基于编码器与NFC修正融合...机轨道式巡检机器人定位方法_杨春雨.pdf

基于编码器与 NFC 修正融合的带式输送机轨道式巡检机器人定位方法杨春雨，胡建兵，王国庆，马磊，刘晓敏中国矿业大学信息与控制工程学院，徐州221116通信作者，E-mail:摘要轨道式巡检机器人的高精度定位技术是带式输送机智能化巡检的重要研究方向之一，而矿用带式输送机距离超长，工作环境复杂，严重影响巡检机器人的定位精度.针对目前的轨道式巡检机器人定位技术在矿用带式输送机巡检领域存在的问题，提出了基于编码器和 NFC 双传感器修正融合的高精度定位方法.分析带式输送机轨道式巡检机器人轨道与环境特性对编码器系数的影响，提出轨道分段原则.利用机器人搭载的编码器数据反馈特点，构建编码器递推定位方法.通过机器人运行的历史数据，对编码器系数进行分段分方向修正，并提出基于递推最小二乘的编码器系数修正方法，以提高编码器对轨道环境的适应性.在此基础上，根据机器人所在轨道分段的位置不同，在段端基于卡尔曼滤波算法实现编码器和 NFC 数据融合，在段内利用分段分方向修正系数与编码器信息进行递推定位，实现轨道式巡检机器人连续高精度的定位.针对所提方法搭建了实验平台并进行了实物测试，实验结果表明，相较于编码器定位、RFID 定位和两者融合定位三种传统定位方式，基于编码器和 NFC 的修正融合定位算法能够有效提高轨道式巡检机器人定位对轨道环境的适应性，同时提高轨道式巡检机器人的定位精度.关键词带式输送机；轨道式巡检机器人；参数修正；信息融合；定位分类号TG142.71PositioningmethodofanorbitalinspectionrobotforbeltconveyorsbasedonencoderandNFCcorrectionfusionYANG Chun-yu，HU Jian-bing，WANG Guo-qing，MA Lei，LIU Xiao-minSchoolofInformationandControlEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTThehigh-precisionpositioningtechnologyofarail-typepatrolrobotisanimportantresearchdirectionintheareaofintelligentpatrolinspectionofbeltconveyors.Anexcessivelylongminingbeltconveyorandacomplexworkingenvironmentseverelyaffectthepositioningaccuracyofpatrolrobots.Thisstudyaimstoaddresstheproblemsofpooradaptabilitytotracksandlimitedpositioningaccuracyofthepositioningtechnologyofrail-typepatrolrobotsinthefieldofminingbeltconveyorpatrolinspection.Therefore,ahigh-precisionpositioningmethodbasedonamodifiedfusionofencoderandnearfieldcommunication,abbreviatedNFC,doublesensorsisproposed.Thisworkanalyzestheinfluenceoftrackandtrackenvironmentcharacteristicsofthebeltconveyortrackpatrolrobotontheencodercoefficient.Italsoproposesatracksegmentationprinciplebasedonthesamecharacteristicsofatracksurface,providingabasisforthesubsequentcorrectionandfusionalgorithm.Arecursivepositioningmethodoftheabsolutevalueencoderisconstructedbasedonthedatafeedbackcharacteristicscarriedbytherobot.Throughthehistoricalpositioningsensordataof收稿日期:20220612基金项目:国家重点研发计划资助项目（2020YFB1314100）；国家自然科学基金资助项目（62003348，62073327，61873272，62203448）；江苏省自然科学基金资助项目（BK20200633，BK20200631）工程科学学报，第45卷，第8期：14171424，2023年8月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.8:14171424,August2023https:/doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2022.06.12.003;http:/robotoperation,theencodercoefficientsaremodifiedaccordingtosectionsanddirections.Further,theencodercoefficientcorrectionmethodbasedonrecursiveleastsquaresisproposedtoimprovetheadaptabilityoftheencodertothetrack.Hence,correspondingpositioningmethodsareconstructedaccordingtothedifferentpositionsoftherobotstracksegments.Attheendofthesegment,thefusionpositioningoftheencoderandNFCdataarerealizedbasedontheKalmanfilteringalgorithmtoreducethecumulativeerroroftheencoder.Inthesegment,toimprovethepositioningaccuracyoftheencoder,thesubsectionanddirectioncorrectioncoefficientandreal-timedataoftheencoderareusedforrecursivepositioning.Therefore,combinedwiththepositioningofeachsectionofthetrack,thecontinuoushigh-precisionpositioningofthetrack-typepatrolrobotontheentiretrackcanberealized.Moreover,anexperimentalplatformisbuiltfortheproposedmethodtoconductphysicaltesting.Themodifiedfusionpositioningmethodiscomparedwithencoderpositioning,RFIDpositioning,andfusionpositioningbasedonencoderandNFC.TheresultsofthecorrectionexperimentindicatethatthemodifiedfusionlocalizationalgorithmbasedontheencoderandNFCcaneffectivelyimprovetheadaptabilityoforbitalinspectionrobotlocalizationtotheorbitalenvironment.Meanwhile,theresultsofthemodifiedfusionexperimentindicatethatthepositioningmethodcanimprovethepositioningaccuracyoftheorbitalinspectionrobot.Therefore,theproposedpositioningmethodcanbeappliedtotheapplicationscenarioofalong-distanceminingbeltconveyorpatrolinspection.KEYWORDSbeltconveyor；orbitalinspectionrobot；parametercorrection；informationfusion；positioning带式输送机具有运行成本低、运量大、运输距离远、可靠性高等优点，广泛应用于煤矿生产中13.但矿用带式输送机所处作业环境复杂，故障时有发生45，故对带式输送机运行状态进行巡检是其安全高效作业的重要保障.目前巡检机器人技术已成为带式输送机自动化和智能化巡检研究的重要方向6，其中带式输送机轨道式巡检机器人的定位技术是巡检智能化的关键技术之一7，同时巡检机器人的定位精度和可靠性直接影响巡检效率和安全作业.另外，随着自动化和智能化技术的发展，人们对巡检机器人的功能需求越来越丰富.其中当监控人员需要定点获取更加清晰的监控图像时、当监控人员定点获取某物体更加准确的温度时、或当监控人员定点操控机械臂排除故障时，都需要高精度地对巡检机器人位置进行控制，而保证高精度位置控制的前提是高精度获取位置信息.因此，提高巡检机器人在全轨道上的定位精度有迫切的应用需求.针对轨道式巡检机器人定位技术，近年来科研工作者已展开了大量研究.目前，轨道式巡检机器人定位技术从机器人携带定位传感器种类主要可分为：单传感器定位和多传感器融合定位8.单传感器定位设计与部署简单，但抗干扰能力弱，定位精度低，只适用于影响因素少或定位要求不高的场景.Silva9等利用编码器实现轨道式巡检机器人的定位，能够满足短距离轨道的巡检作业需求，但在长距离轨道情况下，累积误差大.Liu10等在轨道式巡检机器人中采用了射频识别（RFID）定位技术，能够实现机器人在轨道上的不连续定位，并可通过后台控制实现巡检机器人的巡检作业，缺点是定位不连续，两路标间的定位误差大.多传感器融合定位因其定位精度高，抗干扰能力强，已成为轨道式巡检机器人定位导航技术领域研究的重要方向1113.Tang 等14以里程计定位为主，通过 RFID 路标实现校准，提高了轨道式巡检机器人的定位精度，但在 RFID 路标之间的里程计定位精度低，对轨道的适应性较差.张申毅等15通过固定间距磁性路标与重要位置 RFID 标签融合里程计信息对轨道式巡检机器人实现了定位，降低了 RFID 标签布置成本，但使用传感器较多，能耗高，部署复杂，同时对轨道的适应性较低.周林海16通过红外巡线技术与定点 RFID 运动状态信息相结合，可实现餐盘回收机器人各种复杂的巡线运动，但红外巡线技术中对巡航线的识别是间接性的，因此定位是非连续的，定位误差较大，只适用于移动速度缓慢的服务类机器人，不适用于长距离的轨道式巡检机器人.矿用带式输送机距离超长17，往往经过煤矿巷道、通廊18或露天19等复杂环境，随着地形走向布置伴有起伏和转弯20.若采用上述编码器与RFID结合定位的方式，在两卡之间仅靠编码器定位，受环境因素和轨道外形特性影响误差较大，机器人对轨道环境的适应性差，定位精度不高.因此，针对带式输送机巡检场景设计具备适应性的轨道式巡检机器人定位方法是必要的.本文针对带式输送机轨道式巡检机器人在轨道上定位精度问题，综合考虑工况环境复杂特性，提出基于编码器和