变电站巡检机器人GPS导航系统设计

视控制和数据采集系统以及高压设备绝缘监测、继电保护等装 等功能,导航系统结构如图 1 所示。
置获得,也实现了变电站主设备的远程监控,变电站运行维护的
工作量大大减少,设备检修和运行巡视的周期延长。目前很多变
电站实现了少人或无人值班, 但一定程度上都还存在因无人在
现场及时监视、巡视而带来的一系列问题,并在室外变电站表现
(1.浙江省电力公司嘉兴电力局;2.山东电力研究院) 张 彩 友 1 冯 华 1 付 崇 光 2 肖 鹏 2
ZHANG Cai-you FENG Hua FU Chong-guang XIAO Peng
摘要: 针 对 变 电 站 巡 检 机 器 人 磁 轨 迹 导 航 的 不 足 , 将 高 精 度 差 分 GPS 导 航 作 为 磁 轨 迹 导 航 的 替 代 导 航 方 式 , 对 导 航 系 统 的 组
器人作为系统实现平台,其运动方式两轮差速运动,一台标准工 业 PC 和运动控制卡作为控制硬 件 核心,提 供 了显 示 、PS/2、串 口 和 USB 等接口,可以很方便的接入各种设备;控制计 算机 安 装 了 标准 Windows XP 操作系统, 并 由 RTX 实 时 库 保证 运 动 控制 的 实时性。 由于该平台有一套完整的机器人应用程序开发包 (SDK), 包 含了 基 本 的 机 器 人 运 动 控 制 接 口 且 支 持 标 准 的 Windows 应用 程 序 开发 环 境,控制 程 序 可 直 接 在 该 平 台 或 任 意 一 台 装 有 该 SDK 的 Windows 计 算 机 上 开 发, 然 后 拷 贝 至 该 平 台 运 行,因此 GPS 导航控制系统开发时,可 完全 关 注 于导 航 系 统核 心 功能的实现,程序开发调试方便且便于移植,缩短了系统开发调 试周期。 该机器人驱动系统与目前变电站巡检机器人的驱动系 统类 似,包含 2 个 24V/150W 的 Maxon 电机 、63:1 的 减 速器 以 及 500 线增 量 式 光电 编 码 器, 由 PID 控 式 算法 闭 环 控 制 机 器 人 运 行速度和位置,最大运行速度为 0.7m/s,速度闭环精度<%1, 位 置 闭环精度<0.6%(直线运动 5m,重复定位偏差小于 0.03m)。
alternative navigation method. The composition and working principle of navigation system are discussed, and the implementation pro-
cess of the software modules included in this system is also explored based on AS -RF robot platform. The further development of
行了介绍。
据传输至移动站 ,移动站采集 GPS 观测数据并结合接 收到 的 差
2 巡检机器人 GPS 导航系统组成结构
分数据,计算得到移动站天线中心处定位数据,然后通过串口输 出至导航控制系统。
2.1 巡检机器人 GPS 导航系统总体结构
2.3 导航控制系统
巡检 机 器 人 GPS 导 航 系 统 主 要 由 高 精 度 差 分 GPS 定 位 系
《PLC 技术应用 200 例》
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机器人技术
《微计算机信息》(嵌入式与 SOC)2010 年第 26 卷第 10-2 期
图 5 导航控制模块软件流程图
程序执行时首先利用 AS-RF 提供的 SDK 函数初始化机器
巡检机器人导航控制系统主要由导航控制计算机和驱动
张彩友: 高级工程师 硕士
系统两部分组成。 前者主要负责机器人导航控制过程中接收后
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《现场总线技术应用 200 例》
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机器人技术
台监控计算机下发的控制指令,GPS 定位 数据 的 采 集、分 析 和 处 理,生成机器人运动控制量,采集机器人导航运行状态数据,并将 相关数据发送至后台监控计算机; 而后者则根据导航控制计算 机下发的控制指令控制机器人两轮电机按指定速度运行, 该系 统结构如图 2 所示。
图 2 巡检机器人导航控制系统结构
3 巡检机器人 GPS 导航系统工作原理
由于变电站现场巡检路线包含路径绝大多数为直线路径, 且 均 位 于同 一 平 面内,因 此 机器 人 GPS 导 航控 制 就 可 简 化 为 对 直线路径的跟踪控制, 而待跟踪直线路径的起点和终点则可由 GPS 预 先测 量 得 到。 实 际 导 航 时,通 过 差 分 GPS 移 动 站 可 以 实 时输出机器人的精确位置和运动方向,通过导航算法的处理,闭 环控制机器人的运动, 使其在行驶过程中始终沿着预先设定的 路径行驶。
可 由 GPS 测 量 确 定,且 路 线 更 改 方 便 ,因 此 本 文 选 择 了 GPS 导 止安放于空旷位置作 为 GPS 基准 站,另 一套 则 作 为 GPS 移 动 站
航 作 为磁 轨 迹 导航 的 替 代导 航 方 式,对 GPS 导 航 系 统 的 设 计 进 安装 于 巡 检机 器 人,数据 链 路 负责 将 GPS 基 准 站 生 成 的 差 分 数
设,地面处理工作量大,路径灵活性差,同时磁轨迹导航方式不能
实时反馈当前机器人在变电站内所处的精确位置, 不利于操作
人员对机器人运行的远程监控。 在综合比较了其它可应用于室
外 移 动 机 器 人 的 各 种 导 航 方 式(惯 性 、激 光 、GPS、视 觉 等)后,考
图 1 巡检机器人 GPS 导航系统总体结构
机器人导航运行开始之前, 后台监控计算机对路径进行规 划,确定机器人运行路线,并将运行路线中各直线路径信息发送 至导航控制系统;机器人导航运行过程中,导航控制计算机实时 采集 GPS 数据,获得机器人当前位置及航向信 息,并 由导 航 控 制 算 法 对 GPS 采集 的 数 据进 行 处 理, 并 与 预 先设 定 的 路 径 比 较 、 分析,求出相关偏差量,进而得到机器人左右两轮的调整量,最后 下发至机器人驱动系统,控制机器人进行调整,以逼近期望路径; 当机器人运行至路径终点时, 导航控制系统取得新的路径信息 后,再按导航控制算法控制机器人沿新的路径行驶,最终完成整 个巡检路线的运行。
中图分类号: TP242.3
文献标识码: B
Abstract: According to the deficiency of magnetic track navigation, this thesis uses high -precision differential GPS navigation as an
的尤为明显。而变电站巡检机器人则能够以自主或遥控的方式,
在无人值守或少人值守变电站对室外高压设备进行巡检, 为相
关问题的解决提供了一种行之有效的方法。
目前,变电站巡检机器人普遍采用磁轨迹导航,在实际使用
中发现,虽然其Biblioteka 有导引原理简单可靠,导航定位精度高并且重
复性好,抗干扰能力强等优点,但该导航方式磁轨迹需要人工铺
度:平面为 1cm+1ppm,垂直为 2cm+1ppm。 GPS 移 动 站固 定 在 机
术 器人轮轴线中心, 这样整个机器人的位置就可由移 动 站 天线 中
心确定,系统硬件安装如图 4 所示。
创
新
图 3 巡检机器人导航控制示意图 如 图 3 所 示,要 使 机 器 人 沿 路 径 点 P1(x1,y1)和 P2(x2,y2)定 义 的路径行驶, 则 可 根据 GPS 实 时 输出 的 机 器人 位 置 和航 向(x,y, θ)计 算 得 到 其 相 对 于 路 径 的 位 置 偏 差 ΔS 和 航 向 偏 差 Δθ,然 后 各自乘以相应系数 KS 和 Kθ 再 相 加后 作 为 运动 控 制 量增 量 ΔV, 最 后 在 机 器 人 基 准 运 行 速 度 V 的 基 础 上 分 别 减 去 和 加 上 ΔV , 从 而 得 到 机 器 人 驱 动 系 统 最 终 执 行 的 左 右 轮 速 度 VL 和 VR 。
技 GPS navigation system for inspection robot has been prepared ready.
Key words: substation equipment inspection; mobile robot; GPS navigation system
术
创 1 引言
接 入 导 航 控 制 系 统 所 需 定 位 数 据 则 由 徕 卡 GPS1200 系 统 提供,GPS 基准站和移动站均包含 24 通 道 准 扼流 圈 天 线和 接 收 机,可同时处理 GPS 卫星播发的 L1 和 L2 波段 数 据,GPS 移动 站
技 定位数据输出频率最高为 20Hz,RTK 工作模式下其动态定位精
虑 到 GPS 导 航 可 直接 从 GPS 接 收 机 得 知 当 前 测 点 的 绝 对 位 置
2.2 高精度差分 GPS 定位系统
坐标,其动态定位精度最高可达厘米级,且不存在误差累积,理论
该 系 统 由 两 套 双 频 GPS 接 收 机 组 成 , 工 作 于 RTK (Real
上可以精确的得到变电站内任意位置的坐标, 机器人巡 检 路 线 Time Kinematics,实时动 态测 量)模 式下,其 中 一套 GPS 接 收 机静
4 巡 检 机 器 人 GPS 导 航 系 统 实 现
4.1 导航系统硬件平台 对于 巡 检机 器 人 GPS 导航 控 制 系统,出 于 对 开 发 调 试 便 捷 性的考虑,本文选择了上海 广茂 达 公 司生 产 的 AS-RF 履带 式 机