轮履复合式变电站巡检机器人自主越障系统及控制方法

轮履复合式变电站巡检机器人自主越障系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种轮履复合式变电站巡检机器人自主越障系统及控制方法。
【背景技术】
[0002] 在近年来，随着科技的发展，利用变电站巡检机器人自动完成变电站日常设备巡 视、红外测温、设备状态检查等工作，已经成为变电站设备巡检的重要辅助手段。但是目前 的变电站巡检机器人存在W下问题：
[0003] 1、变电站巡检机器人主要在道路区巡检，难W对变电站内设备进行全方位的检 测；
[0004] 2、在一般的变电站，设备区与道路通常不在一个水平面上，而且设备区通常为非 结构化路面，如草地、石子路面等，机器人要从主要道路进入设备区运行巡检，则需要机器 人能够自主翻越路边石，进入设备区运行，对于轮式机器人平台，由于其自身的特点，机器 人无法进入设备区运行。
[0005] 现有的一些履带机器人，包括带有两条摆臂的履带机器人，如公开号为 CN101492072A的发明专利"一种移动机器人及其越障碍方法"，W及带有四条摆臂的履带机 器人，如专利号为化200520075351. 5的实用新型专利"自主越障机器人的复合移动机构"， 虽然机器人具有一定的越障能力，但是均没有提及自主越障系统W及自主越障方法的实 现，因而无法进行自主越障，而且由于单独的履带式机器人运行效率低，难W满足机器人 在变电站到道路区高效巡检的要求。由于变电站的对电力设备安全性的特殊要求W及变电 站巡检机器人对自主运行、定位精度W及运行可靠性的要求，现有的履带机器人系统均无 法直接在变电站巡检机器人上进行应用。

【发明内容】

[0006] 本发明为了解决上述问题，提出了一种轮履复合式变电站巡检机器人自主越障系 统及控制方法，该系统融合了激光传感器、Gl^s传感器、双目视觉传感器、姿态传感器等多传 感器信息，对巡检机器人本体信息W及周围环境信息进行精确检测，并基于上述信息提出 了一种序列化的自主越障控制方法，实现了变电站巡检机器人的自主越障，W及实现了变 电站巡检机器人轮式行走方式和履带式行走方式的自动切换，解决了机器人在变电站内全 区域巡检的难题。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[000引一种轮履复合式变电站巡检机器人自主越障系统，包括底盘和控制系统，其中，底 盘包括机器人控制箱体、履带行走单元、轮式行走单元、越障支臂单元W及驱动电机组，履 带行走单元包括左右行走履带，左右行走履带固定于控制箱体两侧，左右行走履带各自连 接一个驱动电机，轮式行走单元包括左右侧行走轮，行走轮通过越障支臂单元连接支臂驱 动电机，左右侧行走轮分别固定在控制箱体两侧，控制系统包括工控机和与之连接的传感 器组，工控机连接多个电机驱动器，每个电机驱动器分别连接对应的驱动电机。
[0009] 所述越障支臂单元包括安装在控制箱体前端的两个前支臂和安装在控制箱体后 端的两个后支臂。
[0010] 所述驱动电机组包括左、右两个行走驱动电机W及前、后支臂驱动电机，其中，左 行走驱动电机驱动左行走履带，右行走驱动电机驱动右行走履带，前支臂驱动电机驱动两 个前支臂，后支臂驱动电机驱动两个后支臂。
[0011] 所述前、后支臂驱动电机输出轴通过齿轮分别与前、后支臂驱动轴连接，前、后支 臂驱动轴从履带驱动轮中屯、穿出。
[0012] 所述前后支臂的长度略小于机器人本体总长度的一半，所述机器人前后支臂分别 W支臂大轮轴屯、为轴360度连续旋转。
[0013] 所述传感器组，包括GI^S定位传感器、激光导航传感器、双目视觉传感器、距离传 感器和倾角传感器，其中，所述激光导航传感器安装在机器人前端支架上，通过探测与周围 物体的距离确定机器人当前在变电站中的位置，所述双目视觉传感器安装在机器人前端支 架上，通过基于区域法向量的道路环境建模方法，提取机器人前方道路边缘距离、高度及待 驶入区域的平面高度及面积信息；所述距离传感器安装在机器人控制箱体前端，精确测量 机器人距离前方障碍物的距离；所述倾角传感器安装在机器人内部底部，测量机器人横滚 和俯仰两个方向上的倾角。
[0014] 所述GI^S定位传感器、激光导航传感器、距离传感器、倾角传感器和四个电机驱动 器过CAN总线连接。
[0015] 所述双目视觉传感器通过IE邸1394总线连接工控机。
[0016] 所述控制系统，还包括两个支臂零位开关，所述零位开关安装在支臂驱动轴上，与 电机驱动器连接，用于标定支臂的回零位置。
[0017] 所述控制系统，还包括四个编码器，所述编码器分别安装在行走驱动电机和支臂 驱动电机上上，编码器与电机驱动器通过RS422连接；连接行走驱动电机的编码器计算机 器人的移动距离和移动速度；连接支臂驱动电机的编码器用于计算支臂的旋转角度和旋转 速度。
[0018] 基于上述越障系统的控制方法，包括W下控制方式：
[0019] (1)机器人在变电站道路区硬化路面环境下巡检时，控制支臂旋转到下侧履带 与路面平行，使得机器人左右两侧的行走轮与路面接触，从而将机器人切换到轮式行走方 式；
[0020] (2)机器人在变电站设备区砂石、草地等路面环境下巡检时，控制支臂收于控制箱 体两侧，并控制支臂旋转到上侧履带与路面平行，使得机器人左右两侧的行走履带与路面 接触，从而将机器人切换到履带行走方式；
[0021] (3)机器人爬坡时，控制支臂向前后展开，使机器人支臂履带W及行走履带均与 地面接触W增加机器人爬坡的驱动力，同时加长机器人长度W防止机器人在爬坡过程中倾 覆；
[0022] (4)机器人从变电站常规道路区进入设备区进行巡检时，如果需要翻越障碍物，采 取自主越障控制方法。
[0023] 所述自主越障控制方法，包括W下步骤：
[0024] 步骤一、根据GI^S定位传感器、激光导航传感器采集的信息，通过全局路径规划方 法，控制机器人运动到障碍物的行动设定范围内，且正对于障碍物；
[0025] 步骤二、通过双目视觉传感器，采集环境图像，基于=维立体重构技术，提取机器 人与障碍物的距离、障碍物的高度，W及待驶入平面的面积信息，判断机器人是否能够绕过 该障碍物，如果能够绕过则机器人绕过障碍物；否则，判断机器人是否能够翻越该障碍物， 如果能够翻越则进入步骤否则，机器人停车报警，等待工作人员处理；
[0026] 步骤=、通过距离传感器精确测量机器人到障碍物的水平距离，控制机器人与障 碍物的距离在安全范围内；
[0027] 步骤四、控制前支臂向前旋转，直到前支臂的下侧履带与新的平面水平，同时控制 后支臂向后旋转，直到后支臂履带下侧面与地面水平，在此过程中，机器人本体与地面的夹 角逐渐增加；
[002引步骤五、通过倾角传感器获取机器人的水平倾角及侧向倾角，控制机器人两侧履 带轮的速度使向前运动，同时控制机器人不发生侧向倾斜；
[0029] 步骤六、控制机器人后支臂向后旋转，直到机器人两侧行走履带与地面平行；
[0030] 步骤走、控制机器人向前运动，直到机器人重屯、全部落到新的运动平面上；收起机 器人前、后支臂，根据路面情况选择轮式行走方式或者履带行走方式。
[0031] 所述步骤二的具体方法为；通过双目视觉传感器，基于=维立体重构技术，提取机 器人与障碍物的距离、障碍物的高度，W及待驶入平面的面积信息，并结合机器人自身的模 型判断机器人能否翻越此障碍物。
[0032] 所述步骤一中，行动设定范围最大值为Im。
[0033] 所述步骤=中，安全范围最大值为5cm。
[0034] 所述步骤五中，其具体方法为；通过倾角传感器获取机器人的水平倾角及侧向倾 角，控制机器人两侧履带轮的速度使向前运动，同时控制机器人不发生侧向倾斜；控制机器 人后支臂向前旋转，W保证后支臂履带下侧面始终与地面水平，防止机器人向后滑动；在此 过程中，机器人本体与地面水平倾角逐渐增加，当水平倾角达到临界值时，控制机器人停止 运动；该角度由机器人重屯、位置与障碍物 的高度共同决定，应保证机器人在前进过程中不 发生向前或者向后倾覆。
[0035] 所述步骤六中，其具体方法为；控制机器人后支臂向后旋转，直到机器人两侧行走 履带与地面平行，如果障碍物高度大于后支臂长度时，机器人两侧行走履带无法与地面达 到平行，则控制后支臂旋转到最大位置；同时控制机器人前支臂向后旋转，直到前支臂下侧 面与地面平行。
[0036] 本发明的有益效果为；
[0037] (1)可W根据需要自动切换轮式或者履带行走方式，满足了变电站不同道路条件 下巡检的需求；
[003引 （2)机器人可W自主翻越变电站路边石、电缆沟等障碍物，从而实现了机器人在变 电的全区域自主运行；
[0039] (3)采用GI^S定位传感器、激光导航传感器组合定位导航方式，可W精确的获取机 器人在变电站中的坐标位置，解决了单一导航方式在特定环境下失效的问题；
[0040] (4)利用支臂旋转角度通过编码器作为反馈信号，使支臂旋转角度的控制更加精 确，支臂可W完全收于机器人本体两侧，结构紧凑；
[0041] (5)传感器组中的各个传感器通过CAN总线连接在一起，便于系统的扩展。
【附图说明】
[0042] 图1为机器人底盘结构示意图；
[0043] 图2为机器人传感器安装位置示意图；
[0044] 图3为机器人控制系统结构示意图；
[0045] 图4 (a)为机器人轮式行走方式运动姿态示意图；
[0046] 图4化）为机器人履带行走方式运动姿态示意图；
[0047] 图4 (C)为机器人爬坡行走方式运动姿态示意图；
[0048] 图5为机器人自主越障流程图；
[0049] 图6 (a)为机器人自主越障过程步骤1示意图；
[0化0] 图6化）为机器人自主越障过程步骤4示意图；
[0化1 ] 图6 (C)为机器人自主越障过程步骤5示意图；
[0化2]图6 (d)为机器人自主越障过程步骤6示意图；
[0化3] 图6 (e)为机器人自主越障过程步骤7示意图。
[0化4]其中，1.左侧行走轮，2.后支臂驱动电机，3.后支臂电机驱动器，4.左侧行走履 带，5.倾角传感器，6.左侧行走电机驱动器，7.左侧行走驱动电机，8.前支臂，9.编码器， 10.前支臂驱动电机，11.回零开关，12.右侧行走驱动电机，13.后支臂，14.前支臂电机驱 动器，15.右侧行走电机驱动器，16.右侧行走履带，17.控制箱体，18.右侧行走轮，19.激光 传感器，20.双目视觉传感器，21.工控机，22.距离传感器，23. GPS定位传感器，24. CAN总 线。
【具体实施方式】：
[0055] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0化6] -种四支臂轮履复合式机器人底盘，它包括机器人控制箱体、履带行走单元、轮式 行走单元、越障支臂单元W及驱动电机。
[0057] 其中，所述履带行走单元包括安装在控制箱体的两侧的左侧行走履带和右侧行走 履带。所述轮式行走单元包括两个左侧行走轮和两个右侧行走轮。所述越障支臂单元包括 安装在控制箱体前端的两个前支臂和安装在控制箱体后端的两个后支臂。所述驱动电机包 括左、右两个行走驱动电机W及前、后支臂驱动电机。
[0化引其中，所述左侧行走轮和右侧行走轮分别安装在四条支臂上，并通过同步带与左 右两侧行走履带的驱动轮连接，因而当行走驱动电机驱动行走履带旋转时，左右两侧的行 走轮跟随行走履带同步旋转。
[0059] 其中，所述机器人前后支臂由安装在控制箱体两端的两个电机分别驱动，支臂驱 动电机输出轴通过齿轮与支臂驱动轴连接，支臂驱动轴从主履带驱动轮中屯、穿出。所述前 后支臂的长度略小于机器人本体总长度的一半，从而机器人前、后支臂可W完全收于机器 人本体两侧。所述机器人前后支臂可W分别W支臂大轮轴屯、为轴360度连续旋转。
[0060] 一种四支臂轮履复合式机器人自主越障控制系统，它包括工控机、GI^S定位传感 器、激光导航传感器、双目视觉传感器、距离传感器、倾角传感器W及四个电机驱动器、四个 编码器和两个支臂零位开关。
[0061] 其中，所述工控机、GI^S定位传感器、激光导航传感器、距离传感器、倾角传感器和 四个电机驱动器过CAN总线连接。所述工控机和双目视觉传感器通过IE邸1394总线连接。
[0062] 其中，所述激光导航传感器安装在机器人前端支架上，可W通过探测与周围物体 的距离确定机器人当前在变电站中的位置。所述双目视觉传感器安装在机器人前端支架 上，可W通过基于区域法向量的道路环境建模方法，提取机器人前方道路边缘距离、高度及 待驶入区域的平面高度及面积等信息。所述距离传感器安装在机器人控制箱体前端，可W 精确测量机器人距离前方障碍物的距离，从而控制机器人精确的停靠在障碍物前方的指定 位置。所述倾角传感器安装在机器人内部底部，可W测量机器人横滚和俯仰两个方向上的 倾角。
[0063] 其中，所述零位开关安装在支臂驱动轴上，与电机驱动器连接，用于标定支臂的回 零位置。所述编码器分别安装在行走驱动电机和支臂驱动电机上上，编码器与电机驱动器 通过RS422连接。通过连接行走驱动电机的编码器可W精确计算机器人的移动距离和移 动速度，从而精确控制机器人的行驶速度W及精确控制机器人的停靠位置。通过连接支臂 驱动电机的编码器可W精确计算支臂的旋转角度和旋转速度，从而精确控制支臂的旋转位 置。所述电机驱动器安装在机器人内部底部，分别用于驱动机器人左右两侧的行走驱动电 机和支臂旋转驱动电机。
[0064] 一种履带式变电站巡检机器人的控制方法，它包括：
[00化]1、机器人在变电站道路区硬化路面环境下巡检时，控制支臂旋转到下侧履带与路 面平行，使得机器人左右两侧的行走轮与路面接触，从而将机器人切换到轮式行走方式。
[0066] 2、机器人在变电站设备区砂石、草地等路面环境下巡检时，控制支臂收于控制箱 体两侧，并控制支臂旋转到上侧履带与路面平行，使得机器人左右两侧的行走履带与路面 接触，从而将机器人切换到履带行走方式。
[0067] 3、机器人爬坡时，控制支臂向前后展开，使机器人支臂履带W及行走履带均与地 面接触W增加机器人爬坡的驱动力，同时加长机器人长度W防止机器人在爬坡过程中倾 覆。
[0068] 4、机器人从变电站常规道路区进入设备区进行巡检时，如果需要翻越路边石、电 缆沟等障碍物，则采用W下步骤实现自主越障：
[0069] 步骤1 ;机器人在变电站常规道路区正常巡检过程中，通过激光和GI^S组合导航， 结合全局路径规划方法，控制机器人自动运动到距离待翻越的障碍物前方1米的范围内， 并使机器人正对于障碍物。
[0070] 步骤2 ;通过双目视觉传感器，基于S维立体重构技术，提取机器人与障碍物的距 离t障碍物的高度h，W及待驶入平面的面积等信息，并结合机器人自身的模型判断机器 人能否翻越此障碍物。
[0071] 步骤3 ;如果障碍物可W翻越，通过距离传感器精确测量机器人到障碍物的水平 距离，控制机器人在障碍物距离为d《5cm的位置停止，该距离保证前支臂旋转后能够可靠 搭在障碍物的边缘上。
[0072] 步骤4;控制前支臂向前旋转，直到前支臂的下侧履带与新的平面水平。同时控制 后支臂向后旋转，直到后支臂履带下侧面与地面水平。在此过程中，机器人本体与地面的夹 角逐渐增加。
[0073] 步骤5 ;通过倾角传感器获取机器人的水平倾角及侧向倾角，控制机器人两侧履 带轮的速度使向前运动，同时控制机器人不发生侧向倾斜。控制机器人后支臂向前旋转，W 保证后支臂履带下侧面始终与地面水平，防止机器人向后滑动。在此过程中，机器人本体 与地面水平倾角逐渐增加，当水平倾角达到临界值时，控制机器人停止运动。该角度由机器 人重屯、位置与障碍物的高度共同决定，保证了机器人在前进过程中不发生向前或者向后倾 覆。
[0074] 步骤6 ;控制机器人后支臂向后旋转，直到机器人两侧行 走履带与地面平行。如果 障碍物高度大于后支臂长度时，机器人两侧行走履带无法与地面达到平行，则控制后支臂 旋转到最大位置。同时控制机器人前支臂向后旋转，直到前支臂下侧面与地面平行。
[0075] 步骤7 ;控制机器人向前运动，直到机器人重屯、全部落到新的运动平面上。收起机 器人前、后支臂，根据路面情况选择轮式行走方式或者履带行走方式。
[0076] 实施例一；
[0077] -种四支臂轮履复合式机器人底盘，它包括机器人控制箱体（17)、履带行走单元、 轮式行走单元、越障支臂单元W及驱动电机。其中履带行走单元包括安装在控制箱体的两 侧的左侧行走履带（4)和右侧行走履带（16)。轮式行走单元包括两个左侧行走轮（1)和两 个右侧行走轮（18)。越障支臂单元包括安装在控制箱体前端的两个前支臂（8)和安装在控 制箱体后端的两个后支臂（13)。驱动电机包括左侧行走驱动电机（7)、右侧行走驱动电机 (12)、前支臂驱动电机（10)和后支臂驱动电机（2)。
[007引其中，行走轮分别安装在前支臂（8)和后支臂（13)上。安装在前支臂（8)上的两 个行走轮分别通过同步带与左右两侧行走履带的驱动轮连接，因而当行走驱动电机驱动行 走履带旋转时，左右两侧的行走轮跟随行走履带同步旋转。安装在后支臂（13)上的两个行 走轮为从动轮。在本实例中，行走驱动电机使用MAXON公司250W的直流无刷电机，该电机 最高转速为9090rpm，传动系统减速比为56:1，履带轮直径为180mm，行走轮直径为120mm， 因而轮式行走方式下机器人最大速度为Im/s，履带行走方式下最大速度为1. 5m/s.
[0079] 其中，机器人前支臂做和后支臂（13)分别安装在控制箱体（17)两端外侧，并 由安装在控制箱体（17)内部两端的前支臂驱动电机（10)和后支臂驱动电机（2)分别驱 动。支臂驱动电机输出轴通过齿轮与支臂驱动轴连接，支臂驱动轴从行走履带驱动轮中屯、 穿出，前、后支臂可W分别同步W360度连续旋转。支臂的长度略小于机器人本体总长度的 一半，从而机器人前、后支臂可W完全收于机器人本体两侧，使得机器人正常行驶时，结构 更加紧凑。本实例中，支臂驱动电机使用MAXON公司150W的直流有刷电机，该电机最高转 速为7580rpm，传动系统减速比为1040:1，因而支臂的最大旋转速度为43° /s。
[0080] 如图1和图2所示，本发明还提供了一种四支臂轮履复合式机器人自主越障控制 系统，它包括安装在控制箱体（17)上方的工控机（21)，安装在机器人前端支架上的GI^S定 位传感器（23)、激光导航传感器（19)、双目视觉传感器（20)，安装在控制箱体（17)前端的 距离传感器（22)，安装在控制箱体（17)内部的倾角传感器巧）、左侧行走电机驱动器化）、 右侧行走电机驱动器（15)、前支臂电机驱动器（14)、后支臂电机驱动器（3)，安装在电机后 端的四个编码器巧）W及安装在支臂驱动轴上的回零开关（11)。
[0081] 如图3所示，工控机（21)、GI^S定位传感器（23)、激光导航传感器（19)、距离传感 器（22)、倾角传感器妨和四个电机驱动器通过CAN总线（24)连接，便于系统的扩展。其 中通过GI^S定位传感器（23)和激光导航传感器（19)组合实现机器人在变电站的定位和导 航，GI^S定位传感器（23)用于提供机器人的初始位置，W及在机器人运行过程中对机器人 位置进行校正。通过激光导航传感器（19)扫描机器人与周围物体的距离，并与激光地图匹 配获取机器人在变电站中的位置坐标。双目视觉传感器（20)与工控机通过IE邸1394总线 连接。通过双目视觉传感器（20)获取机器人前方障碍物的双目图像，采用基于区域法向量 的道路环境建模方法，提取机器人前方道路边缘距离、高度及待驶入区域的平面高度及面 积等信息，根据上述信息机器人可W综合判断需要采取越障策略还是绕障策略。两个距离 传感器（22)安装在控制箱体（17)的前端，可W精确测量机器人距离障碍物的距离，从而 控制机器人准确的停靠在障碍物前方指定位置。本实例中使用SICK公司的DT35作为距离 传感器，该传感器量程可达0. 05m~12m，测量精度为0. 5mm。倾角传感器（5)安装在控制 箱体（17)底部，可W测量机器人横滚和俯仰两个方向上的倾角。本实例中使用RION公司 的SCA126T-60双轴倾角传感器，该传感器分辨率为0. 01。，绝对精度0. 08。。
[0082] 其中，四个编码器（9)分别安装在四个驱动电机的尾部，通过RS422总线与四个电 机驱动器连接。通过编码器（9)可W计算电机的转速，在行走电机驱动器上形成速度闭环， 从而控制机器人行走的速度。在支臂电机驱动器上形成位置闭环，从而控制支臂的旋转角 度。本实例中使用的编码器为MAXON公司的肥化9140,该编码器为500线，在驱动器中4倍 频后，电机每旋转一周可得到2000个脉冲，由于支臂传动系统的减速比为1040,所W支臂 旋转角度的分辨率可达0. 0002°。
[0083] 本发明还提出了一种轮履复合式机器人的控制方法。如图4(a)所示，机器人在变 电站道路区硬化路面环境下巡检时，控制支臂旋转到下侧履带与路面平行，使得机器人左 右两侧的行走轮与路面接触，从而将机器人切换到轮式行走方式。如图4(b)所示，机器人 在变电站设备区砂石、草地等路面环境下巡检时，控制支臂收于控制箱体两侧，并控制支臂 旋转到上侧履带与路面平行，使得机器人左右两侧的行走履带与路面接触，从而将机器人 切换到履带行走方式。如图4(c)所示，机器人爬坡时，控制支臂向前后展开，使机器人支臂 履带W及行走履带均与地面接触W增加机器人爬坡的驱动力，同时加长机器人长度W防止 机器人在爬坡过程中倾覆。
[0084] 机器人从变电站常规道路区进入设备区进行巡检时，如果需要翻越路边石、电缆 沟等障碍物，则采用如图5所示的步骤实现自主越障：
[0085] 步骤1 ;机器人在变电站常规道路区正常巡检过程中，通过GI^S定位传感器（23) 和激光导航传感器（19)组合导航，结合全局路径规划方法，控制机器人自动运动到距离待 翻越的障碍物前方1米的范围内，并使机器人正对于障碍物。如图6(a)所示。
[0086] 步骤2 ;通过双目视觉传感器（20)，基于S维立体重构技术，提取机器人与障碍物 的距离t障碍物的高度h，W及待驶入平面的面积等信息，并结合机器人自身的模型判断 机器人能否翻越此障碍物。如果障碍物能够绕过，则启动绕障策略，否则如果障碍物能够翻 越，则启动自动越障策略，否则，机器人将停车报警等待人为干预。如图6(a)所示。
[0087] 步骤3 ;如果判断障碍物可W翻越，通过距离传感器倘）测量机器人到障碍物的 距离，控制机器人在障碍物距离为d《5cm的位置停止，该距离保证前支臂（8)旋转后能 够可靠搭在障碍物的边缘上。
[0088] 步骤4 ;制前支臂巧）向前旋转，直到前支臂巧）的下侧履带与新的平面水平。同 时控制后支臂（13)向后旋转，直到后支臂（13)履带下侧面与地面水平。此时前支臂巧） 旋转的角度约为lW+w=sin(^ + 0而后支臂旋转的角度约为l8〇-arcsin(|) + 0其中，L为机器 人履带行走轮的中屯、距，h为障碍物的高度，0为支臂上下两侧履带的夹角，在本实例中， 支臂上下两侧履带的夹角0为26°。在此过程中，机器人本体与地面的夹角逐渐增加。如 图6(b)所示。
[0089] 步骤5 ;控制机器人左侧行走驱动电机做和右侧行走驱动电机速度使机器 人向前运动，同时通过倾角传感器（5)获取机器人的水平倾角及侧向倾角，控制机器人不 发生侧向倾斜。控制机器人后支臂（13)向前旋转，W保证后支臂（13)履带下侧面始终与 地面水平，防止机器人向后滑动。在此过程中，机器人本体与地面水平倾角逐渐增加，当水 平倾角达到临界值时，控制机器人停止运动。该角度由机器人重屯、位置与障碍物的高度共 同决定，保证机器人在向前运动过程中不发生向前跌落或者向后倾覆。如图6(c)所示。
[0090] 步骤6 ;控制机器人后支臂（13)向后旋转，直到机器人两侧行走履带与地 面平行。 如果障碍物高度大于后支臂（13)长度时，机器人两侧行走履带无法与地面达到平行，则控 制后支臂（13)旋转到最大位置。同时控制机器人前支臂巧）向后旋转，直到前支臂下侧面 与地面平行。如图6(d)所示。
[0091] 步骤7 ;控制机器人向前运动，直到机器人重屯、全部落到新的运动平面上。收起机 器人前支臂（8)和后支臂（13)，根据路面情况选择轮式行走方式或者履带行走方式。如图 6(e)所示。
[0092] 上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围W内。
【主权项】
1. 一种轮履复合式变电站巡检机器人自主越障系统，其特征是：包括底盘和控制系 统，其中，底盘包括机器人控制箱体、履带行走单元、轮式行走单元、越障支臂单元以及驱动 电机组，履带行走单元包括左右行走履带，左右行走履带固定于控制箱体两侧，左右行走履 带各自连接一个驱动电机，轮式行走单元包括左右侧行走轮，行走轮通过越障支臂单元连 接支臂驱动电机，左右侧行走轮分别固定在控制箱体两侧，控制系统包括工控机和与之连 接的传感器组，工控机连接多个电机驱动器，每个电机驱动器分别连接对应的驱动电机。2. 如权利要求1所述的自主越障系统，其特征是：所述越障支臂单元包括安装在控制 箱体前端的两个前支臂和安装在控制箱体后端的两个后支臂。3. 如权利要求1所述的自主越障系统，其特征是：所述驱动电机组包括左、右两个行走 驱动电机以及前、后支臂驱动电机，其中，左行走驱动电机驱动左行走履带，右行走驱动电 机驱动右行走履带，前支臂驱动电机驱动两个前支臂，后支臂驱动电机驱动两个后支臂。4. 如权利要求3所述的自主越障系统，其特征是：所述前、后支臂驱动电机输出轴通过 齿轮分别与前、后支臂驱动轴连接，前、后支臂驱动轴从履带驱动轮中心穿出。5. 如权利要求2所述的自主越障系统，其特征是：所述前、后支臂的长度小于机器人本 体总长度的一半，所述机器人前后支臂分别以支臂大轮轴心为轴360度连续旋转。6. 如权利要求1所述的自主越障系统，其特征是：所述传感器组，包括GPS定位传感 器、激光导航传感器、双目视觉传感器、距离传感器和倾角传感器，其中，所述激光导航传感 器安装在机器人前端支架上，通过探测与周围物体的距离确定机器人当前在变电站中的位 置，所述双目视觉传感器安装在机器人前端支架上，通过基于区域法向量的道路环境建模 方法，提取机器人前方道路边缘距离、高度及待驶入区域的平面高度及面积信息；所述距离 传感器安装在机器人控制箱体前端，精确测量机器人距离前方障碍物的距离；所述倾角传 感器安装在机器人内部底部，测量机器人横滚和俯仰两个方向上的倾角。7. 如权利要求6所述的自主越障系统，其特征是：所述GPS定位传感器、激光导航传感 器、距离传感器、倾角传感器和四个电机驱动器过CAN总线连接。8. 如权利要求6所述的自主越障系统，其特征是：所述双目视觉传感器通过IEEE1394 总线连接工控机。9. 如权利要求1所述的自主越障系统，其特征是：所述控制系统，还包括两个支臂零位 开关，所述零位开关安装在支臂驱动轴上，与电机驱动器连接，用于标定支臂的回零位置。10. 如权利要求9所述的自主越障系统，其特征是：所述控制系统，还包括四个编码 器，所述编码器分别安装在行走驱动电机和支臂驱动电机上上，编码器与电机驱动器通过 RS422连接；连接行走驱动电机的编码器计算机器人的移动距离和移动速度；连接支臂驱 动电机的编码器用于计算支臂的旋转角度和旋转速度。11. 基于如权利要求1-10中任一项所述的越障系统的控制方法，其特征是：包括以下 控制方式： (1) 机器人在变电站道路区硬化路面环境下巡检时，控制支臂旋转到下侧履带与路面 平行，使得机器人左右两侧的行走轮与路面接触，从而将机器人切换到轮式行走方式； (2) 机器人在变电站设备区砂石、草地等路面环境下巡检时，控制支臂收于控制箱体两 侦L并控制支臂旋转到上侧履带与路面平行，使得机器人左右两侧的行走履带与路面接触， 从而将机器人切换到履带行走方式； (3) 机器人爬坡时，控制支臂向前后展开，使机器人支臂履带以及行走履带均与地面接 触以增加机器人爬坡的驱动力，同时加长机器人长度以防止机器人在爬坡过程中倾覆； (4) 机器人从变电站常规道路区进入设备区进行巡检时，如果需要翻越障碍物，采取自 主越障控制方法。12. 如权利要求11中所述自主越障控制方法，其特征是：包括以下步骤： 步骤一、根据GPS定位传感器、激光导航传感器采集的信息，通过全局路径规划方法， 控制机器人运动到障碍物的行动设定范围内，且正对于障碍物； 步骤二、通过双目视觉传感器，采集环境图像，基于三维立体重构技术，提取机器人与 障碍物的距离、障碍物的高度，以及待驶入平面的面积信息，判断机器人是否能够绕过该障 碍物，如果能够绕过则机器人绕过障碍物；否则，判断机器人是否能够翻越该障碍物，如果 能够翻越则进入步骤三；否则，机器人停车报警，等待工作人员处理； 步骤三、通过距离传感器精确测量机器人到障碍物的水平距离，控制机器人与障碍物 的距离在安全范围内； 步骤四、控制前支臂向前旋转，直到前支臂的下侧履带与新的平面水平，同时控制后支 臂向后旋转，直到后支臂履带下侧面与地面水平，在此过程中，机器人本体与地面的夹角逐 渐增加； 步骤五、通过倾角传感器获取机器人的水平倾角及侧向倾角，控制机器人两侧履带轮 的速度使向前运动，同时控制机器人不发生侧向倾斜； 步骤六、控制机器人后支臂向后旋转，直到机器人两侧行走履带与地面平行； 步骤七、控制机器人向前运动，直到机器人重心全部落到新的运动平面上；收起机器人 前、后支臂，根据路面情况选择轮式行走方式或者履带行走方式。13. 如权利要求12中所述的控制方法，其特征是：所述步骤一中，行动设定范围最大值 为lm〇14. 如权利要求12中所述的控制方法，其特征是：所述步骤三中，安全范围最大值为 5cm〇15. 如权利要求12中所述的控制方法，其特征是：所述步骤五中，其具体方法为：通 过倾角传感器获取机器人的水平倾角及侧向倾角，控制机器人两侧履带轮的速度使向前运 动，同时控制机器人不发生侧向倾斜；控制机器人后支臂向前旋转，以保证后支臂履带下侧 面始终与地面水平，防止机器人向后滑动；在此过程中，机器人本体与地面水平倾角逐渐增 加，当水平倾角达到临界值时，控制机器人停止运动；该角度由机器人重心位置与障碍物的 高度共同决定，应保证机器人在前进过程中不发生向前或者向后倾覆。16. 如权利要求12中所述的控制方法，其特征是：所述步骤六中，其具体方法为：控制 机器人后支臂向后旋转，直到机器人两侧行走履带与地面平行，如果障碍物高度大于后支 臂长度时，机器人两侧行走履带无法与地面达到平行，则控制后支臂旋转到最大位置；同时 控制机器人前支臂向后旋转，直到前支臂下侧面与地面平行。
【专利摘要】本发明公开了一种轮履复合式变电站巡检机器人自主越障系统及控制方法，系统包括底盘和控制系统，其中，底盘包括机器人控制箱体、履带行走单元、轮式行走单元、越障支臂单元以及驱动电机组，履带行走单元包括左右行走履带，左右行走履带固定于控制箱体两侧，左右行走履带各自连接一个驱动电机，轮式行走单元包括左右侧行走轮，行走轮通过越障支臂单元连接支臂驱动电机，左右侧行走轮分别固定在控制箱体两侧，控制系统包括工控机和与之连接的传感器组，工控机连接多个电机驱动器，每个电机驱动器分别连接对应的驱动电机。本发明可以根据需要自动切换轮式或者履带行走方式，满足了变电站不同道路条件下巡检的需求。
【IPC分类】G05D1/02
【公开号】CN104881027
【申请号】CN201510220735
【发明人】栾贻青, 郝永鑫, 李丽, 王海鹏, 肖鹏, 慕世友, 任杰, 傅孟潮, 王滨海, 李建祥, 赵金龙
【申请人】国家电网公司, 国网山东省电力公司电力科学研究院, 山东鲁能智能技术有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月4日