一种石化工厂巡检机器人定位系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种石化工厂巡检机器人定位系统和方法。系统包括GPS观测单元、UWB观测单元、视觉观测单元、激光观测单元、里程观测单元、组合决策模块、惯性状态估计模块、可用定位观测/SINS组合模块和定位信息融合模块。5个观测单元分别采集各自观测数据，发送给组合决策模块；组合决策模块结合环境模型先验信息模块存储的环境地图模型，进行基于多层地图的定位，判断可用观测类型；可用定位观测/SINS组合模块将可用观测数据与惯性状态估计模块建立的对应运动方程组合，组合结果发送给定位信息融合模块，进行最终的集成位姿估计。本发明专利技术解决了巡检机器人在石化工厂各种复杂区域运行时的无缝定位问题，保证了定位过程的连续性和定位结果的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种石化工厂巡检机器人定位系统和方法
本专利技术属于特种机器人定位领域，特别涉及了一种石化工厂巡检机器人定位系统和方法。
技术介绍
石化企业、油库、储运公司等工厂的工作区域面积大、环境形式复杂，安全隐患不易排查。目前只能通过人工对各个罐区、泵区、变电所等工作场合的仪器仪表进行徒步现场检测。石化工厂需要巡检的内容多样，通常包括输油管路、储油罐底部、泵站、计量间、流量间、防火通道等各类工作场合，对各种阀门、仪表、设备进行安全排查等。这些待检内容存在于室内与室外、结构化与非结构化、白天和夜间、照明情况较好和较差、阴雨风雪，甚至可能出现有烟尘、水汽等恶劣环境中，给巡检任务带来巨大的工作强度和危险性。采用自主巡检机器人代替人工执行巡检任务，可以极大的降低工人工作强度，降低工作风险。现阶段巡检机器人在变电站、室内工作区域等结构化条件较好的环境已经取得应用和推广，但是在石化行业的应用却进展缓慢，原因是相较于变电站与室内环境，石化工厂环境非结构化程度更高，需要巡检的内容和场所类型和环境更复杂。另外还要满足白天和夜间、雨雪等恶劣天气的巡检工作。由于巡检任务的复杂性，机器人必须具有很强的定位能力，既要可以适应各类复杂场合和环境条件，同时必须严格保证定位精度，从而确保机器人在自主导航和运动过程中不会与危险设备或其他物体碰撞。在运行到场景变化、环境特征发生较大改变的区域时，定位效果不能发生震荡或失效情况。石化工厂自主巡检机器人在各类复杂环境的高精度、高可靠性定位对于机器人的自主性和安全性起着至关重要的作用。目前石化行业应用的巡检机器人较少。其他领域巡检机器人常用的定位方法有以下几种：1.磁条引导加射频识别RFID辅助定位：此类方法为目前工厂AGV导引车和变电站巡检机器人常用的定位方式，通过预先铺设磁轨和RFID标签实现机器人定位，主要缺点是需要预先布置磁条，施工工作量和后期维护成本高，巡检路径固定不灵活。而且只适应与平坦路面，对于地形复杂区域适应性差。石化工厂厂区面积大，后期改造难度大，而且地形复杂，使用磁条导航成本高，且无法满足复杂地形下的精确定位。2.GNSS/INS组合定位：此类方法在车载系统、户外移动机器人和无人机广泛应用，利用高精度GPS与IMU进行组合定位，主要缺点是设备成本高，而且由于GPS存在多路径效应，其对于设备和建筑物林立的巡检场所适应性差，在室内等有遮挡环境下无法使用。石化工厂流量间、计量间、变电所等室内巡检环境多，而且储油罐、泵区设备等林立，单纯使用GPS定位精度难以保证。3.航迹推算定位：此类方法主要应用于室内移动机器人等领域，利用里程计或惯性测量单元建立运动模型通过航迹推算进行位姿估计，主要缺点是随着运动范围的扩大，航迹推算的累积误差增大，逐渐丧失定位能力，而且对于地面崎岖不平的适应性差。石化工厂存在崎岖、斜坡等路面，单独利用航迹推算定位累积误差大。4.二维激光SLAM定位：此类方法主要应用于室内移动机器人和变电站巡检机器人上，利用激光SLAM方法实现同步定位和地图构建，主要缺点是环境适应能力不强，对特征稀疏的场合无法实现精确定位，对于崎岖路面适应性差。石化工厂存在室内较长范围走廊、室外防火堤内等特征少的场合，二维激光SLAM方法无法适应此类环境，同时激光对于雨天工作的适应性差。5.视觉SLAM定位：此类方法主要应用于室内扫地机器人等场合，主要缺点是对光照敏感，无法在夜间工作，在机器人快速旋转等场合容易定位失败。石化工厂巡检机器人需要在夜间工作，使用视觉SLAM实现困难。此外，也有部分研究针对多传感器融合的方法实现机器人定位，但是仍然是针对特定场合的组合定位应用，通常应用于传感器信号稳定、传输状况较好的条件下，对于信号丢失情况下的组合定位，其稳定定位能力不强。总之，目前对于石化工厂巡检机器人在的定位问题，尚无可以同时在室内与室外、平坦与崎岖路面、白天与夜间、特征稀疏与明显、雨雪天气等各类复杂场合实现精确、稳定的定位的巡检机器人定位系统。另外重要的一点，石化工厂使用的设备还需要满足防爆安全要求，对于现阶段使用的各类定位设备，都难以满足直接应用到此类环境区域。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术旨在提供一种石化工厂巡检机器人定位系统和方法，补充研究巡检机器人在石化工厂各种复杂区域运行时的无缝定位问题，保证定位过程的连续性和定位结果的稳定性。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种石化工厂巡检机器人定位系统，包括GPS观测单元、UWB观测单元、视觉观测单元、激光观测单元、里程观测单元、组合决策模块、惯性状态估计模块、可用定位观测/SINS组合模块和定位信息融合模块；GPS观测单元、UWB观测单元、视觉观测单元、激光观测单元和里程观测单元分别采集各自的观测数据，并以特定频率发送给组合决策模块；组合决策模块接收环境模型先验信息模块存储的环境地图模型，结合各观测数据进行基于多层地图的定位，判断可用观测类型，并将可用观测数据发送给可用定位观测/SINS组合模块；可用定位观测/SINS组合模块将可用观测数据与惯性状态估计模块建立的对应运动方程进行组合，并将组合结果发送给定位信息融合模块，进行最终的集成位姿估计。基于上述石化工厂巡检机器人定位系统的定位方法，包括以下步骤：(1)当机器人开机或人为移动位置时，初始化5个观测单元的观测值zi(0)以及惯性状态估计模块的状态变量空间xi(0)；5个观测单元分别采集观测数据zi(ki)，并以特定频率发送到组合决策模块；下标i＝1,2,3,4,5，代表5个观测单元；(2)组合决策模块结合各观测单元的观测信息和环境模型先验信息模块存储的环境地图模型进行位姿初步估计，确定可用的观测类型i，然后将可用的观测数据以频率Si发送观测数据zi(ki)以及对应的观测矩阵Ci(ki)到可用定位观测/SINS组合模块；(3)惯性状态估计模块构建对应各可用观测数据zi(ki)的运动状态变量xi(k)，将xi(k)以相同频率S0发送到可用定位观测/SINS组合模块；(4)可用定位观测/SINS组合模块将各运动状态变量xi(k)与对应的观测矩阵Ci(ki)分别进行组合，采用虚拟观测方法通过内插和外推将各观测矩阵Ci(ki)统一至频率为S0的观测矩阵Ci(k)，并构建局部滤波器；(5)定位信息融合模块采用自适应联合滤波融合算法将各局部滤波器的估计结果进行集成组合，获得最终的组合位姿估计结果。进一步地，环境模型先验信息模块经过原始地图对齐得到GIS电子地图、视觉特征地图和激光点云地图三种类型叠加的地图模型。进一步地，在步骤(2)中，确定可用观测类型的方法如下：组合决策模块接收GPS观测单元采集的GPS卫星定位信息，在环境模型先验信息模块提供的GIS电子地图中进行坐标定位，若GPS观测单元连续t1时间内正常在GIS电子地图中定位，即观测卫星数量不少于4颗、位置精度因子小于4，则认为GPS观测单元采集的观测数据为可用观测类型；组合决策模块接收UWB观测单元采集的UWB无线定位信息，在环境模型先验信息模块提供的GIS电子地图室内环境中进行坐标定位，若UWB观测单元连续t2时间内正常在GIS电子地图中定位，即RSSI接收信号强度PL(d)＞Rmin，Rmin为设定的信号强度阈值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石化工厂巡检机器人定位系统，其特征在于，包括GPS观测单元(1)、UWB观测单元(2)、视觉观测单元(3)、激光观测单元(4)、里程观测单元(5)、组合决策模块(7)、惯性状态估计模块(8)、可用定位观测/SINS组合模块(9)和定位信息融合模块(10)；GPS观测单元(1)、UWB观测单元(2)、视觉观测单元(3)、激光观测单元(4)和里程观测单元(5)分别采集各自的观测数据，并以特定频率发送给组合决策模块(7)；组合决策模块(7)接收环境模型先验信息模块(6)存储的环境地图模型，结合各观测数据进行基于多层地图的定位，判断可用观测类型，并将可用观测数据发送给可用定位观测/SINS组合模块(9)；可用定位观测/SINS组合模块(9)将可用观测数据与惯性状态估计模块(8)建立的对应运动方程进行组合，并将组合结果发送给定位信息融合模块(10)，进行最终的集成位姿估计。

【技术特征摘要】
1.一种石化工厂巡检机器人定位系统，其特征在于，包括GPS观测单元(1)、UWB观测单元(2)、视觉观测单元(3)、激光观测单元(4)、里程观测单元(5)、组合决策模块(7)、惯性状态估计模块(8)、可用定位观测/SINS组合模块(9)和定位信息融合模块(10)；GPS观测单元(1)、UWB观测单元(2)、视觉观测单元(3)、激光观测单元(4)和里程观测单元(5)分别采集各自的观测数据，并以特定频率发送给组合决策模块(7)；组合决策模块(7)接收环境模型先验信息模块(6)存储的环境地图模型，结合各观测数据进行基于多层地图的定位，判断可用观测类型，并将可用观测数据发送给可用定位观测/SINS组合模块(9)；可用定位观测/SINS组合模块(9)将可用观测数据与惯性状态估计模块(8)建立的对应运动方程进行组合，并将组合结果发送给定位信息融合模块(10)，进行最终的集成位姿估计。2.基于权利要求1所述石化工厂巡检机器人定位系统的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)当机器人开机或人为移动位置时，初始化5个观测单元(1-5)的观测值zi(0)以及惯性状态估计模块(8)的状态变量空间xi(0)；5个观测单元(1-5)分别采集观测数据zi(ki)，并以特定频率发送到组合决策模块(7)；下标i＝1,2,3,4,5，代表5个观测单元；(2)组合决策模块(7)结合各观测单元的观测信息和环境模型先验信息模块(6)存储的环境地图模型进行位姿初步估计，确定可用的观测类型i，然后将可用的观测数据以频率Si发送观测数据zi(ki)以及对应的观测矩阵Ci(ki)到可用定位观测/SINS组合模块(9)；(3)惯性状态估计模块(8)构建对应各可用观测数据zi(ki)的运动状态变量xi(k)，将xi(k)以相同频率S0发送到可用定位观测/SINS组合模块(9)；(4)可用定位观测/SINS组合模块(9)将各运动状态变量xi(k)与对应的观测矩阵Ci(ki)分别进行组合，采用虚拟观测方法通过内插和外推将各观测矩阵Ci(ki)统一至频率为S0的观测矩阵Ci(k)，并构建局部滤波器；(5)定位信息融合模块(10)采用自适应联合滤波融合算法将各局部滤波器的估计结果进行集成组合，获得最终的组合位姿估计结果。3.根据权利要求2所述定位方法，其特征在于，环境模型先验信息模块(6)经过原始地图对齐得到GIS电子地图、视觉特征地图和激光点云地图三种类型叠加的地图模型。4.根据权利要求3所述定位方法，其特征在于，在步骤(2)中，确定可用观测类型的方法如下：组合决策模块(7)接收GPS观测单元(1)采集的GPS卫星定位信息，在环境模型先验信息模块(6)提供的GIS电子地图中进行坐标定位，若GPS观测单元连续t1时间内正常在GIS电子地图中定位，即观测卫星数量不少于4颗、位置精度因子小于4，则认为GPS观测单元(1)采集的观测数据为可用观测类型；组合决策模块(7)接收UWB观测单元(2)采集的UWB无线定位信息，在环境模型先验信息模块(6)提供的GIS电子地图室内环境中进行坐标定位，若UWB观测单元连续t2时间内正常在GIS电子地图中定位，即RSSI接收信号强度PL(d)＞Rmin，Rmin为设定的信号强度阈值，则认为UWB观测单元(2)采集的观测数据为可用观测类型；组合决策模块(7)接收视觉观...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱华，李猛钢，李雨潭，由韶泽，
申请(专利权)人：中国矿业大学，徐州神工智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32