本發(fā)明涉及自動避障，尤其是涉及一種變電站巡檢機器人自動避障方法。

背景技術(shù)：

變電站設(shè)備巡檢機器人以自主或遙控的方式，在無人值守或少人值守的變電站對室外高壓設(shè)備進行巡檢，可及時發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的熱缺陷、異物懸掛等設(shè)備異?，F(xiàn)象。可以根據(jù)操作人員在基站的任務(wù)操作或預(yù)先設(shè)定的任務(wù)，自動進行變電站內(nèi)的全局路徑規(guī)劃，通過攜帶的各種傳感器，完成變電站設(shè)備的圖像巡檢、設(shè)備儀表的自動識別、一次設(shè)備的紅外檢測等，并記錄設(shè)備信息，提供異常報警。

在變電站巡檢機器人相關(guān)技術(shù)研究中，避障技術(shù)屬于其核心技術(shù)，是實現(xiàn)智能化自主移動的關(guān)鍵技術(shù)。目前常見的避障方式主要依靠超聲波傳感器或紅外傳感器感知障礙物以實現(xiàn)避障。存在著傳感器數(shù)目少，避障方案單一，效率低的問題。同時傳統(tǒng)避障裝置未考慮環(huán)境溫度對超聲波傳播速度的影響，設(shè)置單一的超聲波傳播速度存在誤差；紅外傳感器易受可見光干擾，影響避障精度和可靠性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決上述缺陷，提供一種避障精度高和穩(wěn)定性好的變電站巡檢機器人避障方法及系統(tǒng)。

本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的：

一種電變電站巡檢機器人自動避障方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，判斷是否需要避障：具體是識別障礙物的類別，區(qū)分生物和非生物，并根據(jù)識別結(jié)果執(zhí)行以下步驟：

當識別結(jié)果顯示障礙物為生物時，發(fā)出警告，車載紅燈閃爍，向人示意離開或是驅(qū)散動物；若人或動物離開，巡檢機器人不進行避障操作，執(zhí)行步驟2；

若障礙物依然在巡檢機器人設(shè)定路線上，影響巡檢機器人正常作業(yè)，巡檢機器人執(zhí)行避障操作；執(zhí)行步驟2；

步驟2，進行模式切換，即由導(dǎo)航模式切換至避障模式，或由避障模式切換至導(dǎo)航模式，所述導(dǎo)航模式是在正常情況下，巡檢機器人按照導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)定的路線進行巡檢工作，具體是：

在當識別出前方有障礙物，發(fā)出警告，障礙物離開后，繼續(xù)進行導(dǎo)航模式；

在當識別出前方有障礙物，發(fā)出警告，障礙物依然在巡檢機器人設(shè)定路線上，導(dǎo)航模式關(guān)閉，巡檢機器人不再按照原設(shè)定路線行駛，進入避障模式；

當巡檢機器人避開障礙物后，重新開啟導(dǎo)航模式，進行路線矯正，重新回到原設(shè)定路線上；

步驟3，進行障礙物優(yōu)先級劃分，具體是按照時間距離T，即巡檢機器人到達障礙物所用時間，來劃分障礙物優(yōu)先級；時間距離T越小，避障優(yōu)先級越高；巡檢機器人優(yōu)先躲避級別高的障礙物，具體是：

車載激光雷達發(fā)射激光束，遇到障礙物后返回，記下初發(fā)射時刻t₁，遇到障礙物后返回，接收端接收到返回的激光束后，記下接收時刻t₂，由發(fā)射到接收所用時間計算出巡檢機器人到障礙物的距離ρ₁，

$\mathrm{\ρ}\frac{1}{2}\×(t_2-t_1)\×c\left(m\right)---1-1$

c為真空中光速，這里取值為2.9979×10⁸m/s；

以巡檢機器人所在位置為原點，車頭正前方為θ＝90°方向，建立極坐標系；記下發(fā)射超聲波時刻云臺的旋轉(zhuǎn)角度θ₁，該時刻障礙物的位置信息為(ρ₁，θ₁)；激光雷達云臺每隔100ms旋轉(zhuǎn)一周，第二次測得的同一障礙物的位置信息為(ρ₂，θ₂)；考慮到變電站巡檢機器人的運動速度遠遠小于光速，在100ms時間間隔內(nèi)機器人的位移忽略不計，則以巡檢機器人為圓心，障礙物(i)的法向速度v_i如下：

$v_i=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{i2}-{\mathrm{\ρ}}_{i1}}{\mathrm{\Δ}t}(m/s)---1-2$

Δt為相鄰兩次發(fā)射激光束的時間間隔，這里取值為100ms；障礙物以v_i的法向速度，沿θ₁到θ₂方向朝巡檢機器人運動；

步驟4，確定障礙物的位置和大小，避開障礙物；正常情況下，巡檢機器人靠右行駛；遇到障礙物后，從障礙物左側(cè)順時針沿障礙物運動，到達障礙物前方后結(jié)束避障操作；若從左側(cè)無法繞過障礙物，巡檢機器人則從障礙物右側(cè)逆時針方向繞過障礙物。

在上述的一種電變電站巡檢機器人自動避障方法，所述步驟1中，識別生物和非生物的具體方法為：

巡檢機器人攜帶紅外溫度傳感器，識別周圍物體的溫度；哺乳類動物和鳥類動物體溫恒定，大約在37℃左右；紅外溫度傳感器識別出人或動物阻礙巡檢機器人運動后，車載紅燈閃爍，向人示意離開或是驅(qū)散動物；當障礙物離開后，巡檢機器人按原設(shè)定路線繼續(xù)巡視；

在上述的一種電變電站巡檢機器人自動避障方法，所述步驟3中，

當激光雷達同時發(fā)現(xiàn)多個障礙物時，優(yōu)選主要目標進行監(jiān)控；設(shè)定有效監(jiān)控半徑R₂＝10m，距離巡檢機器人超過10m的障礙物目標不監(jiān)控；同時設(shè)定核心監(jiān)控半徑R₁＝2m，重點監(jiān)控核心半徑內(nèi)的障礙物目標；對于重點監(jiān)控半徑內(nèi)的障礙物，優(yōu)先躲避距離最近的障礙物；

巡檢機器人以不同速度向障礙物行駛的危險程度不同，本發(fā)明定義“時間距離”T，將不同速度接近障礙物的情況統(tǒng)一起來；v_o表示巡檢機器人的運動速度，v₁表示障礙物1向巡檢機器人運動的法向速度(計算方法見公式1-2)，ρ₁表示巡檢機器人到障礙物1的距離，T₁表示巡檢機器人到障礙物的時間距離，T₁的計算方法如下：

$T_1\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{v_0+v_1}\left(s\right)---1-3$

當障礙物靠近巡檢機器人時，v_i取正值；當障礙物遠離巡檢機器人時，v_i取負值；按照時間距離由小到大依次排序，設(shè)定時間距離最小的躲避優(yōu)先級最高，當同時存在多個障礙物時，首先躲避優(yōu)先級高的障礙物。

在上述的一種電變電站巡檢機器人自動避障方法，所述步驟3中，當巡檢機器人開始執(zhí)行避障后，如果巡檢機器人到各障礙物的時間距離發(fā)生變化，按照新的時間距離大小關(guān)系設(shè)定新的優(yōu)先級來躲避障礙物。

在上述的一種電變電站巡檢機器人自動避障方法，所述步驟4中，繞過障礙物的路線規(guī)劃為：

激光雷達實時探測巡檢機器人到障礙物的距離d，巡檢機器人以d＝30cm的弧線繞障礙物運動；當避障通道狹窄，不滿足d＝30cm時，從d＝30cm逐漸減小d直至符合通道條件，d的最小值d_min＝10cm；具體步驟如下：

首先測量左側(cè)通道寬度d_左，如圖2；由余弦定理得

設(shè)巡檢機器人車身寬度為W，當d_左≥W+d_min時，巡檢機器人從障礙物左側(cè)順時針繞過障礙物，如圖4；

若d_左＜W+d_min時，測量右側(cè)通道寬度d_右，如圖3；若同時d_右≥W+d_min，巡檢機器人從障礙物右側(cè)逆時針繞過障礙物；

若d_左＜W+d_min且d_右＜W+d_min時，巡檢機器人發(fā)出報警信號，請求變電站工作人員清理路障。

因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：1.采用激光雷達掃描巡檢機器人周邊障礙物信息，和超聲波傳感器和紅外傳感器等傳感器相比，不易受溫度和可見光干擾，距離和方位信息探測精度更高；2.首先判斷障礙物類別，當障礙物為人和動物時，通過燈光信號提示人離開或驅(qū)散動物，此時巡檢機器人不需要避障，避免對正常作業(yè)的干擾；3.提出時間距離的概念，相比空間距離還可以反應(yīng)出巡檢機器人相對障礙物速度信息，方便設(shè)定避障優(yōu)先級，提高避障效率和精度。

附圖說明

圖1是巡檢機器人激光雷達監(jiān)控障礙物的示意圖。

圖2是巡檢機器人測量左側(cè)通道寬度的示意圖。

圖3是巡檢機器人測量右側(cè)通道寬度的示意圖。

圖4是巡檢機器人從障礙物左側(cè)躲避路障的示意圖。

圖5是本發(fā)明的一種工作流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明技術(shù)方案進行具體描述。

第一步：判斷是否需要避障。本發(fā)明中巡檢機器人在進行自動避障前，首先判斷障礙物的類別，區(qū)分生物和非生物，決定是否需要躲避。當識別結(jié)果顯示障礙物為生物時，車載紅燈閃爍，向人示意離開或是驅(qū)散動物。若人或動物離開，巡檢機器人不進行避障操作；若障礙物依然在巡檢機器人設(shè)定路線上，影響巡檢機器人正常作業(yè)，巡檢機器人執(zhí)行避障操作。識別生物和非生物的具體方法為：

在變電站中，人或動物可能會處于巡檢機器人巡檢路線上，影響巡檢機器人工作。巡檢機器人攜帶紅外溫度傳感器，識別周圍物體的溫度。哺乳類動物和鳥類動物體溫恒定，大約在37℃左右。紅外溫度傳感器識別出人或動物阻礙巡檢機器人運動后，車載紅燈閃爍，向人示意離開或是驅(qū)散動物。當障礙物離開后，巡檢機器人按原設(shè)定路線繼續(xù)巡視。

第二步：導(dǎo)航模式和避障模式切換。正常情況下，巡檢機器人處于導(dǎo)航模式，即按照導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)定的路線進行巡檢工作；當識別出前方有障礙物需要避障時，導(dǎo)航模式關(guān)閉，巡檢機器人不再按照原設(shè)定路線行駛，進入避障模式；當巡檢機器人避開障礙物后，重新開啟導(dǎo)航模式，進行路線矯正，重新回到原設(shè)定路線上。再次遇到障礙物則重復(fù)上述操作。

導(dǎo)航系統(tǒng)為獨立的功能模塊，不在本發(fā)明的說明范圍內(nèi)。

第三步：障礙物優(yōu)先級劃分。

巡檢機器人進入避障模式后，首先識別障礙物是運動物體還是靜止物體，若是運動物體則計算物體的運動速度。具體方法如下：

車載激光雷達發(fā)射激光束，遇到障礙物后返回，記下發(fā)射時刻，遇到障礙物后返回，接收端接收到返回的激光束后，記下接收時刻t₂，由發(fā)射到接收所用時間計算出巡檢機器人到障礙物的距離ρ₁，

$\mathrm{\ρ}\frac{1}{2}\×(t_2-t_1)\×c\left(m\right)---1-1$

c為真空中光速，這里取值為2.9979×10⁸m/s。

以巡檢機器人所在位置為原點，車頭正前方為θ＝90°方向，建立極坐標系。記下發(fā)射超聲波時刻云臺的旋轉(zhuǎn)角度θ₁，該時刻障礙物的位置信息為(ρ₁，θ₁)。激光雷達云臺每隔100ms旋轉(zhuǎn)一周，第二次測得的同一障礙物的位置信息為(ρ₂，θ₂)?？紤]到變電站巡檢機器人的運動速度遠遠小于光速，在100ms時間間隔內(nèi)機器人的位移忽略不計，則以巡檢機器人為圓心，障礙物(i)的法向速度v_i如下：

$v_i=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{i2}-{\mathrm{\ρ}}_{i1}}{\mathrm{\Δ}t}(m/s)---1-2$

Δt為相鄰兩次發(fā)射激光束的時間間隔，這里取值為100ms。障礙物以v_i的法向速度，沿θ₁到θ₂方向朝巡檢機器人運動。

進一步的，激光雷達可同時發(fā)現(xiàn)多個障礙物。為了減輕處理器運算量，提高工作效率，優(yōu)選主要目標進行監(jiān)控。設(shè)定有效監(jiān)控半徑R₂＝10m，距離巡檢機器人超過10m的障礙物目標不監(jiān)控。同時設(shè)定核心監(jiān)控半徑R₁＝2m，重點監(jiān)控核心半徑內(nèi)的障礙物目標。對于重點監(jiān)控半徑內(nèi)的障礙物，優(yōu)先躲避距離最近的障礙物。

巡檢機器人以不同速度向障礙物行駛的危險程度不同，本發(fā)明定義“時間距離”T，將不同速度接近障礙物的情況統(tǒng)一起來。v_o表示巡檢機器人的運動速度，v₁表示障礙物1向巡檢機器人運動的法向速度(計算方法見公式1-2)，ρ₁表示巡檢機器人到障礙物1的距離，T₁表示巡檢機器人到障礙物的時間距離，T₁的計算方法如下：

$T_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{v_0+v_1}\left(s\right)---1-3$

具體的，當障礙物靠近巡檢機器人時，v_i取正值；當障礙物遠離巡檢機器人時，v_i取負值。

按照上述規(guī)則，進行障礙物優(yōu)先級劃分。例如，障礙物1、障礙物2、障礙物3的時間距離分別為T₁、T₂、T₃，T₁＜T₂＜T₃。則障礙物1的躲避優(yōu)先級為1，障礙物2的躲避優(yōu)先級為2，障礙物3的躲避優(yōu)先級為3。當同時存在多個障礙物時，首先躲避優(yōu)先級高的障礙物。

進一步的，當巡檢機器人開始執(zhí)行避障后，如果巡檢機器人到各障礙物的時間距離發(fā)生變化，按照新的時間距離大小關(guān)系設(shè)定新的優(yōu)先級來躲避障礙物。

本發(fā)明設(shè)定時間距離T＝5s為減速臨界值，T＝2s為緊急停車臨界值。當時間距離T<5s時，電機通過脈沖寬度調(diào)制減速至0.4m/s。使用方可根據(jù)變電站具體場地環(huán)境調(diào)整上述速度值。

第四步，確定障礙物的位置和大小，避開障礙物。正常情況下，巡檢機器人靠右行駛。遇到障礙物后，從障礙物左側(cè)順時針沿障礙物運動，到達障礙物前方后結(jié)束避障操作。若從左側(cè)無法繞過障礙物，巡檢機器人則嘗試從障礙物右側(cè)逆時針方向繞過障礙物。

繞過障礙物的路線規(guī)劃為：激光雷達實時探測巡檢機器人到障礙物的距離d，巡檢機器人以d＝30cm的弧線繞障礙物運動。當避障通道狹窄，不滿足d＝30cm時，從d＝30cm逐漸減小d直至符合通道條件，d的最小值d_min＝10cm。具體步驟如下：

首先測量左側(cè)通道寬度d_左，如圖2。由余弦定理得

設(shè)巡檢機器人車身寬度為W，當d_左≥W+d_min時，巡檢機器人從障礙物左側(cè)順時針繞過障礙物，如圖4。

若d_左＜W+d_min時，測量右側(cè)通道寬度d_右，如圖3。若同時d_右≥W+d_min，巡檢機器人從障礙物右側(cè)逆時針繞過障礙物。

若d_左＜W+d_min且d_右＜W+d_min時，巡檢機器人發(fā)出報警信號，請求變電站工作人員清理路障。

本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。