任春勇、杨利萍、赵松璞
深圳市朗驰欣创科技股份有限公司 广东省深圳市 518057
摘要：随着信息化智能化的发展，维护电网安全的方法也开始从传统的人工巡检向智能化无人化发展。电力巡检机器人作为智能化电网发展过程中一个重要部分，受到全世界各大电网公司的青睐。如今电力巡检机器人仍存在着避障能力不足和轨迹规划不灵活的问题，特别是在一些大型复杂电力场站，巡检难度大、效率低。该文提出了一种基于改进人工势场法与计数算法相结合的新型避障算法，同时结合具有导航功能的新型多空间自由移动巡检机器人平台，对自动避障及动态轨迹规划功能的实验验证，证明了该电力巡检机器人系统的有效性，实现复杂电力场站的智能化巡检。
关键词：巡检机器人；自动避障；计数算法；人工势场法
引言
随着电力工业向着大机组、大容量和高电压的迅速发展，保障设备运行的可靠性更成为安全生产的突出课题。利用变电站机器人进行电站设备的巡检，可以提高工作效率和质量，降低劳动强度和巡检危险性，真正起到减员增效的作用，能更快地推进变电站无人值守的进程。变电站环境比较复杂，机器人执行巡检任务时，既有静态障碍物环境下机器人的巡检任务，也有动态障碍物环境下机器人的巡检任务，对障碍物的检测成为变电站巡检机器人研究的一项重要课题。
1变电站巡检机器人技术研究现状
变电站的安全运转不仅决定了我国百姓的日常工作与生活，更决定了我国经济的发展，因此变电站的日常巡检以及特殊巡检都是必不可少的。变电站的巡检能有效避免设备的故障发生，还对变电站以及周边线路提供稳定的保障。传统的巡检方式是通过巡检人员手持红外探测仪的检验方式进行巡检，不仅耗费大量的人员精力，同时巡检过程更是具有一定的危险性。日常巡检工作繁重，巡检工作量巨大，对于巡检人员的综合素质要求较高，此外，变电站大多建于偏远地区，环境较为恶劣，这样的变电站肩负着传输、分散、转换电压等级等众多任务，是电力网架的核心。同时人工巡检容易出现漏检或是误检等事故。人工巡检还需通过查看手工记录的方式对故障进行分析，因此人工巡检效率较低，已不能满足现阶段电力行业发展的需要。随着科技的进步及机器人技术的日趋完善，我国电力行业采取机器人对变电站进行巡检已成为一种趋势。
变电站采取机器人巡检能有效克服巡检工作强度大、精确度低以及风险性高等缺点，同时还不受天气环境等影响。变电站巡检机器人技术的不断提高也将推动我国电力行业向智能化以及先进化的方向发展，机器人巡检技术的核心主要由数据反馈后台分析监控系统与巡检机器人移动端组成，通过移动端获取的数据并传输给后台进行高效的分析与反馈，从而实现对变电站设备的故障进行定位、分析、警告等操作。由于变电站巡检环境的多变，虽然主要组成部分相同，但不同的变电站具有不同的运行环境，同时变电站巡检机器人受传感器技术限制，不能对周围环境具有精确的感知，在传感器信号受到干扰的情况下可能出现采集数据不准确等问题。
2基于多传感器障碍检测自动运行设计
2.1局部避障处理
在变电站环境下实际路况比较单一，机器人可选择的路线比较固定，遇到障碍物的情况也是有限的，基于此背景，本文会根据实际环境情况做划分，进而确定避障策略。
当巡检机器人在按照正常规划好的路径巡检时，会有近红外传感器和超声波传感器来对前左右3个方向进行判断。利用近红外传感器和超声波传感器测距的原理进行障碍物检测时，通过设计一个安全距离使传感器有足够的时间发出并接收信号来判断障碍物的位置，从而进行避障。为了避障的准确性，本文将障碍物标准化为矩形，通过传感器直接获取周围障碍物的距离信息，来保证避障的安全性。
2.2基于人工势场法和计数算法的动态路径规划
在本文中计数算法和避障功能配合实现，即在避开障碍物的过程中的运行时间是以计数算法来设置的，同时配合调整过的人工势场法在未知环境下向定位点运动。
2.3动态路径规划中的定位导航
为了使巡检机器人更准确地确定目的地，因此增加了一个定位模块来对目的地进行定位，使机器人实现在未知环境下的定位导航功能。在巡检机器人的定位模块中设定好目的地的位置，巡检机器人就会开始向着定位好的点进行动态路径规划，可以有效避免巡检机器人巡检过程中因为绕路而耗费时间的情况。
3实验开发与验证
3.1系统硬件设计
3.1.1总体设计
本系统采用ATMEGA128芯片作为核心处理器，其片上集成了丰富的片内外设资源，设计时充分利用了这一特点，简化外围电路，降低了系统功耗。同时在设计上，移动机器人的超声检测系统采用了四路超声传感器来进行避障物的检测和定位。根据电路中各部分实现的功能，整个体统可分为以下四个模块：电源模块、超声波发射模块、超声波接收模块和通讯模块等。
3.1.2电源设计
5V电源由12V电源经过RC滤波和一个线性稳压器K7805变换产生，为单片机以及整流滤波电路提供工作电压。考虑到超声反馈信号对电压的稳定性比较敏感，为保证5V电源纹波小于100mV，在电源部分做适当的处理，采用LC-π型滤波电路。
3.2系统软件设计
为验证系统设计的精度及稳定性，将系统安装在机器人上在变电站现场进行测试，并通过FLUKE激光测距仪对距离进行标定。检测数据最大误差约为0.5%。应用数据说明该系统测试结果准确，应用效果良好。
4变电站巡检机器人技术的适用性研究
(1)首先是机器人移动系统的适用性分析：对于仿生腿式结构由于其效率较低，控制技术尚不成熟，近期内尚不能广泛推广使用。履带式结构巡检机器人由于其结构特点，通过能力强，但效率较低，适合在没有铺装的道路行驶。固定轨道式结构工作稳定，安全性好，但其巡检是依靠变电站内的墙体或棚顶等设施，因此适用于换流站或屏柜等设备的巡检。轮式结构是目前移动机器人技术中较成熟的形式，具有操作灵活、成本低、效率高等优势，可以应用于室外设备的巡检工作。(2)导航控制技术的适用性研究分析：导航控制技术在变电站机器人巡检中精度要求较高，现阶段广泛使用的导航技术有3种：激光反射导航技术虽然测距精度高但获取的信息量少，具有巡检盲区；磁导航控制技术的生产成本较低，定位准确，但施工工艺复杂；在电力行业中使用广泛的是激光雷达SLAM导航控制技术，其精度可达到厘米级且技术成熟。(3)充电技术适用性研究分析：巡检机器人在实际使用中不仅要考虑充电设备的体积还要考虑充电功率等问题，因此现阶段广泛使用的充电技术是接触式充电技术。
结语
本文进行了对电力巡检机器人自动避障与轨迹规划系统的研究，提出了完整的设计方案，通过外形设计和内部代码完成对巡检机器人功能和运动的实现，通过运用多种传感器数据融合对机器人障碍物的识别及避障功能进行完善，再运用计数算法和人工势场法来实现在未知位置环境下向目标地点移动的动态轨迹规划。最后通过实验测试相应功能，证明该系统的可行性。
参考文献
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