轮履复合式变电站巡检机器人自主越障系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种轮履复合式变电站巡检机器人自主越障系统及控制方法，系统包括底盘和控制系统，其中，底盘包括机器人控制箱体、履带行走单元、轮式行走单元、越障支臂单元以及驱动电机组，履带行走单元包括左右行走履带，左右行走履带固定于控制箱体两侧，左右行走履带各自连接一个驱动电机，轮式行走单元包括左右侧行走轮，行走轮通过越障支臂单元连接支臂驱动电机，左右侧行走轮分别固定在控制箱体两侧，控制系统包括工控机和与之连接的传感器组，工控机连接多个电机驱动器，每个电机驱动器分别连接对应的驱动电机。本发明专利技术可以根据需要自动切换轮式或者履带行走方式，满足了变电站不同道路条件下巡检的需求。

【技术实现步骤摘要】
轮履复合式变电站巡检机器人自主越障系统及控制方法
本专利技术涉及一种轮履复合式变电站巡检机器人自主越障系统及控制方法。
技术介绍
在近年来，随着科技的发展，利用变电站巡检机器人自动完成变电站日常设备巡视、红外测温、设备状态检查等工作，已经成为变电站设备巡检的重要辅助手段。但是目前的变电站巡检机器人存在以下问题：1、变电站巡检机器人主要在道路区巡检，难以对变电站内设备进行全方位的检测；2、在一般的变电站，设备区与道路通常不在一个水平面上，而且设备区通常为非结构化路面，如草地、石子路面等，机器人要从主要道路进入设备区运行巡检，则需要机器人能够自主翻越路边石，进入设备区运行，对于轮式机器人平台，由于其自身的特点，机器人无法进入设备区运行。现有的一些履带机器人，包括带有两条摆臂的履带机器人，如公开号为CN101492072A的专利技术专利“一种移动机器人及其越障碍方法”，以及带有四条摆臂的履带机器人，如专利号为ZL200520075351.5的技术专利“自主越障机器人的复合移动机构”，虽然机器人具有一定的越障能力，但是均没有提及自主越障系统以及自主越障方法的实现，因而无法进行自主越障,而且由于单独的履带式机器人运行效率低，难以满足机器人在变电站到道路区高效巡检的要求。由于变电站的对电力设备安全性的特殊要求以及变电站巡检机器人对自主运行、定位精度以及运行可靠性的要求，现有的履带机器人系统均无法直接在变电站巡检机器人上进行应用。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种轮履复合式变电站巡检机器人自主越障系统及控制方法，该系统融合了激光传感器、GPS传感器、双目视觉传感器、姿态传感器等多传感器信息，对巡检机器人本体信息以及周围环境信息进行精确检测，并基于上述信息提出了一种序列化的控制方法，实现了变电站巡检机器人的自主越障，以及实现了变电站巡检机器人轮式行走方式和履带式行走方式的自动切换，解决了机器人在变电站内全区域巡检的难题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种轮履复合式变电站巡检机器人自主越障系统，包括底盘和控制系统，其中，底盘包括机器人控制箱体、履带行走单元、轮式行走单元、越障支臂单元以及驱动电机组，履带行走单元包括左右行走履带，左右行走履带固定于控制箱体两侧，左右行走履带各自连接一个驱动电机，轮式行走单元包括左右侧行走轮，行走轮通过越障支臂单元连接支臂驱动电机，左右侧行走轮分别固定在控制箱体两侧，控制系统包括工控机和与之连接的传感器组，工控机连接多个电机驱动器，每个电机驱动器分别连接对应的驱动电机。所述越障支臂单元包括安装在控制箱体前端的两个前支臂和安装在控制箱体后端的两个后支臂。所述驱动电机组包括左、右两个行走驱动电机以及前、后支臂驱动电机，其中，左行走驱动电机驱动左行走履带，右行走驱动电机驱动右行走履带，前支臂驱动电机驱动两个前支臂，后支臂驱动电机驱动两个后支臂。所述前、后支臂驱动电机输出轴通过齿轮分别与前、后支臂驱动轴连接，前、后支臂驱动轴从履带驱动轮中心穿出。所述前后支臂的长度略小于机器人本体总长度的一半，所述机器人前后支臂分别以支臂大轮轴心为轴360度连续旋转。所述传感器组，包括GPS定位传感器、激光导航传感器、双目视觉传感器、距离传感器和倾角传感器，其中，所述激光导航传感器安装在机器人前端支架上，通过探测与周围物体的距离确定机器人当前在变电站中的位置，所述双目视觉传感器安装在机器人前端支架上，通过基于区域法向量的道路环境建模方法，提取机器人前方道路边缘距离、高度及待驶入区域的平面高度及面积信息；所述距离传感器安装在机器人控制箱体前端，精确测量机器人距离前方障碍物的距离；所述倾角传感器安装在机器人内部底部，测量机器人横滚和俯仰两个方向上的倾角。所述GPS定位传感器、激光导航传感器、距离传感器、倾角传感器和四个电机驱动器通过CAN总线连接。所述双目视觉传感器通过IEEE1394总线连接工控机。所述控制系统，还包括两个支臂零位开关，所述零位开关安装在支臂驱动轴上，与电机驱动器连接，用于标定支臂的回零位置。所述控制系统，还包括四个编码器，所述编码器分别安装在行走驱动电机和支臂驱动电机上，编码器与电机驱动器通过RS422连接；连接行走驱动电机的编码器计算机器人的移动距离和移动速度；连接支臂驱动电机的编码器用于计算支臂的旋转角度和旋转速度。基于上述越障系统的控制方法，包括以下控制方式：(1)机器人在变电站道路区硬化路面环境下巡检时，控制支臂旋转到下侧的支臂履带与路面平行，使得机器人左右两侧的行走轮与路面接触，从而将机器人切换到轮式行走方式；(2)机器人在变电站设备区砂石、草地等路面环境下巡检时，控制支臂收于控制箱体两侧，并控制支臂旋转到上侧的支臂履带与路面平行，使得机器人左右两侧的行走履带与路面接触，从而将机器人切换到履带行走方式；(3)机器人爬坡时，控制支臂向前后展开，使机器人支臂履带以及行走履带均与地面接触以增加机器人爬坡的驱动力，同时加长机器人长度以防止机器人在爬坡过程中倾覆；(4)机器人从变电站常规道路区进入设备区进行巡检时，如果需要翻越障碍物，采取自主越障控制方法。所述的控制方法，包括以下步骤：步骤一、根据GPS定位传感器、激光导航传感器采集的信息，通过全局路径规划方法，控制机器人运动到障碍物的行动设定范围内，且正对障碍物；步骤二、通过双目视觉传感器，采集环境图像，基于三维立体重构技术，提取机器人与障碍物的距离、障碍物的高度，以及待驶入平面的面积信息，判断机器人是否能够绕过该障碍物，如果能够绕过则机器人绕过障碍物；否则，判断机器人是否能够翻越该障碍物，如果能够翻越则进入步骤三；否则，机器人停车报警，等待工作人员处理；步骤三、通过距离传感器精确测量机器人到障碍物的水平距离，控制机器人与障碍物的距离在安全范围内；步骤四、控制前支臂向前旋转，直到前支臂的下侧支臂履带与新的平面水平，同时控制后支臂向后旋转，直到后支臂履带下侧面与地面水平，在此过程中，机器人本体与地面的夹角逐渐增加；步骤五、通过倾角传感器获取机器人的水平倾角及侧向倾角，控制机器人两侧履带轮的速度使向前运动，同时控制机器人不发生侧向倾斜；步骤六、控制机器人后支臂向后旋转，直到机器人两侧行走履带与地面平行；步骤七、控制机器人向前运动，直到机器人重心全部落到新的运动平面上；收起机器人前、后支臂，根据路面情况选择轮式行走方式或者履带行走方式。所述步骤二的具体方法为：通过双目视觉传感器，基于三维立体重构技术，提取机器人与障碍物的距离、障碍物的高度，以及待驶入平面的面积信息，并结合机器人自身的模型判断机器人能否翻越此障碍物。所述步骤一中，行动设定范围最大值为1m。所述步骤三中，安全范围最大值为5cm。所述步骤五中，其具体方法为：通过倾角传感器获取机器人的水平倾角及侧向倾角，控制机器人两侧履带轮的速度使向前运动，同时控制机器人不发生侧向倾斜；控制机器人后支臂向前旋转，以保证后支臂履带下侧面始终与地面水平，防止机器人向后滑动；在此过程中，机器人本体与地面水平倾角逐渐增加，当水平倾角达到临界值时，控制机器人停止运动；该角度由机器人重心位置与障碍物的高度共同决定，应保证机器人在前进过程中不发生向前或者向后倾覆。所述步骤六中，其具体方法为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于轮履复合式变电站巡检机器人自主越障系统的控制方法，所述轮履复合式变电站巡检机器人自主越障系统，包括底盘和控制系统，其中，底盘包括机器人控制箱体、履带行走单元、轮式行走单元、越障支臂单元以及驱动电机组，履带行走单元包括左右行走履带，左右行走履带固定于控制箱体两侧，左右行走履带各自连接一个驱动电机，轮式行走单元包括左右侧行走轮，行走轮通过越障支臂单元连接支臂驱动电机，左右侧行走轮分别固定在控制箱体两侧，控制系统包括工控机和与之连接的传感器组，工控机连接多个电机驱动器，每个电机驱动器分别连接对应的驱动电机；根据需要自动切换轮式或者履带行走方式，满足变电站不同道路条件下巡检的需求，利用支臂旋转角度通过编码器作为反馈信号，控制支臂旋转角度，支臂完全收于机器人本体两侧；其特征是：包括以下控制方式：(1)机器人在变电站道路区硬化路面环境下巡检时，控制支臂旋转到下侧的支臂履带与路面平行，使得机器人左右两侧的行走轮与路面接触，从而将机器人切换到轮式行走方式；(2)机器人在变电站设备区砂石或草地路面环境下巡检时，控制支臂收于控制箱体两侧，并控制支臂旋转到上侧的支臂履带与路面平行，使得机器人左右两侧的行走履带与路面接触，从而将机器人切换到履带行走方式；(3)机器人爬坡时，控制支臂向前后展开，使机器人支臂履带以及行走履带均与地面接触以增加机器人爬坡的驱动力，同时加长机器人长度以防止机器人在爬坡过程中倾覆；(4)机器人从变电站常规道路区进入设备区进行巡检时，如果需要翻越障碍物，采取自主越障控制方法。...

【技术特征摘要】
1.基于轮履复合式变电站巡检机器人自主越障系统的控制方法，所述轮履复合式变电站巡检机器人自主越障系统，包括底盘和控制系统，其中，底盘包括机器人控制箱体、履带行走单元、轮式行走单元、越障支臂单元以及驱动电机组，履带行走单元包括左右行走履带，左右行走履带固定于控制箱体两侧，左右行走履带各自连接一个驱动电机，轮式行走单元包括左右侧行走轮，行走轮通过越障支臂单元连接支臂驱动电机，左右侧行走轮分别固定在控制箱体两侧，控制系统包括工控机和与之连接的传感器组，工控机连接多个电机驱动器，每个电机驱动器分别连接对应的驱动电机；根据需要自动切换轮式或者履带行走方式，满足变电站不同道路条件下巡检的需求，利用支臂旋转角度通过编码器作为反馈信号，控制支臂旋转角度，支臂完全收于机器人本体两侧；其特征是：包括以下控制方式：(1)机器人在变电站道路区硬化路面环境下巡检时，控制支臂旋转到下侧的支臂履带与路面平行，使得机器人左右两侧的行走轮与路面接触，从而将机器人切换到轮式行走方式；(2)机器人在变电站设备区砂石或草地路面环境下巡检时，控制支臂收于控制箱体两侧，并控制支臂旋转到上侧的支臂履带与路面平行，使得机器人左右两侧的行走履带与路面接触，从而将机器人切换到履带行走方式；(3)机器人爬坡时，控制支臂向前后展开，使机器人支臂履带以及行走履带均与地面接触以增加机器人爬坡的驱动力，同时加长机器人长度以防止机器人在爬坡过程中倾覆；(4)机器人从变电站常规道路区进入设备区进行巡检时，如果需要翻越障碍物，采取自主越障控制方法。2.如权利要求1中所述的控制方法，其特征是：所述越障支臂单元包括安装在控制箱体前端的两个前支臂和安装在控制箱体后端的两个后支臂。3.如权利要求1中所述的控制方法，其特征是：所述驱动电机组包括左、右两个行走驱动电机以及前、后支臂驱动电机，其中，左行走驱动电机驱动左行走履带，右行走驱动电机驱动右行走履带，前支臂驱动电机驱动两个前支臂，后支臂驱动电机驱动两个后支臂。4.如权利要求3所述的控制方法，其特征是：所述前、后支臂驱动电机输出轴通过齿轮分别与前、后支臂驱动轴连接，前、后支臂驱动轴从履带驱动轮中心穿出。5.如权利要求2所述的控制方法，其特征是：所述前、后支臂的长度小于机器人本体总长度的一半，所述机器人前后支臂分别以支臂大轮轴心为轴360度连续旋转。6.如权利要求1中所述的控制方法，其特征是：所述传感器组，包括GPS定位传感器、激光导航传感器、双目视觉传感器、距离传感器和倾角传感器，其中，所述激光导航传感器安装在机器人前端支架上，通过探测与周围物体的距离确定机器人当前在变电站中的位置，所述双目视觉传感器安装在机器人前端支架上，通过基于区域法向量的道路环境建模方法，提取机器人前方道路边缘距离、高度及待驶入区域的平面高度及面积信息；所述距离传感器安装在机器人控制箱体前端，精确测量机器人距离前方障碍物的距离；所述倾角传感器安装在机器人内部底部，测量机器人横滚和俯仰两个方向上的倾角。7.如权利要求6所述的控制方法，其特征是：所述GPS定位传感器、激光导航传感器、距离传感器、...

【专利技术属性】
技术研发人员：栾贻青，郝永鑫，李丽，王海鹏，肖鹏，慕世友，任杰，傅孟潮，王滨海，李建祥，赵金龙，
申请(专利权)人：国家电网公司，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，
类型：发明
国别省市：北京,11