一种采用激光定向和射频定位的变电站巡检机器人导航方法与流程

本发明涉及电力系统和机器人领域，具体地说是一种采用激光定向和射频定位的变电站巡检机器人导航方法。

背景技术：

电力规程要求，变电站必须进行定期巡检：传统的巡检方式为人工巡检，存在劳动强度大、巡检效率低、评判标准不客观等问题；随着智能化技术发展，现在逐渐采取机器人替代人工巡检，能够实现变电站全天候、全方位、全自动的智能巡检，有效降低运维成本、提高巡检效率和准确性。

电力规程要求，变电站必须进行定期巡检：传统的巡检方式为人工巡检，存在劳动强度大、巡检效率低、评判标准不客观等问题；随着智能化技术发展，现在逐渐采取机器人替代人工巡检，能够实现变电站全天候、全方位、全自动的智能巡检，有效降低运维成本、提高巡检效率和准确性。

变电站巡检机器人的巡检任务一般有三种，一是定期巡检，沿特定路线在特定位置对变电站内的电气设备进行状态图像识别、红外测温、仪表读取、声音监测、传感器通信等工作；二是事故巡检，在站内发生异常事故时，机器人可立即自动前往事故点进行图像录制，记录事故发展历程；三是遥控监测，可通过远程遥控机器人按特定路线前往特定地点进行监测。变电站内的设备、仪表和传感器均为固定位置安装，机器人只有在特定位置获取的图像和测量数据才有意义，因此巡检机器人的关键技术之一就是导航和定位技术。

目前变电站巡检机器人采用的导航技术一般有磁条导航、悬轨导航、激光雷达导航、gps/无线导航、视觉导航等，分别说明如下：

1.磁条导航：在地面机器人行进轨迹上铺设磁条，机器人沿磁条运动；

2.悬轨导航：机器人沿空中悬挂的导轨或钢索行走；

3.激光雷达导航：机器人依靠激光雷达扫描周围障碍物的距离来进行导航；

4.gps/无线导航：依靠gps或无线电信号来进行定位与导航；

5.视觉导航：机器人像人类一样，依靠机器人上的摄像头进行视觉定位与导航。

上述几种导航方式，只有磁条导航和悬轨导航能够精确定位，最适合于变电站巡检机器人使用，但是这两种导航方式需要铺设磁条或悬轨，施工工作量大，且轨道铺设完成之后更改麻烦。另外采用固定轨道的方式导航，机器人只能沿固定路线行进，不利于紧急情况的处理；激光雷达导航能够自动生成电子地图，根据算法来选择机器人行进路线，但成本高昂，且定位精度差；gps/无线技术导航，分别适用于室外和室内导航，但其定位精度差，一般难以满足巡检机器人定点监测的要求；视觉导航一般需要人工参与，难以满足自动巡检的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述轨道铺设困难和定位精度差的技术难题，提供一种采用激光定向和射频定位的变电站巡检机器人导航方法，该方法中的变电站巡检机器人通过检测激光信号保证行进方向、通过检测射频卡确认到达地点、通过无线通信控制激光光源更改行进方向，以此实现巡检机器人在变电站内即可按照既定轨迹行进，亦可通过策略配置更换巡检路线。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种采用激光定向和射频定位的变电站巡检机器人导航方法，其特征在于：该方法步骤为：

a、当到达定期巡检时刻、接收到异常事故信号或遥控信号后，机器人根据事件调用内置的逻辑表并按照逻辑表确定行驶路线上的第一个位置点，机器人通过无线通信开启行驶路线上的第一个位置点上的激光光源；

b、激光方向探测器根据激光光源的出射方向来确定机器人的行进方向，且行进时通过激光方向探测器持续对激光信号跟踪以便始终保持机器人沿激光出射方向逆向行进，从而到达出射激光的位置点；

c、当机器人到达出射激光的位置点时，机器人关闭当前位置点的激光光源并通过读卡器读取该位置点的射频卡信息以识别当前位置点；

d、当步骤（c）中所识别的位置点为监测位置点时，则机器人对该监测位置点的设备进行检测工作；

e、当步骤（c）中所识别的位置点为转弯位置点时，机器人根据该转弯位置点编号和逻辑表开启行进路线上的下一个激光光源；

f、机器人重复步骤（b）、步骤（c），并根据步骤（c）的识别结果确定按步骤（d）执行还是按步骤（e）执行；

g、检测工作完成后，机器人通过切换激光光源并沿激光指引的方向返回出发位置点。

该方法中的位置点的编号唯一且均放有与该唯一编号相对应的射频卡。

该方法中的位置点处至少放有一个具有唯一编号的激光光源且全部激光光源射出的光线至少能够形成一个循环，使得机器人能够回到出发位置点。

每个激光光源的照射路线仅包含有两个位置点，机器人沿激光照射路线行进只能够从一个位置点到达另一个对应的位置点。

所述步骤（a）和步骤（e）中的逻辑表和事件相对应，不同的事件对应不同的逻辑表，逻辑表指定在每个位置点需开启和关闭的激光光源和机器人需要进行的工作。

所述步骤（a）中的机器人在休息时处于充电位置点。

所述步骤（b）中的激光方向探测器包括锥形遮光罩和光电转换器两部分，锥形遮光罩由能吸收照射于其上光线的黑色材料制成，只有激光方向探测器正对入射激光即激光方向探测器与激光信号垂直时，光电转换器检测到的光强最强且输出的电信号最大，从而确定机器人的行进路线。

所述步骤（b）中的激光方向探测器固定安装在机器人上能够360°旋转的云台上。

本发明的变电站巡检机器人导航方法的技术方案原理如下：

在机器人前进方向安装有激光光源，巡检机器人通过无线通信控制激光光源的开启与关闭，每个激光光源具有唯一编号；巡检机器人安装有激光方向探测器，当激光方向探测器与激光信号垂直时，激光方向探测器检测到的光强最强且输出的电信号最大，从而确定机器人的行进路线；激光方向探测器安装于能360°旋转的云台上；在机器人行进路线的充电位置点、转弯位置点、监测位置点均安放有编号唯一的射频卡，机器人行进至放有射频卡的位置点时，可通过读卡器识别位置点，每个位置点的编号唯一；每个激光光源的照射路线包含有两个位置点，机器人沿激光照射路线行进能够从一个位置点到达另一个位置点；机器人存有包含位置点编号、激光光源编号及对应事件的逻辑表，逻辑表指定在每个位置点需开启和关闭的激光光源和机器人需要进行的工作，逻辑表可通过远程下载更新。

本发明相比现有技术有如下优点：

本发明的方法通过设定编号唯一的位置点、各位置点配置编号唯一的射频卡以及至少一个唯一编号的激光光源，且全部激光光源射出的光线至少能够形成一个循环，使得变电站巡检机器人通过检测激光信号保证行进方向、通过检测射频卡确认到达地点、通过无线通信控制激光光源更改行进方向，以此实现巡检机器人在变电站内既可按照既定轨迹行进、亦可通过策略配置更换巡检路线。

本发明的方法采用安置方便且易于更改的激光光源引导巡检机器人，保证其行进方向且无需铺设轨道，激光光源不受地面条件限制，不惧积水、积雪、积灰影响，不影响人员、车辆通行，避免了磁条和悬轨易受外物破坏的问题；射频卡定位准确可靠、定位精度高；机器人根据逻辑表切换灵活方便的激光光源，可实现远程更改巡检路线；该方法能够通过增加激光光源的方式使得在同一位置点机器人能够有不同的行进方向，配置不同的逻辑表可丰富机器人的巡检路线。

附图说明

附图1为本发明的导航方法中所采用的激光方向探测器的结构示意图；

附图2为本发明的导航方法的具体实施例的行进路线图。

其中：1—光电转换器；2—锥形遮光罩；d1—充电位置点；d2、d3—转弯位置点；d4、d5—监测位置点；l1～l6—激光光源。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

一种采用激光定向和射频定位的变电站巡检机器人导航方法，该方法步骤为：a、当到达定期巡检时刻、接收到异常事故信号或遥控信号后，机器人根据事件调用内置的逻辑表并按照逻辑表确定行驶路线上的第一个位置点，机器人通过无线通信开启行驶路线上的第一个位置点上的激光光源；b、激光方向探测器根据激光光源的出射方向来确定机器人的行进方向，且行进时通过激光方向探测器持续对激光信号跟踪以便始终保持机器人沿激光出射方向逆向行进，从而到达出射激光的位置点；c、当机器人到达出射激光的位置点时，机器人关闭当前位置点的激光光源并通过读卡器读取该位置点的射频卡信息以识别当前位置点；d、当步骤（c）中所识别的位置点为监测位置点时，则机器人对该监测位置点的设备进行检测工作；e、当步骤（c）中所识别的位置点为转弯位置点时，机器人根据该转弯位置点编号和逻辑表开启行进路线上的下一个激光光源；f、机器人重复步骤（b）、步骤（c），并根据步骤（c）的识别结果确定按步骤（d）执行还是按步骤（e）执行；g、检测工作完成后，机器人通过切换激光光源并沿激光指引的方向返回出发位置点。

在上述方法中，每个位置点的编号唯一且均放有与该唯一编号相对应的射频卡，且位置点处至少放有一个具有唯一编号的激光光源且全部激光光源射出的光线至少能够形成一个循环，使得机器人能够回到出发位置点；每个激光光源的照射路线仅包含有两个位置点，机器人沿激光照射路线行进只能够从一个位置点到达另一个对应的位置点。

另外步骤（a）和步骤（e）中的逻辑表和事件相对应，不同的事件对应不同的逻辑表，逻辑表指定在每个位置点需开启和关闭的激光光源和机器人需要进行的工作；步骤（a）中的机器人在休息时处于充电位置点；如图1所示，步骤（b）中的激光方向探测器包括锥形遮光罩2和光电转换器1两部分，锥形遮光罩2由能吸收照射于其上光线的黑色材料制成，当入射激光方向与探测器垂直方向偏离较大角度时，激光方向探测器检测不到激光信号；只有激光方向探测器正对入射激光即激光方向探测器与激光信号垂直时，光电转换器1检测到的光强最强且输出的电信号最大，从而确定机器人的行进路线。激光方向探测器固定安装在机器人上能够360°旋转的云台上。

下面通过具体实施例来说明本发明的采用激光定向和射频定位的变电站巡检机器人导航方法。

实施例

如图2所示：变电站中设置充电位置点d1，转弯位置点d2、d3，监测位置点d4、d5，设置激光光源l1～l6共6个，其中监测位置点d4为定期巡检位置点、位置点d5为关键设备监测位置点，每个位置点均编号唯一且设置有对应的编号唯一的射频卡，位置点d2、d3、d4、d5均设置一个对应的激光光源，而位置点d1设置两个激光光源。激光光源l1照射时从位置点d2指向位置点d1，激光光源l2照射时从位置点d3指向位置点d2，激光光源l3照射时从位置点d4指向位置点d3，激光光源l4照射时从位置点d1指向位置点d4，激光光源l5照射时从位置点d5指向位置点d3，激光光源l6照射时从位置点d1指向位置点d5。

机器人起始位置处于充电位置点d1上，当到达定期巡检时刻，巡检机器人首先通过无线通信开启激光光源l1，并旋转安装有激光方向探测器的云台，确定机器人行进方向；在行进过程中固定云台，通过激光方向探测器对激光信号的跟踪始终保持机器人沿激光出射方向逆向行进；当机器人到达位置点d2时，机器人通过无线通信关闭激光光源l1，开启激光光源l2，然后旋转云台确定下一步行进方向，检测到l2光源的方向后固定云台，继续沿激光光源l2的方向行进；当机器人到达位置点d3时，机器人根据预先设定的定期巡检逻辑关闭激光光源l2，开启激光光源l3；当机器人到达定期巡检位置点之后，关闭光源l3，开启随身携带的摄像机、红外测温仪等设备开始监测工作；机器人完成监测工作后，开启激光光源l4，开始返回充电位置点d1。

当机器人通过无线通信接收到位置点d5处设备异常时，首先根据查找内部逻辑表中前往位置点d5的逻辑，然后根据逻辑开始行进，到达位置点d3的逻辑同定期巡检逻辑一致；当机器人到达位置点d3时，机器人通过无线通信关闭激光光源l2，开启激光光源l5，然后沿l5光源照射路线行进即可到达监测位置点d5；检测工作完成之后，机器人开启激光光源l6，然后返回充电位置点d1。

事实上，在图2所示的基础上，如果监测位置点d5再配置一个从位置点d5指向位置点d1的激光光源，则机器人可以直接从充电位置点d1行进到监测位置点d5进行检测；检测工作完成之后，机器人开启激光光源l6，然后返回充电位置点d1。

上述的实施例主要是以机器人起始位置位于充电位置点所展开的，事实上，只有定期巡检时刻、接收到异常事故信号或遥控信号时，机器人恰好位于充电位置点才从充电位置点出发；但一般来说，只有执行定期巡检时刻的任务时，机器人才是正好位于充电位置点的。当机器人接收到异常事故信号或遥控信号时，机器人有可能正处于定期巡检任务中的转弯位置点、或检测位置点、或前往这些位置点的路途中，此时机器人会按照事件的优先级排序，首先执行异常事故信号或遥控信号的指令，完成异常事故信号或遥控信号的任务；之后再进行定期巡检任务，最终返回充电位置点。综上所述，本发明所提供的方法中，无论机器人的起始位置处于何处（任意监测位置点、或转弯位置点或充电位置点），只要机器人接收到相应的信号，皆能够按照本发明所提供的技术方案执行指令。

本发明的方法通过设定编号唯一的位置点、各位置点配置编号唯一的射频卡以及至少一个唯一编号的激光光源，且全部激光光源射出的光线至少能够形成一个循环，使得变电站巡检机器人通过检测激光信号保证行进方向、通过检测射频卡确认到达地点、通过无线通信控制激光光源更改行进方向，以此实现巡检机器人在变电站内即可按照既定轨迹行进、亦可通过策略配置更换巡检路线。

本发明的方法采用安置方便且易于更改的激光光源引导巡检机器人，保证其行进方向且无需铺设轨道，激光光源不受地面条件限制，不惧积水、积雪、积灰影响，不影响人员、车辆通行，避免了磁条和悬轨易受外物破坏的问题；射频卡定位准确可靠、定位精度高；机器人根据逻辑表切换灵活方便的激光光源，可实现远程更改巡检路线；该方法能够通过增加激光光源的方式使得在同一位置点机器人能够有不同的行进方向，配置不同的逻辑表可丰富机器人的巡检路线。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。