吳焱明，李 昂，李 正，仲彥霖

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

牽引變電所有很多高壓設(shè)備，人在進(jìn)行設(shè)備檢測時存在安全問題，因此隨著科技的不斷進(jìn)步，實現(xiàn)無人化巡檢是電氣化鐵路發(fā)展的必然趨勢。當(dāng)前移動平臺采用磁條導(dǎo)航的方式，在控制室路面上鋪設(shè)磁條，工控機通過磁導(dǎo)航傳感器采集磁條信息控制移動平臺的運動。定位方式采用RFID技術(shù)，提前在地標(biāo)卡中寫入信息，移動平臺運行時利用車載讀卡器讀取信息內(nèi)容，判斷當(dāng)前所處的位置。但是磁條導(dǎo)航方式存在脫軌的問題，需要人為將移動平臺推回軌道上。因此，本文作者結(jié)合視覺SLAM技術(shù)改進(jìn)移動平臺的導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，以實現(xiàn)變電所的無人化和自動化巡檢。

1 移動平臺的結(jié)構(gòu)

移動平臺上方需搭載檢測機器人，考慮承載能力和操作的便利性，設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。車體長為750 mm，寬為560 mm，高為400 mm。

1-后端殼；2-主動輪；3-前端殼；4-電機；5-從動輪；6-底盤

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

移動平臺組合導(dǎo)航系統(tǒng)采用以計算機為核心的上位機和以可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)為核心的下位機聯(lián)合控制方案[1]。上位機采用研華PPC-3120S型工控機和裝有Ubuntu 16.04系統(tǒng)的筆記本。PLC與工控機之間采用Modbus TCP協(xié)議的網(wǎng)口通訊，與伺服驅(qū)動器之間采用CAN總線通訊，因此采用臺達(dá)AS200系列的PLC[2]。雙目和單目相機需要依靠運動時的圖像特征匹配來計算深度，而深度相機可以直接測量距離，節(jié)省計算時間，因此選擇深度相機。Kinect V2相機在設(shè)備上的安裝圖如圖2所示。

磁導(dǎo)航傳感器采用歐米麥克MK-0216B系列，該系列傳感器的測量精度能達(dá)到±1 mm。除此之外，還有用于定位的EMR-05型RFID射頻傳感器?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖2 設(shè)備安裝圖 圖3 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

移動平臺控制系統(tǒng)分為上位機軟件和下位機軟件兩個部分。

3.1 下位機軟件設(shè)計

下位機軟件實現(xiàn)磁條導(dǎo)航時的點動、旋轉(zhuǎn)和到目標(biāo)運動，視覺SLAM導(dǎo)航的自主運動，以及脫離軌道和重回軌道時導(dǎo)航方式的切換等功能。

3.2 上位機軟件設(shè)計

3.2.1 地圖構(gòu)建模塊

(1) ORB-SLAM2[3]算法：包括相機跟蹤、地圖構(gòu)建和回環(huán)檢測三個模塊。相機跟蹤模塊的作用是根據(jù)深度相機獲取到的信息估計位姿并檢測新的關(guān)鍵幀。地圖構(gòu)建模塊負(fù)責(zé)插入檢測到的新關(guān)鍵幀，經(jīng)過局部BA優(yōu)化后剔除不符合條件的地圖點和關(guān)鍵幀?；丨h(huán)檢測模塊的作用是檢測是否到達(dá)過該場景，消除系統(tǒng)的累計誤差。

(2) 稠密地圖構(gòu)建：ORB-SLAM2系統(tǒng)只能構(gòu)建稀疏地圖，無法用于導(dǎo)航和路徑規(guī)劃，因此改進(jìn)該算法實現(xiàn)稠密建圖。相機的成像過程涉及到三個坐標(biāo)平面，即相機坐標(biāo)平面、像素平面和物理成像平面。三者之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 相機模型

假設(shè)點P在相機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Pc為[X,Y,Z]T，投影在物理成像平面上的坐標(biāo)為[X′,Y′,Z′]T。設(shè)相機的焦距為f,則：

(1)

像素平面相對于物理成像平面在水平方向上縮放了α倍，豎直方向縮放了β倍，原點平移了[cx,cy]T。把αf記作fx,βf記作fy，可以推出點P在像素平面下的坐標(biāo)[u,v]T：

(2)

其中:fx、fy、cx和cy為相機內(nèi)參。

RGB-D相機采集圖像的像素坐標(biāo)值，測量目標(biāo)的深度d，根據(jù)式(2)，相機坐標(biāo)Pc可以表示為：

(3)

其中:s為深度比例系數(shù)。由ORB-SLAM2算法的相機跟蹤模塊估計出相機的外參，即相機坐標(biāo)系變換到世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量t，因此可推出P點的世界坐標(biāo)：

Pw=RPc+t.

(4)

首先采用點云庫[4]中PointXYZRGBA類型存儲世界坐標(biāo)值和顏色信息，然后再進(jìn)行點云拼接即可得到點云地圖。經(jīng)體素濾波器[5]優(yōu)化后，保證了在某一個確定的體素內(nèi)僅有一個點，減少了內(nèi)存空間的占用。

(3) 八叉樹地圖[6]構(gòu)建：點云地圖只能添加地圖點，不能動態(tài)地移除某一時刻消失在地圖中的點，因此不能用于導(dǎo)航和路徑規(guī)劃。本文采用八叉樹地圖解決上述問題，它是一種三維柵格地圖，可以動態(tài)地描述節(jié)點的占據(jù)狀態(tài)。

3.2.2 導(dǎo)航模塊

基于ROS平臺設(shè)計視覺SLAM導(dǎo)航系統(tǒng)。全局路徑規(guī)劃采用A*算法[7]計算從起始點到目標(biāo)點的最優(yōu)路徑。局部路徑規(guī)劃采用時間彈性帶算法[8]躲避障礙物，并計算出該行駛周期內(nèi)的角速度和線速度。

如果移動平臺脫離磁條軌道，則導(dǎo)航系統(tǒng)切換至視覺SLAM導(dǎo)航，以系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的軌道上的點為目標(biāo)點，自主導(dǎo)航回到軌道。

4 基于ROS的算法測試

移動平臺要搭載檢測機器人進(jìn)行巡檢，現(xiàn)場平面布局如圖5所示。其中Pi(i=1,…,6)為SLAM導(dǎo)航的目標(biāo)點，其余為各個巡檢位置。

圖5 工作環(huán)境平面布局

基于ROS系統(tǒng)測試改進(jìn)的ORB-SLAM2算法，濾波后的稠密點云地圖和八叉樹地圖如圖6所示。

圖6 供電段環(huán)境地圖

圖6(a)是濾波后的稠密點云地圖，大小為264.7 MB，圖6(b)為相對應(yīng)的八叉樹地圖，大小為236.3 kB。投影在二維平面的柵格地圖如圖7所示。

圖7 二維柵格地圖

5 設(shè)備調(diào)試

首先，設(shè)定好目標(biāo)位置g，移動平臺通過磁條導(dǎo)航的方式運行，在圖8所示位置脫離磁條軌道。

圖8 導(dǎo)航示意圖

當(dāng)磁導(dǎo)航傳感器檢測到移動平臺脫離磁條，切換為視覺SLAM導(dǎo)航方式，自主運行到軌道前方較近的SLAM導(dǎo)航目標(biāo)點P5。調(diào)整好位姿之后，視覺SLAM導(dǎo)航方式結(jié)束，磁導(dǎo)航傳感器讀取到信息，切換回磁導(dǎo)航方式，繼續(xù)運行至目標(biāo)位置。

6 結(jié)束語

目前，基于視覺SLAM和磁條的移動平臺組合導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)完成。經(jīng)測試，磁條導(dǎo)航脫離磁條軌道后，切換為SLAM導(dǎo)航方式可以自主導(dǎo)航回到軌道。該系統(tǒng)實現(xiàn)了變電站巡檢的無人化、自動化和智能化，提高了巡檢效率。