张 永，钱 平，杨松伟

(国网浙江省电力有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

在变电站监测过程中应用巡检机器人能够有效提高巡检效率，分担运行人员工作压力，减少漏检隐患，因此对变电站巡检机器人进行研究具有重要的技术和经济意义。早在2003年，日本就有学者提出了变电站巡检机器人的研究方案，并在实验室完成了模拟巡检的实验，目前已经设计出了基于机器视觉的巡检机器人，通过图像处理技术完成机器人的导航[1-2]。中国山东电力研究院在巡检机器人的研发方面成绩不菲，其研制生产的机器人已经应用在国内上百个变电站中[3-4]。在应用的过程中也发现了一些问题，当巡检机器人的移动速度过快时，无法及时的避让周围的障碍物，主要是由于在规划巡检路径时，默认以线性方式进行规划，导致插补值无法调节[5]。针对上述问题，本文设计一种基于插补轨迹控制的变电站机器人巡检避障技术。插补技术最初应用在数控机床中，该技术具有良好的计算速度和控制精准度。将该技术应用在巡检避障中，期望能够弥补传统避障方法的不足。

1 基于插补轨迹控制的变电站机器人巡检避障技术研究

1.1 建立巡检机器人运动模型

为了提高机器人的避障性能，需要对其运动状态有深入的了解。为了准确地对机器人进行控制，需要分析机器人的运动学模型[6]。运动学模型中不考虑机器人受到的外力因素影响，只分析其内部运动过程中的几何关系。本文研究的机器人的底盘结构如图1所示。

图1 机器人底盘行走结构

机器人的移动是靠底盘上的1个万向轮加2个同轴独立驱动轮组成的[7]，机器人在移动过程中通过驱动轮控制方向和速度，2个驱动轮速度相同时机器人行走的路线为直线，速度不等时，也就是说2个驱动轮出现差速时，机器人会沿着两轮轴线上的一点做旋转。机器人的差速运动模型如图2所示。

图2 运动差速模型

设机器人2个驱动轮之间距离为2r，左轮的速度为Vl，右轮的速度为Vr时，那么能够确定机器人的线速度V为

(1)

角速度ω可以表示为

(2)

将机器人放置到总体坐标系中，在坐标系中的位置如图3所示。

图3 机器人在坐标系中的位置表示

机器人在坐标系中的位置图中，绝对位置是时间t的函数，用xR(t)和yR(t)来表示，那么可以求得机器人的运动模型为

(3)

完成机器人运动模型的建立之后，可以根据差速来控制机器人的运动[8-9]。根据机器人的运动动作，出现2种运行状态如图4所示。

图4 机器人的2种运动转弯方式

图4中有2种转弯方式。第1种转弯方式的旋转中心在轴线的中心点[10]。当规划好机器人的行走路线后，可以计算出机器人每一步的行走距离和方向角，从而推出左右轮速关系，协同轨迹插补算法完成机器人的控制。

1.2 优化轨迹插补算法

机器人的运动控制，就是控制机器人的运动精度、连续性和安全性，轨迹的规划是机器人控制的基础。传统的插补算法主要对机器人的旋转角度进行线性插补，算法简单，但是在实际应用过程中，机器人会由于加速和减速出现晃动，导致轨迹出现偏差。本文选择在初始位置和结束位置确定机器人坐标，求出匀速运动初始点和结束点坐标，完成轨迹巡插补[11-13]。插补算法在栅格环境中进行全局规划，栅格地图的每一格都代表环境中相应的位置，3×3的栅格图如图5所示。

图5 栅格图

从图5中可以看出，每一个栅格都与8个栅格相邻，以图5中的栅格A为例，标号为1的栅格与A共边，标号为2的栅格与A共角[14-15]。通过检测栅格中的障碍物情况后，规划出避障轨迹。根据规划出的运动轨迹，运用插补法将该段轨迹划分为n步，进行插补运算，计算出每一步断点的坐标值，根据运动学逆解算解出合理的关节角。本文使用的是直线位置插补轨迹规划，直线插补的v-t图如图6所示。

图6 直线插补v-t

直线插补图中，假设在机器人移动的轨迹上的A和B两点，A点为起点，B点为终点，在机器人的运动控制过程中一般会经历加速--匀速--减速3段运动状态，假设理想状态下，加速与减速的速率相同，因而得到图6所示的图像，那么可以推出

(4)

v为匀速运动时的速度；a为加速度；TAB为整个运动过程所需时间；SAB为AB之间的总路程，那么可以得知，加速度的所需步数为

(5)

Tc为插补周期，那么总插补数为

(6)

匀速插补数可以表示为

(7)

根据A点坐标(xA,yA)，B点坐标(xB,yB)，进一步可以求得C点的坐标

(8)

那么D点坐标为

(9)

得到C点和D点的坐标后，进而能够完成对整个直线轨迹的插补。至此完成基于插补轨迹控制的变电站机器人巡检避障技术的研究。

2 模拟实验

为了验证本文设计的机器人巡检避障技术的有效性，需要进行实验。使用巡检机器人分别搭载本文避障技术和传统避障技术，在实验室的现有工作环境下进行组装调试，对机器人的避障性能进行试验分析。

2.1 搭建测试环境

变电站巡检机器人的测试在实验室环境下进行，运行路面为白色瓷砖。根据实验室的场地条件和室内设施，设计一种常见类型的障碍物环境。障碍物环境是在地面上无规则放置障碍物，测试过程中，交流伺服电机驱动器的输入电压为58 V，发送PWM信号的最大频率为375 kHz，占空比为50%。考虑到避障延迟，设定机器人传感器的扫描周期为4 000 ms，搭建好的巡检机器人如图7所示。

图7 巡检机器人测试平台

当机器人通电后，通过调试后确认控制系统各个检测模块的使用正常，调试过程中需要用到PC机一台(Win7系统，2 G内存)，7 m串口延长线，万用表，示波器，卷尺等。在实验中，根据PWM信号与编码器反馈信号可知机器人当前运动速度。预先对机器人设置不同梯度的行驶速度，在障碍物环境中进行测试，对实验结果进行观察并分析比较。

2.2 实验结果与分析

在不同的机器人运动速度下，分别对2种避障技术进行测试，测试中避障成功与避障失败的两种情况如图8所示。在避障成功情况下，PC端显示的障碍物避障检测信息如图9所示。

图8 避障测试的两种实验结果

图9 避障检测信息

避障检测信息图显示的图像表示机器人的右后方无障碍信息，根据得到的信息，来设计机器人的避障路线。

在避障成功和避障失败2种结果中，对应的机器人运动线路如图10所示。

图10 避障测试路径分类

避障测试路径分类图中，实线为成功避障路径，虚线表示避障失败路径。本文选择了8个不同的速度进行测试，测试结果如下表所示。

表1 测试结果统计

在本文测试中，当同一速度下测试次数为10，成功避障次数达到8次或8次以上时，认定为可以成功避障。从表1的数据可知，在最大运行速度为30 cm/s以下时，2种技术都可以实现100%的成功避障。在最大运行速度为50 cm/s、60 cm/s时，传统避障技术成功避障次数均为9次，此时可以被认定为成功避障。当运行速度大于70 cm/s时，传统技术被认定为避障失败；本文设计的技术运行速度为90 cm/s，成功避障次数为8次，此时可以被认定为成功避障，速度上升至100 cm/s时，被认定为避障失败。由此可以得出结论，传统技术在运行速度为60 cm/s以下时，能够实现成功避障，本文技术的成功避障速度最大可以达到90 cm/s，验证了本文技术的有效性。

3 结束语

通过研究传统变电站巡检机器人巡检避障过程中的缺陷，重新设计了一种基于插补轨迹控制技术，模拟实验的研究结果表明，设计的技术能够在成功避障的前提下，提高30 cm/s的机器人移动速度。机器人的巡检提速在实际应用当中具有重要的意义，能够有效提高巡检效率，节约巡检时间，提高环境适应能力。但是本文的研究仅在实验室进行了模拟实验，在后续的研究中，需要应用在真实的变电站监测工作中，发现实际的不足后再进行优化设计。