一种适应充电屋门变化的巡检机器人定位方法与流程

本发明涉及巡检机器人自主导航定位技术领域，特别是一种适应充电屋门变化的巡检机器人定位方法。

背景技术：

变电站是当今电力系统不可或缺的部分，为了保证变电站电力设备的稳定与安全运行，需要定期对其进行巡视检查。由于人工巡检存在劳动强度大、工作环境恶劣、工作效率低下等问题，使用电力巡检机器人代替人工巡检逐渐成为一种发展趋势。巡检机器人通常使用充电电池供电，为了保证巡检机器人能够安全、稳定、自主地工作，巡检机器人必须具备自主充电功能。当巡检机器人检测到电量过低或接收到返航指令时，机器人会自主返回充电屋，与充电桩对接成功后进行成电。

在出入充电屋、自主充电的过程中，巡检机器人的定位需具备很严格的精度，否则容易出现巡检机器人与充电桩无法对接的情况，从而导致充电失败。由于充电屋通常比较封闭，巡检机器人无法通过激光匹配地图实现自身的精准定位；同时，单纯通过里程计进行定位，易受车轮打滑影响，导致无法精准入库。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适应充电屋门变化的巡检机器人定位方法，以实现巡检机器人自主充电过程中的精准定位。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种适应充电屋门变化的巡检机器人定位方法，巡检机器人为全向全驱机器人，在充电屋内设置有调整线a、调整线b，在充电屋外设置有调整线c，原点、充电桩均位于充电屋的中轴线上；具体包括以下步骤：

步骤1、巡检机器人进入返航充电模式，巡检机器人返航至原点时打开充电屋房门，利用里程计退回至调整线a，保证巡检机器人全部处于充电屋内后关闭充电屋房门；

步骤2、在调整线a处，利用激光测距传感器对巡检机器人相对充电屋的距离进行测定，将巡检机器人车身角度调整至背对充电桩所在平面；

步骤3、巡检机器人后退至调整线b，调整巡检机器人左右位置至充电口正对充电桩位置，然后巡检机器人后退完成充电电极对接；当充电桩上的光电开关检测到对接成功时，巡检机器人停止运动，充电器打开，巡检机器人进入充电状态；

步骤4、当巡检机器人完成充电并接收到巡检任务时，先打开充电屋房门，利用里程计前进至调整线c，保证巡检机器人完全离开充电屋后，关闭充电屋房门；巡检机器人旋转180°，面对充电屋门；

步骤5、在调整线c处，利用激光测距传感器进行巡检机器人相对充电屋的距离测定，调整巡检机器人车身角度，保证巡检机器人车身正直，正对充电屋房门；

步骤6、巡检机器人后退至原点，并进行左右位置调整，确保巡检机器人准确位于原点后即完成出库操作。

作为一种具体示例，步骤1中所述的调整线a，设置在保证巡检机器人全部处于充电屋内位置。

作为一种具体示例，步骤2中所述的将巡检机器人车身角度调整至背对充电桩所在平面，具体如下：

利用巡检机器人前方正中间的激光传感器测量θ1与-θ1角度下的激光测距值，来进行车身角度调整：θ1与-θ1为大小相同的固定角度，左右两侧测得的距离为distance_l与distance_r，当两者相差在设定阈值valid内，即|distance_r-distance_l|＜valid时，巡检机器人位姿正直，垂直于充电屋房门；由于单束激光数据有误差，故而选取相邻多束激光数据，以平均值作为θ1与-θ1角度下的distance_l与distance_r；

当右侧距离大于左侧，即distance_r-distance_l＜valid时，则巡检机器人车身向左倾斜，需向右旋转至满足|distance_r-distance_l|＜valid；当左侧距离大于右侧，即distance_l-distance_r＜valid时，则巡检机器人车身向右倾斜，需向左旋转至满足|distance_r-distance_l|＜valid。

作为一种具体示例，步骤3中所述的调整巡检机器人左右位置至充电口正对充电桩位置，具体如下：

利用激光传感器测量巡检机器人至右墙的距离distance_wall，由于充电桩固定，即当充电口正对充电桩时的distance_wall也为定值distance_set；由于单束激光数据有误差，故而选取相邻多束激光数据，以平均值作为distance_wall；调整巡检机器人至右墙的距离distance_wall，设置阈值valid2，左右横移至|distance_wall-distance_set|＜valid2停止运动。

作为一种具体示例，步骤4中所述的调整线c，设置在保证巡检机器人完全处于充电屋外位置。

作为一种具体示例，步骤6所述的巡检机器人后退至原点，进行左右位置调整，确保巡检机器人准确位于原点后即完成出库操作，具体如下：

当巡检机器人准确停靠在原点时，在θ2角度下测得的激光距离数据为distance_rel，此时θ2角度下的激光与充电屋的墙角相切且distance_rel为定值distance_max；当巡检机器人从调整线c退回原点时，通过检测θ2角度下的激光距离数据来判断整体车身位置，从而进行左右调整；

设置阈值valid3，当测得的θ2角度下的激光距离数据distance_rel-distance_max＞valid3时，巡检机器人车身整体偏右，则巡检机器人向左横移，直至distance_rel出现跳变减小时，巡检机器人达到原点；当测得的θ2角度下的激光距离数据distance_rel-distance_max＜valid3时，巡检机器人车身整体偏左，则巡检机器人向右横移，直至distance_rel出现跳变增大时，巡检机器人达到原点，出库成功。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)结合了激光测距传感器与里程计，同时将机器人位置调整分为角度调整与左右位置调整两个部分，实现了巡检机器人自主充电过程中的精准定位；(2)同时提高在出入充电屋、自主充电操作时的可靠性、准确性与有效性，并且算法简单、快速快、可行性高，具有很强的实用性。

附图说明

图1为本发明适应充电屋门变化的巡检机器人定位方法中的充电屋内外关键调整位置平面示意图。

图2为本发明适应充电屋门变化的巡检机器人定位方法的流程图。

图3为本发明中基于激光测距传感器的机器人车身角度调整方法示意图。

图4为本发明中充电屋内基于激光测距传感器的机器人左右位置调整方法示意图。

图5为本发明中充电屋外基于激光测距传感器的机器人左右位置调整方法示意图。

具体实施方式

下面参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明适应充电屋门变化的巡检机器人定位方法，结合充电屋环境特征，利用激光距离传感器与里程计获得巡检机器人与充电屋的相对位置，从而实现机器人的精确定位，完成出入库、自主充电操作。

巡检机器人为全向全驱机器人，可实现前进后退，原点自由旋转，左右平移等运动；为了方便巡检机器人实现精确定位，在充电屋内设置有调整线a、调整线，b在充电屋外设置有调整线c，如图1所示，原点、充电桩均位于充电屋的中轴线上。

结合图2，本发明适应充电屋门变化的巡检机器人定位方法，包括以下步骤：

步骤1、巡检机器人进入返航充电模式，巡检机器人返航至原点，收到入库指令，打开充电屋房门，利用里程计退回至调整线a，保证巡检机器人全部处于充电屋内后关闭充电屋房门；所述的调整线a，设置在保证巡检机器人全部处于充电屋内位置，一个实施例中调整线a与充电屋门的距离为0.950m。

所述的调整线a，设置在保证巡检机器人全部处于充电屋内位置，从而提高关闭充电屋时操作的安全性与可靠性。

步骤2、在调整线a处，利用激光测距传感器对巡检机器人相对充电屋的距离进行测定，进行巡检机器人车身角度调整，保证机器人车身正直，背对充电桩所在平面。此时机器人的状态如图3所示。

所述的将巡检机器人车身角度调整至背对充电桩所在平面，由于充电桩所在平面与充电屋房门平行，因此为了巡检机器人能够与充电桩准确对接，需要巡检机器人背对充电屋房门，即背对充电桩所在平面。

调整车身角度方法为：

利用巡检机器人前方正中间的激光传感器测量θ1与-θ1角度下的激光测距值，来进行车身角度调整：θ1与-θ1为大小相同的固定角度，左右两侧测得的距离为distance_l与distance_r，当两者相差在设定阈值valid内，即|distance_r-distance_l|＜valid时，巡检机器人位姿正直，垂直于充电屋房门；由于单束激光数据有误差，故而选取相邻多束激光数据，以平均值作为θ1与-θ1角度下的distance_l与distance_r；在一个实施例中，设置valid＝0.01m。

当右侧距离大于左侧，即distance_r-distance_l＜valid时，则表明巡检机器人车身向左倾斜，此时需向右旋转直至满足|distance_r-distance_l|＜valid；当左侧距离大于右侧，即distance_l-distance_r＜valid时，则表明机器人车身向右倾斜，此时需向左旋转至满足|distance_r-distance_l|＜valid。

在一个实施例中，所述的激光测距传感器为sick51系列激光测距传感器，扫描范围为-95°至95°，激光数据包括381个数据点。

步骤3、巡检机器人后退至调整线b附近，进行巡检机器人左右位置调整，保证充电口正对充电桩，调整线b与充电屋门的距离为1.224m；然后，机器人缓慢后退完成充电电极对接；当充电桩上的光电开关检测到对接成功时，巡检机器人停止运动，充电器打开，巡检机器人进入充电状态。

在该步骤中，机器人利用正前方激光数据进行后退操作，当距离到达调整线b的设定值时即停止运动。当机器人后退至充电桩时，充电口与充电桩左右方向可能有偏差，调整线b的设置是为了确保巡检机器人在距离充电桩充分近的范围内进行左右位置调整，提高对接的精准度，在调整线b处巡检机器人与充电桩距离范围为10-15cm。

步骤3-1、利用激光传感器测量巡检机器人至右墙的距离distance_wall，由于充电桩固定，即当充电口正对充电桩时的distance_wall也为定值distance_set；由于单束激光数据有误差，故而选取相邻多束激光数据，以平均值作为distance_wall，机器人状态如图4所示。一个实施例中设定值distance_set为0.602m。

调整巡检机器人右侧到墙壁的距离distance_wall，设置阈值valid2，在一个实施例中valid2＝0.02m；左右横移至|distance_wall-distance_set|＜valid2停止运动。

步骤3-2、巡检机器人与充电桩的充电电极充分接触后，充电桩上的光电开关产生跳变表明对接成功，巡检机器人停止后退运动，充电器打开，机器人进入充电模式。

步骤4、当巡检机器人完成充电并接收到巡检任务时，先打开充电屋房门，利用里程计前进至调整线c，保证巡检机器人完全离开充电屋后，关闭充电屋房门；由于激光传感器置于巡检机器人正前方，为了便于其采集相关数据，巡检机器人旋转180°，面对充电屋门。

所述的调整线c，设置在保证巡检机器人完全处于充电屋外位置，从而提高关门操作的安全性与可靠性。一个实施例中调整线c与充电屋门的距离为2.880m。

步骤5、在调整线c处，利用激光测距传感器进行巡检机器人相对充电屋的距离测定，调整巡检机器人车身角度，保证巡检机器人车身正直，正对充电屋房门。

为了能够准确退回原点，巡检机器人需保证车身正直，巡检机器人车身角度调整方法与步骤2中车身角度调整方法一致。

步骤6、巡检机器人后退至原点附近，进行左右位置调整，确保巡检机器人准确位于原点后即完成出库操作。机器人状态如图5所示。

由于巡检机器人在步骤5中只能保证车身正直，而无法保证车身处于充电屋的中轴线上，因此为了准确停靠到原点，还需进行左右调整。机器人左右位置调整方法为：

当巡检机器人准确停靠在原点时，在θ2角度下测得的激光距离数据为distance_rel，此时θ2角度下的激光与充电屋的墙角相切且distance_rel为定值distance_max；当巡检机器人从调整线c退回原点时，通过检测θ2角度下的激光距离数据来判断整体车身位置，从而进行左右调整；

设置阈值valid3，当测得的θ2角度下的激光距离数据distance_rel-distance_max＞valid3时，表明巡检机器人车身整体偏右，则巡检机器人缓缓向左横移，直至distance_rel出现跳变减小时，巡检机器人达到原点；当测得的θ2角度下的激光距离数据distance_rel-distance_max＜valid3时，巡检机器人车身整体偏左，则巡检机器人缓缓向右横移，直至distance_rel出现跳变增大时，巡检机器人达到原点，出库成功。

在一个实施例中，valid3＝0.08m。在一个实施例中，设定值distance_max为2.920m。

综上，本发明适应充电屋门变化的巡检机器人定位方法，实现了巡检机器人的出入库、自主充电操作，算法简单，快速性好，精度高，具有很强的实用性。