本发明专利技术公开了一种基于拓扑点分类的巡检机器人全局路径规划方法及系统，考虑到变电站内机器人巡检路径均为直线路径，设备区外机器人停靠点较少，而设备区内机器人停靠点则均在同一直线路径上，基于这一特性而设计的全局路径规划方法，可有效降低路径规划计算和存储消耗，满足机器人根据特殊巡检任务在线规划机器人行驶路径的需求；通过停靠点的拓扑点据所属路径进行分类合并，建立对应拓扑点的有向图数据结构，之后在路径规划时则仅将机器人当前位置与目标位置拓扑点插入该有向图数据结构，可显著降低参与计算的拓扑点数量，提高了路径规划的计算效率并降低对存储空间的消耗。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于拓扑点分类的巡检机器人全局路径规划方法及系统。
技术介绍
变电站巡检机器人是一种全自主运行的地面移动机器人，其可携带可见光摄像 机、红外热像仪、拾音器等传感器对电力设备进行自动巡检，有效降低人工巡检的劳动强 度，保障站内设备安全运行。 在变电站常规巡检过程中，巡检机器人需要沿巡检任务规定路线在站内运行，并 在一系列预先设定的停靠点处进行停靠以完成对电力设备的检测，但在变电站顺控或其它 突发情况发生时，机器人需执行特殊巡检任务，此时需要规划机器人运行路线以得到机器 人当前位置与目标位置间的最短路径，保证机器人迅速到达站内指定位置进行检测。 专利201110216379. 6公布了一种基于磁导航变电站巡检机器人的全局路径规划 方法，该方法通过对机器人运行路线上的停靠点及路径交叉点抽象为有向图数据结构的节 点，之后利用Floyd(弗洛伊德）路径搜索算法计算环境模型拓扑地图中各节点间的最短路 径，实现了机器人在站内顺控操作执行特殊巡检任务时沿最短路径运行，但该方法实际使 用过程中还面临以下问题： (1)该方法计算所有节点间任意两点的最短路径并存储，由于所用算法需要三重 循环实现，这样算法运行时间与参与计算路径点数量的3次方成正比，而变电站内机器人 停靠点一般数量较大，从而使参与计算的拓扑点也较多，导致该方法最短路径搜索效率不 高，同时计算得到的最短路径的所需存储量也较大； (2)变电站某些突发情况发生时，可能需要机器人迅速到达站内临时设定的停靠 点执行检测任务，鉴于（1)所述原因，该方法只能采用离线方式计算节点间的最短路径，一 旦计算并存储完成，每一个新节点的加入都必须对所有节点重新计算和存储，之后才能输 出针对新加入节点的最短路径，因此难以实现对机器人巡检路径的在线规划。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种基于拓扑点分类的巡检机器人全局路径规 划方法及系统，本方法可有效降低路径规划计算和存储消耗，满足机器人根据特殊巡检任 务在线规划机器人行驶路径的需求。 为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案： 一种基于拓扑点分类的巡检机器人全局路径规划方法，包括以下步骤： (1)在机器人运行路线上建立拓扑点； ⑵对所有拓扑点按路径分类，得到不同的拓扑点集合，并将每个集合中包含的所 有拓扑点合并形成一个合并点； (3)基于上述系建立以每条路径起点、终点和合并点为节点的有向图数据结构，确 定拓扑点之间的弧长； (4)当需要进行最短路径规划时，依据巡检任务给定的机器人当前位置和目标点 位置，并寻找有向图中对应的拓扑点，并判断两个拓扑点所属集合； (5)如果机器人当前位置和目标点位置所对应拓扑点属于同一拓扑点集，则表示 机器人当前位置和目标点属于同一路径，此时无需执行复杂的路径规划算法，直接判定这 两点的相对位置关系，并输出至巡检机器人执行；否则，执行步骤（6); (6)根据步骤（4)确定机器人当前位置和目标点距各自所属路径起点与终点间距 离，更新该路径上合并点与路径起点和终点之间弧的权值； (7)计算巡检机器人当前点与目标点之间的最短路径，并输出至机器人执行。 所述步骤（1)中，建立拓扑点，将机器人运行路线上的停靠点及路径交叉点抽象 为有向图数据结构的拓扑点。 所述步骤⑵的具体方法为：将拓扑点按路径分类，具体包括： (2-1)将巡检路线划分为巡检路径集合，每条巡检路径只通过起点和终点与其他 路径连接； (2-2)将所有停靠点的拓扑点据所属路径进行分类，得到每条路径包含的拓扑点 集合，将该集合中的所有拓扑点合并，形成一个合并点，后续路径规划过程中合并点可以表 示该路径上拓扑点集合内的任意一个拓扑点，参与路径规划计算。 所述步骤（3)的具体方法为：建立以每条路径起点、终点和合并点为节点的有 向图数据结构G = (V，A)，其中V为有向图数据结构包含的拓扑点集，假设有η个点，则 F = {t/ I h 1，2·，· ，Vi表示第i个拓扑点，而a则表示两拓扑点之间的弧集，每条弧的 初始权值按下述步骤确定： (a)每条路径起点和终点对应拓扑点间弧的权值初始化为该条路径的长度； (b)合并点对应拓扑点与所属路径起点和终点对应拓扑点间弧的权值初始化为 00O 所述步骤（3)中，形成的有向图数据结构以临接矩阵方式进行存储，临接矩阵中 A 表示弧< Vi，'>的权值，若弧< V i，'>不存在或按合并点初始化权值设置则置 A 为°°，其中i, j = 1，2,…，n，弧< Vi, ν」>表示为拓扑点V占 V」之间的弧。 所述步骤（4)中，当需要进行最短路径规划时，依据巡检任务给定的机器人当前 位置和目标点位置，并寻找有向图中对应的拓扑点\和V 判定这两点所属步骤2建立的 每条路径包含拓扑点的集合。 所述步骤（7)中，所述路径规划算法为Dijkstra (迪杰斯特拉）算法，具体执行步 骤包括： (7-1)定义S为已找到从机器人当前位置拓扑点\出发的最短路径的终点集合， 它的初始状态为空集，那么从Vs出发到有向图上其余各顶点Vt可能达到的最短路径长度 D 的初始值为： D = A vse V, s, t = I, 2, ···, η (7_2)选择 vt，使得 D = min {D I vs e V-S} \就是当前求得的一条从^出发的最短路径的终点，之后令S = S U {t}，从而将 拓扑点t存入最短路径终点集合； (7-3)修改从Vs出发到集合V-S上任意一个顶点V k达到的最短路径长度D ，如 果 D +A < D ，则修改 D 为 D = D +A (7-4)重复操作（7-2) (7-3)，由此求得从vs到有向图上其余各拓扑点的最短路 径，之后依据目标点位置信息从S中选择机器人从当前点至该点最短路径所包含的拓扑点 集合，从而完成巡检机器人路径规划。 一种应用上述方法的全局路径规划系统，包括基站控制模块、路径规划模块、运动 控制模块和电机驱动模块，其中： 所述基站控制模块，用于存储巡检机器人巡检路线包含的所有停靠点及路径交叉 点位置信息，常规巡检时期巡检任务直接下发巡检路径信息至运动控制模块执行，特殊巡 检时则下发至路径规划模块； 所述路径规划模块，用于接收机器人基站控制模块下发的依据巡检任务，搜索巡 检任务最短路径，并将需运行路径下发至运动控制模块执行； 所述运动控制模块，用于依据下发的需运行路径信息生成电机控制量，并下发至 电机驱动模块； 所述电机驱动模块，用于接收运动控制模块的生成的电机控制量，依据电机轴编 码器信号闭环控制控制巡检机器人驱动轮伺服电机，实现机器人在变电站内运行。 本专利技术的有益效果为： (1)通过停靠点的拓扑点据所属路径进行分类合并，建立对应拓扑点的有向图数 据结构，之后在路径规划时先判断机器人当前位置与目标位置是否属于同一路径，若属同 一路径则无需复杂路径规划计算即可直接得到机器人运行路径，若不属同一路径则仅将机 器人当前位置与目标位置拓扑点插入该有向图数据结构，计算方法简便，显著降低参与计 算的拓扑点数量； (2)考虑到变电站内机器人巡检路径均为直线路径，设备区外机器人停靠点较少， 而设备区内机本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于拓扑点分类的巡检机器人全局路径规划方法，其特征是：包括以下步骤：(1)在机器人运行路线上建立拓扑点；(2)对所有拓扑点按路径分类，得到不同的拓扑点集合，并将每个集合中包含的所有拓扑点合并形成一个合并点；(3)基于上述系建立以每条路径起点、终点和合并点为节点的有向图数据结构，确定拓扑点之间的弧长；(4)当需要进行最短路径规划时，依据巡检任务给定的机器人当前位置和目标点位置，并寻找有向图中对应的拓扑点，并判断两个拓扑点所属集合；(5)如果机器人当前位置和目标点位置所对应拓扑点属于同一拓扑点集，则表示机器人当前位置和目标点属于同一路径，此时无需执行复杂的路径规划算法，直接判定这两点的相对位置关系，并输出至巡检机器人执行；否则，执行步骤(6)；(6)根据步骤(4)确定机器人当前位置和目标点距各自所属路径起点与终点间距离，更新该路径上合并点与路径起点和终点之间弧的权值；(7)计算巡检机器人当前点与目标点之间的最短路径，并输出至机器人执行。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：肖鹏，栾贻青，梁涛，王海鹏，慕世友，任杰，傅孟潮，李建祥，赵金龙，李丽，杨尚伟，李希智，
申请(专利权)人：国网山东省电力公司电力科学研究院，山东鲁能智能技术有限公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：山东;37
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