胡 罡，王進(jìn)科，賴小燕，劉萬盛，楊志明

（廣東大唐國際肇慶熱電有限責(zé)任公司，廣東肇慶 526106）

1 機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)概述

1.1 機(jī)器人本體

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)矢量控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、減速機(jī)、車輪、超聲波避障裝置模塊、手動(dòng)操作或電動(dòng)遙控開關(guān)裝置模塊、狀態(tài)指示燈單元等控制單元組成。該系統(tǒng)可以直接實(shí)現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備用于各種環(huán)境監(jiān)控功能、各種后臺(tái)功能系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制平臺(tái)等各類功能軟件系統(tǒng)的直接相互聯(lián)機(jī)通訊，分別接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程定時(shí)同步上傳數(shù)據(jù)以及各種云臺(tái)狀態(tài)信息。

1.2 工作條件

智能巡檢機(jī)器人可在室內(nèi)與室外環(huán)境中工作，周圍環(huán)境溫度需要低于50 ℃，如果超過該條件需要聯(lián)系供應(yīng)商來判斷是否可用。機(jī)器人的外觀應(yīng)該有絕緣和防腐涂層，避免發(fā)電廠設(shè)備的電磁干擾，同時(shí)機(jī)器人內(nèi)部各功能區(qū)的連接應(yīng)該有序，便于后續(xù)的檢查與維護(hù)工作。

1.3 電池系統(tǒng)

電源狀態(tài)管理自動(dòng)化系統(tǒng)（BMS）是集電力數(shù)據(jù)信息采集、狀態(tài)自動(dòng)估計(jì)、充放回電保護(hù)功能和鋰離子電池組的平衡和控制保護(hù)于一體，是智能供電監(jiān)控系統(tǒng)中的主要核心設(shè)備。機(jī)器人可以持續(xù)在鋰離子電池的有限使用壽命期內(nèi)可靠穩(wěn)定地繼續(xù)工作。一次快速充電即可續(xù)航在6 h 及以上，機(jī)器人平臺(tái)電池2 h左右即可充滿電，充放電循環(huán)2 000次以上。除了排除光線、拍攝角度等影響因素外，抄表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率至少要達(dá)到98%，智能巡檢機(jī)器人的平均無故障工作時(shí)間至少要達(dá)到2 000 h。機(jī)器壽命5～8 a，電池壽命2～3 a，電機(jī)壽命8～10 a。隨附備用電池、輪胎、過濾器和工作套件。

1.4 充電系統(tǒng)

充電柜和機(jī)器人充電底座分別用于機(jī)器人的手動(dòng)充電和自動(dòng)充電，無線遙控通信設(shè)備則采用了與機(jī)器人本地遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)接口相同型號(hào)的無線網(wǎng)架橋結(jié)構(gòu)和天線。當(dāng)機(jī)器人需要電池補(bǔ)充額外電力時(shí)，會(huì)被自動(dòng)移動(dòng)到機(jī)器人指定區(qū)域的固定充電單元室，車載專用充電連接器將直接與機(jī)器人固定的充電單元電芯連接后進(jìn)行充電。充電動(dòng)作完成后，機(jī)器人系統(tǒng)會(huì)瞬間自動(dòng)停止充電，進(jìn)入自動(dòng)待機(jī)模式或恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

1.5 運(yùn)動(dòng)與云臺(tái)系統(tǒng)

智能巡檢機(jī)器人有多種基本運(yùn)行模式，運(yùn)動(dòng)的方式是車輪帶動(dòng)，每兩次之間的運(yùn)動(dòng)軌跡導(dǎo)航誤差需要嚴(yán)格控制在15 mm 左右。巡檢機(jī)器人在行進(jìn)過程中可以做到前進(jìn)直行、倒退、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)剎車等多種基本模式，正常情況下平面直行的速度大于4 m/s。為了適應(yīng)發(fā)電廠中部分窄小空間，轉(zhuǎn)向過程必須實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，同時(shí)巡檢機(jī)器人應(yīng)該配備減震系統(tǒng)，提高在行駛過程中跨越障礙物的能力與云臺(tái)平穩(wěn)運(yùn)行的能力，同時(shí)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)遙控的響應(yīng)應(yīng)該快速即時(shí)。

監(jiān)控云臺(tái)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)多角度的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)為了加強(qiáng)監(jiān)控效果，旋轉(zhuǎn)的角度在控制端應(yīng)該任意可調(diào)節(jié)。云臺(tái)擁有預(yù)設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)的功能，到達(dá)指定地點(diǎn)后自動(dòng)調(diào)整攝像機(jī)角度實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，這一功能也可后續(xù)刪除或添加。云臺(tái)應(yīng)該有自動(dòng)調(diào)整誤差的功能，判斷拍攝的目標(biāo)是否存在遮擋以及遮擋的面積占總視野面積的比例，并自動(dòng)做出角度調(diào)整，確保拍攝的畫面不受到遮擋影響。

1.6 網(wǎng)絡(luò)功能

智能遠(yuǎn)程巡檢機(jī)器人的數(shù)據(jù)必須能同時(shí)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫之間交互，數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)交互所涉及到的實(shí)時(shí)信息內(nèi)容必須包括檢測(cè)數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程巡檢機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)[2]。巡檢機(jī)器人要能夠長時(shí)間連續(xù)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地自動(dòng)接收到來自于本地或者遠(yuǎn)程云臺(tái)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)所發(fā)出來的各種智能云臺(tái)控制與報(bào)警檢測(cè)指令，同時(shí)實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人云臺(tái)的高速旋轉(zhuǎn)、身體的快速上下移動(dòng)、自動(dòng)實(shí)現(xiàn)無線充電報(bào)警功能和智能設(shè)備狀態(tài)信息檢測(cè)并報(bào)告功能等的一系列安全功能。檢測(cè)到故障問題報(bào)警并會(huì)及時(shí)生成狀態(tài)信息報(bào)表定期予以上報(bào)。

機(jī)器人配有高清型紅外可見光成像相機(jī)、紅外熱顯像測(cè)量儀器和便攜式紅外聲學(xué)傳感器，可同時(shí)自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)測(cè)量儀器指針的位置，實(shí)時(shí)識(shí)別、關(guān)節(jié)溫度監(jiān)測(cè)及測(cè)量設(shè)備的內(nèi)部環(huán)境溫度變化實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)、設(shè)備內(nèi)部振動(dòng)或異響報(bào)警狀態(tài)檢測(cè)的功能實(shí)現(xiàn)等多個(gè)檢測(cè)功能。智能云臺(tái)系統(tǒng)可安裝固定于巡檢機(jī)器人上面的可移動(dòng)的工作平臺(tái)的最上方，用于可以自動(dòng)攜帶的三個(gè)可見光、紅外探測(cè)器陣列和另一個(gè)紅外聲學(xué)傳感器，可用于手動(dòng)控制其方位角的調(diào)整和俯仰角的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

1.7 無線傳輸系統(tǒng)

機(jī)器人將通過無線網(wǎng)傳感橋與機(jī)器人本地遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備后臺(tái)終端實(shí)現(xiàn)機(jī)器人雙向和實(shí)時(shí)信息傳輸交互，信息的交互主要內(nèi)容應(yīng)包括監(jiān)控機(jī)器人身體狀態(tài)圖像和遠(yuǎn)程被監(jiān)視檢測(cè)機(jī)器人設(shè)備內(nèi)的視頻圖像、語音內(nèi)容和圖像顯示信息數(shù)據(jù)，所有交互信息內(nèi)容都被本地設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人保存記錄在系統(tǒng)后臺(tái)[3]。

智能巡檢機(jī)器人的最大安全遙控距離必須至少為1 000 m，并且操作必須可靠。當(dāng)兩個(gè)以上智能巡檢機(jī)器人同時(shí)在同一個(gè)發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)工作巡查時(shí)，控制信號(hào)也不能出現(xiàn)相互交叉干擾。監(jiān)控終端后臺(tái)服務(wù)器必須具備能夠連續(xù)可靠快速地自動(dòng)接收由智能巡檢系統(tǒng)機(jī)器人所實(shí)時(shí)監(jiān)控采集得到的視頻圖像、聲音、數(shù)據(jù)資料等各類信息?？刂苹芈泛涂刂苽鬏攩卧盘?hào)輸出必須具有較良好可靠的反穿墻保護(hù)性能要求和相對(duì)良好可靠的抗干擾測(cè)試能力。

1.8 本地監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)控界面主要用于查看機(jī)器人當(dāng)前位置、巡檢路徑、當(dāng)前巡檢作業(yè)進(jìn)度、被檢設(shè)備信息、實(shí)時(shí)高清視頻、紅外圖像、檢測(cè)過程中的實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果、實(shí)時(shí)環(huán)境、機(jī)器人身體狀態(tài)等信息。紅外攝像機(jī)實(shí)時(shí)顯示巡檢機(jī)器人拍攝的圖像。機(jī)器人本體信息顯示主要項(xiàng)目包括顯示機(jī)器人本體內(nèi)部的電池電量、內(nèi)部溫度、當(dāng)前速度、報(bào)警信息、充電狀態(tài)、當(dāng)前可見光相機(jī)變焦、云臺(tái)水平角度和云臺(tái)垂直角度。巡檢信息實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前巡檢任務(wù)的巡檢進(jìn)度和檢測(cè)到的不良設(shè)備數(shù)量，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的巡檢時(shí)間、設(shè)備名稱、巡檢類型、巡檢結(jié)果等檢測(cè)結(jié)果。

2 電磁射頻識(shí)別組合導(dǎo)航

電磁導(dǎo)航技術(shù)通常被與射頻身份識(shí)別裝置（RFID）等結(jié)合起來使用，以代替在地面建筑物上安裝的磁軌[4]。這條感應(yīng)軌道里包含有多條感應(yīng)引導(dǎo)的電纜，每條感應(yīng)引導(dǎo)的電纜里面都分別承載一個(gè)不同電流頻率方向的感應(yīng)電流，機(jī)器人需要通過這種感應(yīng)通道來實(shí)時(shí)檢測(cè)路線信息。通過運(yùn)動(dòng)伺服控制裝置可以調(diào)節(jié)到機(jī)器人的左右轉(zhuǎn)向輪間的差速，使機(jī)器人沿磁軌前行。機(jī)器人在應(yīng)該做停止點(diǎn)檢查之前的重心位置偏差通?？捎汕昂髢蓚€(gè)RFID 標(biāo)簽進(jìn)行控制，第一個(gè)標(biāo)簽上是一個(gè)減速停止點(diǎn)，包含兩個(gè)停止點(diǎn)間的距離信息，多踏步式減速停車方法會(huì)確保機(jī)器人一直處于一個(gè)較低位置。到達(dá)正確的停止點(diǎn)時(shí)，速度自動(dòng)停止，此時(shí)機(jī)器人可以檢測(cè)到停止點(diǎn)標(biāo)簽。電磁定位搜索儀的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)之一是保證巡檢時(shí)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位置準(zhǔn)確，抗電磁場(chǎng)干擾保護(hù)功能比較強(qiáng)。

3 激光導(dǎo)航

激光位置導(dǎo)航技術(shù)通過直接使用計(jì)算機(jī)視覺傳感器實(shí)時(shí)捕捉目標(biāo)道路圖像，通過計(jì)算機(jī)圖像特征識(shí)別等技術(shù)手段將道路特征點(diǎn)直接提取應(yīng)用到每個(gè)路標(biāo)信息中，并可以計(jì)算得出每個(gè)路標(biāo)點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中相應(yīng)的位置坐標(biāo)值，為實(shí)現(xiàn)激光定位導(dǎo)航應(yīng)用提供奠定了信息基礎(chǔ)。機(jī)器人配備的激光傳感器會(huì)在巡視范圍內(nèi)根據(jù)每次目標(biāo)掃描來獲取所檢測(cè)到位置的3個(gè)路標(biāo)與激光傳感器之間對(duì)應(yīng)的角度。當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)定位到上述3個(gè)導(dǎo)航路標(biāo)時(shí)，可以立即通過迭代式計(jì)算來得到一個(gè)全局坐標(biāo)系，并會(huì)結(jié)合預(yù)先設(shè)定好的導(dǎo)航目標(biāo)路線數(shù)據(jù)，計(jì)算分析出目標(biāo)機(jī)器人對(duì)預(yù)先設(shè)定目標(biāo)路線的相對(duì)位置偏差和相對(duì)行進(jìn)路徑方向偏差，左右速度調(diào)整車輪以重新確定路線。

4 視覺導(dǎo)航

機(jī)器人圖像是機(jī)器視覺理論探索實(shí)踐的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過自動(dòng)組裝好的車載攝像頭自動(dòng)捕捉周圍路面圖像和周邊環(huán)境中的機(jī)器人局部圖像，并同時(shí)利用計(jì)算機(jī)圖像快速處理的技術(shù)手段進(jìn)行機(jī)器人圖像特征的識(shí)別、距離的估計(jì)分析等。收集、預(yù)處理、壓縮機(jī)器人首次運(yùn)行動(dòng)作時(shí)被拍攝得到的機(jī)器人圖像，與計(jì)算機(jī)之前已存儲(chǔ)下的機(jī)器人圖像資料進(jìn)行分析比較，并據(jù)此通過一系列的算法自動(dòng)計(jì)算得出機(jī)器人圖像的當(dāng)前位置。分析提高了地面搜索的速度以達(dá)到減少一些不那么必要的信息，由于僅能通過分析每一張圖像提供的信息來確定障礙物大小和巡檢機(jī)器人行駛的速度，存在有較大范圍的誤差，因此分析實(shí)際上已經(jīng)使用了多相機(jī)導(dǎo)航。

視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)主要是視覺導(dǎo)航系統(tǒng)定位測(cè)速精度高，信號(hào)目標(biāo)檢測(cè)覆蓋范圍更廣，缺點(diǎn)則是現(xiàn)有的視覺導(dǎo)航定位技術(shù)都不能做到有效地快速匹配目標(biāo)圖像的處理速度、范圍和物體移動(dòng)的速度，導(dǎo)致操作有一定的延遲。復(fù)雜的操作環(huán)境下不能進(jìn)行很好有效的適應(yīng)，缺乏實(shí)時(shí)性能優(yōu)化和可魯棒性。

5 GPS導(dǎo)航

GPS 導(dǎo)航的基本原理是利用 GPS 衛(wèi)星和目標(biāo)之間的距離，采用三邊測(cè)量法對(duì)被測(cè)物體的位置及速度進(jìn)行計(jì)算，必須使用三個(gè)以上的 GPS 衛(wèi)星進(jìn)行定位。

GPS 導(dǎo)航技術(shù)包括三大類：DPS 導(dǎo)航、DGPS/DR 聯(lián)合導(dǎo)航、GPS/慣性導(dǎo)航。高精度DPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是，先建立差分 GPS 基準(zhǔn)站，在基準(zhǔn)站建成后，就可以得到精確的三維坐標(biāo)，再根據(jù)參考點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，再將其傳送到受測(cè)點(diǎn)，從而使 GPS 的定位精度得到進(jìn)一步的提高。差分 GPS 有位置差分、偽距差分、相位差分三種。DGPS/DR 組合導(dǎo)航技術(shù)是在目標(biāo)突然丟失 GPS 信號(hào)時(shí)，利用 DR進(jìn)行定位的一種傳統(tǒng)方法[7]。其基本原理是利用慣性導(dǎo)引裝置，以目標(biāo)的當(dāng)前位置坐標(biāo)為基礎(chǔ)，利用慣性導(dǎo)引裝置測(cè)得目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度及航向角度，從而計(jì)算出目標(biāo)的下一次定位。這種技術(shù)會(huì)隨時(shí)間推移而造成測(cè)量準(zhǔn)確率的降低，DR 導(dǎo)航不能長期單獨(dú)使用，只能用作短期的輔助定位。GPS/慣性導(dǎo)航技術(shù)是基于牛頓力學(xué)原理的，利用加速度傳感器和陀螺測(cè)量目標(biāo)在慣性參照系中的速度、旋轉(zhuǎn)角速度，并將其轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航坐標(biāo)系，獲得目標(biāo)的速度、偏航角和姿態(tài)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不與外界進(jìn)行光、電交換，不向外界發(fā)射電磁波，因此它具有很好的隱蔽性和抗干擾能力。但是，由于導(dǎo)航信息是由積分產(chǎn)生的，所以它的定位誤差會(huì)隨時(shí)間增加而增大，使其無法長期獨(dú)立運(yùn)行，并且必須進(jìn)行初始化，所以其成本也相對(duì)較高。GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的先決條件是 GPS 必須具有穩(wěn)定的 GPS 信號(hào)，但是在電力系統(tǒng)的強(qiáng)烈電磁環(huán)境下，室內(nèi)或鋼結(jié)構(gòu)中，GPS 信號(hào)會(huì)受到很大的削弱，從而對(duì)機(jī)器人的定位和導(dǎo)航造成很大的影響。這種方法僅適用于戶外作業(yè)的機(jī)器人。

6 超聲波導(dǎo)航

超聲波是傳播頻率范圍為20 kHz 左右或頻率更高的一種聲波，傳播時(shí)路徑沿著直線進(jìn)行傳播，遇到一些固體時(shí)又會(huì)自動(dòng)反射回來。超聲波傳感器的測(cè)角分辨率也較差，但檢測(cè)超聲波速度很快，靈敏度也高，距離分辨率亦高。在很多實(shí)際導(dǎo)航應(yīng)用環(huán)境中，超聲波多普勒傳感定位器具有了一定技術(shù)的使用局限性，通常無法與許多其他常規(guī)導(dǎo)航工作方式緊密結(jié)合使用，以確保實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航精準(zhǔn)及有效避免故障。

7 SLAM導(dǎo)航

SLAM 定位導(dǎo)航就是指導(dǎo)航機(jī)器人能在一種完全未知的地理環(huán)境系統(tǒng)中，通過定位、建站圖、SLAM算法來進(jìn)行導(dǎo)航路徑的規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)自主的定位與導(dǎo)航，上面提到過的激光定位導(dǎo)航系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)視覺輔助導(dǎo)航技術(shù)都是一種SLAM。

8 結(jié)束語

目前電廠的巡檢機(jī)器人在發(fā)電廠室內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)和室外現(xiàn)場(chǎng)都已有廣泛使用，因此今后大部分場(chǎng)合可以直接使用電子導(dǎo)航系統(tǒng)和紅外激光導(dǎo)航裝置來滿足自動(dòng)化巡檢任務(wù)的需要。隨著對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)定位跟蹤精度要求技術(shù)的逐漸提高，視覺導(dǎo)航也將逐步成為未來導(dǎo)航新技術(shù)應(yīng)用的主流發(fā)展方向，隨著新一代計(jì)算機(jī)視覺理論方法和導(dǎo)航算法體系的持續(xù)進(jìn)步和成熟，以及自然語言處理能力的進(jìn)一步提高，實(shí)時(shí)性要求和魯棒性需要得到全面解決，進(jìn)而視覺導(dǎo)航等導(dǎo)航新技術(shù)或?qū)⒄嬲蔀槲磥碜詣?dòng)巡檢機(jī)器人的一項(xiàng)主要輔助導(dǎo)航方式。