变电站智能巡检机器人导航算法改进

周启平，贾 蕾，何 伟，郭俊凯

（1.安徽继远软件有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽四创电子股份有限公司，安徽 合肥 230011；3.中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 7100683）

当前人工智能技术正在飞速发展，国内很多电力企业正在大面积推广智能巡检机器人应用于智能变电站、无人值守变电站等，辅助人工开展设备巡视。巡检机器人能够实现对变电站全天候、全方位和全自主智能巡检，有效降低人工劳动强度，降低变电站运维成本，提升正常巡检作业和管理的智能化水平。结合机器人技术和导航技术两者优势并应用到变电站巡检业务中，克服数据准确度低、实效性差、人工巡检效率低下等技术缺陷，真正做到变电站无人化值守，让巡检工作变得更加智能化[1]。自主导航技术是保证巡检机器人在变电站内得以自主且稳定行走的关键，导航定位技术的精度直接决定了智能机器人在巡检过程中能否准确抵达巡检位置并精准完成巡检任务，进而保障变电站电力设备的运行安全。

1 北斗卫星导航系统

1.1 北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统（beidou navigation satellite system, BDS）是我国自主研制的全球卫星导航系统，也是继美国GPS、俄罗斯GLONASS 之后的第三个成熟的卫星导航系统。2020年6月23日，随着北斗三号收官之星发射升空，标志着北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成，至此中国北斗迈进全球服务的新时代[2]。

北斗三号卫星导航系统由30颗卫星组成，其全球范围定位精度优于10 m，测速精度优于0.2 m/s，授时精度优于20 ns。BDS系统可以全天候为用户提供可靠的导航、定位、授时服务，并可提供最高14000 bit（1000 个汉字）双向短报文通信服务，有效解决了海域及偏远地区数据通信的难题[3]。

BDS 系统具有3 大明显特点：空间段采用3 种轨道卫星组成的混合星座，拥有较多数量的高轨卫星，能有效地对抗外界干扰信号遮挡，特别是在低纬度地区效果更加显著；提供多频点导航信号，可通过多频信号组合使用等方式提高服务精度；创新融合了导航与通信能力，拥有定位导航授时、地基增强、星基增强、精密单点定位、短报文通信和国际搜救等多种服务能力[4]。

1.2 电力北斗地基增强系统

北斗地基增强系统是实现北斗卫星导航系统高精度定位、导航、授时的重要基础设施。用户通过高精度接收终端，借助网络或无线电通信等手段接收来自数据中心播发的定位信号，从而得到高精度定位结果，定位精度可提升至厘米级，甚至毫米级（后处理）[5]。

电力系统由于其运维、检修、调度、基建和营销等多个业务领域对高精度授时和导航定位等有广泛的需求，而且电力系统由于其自身特性，设备覆盖地区广，对信息安全要求高，因此建设电力北斗地基增强系统成为电力部门的迫切需求[6]。电力北斗地基增强系统主要由基准站网、通信传输网络、数据综合处理中心、应用终端等构成[7]，如图1 所示。

图1 电力北斗地基增强系统架构

2019年12月，山东省电力北斗地基增强系统已建成投入使用，并成功应用到无人机巡检和基于高精度定位的人员安全管控项目中，标志着电力北斗地基增强系统正式启用[8]。

2 机器人常用自主导航技术

自主导航技术是变电站巡检机器人的“智能化”进程中最基础最核心的底层应用技术。目前，变电站智能巡检机器人常用导航方式包括GPS导航、磁轨迹导航、视觉导航、激光雷达导航和惯性导航等。

2.1 GPS导航

全球定位系统包括空间卫星系统、地面控制网和用户接收系统3 大部分[9]，GPS 导航应用较为广泛，差分GPS 系统定位精度可达1～2 cm，但受政治因素影响，其安全性不高，存在随时被关停的风险，且由于高精度GPS定位模块成本高，导致系统无法普及应用。

2.2 磁轨迹导航

磁轨迹导航是一种技术非常成熟的导航方式，通过预先在变电站地面铺设磁轨道或RFID标签进行精确定位和导航，具有精度高、抗干扰能力强等优点，但也存在投资成本高、灵活性差，铺设工程量大、扩建不便等缺点，目前巡检机器人导航基本已不采用该方式[10]。

2.3 视觉导航

巡检机器人通过高性能相机采集巡检区域图像信息并进行数字化处理并与机器学习系统中的图像样本库进行比对分析，从而得到机器人当前所处位置来实现导航定位[11]。视觉导航方式能够识别设备、道路、划线及障碍物，其成本低、灵活性高，但其计算量大，对机器人硬件要求较高，且受变电站复杂环境影响较大，定位精度不高。

2.4 激光雷达导航

激光雷达导航是近年来巡检机器人最常用的导航方式，巡检机器人通过激光雷达对周围目标进行扫描，从而获取目标物上全部目标点的数据，对这些数据成像处理后，精确生成目标物的三维立体图像。

同步定位与地图构建（simultaneous localization and mapping，SLAM）技术，指机器人利用传感器收集到的数据信息进行求解运算，实现位置姿态的定位以及获取场景地图信息的系统[12-13]。SLAM系统采用对不同时间的点云进行比对的方法，求解出激光雷达相对运动的长度以及姿态的变化，从而准确的获取机器人的位置信息。激光雷达导航技术具备定位精度高、探测角度广、响应速度快等优势，但也存在激光雷达成本高、探测距离短等劣势，具有一定的应用局限性。

2.5 惯性导航

惯性导航通过航位推算法将载体当前的航向和速度与上一时刻的位置相结合，推算出当前时刻的位姿，并得到载体的行驶轨迹，保证不受外界环境因素的影响[14]。但由于其误差随着使用时间不断积累，因此定位精度不高，主要用于辅助导航方面。

3 基于BDS的机器人导航技术

3.1 基于BDS的机器人导航系统架构

智能巡检机器人由机器人本体和后台管理系统组成，机器人本体与后台管理系统之间采用无线通信，采用WAPI 无线通信协议，机器人系统框架图如图2所示，主要由电源管理系统、导航定位系统、无线通信系统和控制系统等组成，控制系统由工控机和单片机组成，导航定位系统由北斗导航系统、视觉导航模块、惯性导航模块和超声波避障系统组成。

机器人使用BDS系统与超声波雷达避障系统作为导航方式，并用视觉导航作为辅助导航方式，既可以达到厘米级导航定位精度，又可以实现机器人运行过程中灵活避障。由于不使用价格高昂的激光雷达，大大降低了机器人的制造成本。

图2 基于BDS的机器人导航系统架构

3.2 BDS地基增强基站架设

电力北斗精准服务网系统一般将数据中心设置在电网公司总部或者省公司通信机房，基站与数据综合处理中心通过电力数据网进行通信。基站可根据地域规模进行规划，一般设置在枢纽变电站内以节约土地成本。

由于北斗卫星导航系统提供的授时、定位、导航、短报文通信服务可靠性要求比较高，应当设置在I区或II区，并做好纵向加密、横向隔离等网络安全边界防护，接收终端应当使用加密芯片并基于唯一识别认证机制加以认证。

3.3 地图创建

通过激光扫描器、高精度北斗定位设备等建立变电站全局地图，对变电站道路、建筑物、构筑物、设备进行标定，将各节点经纬度坐标信息储存于数据库中。由于变电站地势较为平坦，全局地图通过平面坐标系来构建，为此需要将读取的节点数据转换为平面坐标系，然后再通过坐标旋转或平移等方式将其转换为机体坐标系[15]。CGCS2000 大地坐标系转换方法常用有高斯一克吕格算法和墨卡托投影算法，通过将椭球面三维坐标系转换为二维坐标系。

3.4 导航控制与避障

机器人按照预设的位置坐标信息，通过BDS系统导航行驶至目标位置，在行进过程中，视觉导航系统通过可见光摄像头提取路面及周边设备图像并进行分析和处理，实现路线校准以及最优路线的规划。

在机器人行驶过程中，机器人通过前部及两侧的超声波传感器检测周边障碍物情况，同时根据机体速度判断是否会发生碰撞，并调用相关算法对路径进行规划，以达到自动避开障碍物的目的。

3.5 无线通信

目前，对于变电站巡检机器人与监控主站之间的通信，一般采用Wi-Fi 无线网桥传输方式，无法满足变电站网络的安全传输要求。通过可靠的通信方式是，加装无线加密通信模块，采用支持WAPI无线标准或230 MHz电力无线专网通信模组通信。

将BDS系统的双向短报文通信服务作为机器人无线通信的后备通信，主要用来下达控制命令，传输装置告警信息以及设备紧急重大缺陷等。对于护网、保供电、变电站内必须停用无线通信等有关情况时，通过利用BDS 短报文通信服务来传输信息，以确保不至于因为停用无线通信导致机器人停用。

4 实验验证

在某开通电力北斗地基增强系统的变电站对机器人导航定位技术进行了实验验证，在变电站室外设置机器人运行路线为矩形，设定矩形的4 个顶点作为定位点（A点、B 点、C 点、D点），进行50 次定位循环，并计算50次定位的定位精度平均值及标准差，得到对于每个定位点的定位精度。利用激光SLAM 技术的机器人进行定位精度测试进行对比，得到结果如表1所示。

实验结果表明，北斗地基增强系统精度达到厘米级，尽管比激光SLAM 定位精度略低，但已经满足变电站巡检机器人导航需求。根据市场行情调查得知，激光雷达与高精度北斗导航模块价格差距较为明显，激光雷达费用是高精度北斗导航模块4～8倍。综合考虑定位精度和设备成本等因素，采用北斗地基增强系统定位技术进行机器人导航是更为合理的选择。

表1 定位精度实验结果 cm

5 结束语

针对变电站巡检机器人的导航系统，提出了一种利用北斗地基增强系统并辅以视觉导航的算法，该算法利用厘米级定位服务的北斗地基增强系统进行导航定位，辅以视觉导航系统完成对导航路线校准及最优路线规划，实时有效地对智能巡检机器人的运动姿态进行控制，满足变电站智能巡检机器人巡检精度要求。由于不使用价格昂贵的激光雷达，节省巡检机器人的制造成本，具有很好的应用推广前景。