面向復(fù)雜障礙場(chǎng)的電力巡檢機(jī)器人局部動(dòng)態(tài)融合路徑規(guī)劃

寧雪峰，袁煒燈

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 東莞供電局，廣東 東莞 523000；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣州 510000)

0 引言

目前我國變電站的發(fā)展方向以無人式管理為主，巡檢機(jī)器人出現(xiàn)后，解決了以往人工巡檢效率低這一弊端[1]。電力設(shè)備巡檢時(shí)，機(jī)器人屬于巡檢所用智能體，可使用全自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制的方式完成電力巡檢任務(wù)。當(dāng)下我國很多企業(yè)都將無軌化導(dǎo)航技術(shù)，使用在機(jī)器人巡檢控制問題中，但此類技術(shù)均以優(yōu)化巡檢信息采集精度、常規(guī)性巡檢路徑規(guī)劃效果為主，未考慮機(jī)器人在復(fù)雜障礙場(chǎng)中路徑規(guī)劃效果[2]。復(fù)雜障礙場(chǎng)中，除了固定已知障礙物，還會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)移動(dòng)、新增的障礙物，此類障礙物的出現(xiàn)模式并不存在規(guī)律，此問題對(duì)電力巡檢機(jī)器人運(yùn)行安全存在直接威脅[3-4]。

劉勝等人曾將ACO-SA算法，用于變電站巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃問題中，此算法可由改進(jìn)的蟻群-模擬退火算法，完成機(jī)器人路徑全局規(guī)劃，但在復(fù)雜障礙場(chǎng)中避障效果還有待測(cè)試[5]；童梟軍等人在規(guī)劃表計(jì)讀數(shù)巡檢機(jī)器人巡檢路徑時(shí)，構(gòu)建可優(yōu)化巡檢效率的路徑規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)，并由蟻群優(yōu)化算法尋優(yōu)獲取路徑規(guī)劃方案，完成巡檢機(jī)器人路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)。但此方法路徑規(guī)劃僅適用于環(huán)境已知的工況之中，針對(duì)動(dòng)態(tài)、突然出現(xiàn)的障礙物而言，此方法是否具備路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃能力，還有待分析[6]。邱碩涵等人通過使用DStar算法來規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的最優(yōu)路徑，考慮到機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)可能會(huì)遇到障礙物或工作空間的干擾，因此在規(guī)劃路徑時(shí)充分考慮了避免碰撞的策略，從而降低了潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患，保障了機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的安全性[7]。鄭亞紅等人提出利用自適應(yīng)蒙特卡洛定位算法解決傳統(tǒng)蒙特卡洛算法中機(jī)器人綁架和粒子數(shù)固定問題，能夠?qū)崟r(shí)定位巡檢機(jī)器人的位置，并結(jié)合異常溫度檢測(cè)與報(bào)警算法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警溫度異常情況。與傳統(tǒng)蒙特卡洛算法相比，它能夠根據(jù)機(jī)器人實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)地調(diào)整粒子數(shù)的數(shù)量，減少了機(jī)器人綁架和定位不準(zhǔn)確的問題，提高了巡檢效率和精準(zhǔn)度，同時(shí)也保障了機(jī)器人行動(dòng)的安全性[8]。張志文等人采用了融合改進(jìn)A*算法和動(dòng)態(tài)窗口法的全局動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法。這種方法首先基于傳統(tǒng)A*算法，結(jié)合JPS算法對(duì)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展跳躍，從而提高了路徑規(guī)劃效率；其次，采用Floyd算法對(duì)規(guī)劃的路徑進(jìn)行平滑優(yōu)化，使得路徑更加平滑，減少了路徑的曲折度；最后，融合動(dòng)態(tài)窗口法，使得A*算法能夠進(jìn)行全局動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃[9]。但上述方法的路徑規(guī)劃效率及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效率不夠理想，還需要獲得更加智能化和高效的路徑規(guī)劃解決方案。

為此，本文研究面向復(fù)雜障礙場(chǎng)的電力巡檢機(jī)器人局部動(dòng)態(tài)融合路徑規(guī)劃方法。此方法結(jié)合復(fù)雜障礙場(chǎng)環(huán)境的特殊性，采用基于柵格法的復(fù)雜障礙場(chǎng)地圖生成方法，構(gòu)建面向復(fù)雜障礙場(chǎng)的電力巡檢環(huán)境地圖。結(jié)合所構(gòu)建地圖信息，采用基于局部動(dòng)態(tài)融合的電力巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃方法，通過改進(jìn)遺傳算法尋優(yōu)獲取最短路徑并結(jié)合時(shí)間彈性帶算法，在不同時(shí)刻根據(jù)機(jī)器人位姿信息，判斷機(jī)器人與動(dòng)態(tài)障礙物碰撞可能性，并通過彈性拉伸方式完成局部動(dòng)態(tài)融合的避障運(yùn)行。同時(shí)，還需要對(duì)局部動(dòng)態(tài)規(guī)劃路徑中機(jī)器人運(yùn)行方向與全局規(guī)劃路徑的一致性進(jìn)行分析和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人巡檢路徑，以確保其路徑規(guī)劃的準(zhǔn)確性和高效性。

1 電力巡檢機(jī)器人局部動(dòng)態(tài)融合路徑規(guī)劃方法

障礙物群體因運(yùn)行方式不同，且存在未知性，為此可將其看做復(fù)雜障礙場(chǎng)。面向復(fù)雜障礙場(chǎng)的電力巡檢環(huán)境中可能存在多種形狀的障礙物，如墻壁、陡坡、河流等。這些障礙物不僅影響了機(jī)器人的行進(jìn)速度，還可能引起機(jī)器人的碰撞和損壞。且巡檢環(huán)境可能包含多個(gè)場(chǎng)景，例如室內(nèi)外、高空等，不同場(chǎng)景的特點(diǎn)和巡檢難度都不一樣。需要針對(duì)不同場(chǎng)景做出相應(yīng)的適配和規(guī)劃。并且環(huán)境中障礙物和巡檢目標(biāo)的位置隨時(shí)間和空間的變化而改變，機(jī)器人需要實(shí)時(shí)感知環(huán)境并調(diào)整路徑規(guī)劃。為簡(jiǎn)略說明巡檢過程，將電力巡檢機(jī)器人所巡檢環(huán)境，近似成二維平面，則電力巡檢機(jī)器人在巡檢環(huán)境中，躲避多種障礙物問題，便可看成二維空間中穿越復(fù)雜障礙場(chǎng)問題。設(shè)置電力巡檢機(jī)器人在出發(fā)點(diǎn)至巡檢目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，途中會(huì)出現(xiàn)已知、未知障礙物群體，此類障礙物群體又分為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)障礙物，詳情如圖1所示。障礙物之間存在一定距離，可以作為電力巡檢機(jī)器人可通行路徑。

為此，在此巡檢環(huán)境中，想要保證電力巡檢機(jī)器人安全運(yùn)行至目標(biāo)點(diǎn)，必須動(dòng)態(tài)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的運(yùn)行路徑，在動(dòng)態(tài)避障的前提下，才能安全抵達(dá)目標(biāo)點(diǎn)[10]。為此，本文研究面向復(fù)雜障礙場(chǎng)的電力巡檢機(jī)器人局部動(dòng)態(tài)融合路徑規(guī)劃方法，此方法的核心方法主要分為復(fù)雜障礙場(chǎng)地圖生成、全局路徑規(guī)劃、局部動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃、巡檢路徑動(dòng)態(tài)融合規(guī)劃4種。

1.1 基于柵格法的復(fù)雜障礙場(chǎng)地圖生成方法

復(fù)雜障礙場(chǎng)地圖是指存在著多個(gè)不規(guī)則形狀的障礙物，如建筑物、道路障礙等，這些障礙物對(duì)于機(jī)器人的路徑規(guī)劃具有很大的影響。因此，將復(fù)雜障礙場(chǎng)中電力巡檢機(jī)器人巡檢環(huán)境進(jìn)行地圖建模，可以有效解決路徑規(guī)劃的問題。

柵格法是一種將二維或三維空間離散化的方法，可以將空間分成相等大小的小方格或小立方體，每個(gè)小格子或小立方體稱為一個(gè)柵格。在電力巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃問題中，柵格法可用于建立復(fù)雜障礙場(chǎng)地圖。在柵格法中，能把面向存在障礙場(chǎng)特征的巡檢地圖，分解成若干個(gè)小柵格，各個(gè)柵格狀態(tài)主要分為占用、空閑兩類。將障礙物生成為一個(gè)占用柵格，然后將機(jī)器人所在位置也生成為一個(gè)占用柵格，空閑柵格則表示機(jī)器人可以自由通過的區(qū)域。采用柵格法建立復(fù)雜障礙場(chǎng)地圖可以有效降低路徑規(guī)劃過程的難度，提高電力巡檢機(jī)器人工作效率和安全性[11]。

在本文研究?jī)?nèi)容中，把各個(gè)柵格信息，看做此柵格是否被障礙物占據(jù)的描述，如果此柵格中存在障礙物，那么此柵格概率值是0，電力巡檢機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，此柵格屬于不可行駛狀態(tài)；如果柵格不存在障礙物，此柵格便可通行[12]。

設(shè)置巡檢地圖柵格邊長(zhǎng)是M，結(jié)合M把面向復(fù)雜障礙場(chǎng)的電力巡檢環(huán)境，分解成若干矩形柵格，此時(shí)復(fù)雜障礙場(chǎng)的電力巡檢環(huán)境中，原始巡檢地圖便轉(zhuǎn)換為s行b列的柵格地圖。巡檢地圖里各柵格均描述為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并具備對(duì)應(yīng)序號(hào)編碼[13]。第j行第i列柵格序號(hào)是r(j，i)：

r(j，i)=j+(i-1)×i

(1)

其中：j∈[1，s]，i∈[1，b]。

(2)

結(jié)合柵格地圖劃分結(jié)果可知，某節(jié)點(diǎn)最多存在8個(gè)方向。因此，針對(duì)各個(gè)柵格而言，它和附近柵格序號(hào)相關(guān)性可表示為矩陣A。將方向順序以順時(shí)針角度分別設(shè)成右上、右、右下、下、左下、左、左上、上[15]。結(jié)合上文柵格序號(hào)編碼，便可構(gòu)建矩陣A：

A[-1，s-1，s，s+1，1，-s+1，-s，-s-1]

(3)

則柵格r的臨近柵格的序號(hào)cand(r)是：

cand(r)=r+A

(4)

但針對(duì)電力機(jī)器人巡檢地圖邊緣的柵格而言，因某些柵格的方向，會(huì)超出電力機(jī)器人巡檢地圖邊界線，使用式(4)運(yùn)算便會(huì)出現(xiàn)誤差。為此，設(shè)置上、下邊界柵格條件分別是mod(r，s)=1、mod(r，s)=0，mod是求余函數(shù)。左、右邊界柵格條件分別是1≤r≤s、(b-1)+1≤r≤s×b。若滿足此類條件，則柵格對(duì)應(yīng)方向的柵格序號(hào)便設(shè)成0，此方向?qū)儆谘矙z機(jī)器人不可行駛位置。

1.2 基于局部動(dòng)態(tài)融合的電力巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃方法

電力巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃問題，可看做機(jī)器人在執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)，從出發(fā)點(diǎn)運(yùn)行至目標(biāo)點(diǎn)的安全巡檢路徑規(guī)劃。在運(yùn)行過程中，除了已知障礙物之外，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)突發(fā)性障礙物，此類障礙物不存在已知性，且存在動(dòng)態(tài)性，若機(jī)器人不能躲避障礙物，便會(huì)出現(xiàn)碰撞事件，從而影響巡檢進(jìn)度[16]。為此，提出基于局部動(dòng)態(tài)融合的電力巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃方法，此方法首先利用全局規(guī)劃的方式，結(jié)合已知障礙物信息，規(guī)劃一個(gè)全局性的安全運(yùn)行路徑。然后由局部動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法，以動(dòng)態(tài)障礙物與機(jī)器人之間的距離作為路徑改變決策信息，完成局部路徑規(guī)劃，并分析局部路徑是否與全局路徑方向一致，完成巡檢路徑融合規(guī)劃。

1.2.1 全局路徑規(guī)劃

電力巡檢機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題，就是在1.1小節(jié)所構(gòu)建復(fù)雜障礙場(chǎng)地圖中，對(duì)柵格r及臨近柵格序號(hào)cand(r)進(jìn)行計(jì)算后，選定出一個(gè)點(diǎn)集Q={r1，r2，…，rm}，此點(diǎn)集即為電力巡檢機(jī)器人全局路徑規(guī)劃結(jié)果，r1，r2，…，rm是電力巡檢機(jī)器人出發(fā)點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間，m個(gè)路徑柵格序號(hào)。Q屬于復(fù)雜障礙場(chǎng)地圖中電力巡檢機(jī)器人巡檢所用的最短路徑點(diǎn)集[17]。

設(shè)置出發(fā)點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)分別是φ、ψ，隨機(jī)2個(gè)柵格之間距離，就是2個(gè)柵格中心點(diǎn)之間連線長(zhǎng)度，將其設(shè)成q：

(5)

其中：x、y表示柵格中心點(diǎn)橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)。

在Q中，首個(gè)柵格節(jié)點(diǎn)和最后一個(gè)柵格節(jié)點(diǎn)之間長(zhǎng)度，即為出發(fā)點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間全部可通行的路徑長(zhǎng)度最小值。為了在所構(gòu)建復(fù)雜障礙場(chǎng)地圖中檢索Q，本文使用改進(jìn)遺傳算法，結(jié)合復(fù)雜障礙場(chǎng)地圖中已知靜態(tài)障礙物所在柵格信息，遍歷尋優(yōu)獲取可安全運(yùn)行的最短巡檢路徑。

本文將遺傳算法改進(jìn)，引入刪除算子，則基于改進(jìn)遺傳算法的全局路徑規(guī)劃方法流程如下。

1)可通行路徑個(gè)體編碼：

電力巡檢機(jī)器人自出發(fā)點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，安全運(yùn)行的柵格路徑即為路徑個(gè)體，將此個(gè)體排序串聯(lián)的過程即為路徑個(gè)體編碼處理。將電力巡檢機(jī)器人在巡檢地圖中的路徑轉(zhuǎn)化為一串編碼，這個(gè)編碼可以分為兩部分：一個(gè)是表示路徑方向的編碼，另一個(gè)是表示路徑長(zhǎng)度的編碼。對(duì)于路徑方向的編碼，可以將巡檢地圖中的每個(gè)柵格按照其位置關(guān)系編上號(hào)，如將左上角的柵格編為1，右上角的柵格編為2，以此類推。然后將巡檢路徑上每個(gè)柵格的編碼連接起來，得到表示路徑方向的編碼。對(duì)于路徑長(zhǎng)度的編碼，可以將整個(gè)路徑的長(zhǎng)度進(jìn)行均分，將每個(gè)均分后的距離用二進(jìn)制編碼表示，用一個(gè)符號(hào)表示正負(fù)，表示路徑長(zhǎng)度的編碼。這樣，整個(gè)路徑編碼就由路徑方向編碼和路徑長(zhǎng)度編碼兩部分組成了，可以將其作為遺傳算法中的一個(gè)個(gè)體，進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化。

2)初始化種群：

在電力巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃中，初始種群即為路徑個(gè)體的集合。由于路徑個(gè)體存在的柵格節(jié)點(diǎn)數(shù)量和路徑長(zhǎng)度存在差異，因此在初始化種群的過程中，必須限定路徑柵格節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。這個(gè)數(shù)量可以根據(jù)電力巡檢機(jī)器人的巡檢需求和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)行設(shè)定。在生成路徑個(gè)體時(shí)，可以采取隨機(jī)生成的方法或者遺傳算法中的交叉變異策略生成[18]，生成的路徑個(gè)體需要保證在電力巡檢機(jī)器人的巡檢地圖上是合法的、安全的、可行的。在生成完路徑個(gè)體集合后，需要使用適應(yīng)度函數(shù)對(duì)每個(gè)個(gè)體進(jìn)行評(píng)價(jià)和排序，然后進(jìn)行選擇、交叉和變異等操作，生成下一代種群。通過多次迭代，最終得到最優(yōu)解，即最優(yōu)路徑規(guī)劃方案。

3)適應(yīng)度函數(shù)：

適應(yīng)度函數(shù)對(duì)電力巡檢機(jī)器人全局路徑規(guī)劃效果存在直接影響，在本文研究?jī)?nèi)容中，最短巡檢路徑需要存在連貫性，為此，適應(yīng)度函數(shù)是：

(6)

4)遺傳算子：

遺傳處理過程的核心問題是設(shè)置合理的遺傳算子[19]，才能保證巡檢路徑不出現(xiàn)冗余路徑。為此，改進(jìn)遺傳算法使用刪除算子處理冗余柵格點(diǎn)。具體算子詳情如下：

(1)選擇算子

選擇算子可在種群中提取優(yōu)秀個(gè)體，主要根據(jù)個(gè)體適應(yīng)度篩選可通行的柵格路徑個(gè)體。

(2)交叉算子

引入兩點(diǎn)交叉算子，由此算子執(zhí)行路徑編碼，能夠在2點(diǎn)交叉的操作下，保證巡檢路徑連通性。

(3)變異算子

電力巡檢機(jī)器人運(yùn)行過程中，為保證尋優(yōu)的路徑柵格節(jié)點(diǎn)適應(yīng)度始終最優(yōu)，需要使用變異算子執(zhí)行變異，如果變異算子數(shù)值隨機(jī)設(shè)置，便會(huì)導(dǎo)致巡檢路徑可靠性變差，為此，本文在適應(yīng)度最顯著的路徑柵格點(diǎn)八鄰域中，隨機(jī)選擇可通行的柵格點(diǎn)，運(yùn)算此區(qū)域柵格點(diǎn)適應(yīng)度，把適應(yīng)度最大柵格點(diǎn)作為通行路徑。

(4)刪除算子

遍歷全部路徑個(gè)體，結(jié)合路徑個(gè)體之間的連通性，分析是否存在冗余路徑，由刪除算子去除冗余路徑后，運(yùn)算可通行柵格節(jié)點(diǎn)適應(yīng)度。

5)分析迭代次數(shù)是否為最大值，如果滿足最大次數(shù)，便可輸出目前適應(yīng)度函數(shù)最優(yōu)路徑個(gè)體，將此路徑個(gè)體最為電力巡檢機(jī)器人全局路徑規(guī)劃結(jié)果。

1.2.2 局部動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃

使用時(shí)間彈性帶算法完成機(jī)器人局部動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃，時(shí)間彈性帶算法是一種基于不同時(shí)刻機(jī)器人位姿信息結(jié)合距離閾值判斷的路徑規(guī)劃算法[20]，用于避免機(jī)器人與動(dòng)態(tài)障礙物發(fā)生碰撞。該算法考慮了機(jī)器人、動(dòng)態(tài)障礙物和全局規(guī)劃路徑之間的時(shí)態(tài)關(guān)系，將全局規(guī)劃路徑實(shí)施彈性拉伸，以實(shí)現(xiàn)避障運(yùn)行。將全局規(guī)劃路徑分成若干段連通區(qū)域，將區(qū)域中的每個(gè)點(diǎn)和動(dòng)態(tài)障礙物進(jìn)行距離判斷，判斷是否有可能會(huì)出現(xiàn)碰撞，確定每個(gè)區(qū)域的時(shí)間帶大小，以確保機(jī)器人在路徑上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，避開動(dòng)態(tài)障礙物，但又不會(huì)偏離全局規(guī)劃路徑，對(duì)路徑進(jìn)行彈性拉伸，使機(jī)器人在避開動(dòng)態(tài)障礙物的同時(shí)，能夠在一定程度上保持運(yùn)動(dòng)的原始方向和速度。

設(shè)置電力巡檢機(jī)器人為質(zhì)點(diǎn)，其偏轉(zhuǎn)角是，則：

(7)

其中：(xφ，yφ)、(xψ，yψ)分別是電力巡檢機(jī)器人巡檢時(shí)出發(fā)點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。

局部動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃時(shí)，設(shè)置電力巡檢機(jī)器人時(shí)刻的位姿坐標(biāo)是Bt=[xt，yt，βt]，則t+1時(shí)刻位姿與t時(shí)刻的時(shí)間差是Δt。

局部動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃的重點(diǎn)是躲避新增的、動(dòng)態(tài)的未知障礙物。為此，先結(jié)合各時(shí)刻電力巡檢機(jī)器人激光雷達(dá)，所檢測(cè)的其和障礙物之間距離et，距離閾值e0=0.5m，若電力巡檢機(jī)器人和障礙物之間距離超過距離閾值，機(jī)器人按照全局規(guī)劃路徑運(yùn)行，無需改變路徑，若小于距離閾值，便需要改變路徑，此時(shí)路徑改變方法是：

(8)

其中：r′、δ分別是路徑改變后的柵格節(jié)點(diǎn)、復(fù)雜障礙場(chǎng)出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)障礙物數(shù)目。

巡檢路徑改變后，巡檢機(jī)器人運(yùn)行軌跡也出現(xiàn)變化，所以不可以按照原始線速度與角速度運(yùn)行，此時(shí)機(jī)器人線速度Vx、角速度Vy是：

(9)

(10)

1.2.3 面向復(fù)雜障礙場(chǎng)的巡檢路徑動(dòng)態(tài)融合規(guī)劃

實(shí)時(shí)檢測(cè)局部動(dòng)態(tài)規(guī)劃路徑下，機(jī)器人運(yùn)行方向是否與全局規(guī)劃路徑一致，是為了確保機(jī)器人能夠按照全局規(guī)劃路徑順利到達(dá)目的地。若出現(xiàn)差異，說明機(jī)器人遇到了一些障礙物或者運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)了異常，便需要運(yùn)算出現(xiàn)差異時(shí)，目前路徑所在柵格節(jié)點(diǎn)鄰域的所有可通行路徑柵格節(jié)點(diǎn)，與目前機(jī)器人位置節(jié)點(diǎn)的距離ea，以及運(yùn)算所有可通行路徑節(jié)點(diǎn)與巡檢目標(biāo)點(diǎn)的距離eb，將ea與eb相加，提取數(shù)值最小路徑節(jié)點(diǎn)作為下一步運(yùn)行路徑，以此循環(huán)，直到電力巡檢機(jī)器人安全抵達(dá)目標(biāo)點(diǎn)便可停止，完成巡檢機(jī)器人巡檢路徑動(dòng)態(tài)融合規(guī)劃。

在機(jī)器人運(yùn)行過程中，需要不斷檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方向和全局規(guī)劃路徑是否一致，并及時(shí)做出動(dòng)態(tài)規(guī)劃調(diào)整，以確保機(jī)器人能夠順利到達(dá)目的地，同時(shí)還需要考慮各種異常情況，如突發(fā)的障礙物出現(xiàn)或者機(jī)器人運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)異常等，及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整，保證電力巡檢機(jī)器人的安全和巡檢效率。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為分析本文方法使用效果，將某變電站作為本文方法的路徑規(guī)劃目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境詳情如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境詳情

本文方法使用基于柵格法的復(fù)雜障礙場(chǎng)地圖生成方法，將此變電站巡檢環(huán)境進(jìn)行建模，生成復(fù)雜障礙場(chǎng)地圖，詳情如圖2所示。

圖2 復(fù)雜障礙場(chǎng)地圖

其中，黑色與白色分別代表存在障礙物位置、可通行柵格位置。

表2 是實(shí)驗(yàn)所用機(jī)器人的性能指標(biāo)詳情

實(shí)驗(yàn)中的電力巡檢機(jī)器人出廠性能參數(shù)、實(shí)驗(yàn)規(guī)劃參數(shù)如表3所示。

表3 機(jī)器人出廠性能參數(shù)、實(shí)驗(yàn)規(guī)劃參數(shù)

本文方法對(duì)此機(jī)器人全局規(guī)劃路徑如圖3所示。

圖3 全局規(guī)劃路徑

在此障礙場(chǎng)中加入動(dòng)態(tài)障礙物，則本文算法結(jié)合圖3的全局規(guī)劃路徑信息，啟動(dòng)局部動(dòng)態(tài)融合規(guī)劃，規(guī)劃結(jié)果如圖4所示。

圖4 局部動(dòng)態(tài)融合規(guī)劃路徑

如圖4所示，本文方法能夠結(jié)合復(fù)雜障礙場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，自適應(yīng)規(guī)劃巡檢人的避障運(yùn)行路徑，機(jī)器人未與多障礙物出現(xiàn)碰撞，本文方法的局部動(dòng)態(tài)融合規(guī)劃效果較好。

圖5是本文方法使用前后，巡檢機(jī)器人巡檢過程中避障耗時(shí)。

圖5 路徑規(guī)劃前后巡檢機(jī)器人避障耗時(shí)變化

分析圖5可知，本文方法使用前后，巡檢機(jī)器人安全完成巡檢任務(wù)時(shí)，避障耗時(shí)出現(xiàn)明顯變化，本文方法規(guī)劃路徑后，巡檢機(jī)器人避障耗時(shí)縮短，可提高電力巡檢機(jī)器人避障速度約300%。

設(shè)置如表4所示多種復(fù)雜障礙場(chǎng)的巡檢工況，對(duì)比分析本文方法使用前后，電力巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃長(zhǎng)度、障礙物碰撞次數(shù)變化，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表4 多種復(fù)雜障礙場(chǎng)的巡檢工況詳情

表5 路徑規(guī)劃長(zhǎng)度、障礙物碰撞次數(shù)對(duì)比結(jié)果

分析表5對(duì)比結(jié)果可知，本文方法使用前，多種復(fù)雜障礙場(chǎng)的巡檢工況中，電力巡檢機(jī)器人巡檢路徑長(zhǎng)度均比本文方法規(guī)劃路徑長(zhǎng)，本文方法使用后，巡檢路徑長(zhǎng)度縮短值最高達(dá)6m，原因是本文方法能夠?qū)⑷致窂揭?guī)劃與局部動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃相融應(yīng)用，減少機(jī)器人避障路徑重復(fù)運(yùn)行，且在全局路徑規(guī)劃時(shí)，引入刪除算子改進(jìn)了遺傳算法，有效刪除巡檢環(huán)境地圖中冗余路徑。障礙物碰撞次數(shù)分析可知，本文方法所規(guī)劃路徑能夠?qū)⑴鲎泊螖?shù)控制為0次，和使用本文方法前相比，電力巡檢機(jī)器人運(yùn)行安全性得到保證。

3 結(jié)束語

巡檢是電力變電站核心任務(wù)之一，以往電力巡檢任務(wù)主要由工作人員親自完成，此種巡檢方式巡檢效果會(huì)受工作人員身體狀態(tài)所影響，且變電站面積較大，人工巡檢耗時(shí)過多，導(dǎo)致電力巡檢效率低。而本文研究了一種面對(duì)復(fù)雜障礙場(chǎng)的電力巡檢機(jī)器人局部動(dòng)態(tài)融合路徑規(guī)劃方法，從全局、局部規(guī)劃角度，將靜態(tài)避障、動(dòng)態(tài)避障技術(shù)相結(jié)合，完成電力巡檢機(jī)器人局部動(dòng)態(tài)融合的避障巡檢路徑規(guī)劃，保證機(jī)器人安全完成巡檢任務(wù)。這種方法可以為電力巡檢提供更加智能化、高效的路徑規(guī)劃解決方案，提高機(jī)器人避障效率，且不會(huì)出現(xiàn)碰撞問題，可大大提高機(jī)器人路徑規(guī)劃的精度和速度，具備可用價(jià)值。