一种二维激光雷达巡检机器人躲避凹槽方法与流程

本发明涉及机器人技术等领域，具体的说，是一种二维激光雷达巡检机器人躲避凹槽方法。

背景技术

铁路变电站二维激光雷达智能巡检机器人（简称巡检机器人），被部署在铁路变电站，按照指定的巡检任务列表（即任务点列表），规划出最优巡检路径，巡检机器人按照该路径前进，对铁路变电站仪表及零部件实施高精度成像检测，在检测数据的自动识别与分析的基础上，形成维修建议，指导铁路变电站故障隐患的消缺。

自动巡检模式下，巡检机器人需要在特定位置（简称任务点）拍摄变压器、油位表、绝缘子等装置的清晰图像，前提条件是巡检机器人能够安全自主地到达该位置。在现场部署巡检机器人时，工程人员在除所有的任务点以外的位置添加其他的点（简称路径点），再将这些点用线段连接起来，形成一张平面网络结构图（简称图），为了安全起见，巡检机器人只能沿着图中的路径运动。在手动模式下，工程人员可操作机器人任意移动，移动的位置不限定在网络结构图中的路径上。

对于巡检机器人，铁路变电站有大量的障碍物和凹槽。在自动巡检模式下，通过工程人员部署，限定了巡检机器人的移动轨迹，巡检机器人能够自动躲避障碍物和凹槽；在手动操作模式下，工程人员通过手动操作巡检机器人，可以人工躲避障碍物和凹槽；自动巡检模式切换手动操作模式，同样是通过人工操作巡检机器人躲避障碍物和凹槽；但是手动操作模式切换自动巡检模式，手动操作结束后，巡检机器人可能不在网络结构图限定的位置上，由于巡检机器人采用二维激光雷达传感器，无法获取凹槽的信息，巡检机器人自动规划的回到网络结构图限定位置的路径可能经过凹槽，巡检机器人按照该路径前进就会跌落到凹槽之中。

当前，常见的二维激光雷达巡检机器人普遍采用slam算法进行平面电子地图构建，扫描的平面电子地图包含障碍物信息，但是由于是采用二维激光雷达，无法辨别出凹槽。

现有技术中，在二维激光雷达智能机器人多采用机器人操作系统ros中自带的路径规划方案，由于采用了二维激光雷达，限制了其只能用于机器人在平面上导航，但是在有凹槽的场合，如电力变电所，该方案因无法获取凹槽数据而将其当作是安全区域，就可能导致巡检机器人在导航过程中发生跌落。

现有采用二维激光雷达进行导航的机器人产品中，由于二维激光雷达只扫描水平面，对水平面上的障碍物进行扫描；但对路面不平有凹槽的情况，二维激光雷达无法测绘，只适合于路面平整情况下的路径规划，在电力变电站巡检时，由于现场存在凹槽（如导油槽），在手动操作模式切换到自动操作模式时，路径规划无法获取导油槽信息而无法避开，导致运动过程中可能跌落到凹槽之中，无法安全运行。

技术实现要素：

本发明的目的在于设计出一种二维激光雷达巡检机器人躲避凹槽方法，实现巡检机器人在手动操作模式切换自动巡检模式时，能够顺利回到网络结构图限定的位置，从而继续进行巡检机器人自动巡检工作。

本发明通过下述技术方案实现：一种二维激光雷达巡检机器人躲避凹槽方法，在自动模式下，巡检机器人在进行路径规划之前将凹槽电子地图合并到巡检机器人通过slam算法扫描所得的电子地图内，而后进行路径规划。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述凹槽电子地图增加在路径规划模块的输入侧，所述路径规划模块，在其内加载有路径规划算法，该路径规划算法为专利公开号为：cn107782315a，专利名称为：一种电力智能巡检机器人路径规划和路径遍历方法所公开的技术。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述方法包括以下具体步骤：

1）巡检机器人通过slam算法扫描电子地图；

2）在步骤1）所得电子地图中加载凹槽电子地图；在进行凹槽电子地图加载时，采用机器人定位+人工采集方式形成xml文件作为凹槽电子地图；

3）工程人员在步骤2）所形成的电子地图的基础上进行网络结构图布设；在进行网络结构图布设时，采用机器人定位+人工采集方式，后经人工编辑方式形成；

4）巡检机器人在步骤3）所形成的网络结构图中进行路径规划。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述步骤3）中，网络结构图中包括任务点、原点、路径点。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述步骤4）包括以下具体步骤：

4.1）计算当前位置到路径点或任务点之间的距离，按距离由近到远或由远到近进行排列；优选的，巡检机器人自行通过巡检机器人当前坐标和路径点或任务点的坐标自动计算当前位置到路径点或任务点之间的距离，按距离由近到远或由远到近进行排列；

4.2）按顺序依次检查路径是否经过障碍物或/和凹槽，将经过障碍物或/和凹槽的路径做上标记；优选的，采用自主设计的避障算法，且该避障算法的具体实施方法为：巡检机器人自行检查以巡检机器人当前坐标为起点，以目标位置为终点，以巡检机器人本身宽度所形成的带状区域有无障碍或凹槽，并将经过障碍物或/和凹槽的路径做上标记；

4.3）将未经过障碍物或/和凹槽的路径提取出来，按路径长度取出最短的路径作为返回安全区域的结果；优选的，巡检机器人自行比较并记录，将未经过障碍物或/和凹槽的路径提取出来，巡检机器人自行根据距离长度比较得出，并按路径长度取出最短的路径作为返回安全区域的结果。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明实现巡检机器人手动操作模式切换自动巡检模式时，自动躲避凹槽，回到自动巡检路径上继续进行自动巡检工作的目的。

（2）本发明在现有技术基础之上，增加凹槽电子地图，在路径规划时，在路径规划模块的输入侧增加了凹槽电子地图，手动操作后，为了回到安全区域，路径规划模块按照距离当前位置的距离，对所有路径点和任务点进行排序，再由近及远或由远及近依次检查当前位置到各点直线连接之间是否有障碍物或者是凹槽，将搜索到的满足条件的最近的路径作为路径规划结果。在导航的过程中，按照避开凹槽后的路径导航，即达到避开凹槽的效果。

附图说明

图1~图5为不采用本发明进行巡检机器人手动模式操作后切换自动巡检模式示意图。

图6~图12为采用本发明进行巡检机器人手动模式操作后切换自动巡检模式示意图。

图13~图15为本发明所述步骤4）详细流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1：

本发明提出了一种二维激光雷达巡检机器人躲避凹槽方法，实现巡检机器人在手动操作模式切换自动巡检模式时，能够顺利回到网络结构图限定的位置，从而继续进行巡检机器人自动巡检工作，如图1所示，特别采用下述设置方式：在自动模式下，巡检机器人在进行路径规划之前将凹槽电子地图合并到巡检机器人通过slam算法扫描所得的电子地图内，而后进行路径规划。

作为优选的设计方案，当由手动模式转换为自动模式后，在自动模式下，巡检机器人在进行路径规划之前将凹槽电子地图合并到巡检机器人通过slam算法扫描所得的电子地图内，而后进行路径规划，从而实现巡检机器人手动操作模式切换自动巡检模式时，自动躲避凹槽，回到自动巡检路径上继续进行自动巡检工作的目的。

实施例2：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步的优化，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述凹槽电子地图增加在路径规划模块的输入侧，作为优选的设计方案，在路径规划模块的输入侧增加凹槽电子地图，从而能够实现在路径规划筛选过程中降低运算量的目的。

实施例3：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述方法包括以下具体步骤：

1）巡检机器人通过slam算法扫描电子地图，slam算法，simultaneouslocalizationandmapping（slam）即时定位与地图构建算法；

2）在步骤1）所得电子地图中加载凹槽电子地图；在进行凹槽电子地图加载时，采用机器人定位+人工采集方式形成xml文件作为凹槽电子地图；

3）工程人员在步骤2）所形成的电子地图的基础上进行网络结构图布设；在进行网络结构图布设时，采用机器人定位+人工采集方式，后经人工编辑方式形成；

4）巡检机器人在步骤3）所形成的网络结构图中进行路径规划。

实施例4：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述步骤3）中，网络结构图中包括任务点、原点、路径点。

实施例5：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述步骤4）包括以下具体步骤：

4.1）计算当前位置到路径点或任务点之间的距离，按距离由近到远或由远到近进行排列；优选的，巡检机器人自行通过巡检机器人当前坐标和路径点或任务点的坐标自动计算当前位置到路径点或任务点之间的距离，按距离由近到远或由远到近进行排列；

4.2）按顺序依次检查路径是否经过障碍物或/和凹槽，将经过障碍物或/和凹槽的路径做上标记；优选的，采用自主设计的避障算法，且该避障算法的具体实施方法为：巡检机器人自行检查以巡检机器人当前坐标为起点，以目标位置为终点，以巡检机器人本身宽度所形成的带状区域有无障碍或凹槽，并将经过障碍物或/和凹槽的路径做上标记；

4.3）将未经过障碍物或/和凹槽的路径提取出来，按路径长度取出最短的路径作为返回安全区域的路径规划结果；优选的，巡检机器人自行比较并记录，将未经过障碍物或/和凹槽的路径提取出来，巡检机器人自行根据距离长度比较得出，并按路径长度取出最短的路径作为返回安全区域的结果。

实施例6：

如图1~5所示，当不采用本发明进行巡检机器人手动模式操作后切换自动巡检模式时的流程为：

如图1所示，巡检机器人通过slam算法扫描的电子地图示意图，虚线框为导油槽，在该实施例中，假设设置有4个待检设备（是被1、设备2、设备3、设备4）、变压器，但由于采用二维激光雷达进行扫描，无法扫描出导油槽；

如图2所示，经过工程人员部署后的网络结构图示意图，其中：a为原点，含中文数字的点为任务点，其他为路径点；在进行网络结构图布设时，采用机器人定位+人工采集方式，后经人工编辑方式形成；

如图3所示，巡检机器人通过自主研发的路径规划算法（该路径规划算法为专利公开号为：cn107782315a，专利名称为：一种电力智能巡检机器人路径规划和路径遍历方法所公开的技术）规划的巡检路径；

如图4所示，在任务点二处，人工手动切换切换到手动操作模式，操作巡检机器人到达示意图中机器人的位置；

如图5所示，再次切换到自动巡检模式，巡检机器人通过开源路径规划算法（如ros（机器人操作系统）自带的路径规划算法）规划路径回到任务点二，但由于二维激光雷达无法扫描出导油槽数据，导油槽被认为是无障碍区域，路径规划经过了该区域，如果巡检机器人按照该路径导航，将会导致巡检机器人跌落到导油槽。

实施例7：

本实施例是在实施例1~5任一实施例的基础上进一步优化，如图6~12所示，采用本发明进行巡检机器人手动模式操作后切换自动巡检模式时的流程为：

如图6所示，巡检机器人通过slam算法扫描的电子地图示意图，虚线框为导油槽，在该实施例中，假设设置有4个待检设备（是被1、设备2、设备3、设备4）、变压器，但由于采用二维激光雷达进行扫描，无法扫描出导油槽；

如图7所示为现场凹槽电子地图，在进行现场凹槽电子地图加载时，采用机器人定位+人工采集方式形成xml文件作为现场凹槽电子地图；

如图8所示，在路径规划模块的输入侧增加凹槽电子地图，得到合并后的电子地图；

如图9所示，经过工程人员部署后的网络结构图示意图，其中：a为原点，含中文数字的点为任务点，其他为路径点；在进行网络结构图布设时，采用机器人定位+人工采集方式，后经人工编辑方式形成；

如图10所示，巡检机器人通过自主研发的路径规划算法（该路径规划算法为专利公开号为：cn107782315a，专利名称为：一种电力智能巡检机器人路径规划和路径遍历方法所公开的技术）规划的巡检路径；

如图11所示，在任务点二处，人工手动切换切换到手动操作模式，操作巡检机器人到达示意图中机器人的位置；

如图12所示，再次切换到自动巡检模式，巡检机器人人工手动切换规划路径回到任务点二，由于叠加了导油槽数据（导油槽电子地图），路径规划时将导油槽认为是障碍物，路径规划避开了该区域。

实施例8：

本实施例是在实施例1~5，7任一实施例的基础上进一步优化，如图13~15所示，巡检机器人在步骤3）所形成的网络结构图中进行路径规划的详细流程为：

如图13所示，计算当前位置到路径点或任务点之间的距离，按距离由近到远或由远到近进行排列，优选的，巡检机器人自行通过巡检机器人当前坐标和路径点或任务点的坐标自动计算当前位置到路径点或任务点之间的距离，按距离由近到远或由远到近进行排列；涉及到有9条路径（路径1、路径2、路径3、路径4、路径5、路径6、路径7、路径8、路径9），其中：路径3、路径4、路径6、路径7、路径8及路径9皆要通过导油槽，路径5将通过障碍物（设备2）；

如图14所示，按顺序依次检查路径是否经过障碍物或/和凹槽，将经过障碍物或/和凹槽的路径做上标记，优选的，采用自主设计的避障算法，且该避障算法的具体实施方法为：巡检机器人自行检查以巡检机器人当前坐标为起点，以目标位置为终点，以巡检机器人本身宽度所形成的带状区域有无障碍或凹槽，并将经过障碍物或/和凹槽的路径做上标记；比如用不同的颜色区分是否经过障碍物或/和凹槽（导油槽）的路径，优选的采用红色标记经过障碍物或/和凹槽（导油槽）的路径；

如图15所示，优选的，巡检机器人自行比较并记录，将未经过障碍物或/和凹槽的路径提取出来（路径1和路径2），巡检机器人自行根据距离长度比较得出，并按路径长度取出最短的路径作为返回安全区域的结果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。