巡检机器人运动控制系统研究

庹发金 张辉军 魏详雨

摘要：工业园区的环境十分的特殊，为了让巡检机器人的运动控制系统真正的发挥出作用，实现较为精准的定位，本次研究中重点探讨的是巡检机器人的行走方式、引导和定位方式等多个方面的问题，通过借助于科学的定位手段，使得机器人本身的姿态和位置等加以明确，表现出更为可靠地抗干扰能力。

关键词：巡检机器人;运动控制系统;定位方式

在社会经济稳步发展的今天，电力需求量呈现出急剧增加的趋势，因此电力系统本身的自动化水平也受到了关注^【1】。因工业园区的发展需要，在智能化技术实现飞速发展的进程中，应该积极的转变以往人工巡检的方式，解决劳动强度大、实时性差等多种多样的问题。工业园区中的智能化巡检机器人往往是结合着机器人技术和电力设备非接触检测技术等实现对工业园区的检测工作，通过对巡检的数据信息展开分析，及时的了解到电网运行阶段存在的事故隐患，完成对工业园区中全天候和全方位的有效监控，合理的降低相应的运维成本，保证巡检作业的智能化水平得到有效的提升，给工业园区提供较为可靠地保障。

一、巡检机器人运动控制系统—行走方式

对于行走方式的选择应该十分的慎重，这对于运动控制系统的控制策略能够产生较为直接的影响，只有落实好行走方式的合理选择，才能保证在工业园区实际路况环境之下完成高精度、高速度的稳定运行目标^【2】。

（一）轮式

巡检机器人的行走方式之一就是轮式，这是应用较为广泛的行走方式，因为轮式机构具有十分灵活的移动模式，加之机械结构较为简单，还存在着极高的机械效率，所以受到了广泛的关注。在相对于平坦的地面上，轮式机构更易凸显出自身的优势之处，表现出极高的运行速度。轮式移动机构虽然存在着自身的优势之处，但是能够越过壕沟和台阶的能力较低，特别是其和地面实际接触到的面积有限，若是在相对于柔软和光滑的路面上，很容易出现沉陷或者是打滑的问题。

（二）履带式

履带式行走方式也具有极为明显的优势，比如接地比压较小，即使是在松软或者是泥泞的场地上作业都能轻松地通过^【3】。履带式移动机器人往往需要运用至负载较重且地面崎岖的场合，其也存在着自身的缺点，主要是表现为转向不灵活、减振性能较差、运动噪声大等等，还能够对地面产生极大地剪切破坏作用，如果地面的环境相对于恶劣，履带会出现磨损问题。经过对巡检机器人行走方式的合理化研究，结合工业园区的实际情况，发现轮式结构的行走方式更适合。

二、巡检机器人运动控制系统—SLAM技术的应用

所谓的SLAM技术，就是指的借助于传感器针对于地图合理的创建并完成自身的定位，同时进行同步求解的过程。具体的描述应该是在相对于未知的环境之下，已知运动学模型的移动机器人在未知初始位置出发，通过在若干环境特征的环境之中完成基本的移动，借助于自身携带的传感器，及时的将周边的环境信息加以获取，由此确定具备着环境特征的空间坐标，同时明确自身的三维坐标。想要真正的实现对SLAM技术的应用，应该积极的重视卡尔曼滤波（Kalman Filter，KF）这种高效的递归滤波器的合理使用，其能够从一系列的不完全包含噪声的测量中估计动态系统的状态，这对于巡检机器人的运动控制来说具有积极的影响，简单的卡尔曼滤波应该合理的运用在符合高斯分布的系统中，同时落实相对于科学的改进，扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter，EKF）可应用于时间非线性的动态系统，EKF-SLAM的实现基础是建立机器人的运动和观测模型。

三、巡检机器人运动控制系统软件设计

运动控制系统在接收到上位机控制命令之后，还需要完成相应的解析与分析，之后才能更加准确的完成命令的执行和反馈^【4】。当完成了相应的任务之后，需要积极的等待新的命令到来，依照基本的运动控制系统功能要求，完成对软件模块的有效划分。如速度计算模块重点是指的依照编码器发出的信号将电机的基本方向和实际的速度合理的判断出来，距离计算模块则重点是指的依照编码器信号将指定时刻或者是位置开始的电机行驶距离加以判断。在巡检机器人运动控制系统中，较为重要的就是运动控制模块，这个模块重点是对机器人的实际运动状态展开合理的控制，比如说控制着机器人的直行、转弯和停止等等。寻磁算法模块重点是依照磁传感器信号将机器人相对磁轨迹发生的偏离程度合理的计算出来。实时时钟模块能够及时的将日期和时间信息等加以提供，可完成相应的软件校时，避免掉电丢失。多个功能模块的构成使得运动控制系统软件得以完善，通过积极的执行相关的命令，处理相应的信息，完成基本的反馈等成为可能。不同的模块并不属于独立的存在，其存在着极为密切的联系，通过科学的协作和配合，使得机器人能够更好的完成基本的巡检任务。

四、巡检机器人运动控制算法

（一）S曲线加减速算法

在执行巡检任务的时候，机器人在检测点位置上会出现频繁启动和停止的情况，若是没有相对于适宜的加减算法，极易产生剧烈的抖动，对于电机寿命造成不良的影响，也会威胁到定位的精准度。此次研究中涉及到的是S曲线加减速算法，以这样的方式完成对机器人的合理控制，由此推动着机器人实现相对于平稳的运行，同时又能适当的降低零部件的损坏程度，保证其更加的可靠。由于系统速度变化曲线能够呈现出S型，因此被称作S曲线控制算法，这种算法的使用能够确保速度和加速度的变化相对于平稳。

（二）比例微分寻磁算法

机器人底盘前方会适当的固定八个磁传感器，由此便能构成相应的阵列。磁传感器在对磁信号进行了有效的接收之后，可以及时的针对于位置进行编码，保证磁算法比例调速环节可以获得较为可靠的支持。若是相邻的磁传感器能够同时的亮起来，位置编码便可以及时的进行相应的加权计算。依照机器人相对磁轨迹的偏离趋势展开较为合理的分析，保证左右轮的速度实现有效的调整，在每5ms存储一组磁传感器偏离数据，可以在有限的时间能存储100组，借助于平滑滤波将相应的干扰加以去除^【5】。

（三）分段补偿误差算法

机器人的定位精准度往往会受到多种因素的综合影响，如控制算法存在的误差和读卡器读取RFID标签的位置及速度等等。通过相应的测试，机器人的运动误差能够及时的随着速度的增加呈现出逐步放大的趋势，借助于分段补偿误差的基本举措，可以促使不同速度情况下定位精度得到有效的提升。

结语

对于工业园区这个特殊的场所来说，巡检机器人的合理运用影响显著，能够实现智能化的巡检和监控，打破了传统人工巡检的束缚，使得全方位巡检变为可能。本文中重点分析了巡检机器人运动控制系统的相关问题，结合着机器人的基本行走方式，阐述了引导和定位的模式，在明确了基本算法的前提下，确保机器人的运行过程更加的稳定，促使着工业园区巡检机器人的应用要求得以满足。

参考文献

[1]廖雯. 基于FPGA的变电站巡检机器人运动控制系统设计与实现[D].湖南工业大学，2018.

[2]高明建. 面向巡检应用的全向轮式机器人的运动控制系统设计与实现[D].中国科学院大学（工程管理与信息技术学院），2016.

[3]曾健. 巡检机器人UWB无线定位算法和导航控制系统的研究[D].哈尔滨工业大学，2015.

[4]趙建伟，商德勇，范迅. 仿生关节式薄煤层巡检移动机器人及学习控制[A]. 中国煤炭学会.中国煤炭学会首届煤炭行业青年科学家论坛论文摘要集[C].中国煤炭学会：中国煤炭学会，2014：1.

[5]聂鸿宇，刘睿，薛志航.磁导航巡检机器人运动控制系统设计[J].中国测试，2014，40（S1）：42-44.

第一作者简介：庹发金，1976.02，男，汉族，本科，软件开发高级工程师。

第二作者简介：张辉军，1989.12，男，汉族，本科，机械自动化工程师。

第三作者简介：魏详雨，1979.03，男，汉族，本科，软件工程。

（作者单位：克拉玛依油城数据有限公司）