。
[0020] 所述地图存储模块，该模炔基于实时数据库实现，可实时进行地图数据的存储及 查询操作，同时机器人巡检任务生成过程中也需要与该模块进行数据交互，以确定巡检任 务起点和终点信息。
[0021] 所述位姿解算模块，利用地图存储模块中的地图数据，以及航位推算模块的输出， 利用基于栅格地图的粗定位与基于激光原始数据精细定位相结合方法，实时解算机器人当 前位置和姿态。
[0022] 所述路径规划模块，该模块负责生成机器人激光路表拓扑地图与全局路径规划用 拓扑地图，依据巡检任务规划机器人巡检运行路线。
[0023] 所述运动控制模块：可根据机器人定位模块输出机器人位姿数据及路径规划模块 输出路径数据实现机器人对设定路径的跟踪，所生成的控制量由电机驱动模块执行。
[0024] 所述电机驱动模块：接收运动控制模块的电机控制量，依据电机轴编码器信号闭 环控制控制巡检机器人驱动轮伺服电机，实现机器人在变电站内运行。
[0025] 基于多分辨率地图的变电站巡检机器人定位导航的方法，包括以下步骤：
[0026] 步骤一：利用激光测距模块采集的机器人周边障碍物相对于激光传感器扫描中心 的距离信息，利用航位推算模块得到的当前机器人在全局坐标系下的位置姿态估计，将激 光测距模块及航位推算模块的结果分别输出至地图创建模块与位姿解算模块；
[0027] 步骤二：地图创建模块根据得到的信息创建表示机器人运行环境的激光路标地图 与激光栅格地图并输入地图存储模块进行存储；
[0028] 步骤三：位姿解算模块利用地图存储模块中的地图数据以及航位推算模块的输出 数据实时解算机器人当前位置和姿态并将所得到的位姿数据接入路径规划模块与运动控 制丰吴块；
[0029] 步骤四：路径规划模块生成机器人激光路表拓扑地图与全局路径规划用拓扑地 图，依据巡检任务规划机器人巡检运行路线，路径规划得到的路径数据输入运动控制模块 执行。
[0030] 所述步骤二中，地图创建模块创建表示机器人运行环境的激光路标地图与激光栅 格地图，具体包括以下步骤：
[0031] 步骤：2_1):地图创建初始化；
[0032] 步骤：2-2):获取k至k+Ι时刻过程中机器人位置姿态变化量，经航位推算模块计 算得到机器人全局坐标系下的位置姿态估计值；
[0033] 步骤：2_3):在k+Ι时刻，获取激光测距模块数据，与地图存储模块中距机器人当 前位置最近的