基于改进人工势场法的电力巡检机器人自动避障轨迹规划_黄绪勇.pdf

第 卷第期 年月 收稿日期：作者简介：黄绪勇（），男，湖北大冶人，博士，高级工程师，研究方向为变电站智能机器人巡检技术、输变电设备状态监测及状态评估、电网智能巡检技术及大数据分析；王欣（），男，上海人，硕士，高级工程师，研究方向为变电站巡检机器人技术、设备状态监测及状态评估及电网智能运维技术应用；唐标（），男，云南个旧人，硕士，高级工程师，研究方向为仪表检测、变电站智能机器人巡检技术；林中爱（），女，江西南昌人，硕士，工程师，研究方向为电能计量自动化终端自动检测技术、电测计量；许守东（），男，云南腾冲人，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统及其自动化、安全稳定控制系统。基于改进人工势场法的电力巡检机器人自动避障轨迹规划黄绪勇，王欣，唐标，林中爱，许守东（云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 ；云南电网有限责任公司，云南 昆明 ）摘要：为了使巡检机器人在电力系统中避开障碍物，顺利完成电力巡检工作，提出基于改进人工势场法的电力巡检机器人自动避障轨迹规划方法。构建了电力巡检机器人的被控对象模型，分析电力巡检机器人的避障运动学，根据分析结果采用栅格法获取环境参数，实现环境建模，获取电力巡检机器人工作环境信息；引入改进人工势场法，叠加斥力势场和引力势场获得合力势场，判断环境中的障碍物并规划避障路线，完成电力巡检机器人自动避障轨迹的规划。实验结果表明，所提方法的避障准确率高、规划效果好、规划效率高。关键词：改进人工势场法；被控对象模型；避障运动学分析；栅格法；避障轨迹规划中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，黄绪勇等：基于改进人工势场法的电力巡检机器人自动避障轨迹规划自动控制与检测 ：；引言电力系统在国家电力需求不断增长的背景下逐渐发展，传统人工巡检方式的危险程度和压力随着电能分配任务和输送任务的增多不断增大，在电力系统安全维护过程中定期巡检属于重要内容。传统的电力巡检方法存在如下问题：工作人员在狭小的空间中难以完成检查工作；测量准确度在多次巡检过程中难以得到保障；工作人员在电压升高环境下面临着较大的风险。因此，研究电力巡检机器人自动避障轨迹规划方法具有重要意义。马希青等在零力矩点稳定性准则的基础上规划机器人轨迹，并计算轨迹路径点，通过 软件构建仿真模型，完成巡检机器人避障轨迹规划，该方法在规划过程中容易陷入局部极值点，无法获取最优避障轨迹。曾得全等采用三次样条曲线获取电力巡检机器人的避障路径，并由多条路径构成路径簇，遵循经济性和平滑性原则在路径簇中获取最优路径，完成巡检机器人避障轨迹规划，该方法规划的轨迹路径较长，存在规划效果差的问题。杨彬等在局部环境地图中根据障碍物的位姿信息和运动状态构建离散终端状态点集，用寻优问题代替机器人避障规划问题，在 曲线规划器的基础上完成避障轨迹规划，该方法规划轨迹所用的时间较长，存在规划效率低的问题。为了解决上述方法中存在的问题，提出基于改进人工势场法的电力巡检机器人自动避障轨迹规划方法。电力巡检机器人运动分析本文通过分布式传感器阻力力学采集方法构建采样模型，采集电力巡检环境中机器人的动力学参数，采样模型为（）（）（）为机器人在电力系统中的巡检定力速度；（）为机器人在电力系统中的巡检动力系数。将等效动态识别方法应用在障碍物环境中，控制电力巡检过程中机器人的收敛性 ，设、均为感知态势检测参数，构建动力学模型为（）（）（）为感知态势系数；、为在电力巡检环境中机器人行驶状态下的加速度信息值。通过上述分析构建电力巡检机器人在动力学耦合参数约束条件下的驱动控制对象模型为（）（）为加速度信息模拟值。在被控对象模型的基础上，基于改进人工势场法的电力巡检机器人自动避障轨迹规划方法，建立机器人在巡检电力系统过程中的越障运动学模型，并通过 空 间 扰 动 性 融 合方 法分析 越 障 连 杆 运 动参数。用，表示连杆参数构成的集合；用表示 ，用表示 ，用表示 ，用表示 ，均为机器人在巡检电力系统过程中的空间转动力矩；（）为测距齐次矩阵，存在于坐标系和坐标系之间，其表达式为（）（）为机器人行驶方向与坐标系之间构成的夹角；为机器人在电力系统中行驶的距离。在电力巡检过程中，机器人的转动力矩特征量可通过矩阵（）获取，所提方法利用位置参数调整机器人在工作状态下产生的驱动跟踪冲量，巡检机器人在刚性约束条件下的越障控制参数为（）（）（）为刚性约束条件；为机器人在巡检过程中的倾斜误差轨迹长度。电力巡检机器人自动避障轨迹规划 环境建模基于改进人工势场法的电力巡检机器人自动避障轨迹规划方法采用栅格法获取机器人巡检的环境信息，构建环境模型。具体步骤如下：确定障碍物、机器人目标点和机器人初始位置点所处的栅格。对栅格实行初始化处理，用标记栅格中的自由栅格，用标记存在障碍物的栅格。对电力巡检机器人的相邻栅格实行相关搜 （）索，根据搜索结果获取自由栅格。针对目标栅格中心点与自由栅格中心点之间存在的距离，基于改进人工势场法的电力巡检机器人自动避障轨迹规划方法采用评价函数（，）完成计算，即（，）（）为目标点栅格；，为机器人相邻的自由栅格。根据上述计算结果，获取最小的（，）值（，），得到下一步电力巡检机器人将要运动到的栅格，。通过上述过程搜索栅格，完成巡检环境建模。基于改进人工势场法的避障轨迹规划改进人工势场法通过引力势场函数产生引力，利用斥力势场函数生成斥力，在合力势场函数的基础上获得合力，结合上述的环境模型使电力巡检机器人在合力的作用下运动，完成自动避障 ，具体步骤如下：引力势场函数。引力势场函数（）的表达式为（）（，）（）、分别为巡检机器人中心参考点和目标点对应的坐标；为引力势场增益因子。（，）为目标点与电力巡检机器人中心参考点之间的欧几里得距离，可通过下式计算得到，即（，）（）由上述公式分析可知，引力势场与欧几里得距离（，）之间为正比关系，产生的势场随着距离的增大而增强。目标点通过引力势场生成对电力巡检机器人的引力，引力吸引电力巡检机器人在电力系统中向目标点运动，生成的引力（）为（）（，）（，）（）斥力势场函数（）的表达式为（）（，）（）（）为斥力势场的影响距离；为障碍物在机器人巡检工作环境中的坐标；为斥力势场增益因子。由上述函数分析可知，斥力势场当电力巡检机器人在工作环境中接近障碍物时趋于无穷大，当斥力势场影响距离小于电力巡检机器人中心参考点与目标点之间的距离时，斥力势场为，此时电力巡检机器人不再受障碍物的影响 。障碍物的斥力（）的表达式为（）（，）（，）（）（）叠 加 斥 力 势 场 和 引 力 势 场 获 得 合 力 势场 ，合力势场函数（）的表达式为（）（）（）（）为势场的数量。叠加斥力和引力获得合力（），即（）（）（）（）所提方法采用改进人工势场法实现巡检机器人在巡检过程中的自动避障轨迹规划的具体流程如图所示。图电力巡检机器人自动避障轨迹规划流程实验与分析为了验证本文方法的整体有效性，在图环境中进行相关测试。黄绪勇等：基于改进人工势场法的电力巡检机器人自动避障轨迹规划自动控制与检测图实验环境上述实验环境中存在 个不同的障碍物，采用本文方法、文献 方法和文献 方法在上述环境中进行电力巡检工作，在规划路径轨迹中进行 次重复避障测试，测试不同方法的避障数，结果如表所示。表避障数量统计结果实验次序避障数个本文方法文献 方法文献 方法 由表可知，在给定路径中，本文方法可避开全部障碍，避障准确率高达 ，文献 方法和文献 方法在 次重复测试中均无法避开全部障碍，由此可知，本文方法的避障效果较好，是因为本文方法采用栅格法获取机器人巡检的环境信息，实现环境建模，提高了电力巡检机器人避障的准确率。为了验证本文方法的避障轨迹规划效果，在图所示的环境中，采用本文方法、文献 方法和文献 方法进行电力巡检，不同方法的避障轨迹如图所示。由图可知，本文方法可避开实验环境中的障碍物，成功到达目标点，文献 方法虽然也能成功到达目标点，但规划的轨迹路径比本文方法长，所获取的避障轨迹不属于最优轨迹，文献 方法在机图避障轨迹规划结果器人巡检过程中无法避开障碍物，表明该方法的避障轨迹规划效果差。对比上述方法的测试结果可知，本文方法可避开所有障碍物，并获取最短避障轨迹，文献 方法和文献 方法因为陷入极值点无法获取最优轨迹，验证了本文方法的有效性。将轨迹规划耗时作为指标，测试种方法在轨迹规划过程中所用的时间，测试结果如图所示。图轨迹规划耗时由图可知，本文方法在测试过程中的轨迹规划耗时均控制在 以内，文献 方法的轨迹规划耗时在 之间，文献 方法的轨迹规划耗时在 之间。对比不同方法的测试结果可知，本文方法可在较短时间内完成电力巡检机器人的自动避障轨迹规划，具有较高的规划效率。结束语目前，电力巡检机器人避障轨迹规划方法存在避障准确率低、规划效果差和规划效率低的问题，为此，本文提出基于改进人工势场法的电力巡检机器人自动避障轨迹规划方法。该方法通过改进人工势场法避免电力巡检机器人陷入局部极值点，获取最优避障轨迹，提升了电力巡检机器人自动避障轨迹规划效果。（下转第 页）（）图不同方法对疲劳信号的检测率结束语为提升对机械活塞工作疲劳信号的检测质量，本文提出了基于支持向量机的机械活塞疲劳信号检测方法。该方法先分析机械活塞的机械结构和工作原理，获取与疲劳信号产生的相关参数，然后将其代入损伤模型，完成活塞疲劳损伤模型的建立，最后结合支持向量机，实现机械活塞疲劳信号的精准检测。试验结果表明，本文方法对活塞疲劳信号的检测效率较高，可实现对活塞疲劳信号的稳定检测，具有更优的检测效果。参考文献：苏春阳，孙晓帮，王天利，等基于机器视觉的活塞杆表面微裂 纹 查 数 系 统 设 计 机 床 与 液 压，（）：龚京风，徐宗著，宣领宽基于格点型有限体积法的活塞高周疲劳分析 武汉科技大学学报，（）：朱明，张虎龙，陈昱宇，等 活塞杆摩擦焊接头的超声检测及缺陷二维重构 兰州理工大学学报，（）：沈峘，赵飞，毛建国，等 小型航空活塞发动机喷油异常的故障诊断航空动力学报，（）：支萌辉，尹泉，吕松垒，等基于 的数字交流伺服驱动器设计电气传动，（）：王俊霞，申倩影，王川龙符号矩阵填充的修正增广拉格朗日乘子算法工程数学学报，（）：祁祥洲，邢红杰基于中心核对齐的多核单类支持向量机计算机应用，（）：孙殿柱，沈江华，汪思腾，等复杂型面点云的法向特征聚类分级估计方法计算机集成制造系统，（）：（上接第 页）参考文献：彭继慎，孙礼鑫，王凯，等基于模型压缩的 电力巡检无人机避障目标检测算法仪器仪表学报，（）：周振宇，陈亚鹏，潘超，等面向智能电力巡检的高可靠低时延移动边缘计算技术高电压技术，（）：马希青，王金义基于复杂地形的四足机器人路径规划算法研究机床与液压，（）：曾德全，余卓平，熊璐，等 结构化道路下基于层次分析法的智能车避障轨迹规划 华南理工大学学报（自然科学版），（）：杨彬，宋学伟，高振海考虑车辆运动约束的最优避障轨迹规划算法 汽车工程，（）：王川伟，马宏伟，薛旭升，等煤矿履带巡检机器人多体动力学建模及越障仿真西安科技大学学报，（）：李小彭，尚东阳，李凡杰，等 输电线巡检机器人位姿变化的柔性关节控制策略东北大学学报（自然科学版），（）：刘德庆，张杰，金久才 基于三维激光雷达的无人船障碍物自适应栅格表达方法中国激光，（）：刘冰雁，叶雄兵，王新波，等基于改进人工势场的无人地面车辆路径规避算法中国惯性技术学报，（）：杜婉茹，王潇茵，田涛，等面向未知环境及动态障碍的人工势场路径规划算法 计算机科学，（）：张大海，武传健，和敬涵，等 利用测量波阻抗欧几里得距离的柔性直流输电线路后备保护方案电网技术，（）：郭一聪，刘小雄，章卫国，等基于改进势场法的无人机三维路径规划方法西北工业大学学报，（）：罗贤程，尹建川，李宏宾基于动态分阶势场法的船舶自动避碰系统 上海海事大学学报，（）：张家旭，王晨，赵健 基于改进人工势场法的汽车弯道超车路径 规 划 与 跟 踪 控 制 汽 车 工 程，（）：徐小强，刘芃辉，冒燕 改进人工势场法和 融合算法的无人艇路径规划研究武汉理工大学学报，（）：