張 靜，劉曉銘，黃國方，單 超

(1.南瑞集團(tuán)(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇 南京 211106； 2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

在電力行業(yè)的不斷發(fā)展下，變電站巡檢機(jī)器人被廣泛地應(yīng)用于發(fā)電、變電、配電等各個(gè)環(huán)節(jié)，逐漸取代了人工操作模式和人工巡檢模式，極大地提高了電力管理的可靠性和安全性。導(dǎo)航作為電力機(jī)器人的重要功能，極大地提高了機(jī)器人的智能化移動(dòng)性能。為此，現(xiàn)將視覺輔助定位與所設(shè)計(jì)好的激光SLAM導(dǎo)航功能進(jìn)行充分結(jié)合，對電力機(jī)器人以下2種參數(shù)進(jìn)行科學(xué)校準(zhǔn)，如機(jī)器人位置、機(jī)器人視覺角度，從而獲得比較精確的預(yù)置位圖像，使得機(jī)器人的定位精確度達(dá)到1 cm。

1 問題簡介

以“某實(shí)驗(yàn)室配電變壓器安全巡檢”為例，在實(shí)際試驗(yàn)作業(yè)期間，電力機(jī)器人可以獨(dú)立自主地導(dǎo)航到指定的預(yù)設(shè)位置。為了提高電力機(jī)器人運(yùn)行的安全性和可靠性，需要對其運(yùn)行安全隱患進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效地分析、識別和預(yù)警。電力機(jī)器人巡檢要點(diǎn)如表1所示。

表1 電力機(jī)器人巡檢要點(diǎn)

在進(jìn)行巡檢操作期間，電力機(jī)器人首先要利用自身的自主導(dǎo)航功能，精確地導(dǎo)航到所設(shè)置好的最優(yōu)位置，只有這樣，才能最大限度地提高圖像拍攝水平以及識別結(jié)果的精確性。在溫升試驗(yàn)階段中，為了進(jìn)一步提高整個(gè)巡檢操作的規(guī)范性，技術(shù)人員要根據(jù)如圖1所示的溫升試驗(yàn)階段巡檢監(jiān)視圖像，對圍欄區(qū)域進(jìn)行定位和拍攝，從而全面地分析和研究巡檢圖像相關(guān)信息。在這個(gè)過程中，避免其他閑雜人員隨意地闖入到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，確保設(shè)備接線空間位置始終保持穩(wěn)定不變的狀態(tài)。此外，還要對冒煙等各種異常情況進(jìn)行預(yù)警，確保異常問題在第一時(shí)間內(nèi)被快速地發(fā)現(xiàn)和解決。一旦機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)行期間，出現(xiàn)定位不精確問題，那么將會(huì)導(dǎo)致所拍攝的視頻圖像存在殘缺、偏差誤差較大等問題，不利于后期巡檢任務(wù)的有效執(zhí)行。

圖1 溫升試驗(yàn)階段巡檢監(jiān)視圖像

2 機(jī)器人自主導(dǎo)航設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，電力配電變電站在對機(jī)器人進(jìn)行巡檢期間，經(jīng)常采用的導(dǎo)航方式是激光SLAM導(dǎo)航法。該導(dǎo)航法將激光傳感器定位法與地圖構(gòu)建定位法進(jìn)行充分結(jié)合，現(xiàn)以“激光SLAM導(dǎo)航設(shè)計(jì)”為例，完成對電力機(jī)器人自主導(dǎo)航功能的科學(xué)設(shè)計(jì)。激光SLAM導(dǎo)航在具體的設(shè)計(jì)期間，為了確保機(jī)器人導(dǎo)航的自動(dòng)性和精確性，技術(shù)人員需要做好對以下2類信息的實(shí)時(shí)化獲取和整理：一類是障礙物尺寸信息以及其位置信息；另一類是機(jī)器人的目標(biāo)位置信息。在空間較大的實(shí)驗(yàn)室場景下，電力機(jī)器人首先要做好對周圍環(huán)境信息的實(shí)時(shí)化、精確化感知和獲取，從而精確地檢測和識別出障礙物的當(dāng)前位置，并對這些障礙物進(jìn)行躲避處理，以達(dá)到避開障礙物的目的。另外，電力機(jī)器人在避障期間，需要根據(jù)所獲取的目標(biāo)位置信息，盡可能地拓展傳感器視野范圍，確保電力機(jī)器人在進(jìn)行避障期間，能夠根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)和障礙物的所在位置，順利、安全地達(dá)到目的地。

2.1 雙單目視覺功能設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種雙單目視覺相結(jié)合的方式，完成對以下2種功能的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對電力作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境相關(guān)信息的精確化獲取和整理。(1)雙目視覺功能。該功能在具體的設(shè)計(jì)中，需要將雙目相機(jī)水平放置于電力機(jī)器人平臺上，從而實(shí)現(xiàn)對以下幾類信息的精確化、實(shí)時(shí)化獲取和整理，如機(jī)器人四周環(huán)境信息、障礙物尺寸信息以及其位置信息、機(jī)器人行駛路面信息；(2)單目視覺功能。該功能在實(shí)際設(shè)計(jì)期間，廣角攝像頭主要水平放置于電力機(jī)器人工作面上，對目標(biāo)信息以及機(jī)器人四周環(huán)境信息的精確化獲取和整理，并在充分利用這些信息的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)所在位置以及電力機(jī)器人所在位置的精確化識別和定位，為后期更好地跟蹤和定位目標(biāo)信息創(chuàng)造良好的條件。

2.2 地圖構(gòu)建

通過利用雙目視覺功能，可以對電力機(jī)器人周邊環(huán)境信息的精確化檢測和獲取，同時(shí)，將這些信息與障礙物尺寸信息和位置信息進(jìn)行有效地結(jié)合，從而構(gòu)建出符合實(shí)際應(yīng)用需求的地圖。在實(shí)驗(yàn)室中，利用電力機(jī)器人對目標(biāo)位置進(jìn)行識別和定位，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，將兩者信息有機(jī)融合，可以獲取全局環(huán)境下障礙物、目標(biāo)和機(jī)器人空間位置、尺寸信息，構(gòu)建出全局地圖，為機(jī)器人路徑規(guī)劃提供必要的信息。由此可見，地圖構(gòu)建具有重要意義，不僅可以保證電力機(jī)器人自主導(dǎo)航功能實(shí)現(xiàn)效果，還能幫助電力機(jī)器人更好地規(guī)避障礙物，保證其定位的精確度。

3 視覺輔助定位方法

3.1 激光SLAM導(dǎo)航與視覺輔助定位融合

根據(jù)所設(shè)計(jì)好的機(jī)器人架構(gòu)，將視覺輔助定位與激光SLAM進(jìn)行充分結(jié)合，從而形成一種綜合方案，并繪制出如圖2所示的視覺輔助定位與激光SLAM導(dǎo)航融合流程圖。

圖2 激光SLAM導(dǎo)航與視覺輔助定位

在進(jìn)行部署環(huán)節(jié)中，電力機(jī)器人通過對地圖進(jìn)行科學(xué)構(gòu)建，從而實(shí)現(xiàn)對傳感器的激光化掃描，確保地圖安全、可靠地存儲(chǔ)于到機(jī)器數(shù)據(jù)庫中。此外，根據(jù)所要完成的巡視任務(wù)，將機(jī)器人相關(guān)的預(yù)置圖像模板與停靠定位相關(guān)信息安全、可靠地存儲(chǔ)于的數(shù)據(jù)庫中。此外，還要充分結(jié)合巡檢任務(wù)實(shí)際接收情況，對電力機(jī)器人進(jìn)行激光SLAM導(dǎo)航操作，此時(shí)，電力機(jī)器人可以利用所獲取的信息，運(yùn)用概率學(xué)相關(guān)統(tǒng)計(jì)知識，對地圖中的相關(guān)位置進(jìn)行一一匹配，從而確定出最佳導(dǎo)航路徑，促進(jìn)巡檢操作向高效化、智能化方向不斷發(fā)展，同時(shí)，還要加大對電子陀螺儀的應(yīng)用力度，對電力機(jī)器人當(dāng)前調(diào)控操作姿態(tài)進(jìn)行科學(xué)化定位、輔助，從而最大限度地提高機(jī)器人的激光SLAM導(dǎo)航水平。當(dāng)電力機(jī)器人完成精確化定位操作后，需要運(yùn)用可見光攝像機(jī)，根據(jù)預(yù)置位設(shè)置情況，將巡檢任務(wù)落實(shí)到位，并將這些任務(wù)依次導(dǎo)航到其他各種位置，然后，對最終的執(zhí)行情況進(jìn)行再次校準(zhǔn)，確保所有巡檢任務(wù)執(zhí)行到位，此時(shí)，表明導(dǎo)航結(jié)束。由此可見，與單一激光SLAM導(dǎo)航方式相比，通過采用視覺輔助定位與激光SLAM導(dǎo)航結(jié)合法，可以在部署環(huán)節(jié)，完成對各種圖像模板庫的創(chuàng)建。因此，在進(jìn)行巡檢期間，將視覺輔助定位與激光SLAM導(dǎo)航進(jìn)行充分結(jié)合顯得尤為重要。

3.2 基于視覺圖像的定位校準(zhǔn)

電力機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)初期，需要盡可能提高導(dǎo)航的精確度。同時(shí)，為了避免機(jī)器人出現(xiàn)較大誤差，違背定位相關(guān)要求，根據(jù)視覺圖像特點(diǎn)，提出一套行之有效的定位校準(zhǔn)算法，從而將機(jī)器人的定位誤差降到最低?；谝曈X圖像的定位校準(zhǔn)流程如圖3所示。

圖3 基于視覺圖像的定位校準(zhǔn)流程

從圖3可以看出，電力機(jī)器人在實(shí)際讀取期間，需在所設(shè)置好的位置處，完成對視頻圖像的精確化采集和整理，并對圖像輪廓進(jìn)行精確化提取和定位。然后，與所保存的圖像模板進(jìn)行全面地分析和對比，且利用哈希圖像匹配算法，對2幅不同的圖像之間的異同點(diǎn)進(jìn)行分析和判斷。為進(jìn)一步提高電力機(jī)器人位置偏差計(jì)算結(jié)果的精確度，技術(shù)人員要做好對圖像像素與實(shí)際距離之間比例的精確化計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，并構(gòu)建出相應(yīng)的攝像機(jī)成像模型，從而表現(xiàn)出實(shí)際坐標(biāo)值與圖像像素坐標(biāo)值。另外，還要利用機(jī)器人攝像機(jī)，對所需要的預(yù)置位圖像模板進(jìn)行拍攝和整理，然后，精確地測量機(jī)器人與目標(biāo)物體之間的距離。結(jié)合上文所獲得的圖像輪廓信息，對當(dāng)前圖像實(shí)際坐標(biāo)值進(jìn)行精確計(jì)算，這為后期統(tǒng)計(jì)電力機(jī)器人的位置偏差提供重要的依據(jù)和參考。如果定位處理后的機(jī)器人不能滿足所允許的最大誤差范圍，需要對其重新定位操作，直至滿足為止。

4 視覺輔助定位方法的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用環(huán)境及測試方法

為了更好地驗(yàn)證本文所提方案的可靠性和有效性，現(xiàn)搭建出如圖4所示的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用圖。然后，對所配置的變壓器使用情況進(jìn)行導(dǎo)航和定位測試。圖4中的左下角是機(jī)器人，由于該實(shí)驗(yàn)處于準(zhǔn)備階段，因此，圖4中存在叉車搬運(yùn)、人員進(jìn)入圍欄等區(qū)域，一旦機(jī)器人在實(shí)際定位和導(dǎo)航期間，出現(xiàn)精確度較低問題，將會(huì)增加誤碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，從而降低了最終巡視結(jié)果的精確度。為此，通過利用激光SLAM相關(guān)技術(shù)，構(gòu)建出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室地圖，應(yīng)用環(huán)境的測試方法為：首先，根據(jù)所配置好的機(jī)器人，開展相應(yīng)的預(yù)置點(diǎn)位；然后，采用激光SLAM導(dǎo)航的方式，確保電力機(jī)器人自動(dòng)行駛到指定的預(yù)置點(diǎn)。

圖4 實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用

此外，還要對電力機(jī)器人相關(guān)參數(shù)誤差進(jìn)行全方位測量，其參數(shù)誤差主要包含定位誤差、角度誤差;另外，還要將表2所示的5個(gè)設(shè)定點(diǎn)位分別配置于相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，在此基礎(chǔ)上，通過選用合適的激光SLAM定位模式，根據(jù)所設(shè)置好的5個(gè)點(diǎn)，開展5次定位工作，經(jīng)過定位處理發(fā)現(xiàn)電力機(jī)器人所允許的最大定位誤差較低，始終低于5 cm。

表2 實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場配置點(diǎn)位

4.2 視覺輔助定位精度試驗(yàn)

通過利用本文所提出的定位方案，開展第1組定位試驗(yàn)，然后，對最終的定位誤差進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)，得出如表3所示的第1組定位誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表3 第1組定位誤差

從表3可以看出，當(dāng)偏差和偏差所對應(yīng)的的最大值分別達(dá)到0.50、0.17 cm時(shí)，其最大定位誤差為0.50，最大角度偏差為0.92°。同樣，按照以上操作方式，對機(jī)器人進(jìn)行多組定位測量，得到如表4所示的第2組至第5組定位誤差結(jié)果。

表4 第2組第5組定位誤差

然后，根據(jù)所確定好的某一點(diǎn)位置，將定位測量次數(shù)設(shè)置為20次，然后，精確地計(jì)算和統(tǒng)計(jì)機(jī)器人相關(guān)參數(shù)，如機(jī)器人定位誤差參數(shù)、機(jī)器人角度誤差參數(shù)，從而得出如表5所示的同一定位點(diǎn)測量結(jié)果。

表5 同一定位點(diǎn)測量

從表5中的數(shù)據(jù)可以看出，最大定位誤差為第1次的譯碼器偏差為0.56 cm。

由此可見，通過全面分析以上表格數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)，本文所提出的視覺輔助定位與激光SLAM導(dǎo)航融合方法在實(shí)際運(yùn)用中，可以獲得定位精確度低于±1 cm，定位角度低于正負(fù)1°，極大地提高了電力機(jī)器人的定位精確度。因此，經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐，不難發(fā)現(xiàn)，該方法完全符合電力機(jī)器人巡檢標(biāo)準(zhǔn)和要求，為促進(jìn)配電變壓器檢測工作的有效開展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

綜上所述，在電力行業(yè)的不斷發(fā)展下，電力作業(yè)環(huán)境變得異常復(fù)雜，為了進(jìn)一步 提高機(jī)器人的定位精確度，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的精確化、智能化控制，本文提出了一套切實(shí)可行的視覺輔助定位與激光SLAM導(dǎo)航設(shè)計(jì)方案，通過利用激光SLAM導(dǎo)航功能，幫助機(jī)器人隨時(shí)隨地地采集和整理圖像，并將整理好的圖像與預(yù)置位圖像模板進(jìn)行全面地分析和對比，從而獲得相應(yīng)的定位誤差，確保機(jī)器人能夠智能化地完成定位校準(zhǔn)工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過將激光SLAM導(dǎo)航功能與視覺輔助定位方法進(jìn)行充分結(jié)合，可以確保機(jī)器人的定位精確度得以大幅度提升。但是，本次研究仍然存在一定的不足，沒有根據(jù)視覺圖像最終識別結(jié)果，在充分結(jié)合動(dòng)態(tài)環(huán)境特點(diǎn)的前提下，確保電力機(jī)器人精確、有效地判別和避開各種障礙物，從而提高其導(dǎo)航性能，因此，技術(shù)人員 要再接再厲，通過學(xué)習(xí)更多的專業(yè)知識，解決論文中存在的不足問題。