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基于ROS的配电室巡检机器人路径规划的研究

基于ROS的配电室巡检机器人路径规划的研究

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作者：叶泽团厦门理工学院

学位级别：硕士

随着“无人值守变电站”概念的提出,配电室无人值守也被提上日程。在通信技术手段的配合下,巡检机器人作为智能检测设备的载体能够自主完成配电室巡检工作,对配电室环境设备进行实时远程监控,这使得机器巡检代替人工巡检成为可能,解放... 详细信息

随着“无人值守变电站”概念的提出,配电室无人值守也被提上日程。在通信技术手段的配合下,巡检机器人作为智能检测设备的载体能够自主完成配电室巡检工作,对配电室环境设备进行实时远程监控,这使得机器巡检代替人工巡检成为可能,解放劳动力,降低人工巡检遇到突发危险的可能性,提高职工安全。本文基于机器人操作系统（Robot Operating System,ROS）设计了一套用于配电室电气控制柜的巡检机器人的路径规划系统,该系统采用激光雷达的同步定位与地图绘制（Simultaneous Localization and Mapping,SLAM）技术和自主导航技术,完成了配电室巡检机器人自主导航系统的搭建和路径规划设计,并通过仿真和实验验证了路径规划算法的可行性。本文的主要研究内容和工作如下:（1）配电室巡检机器人建图研究。按照厦门理工学院高压电力试验中心配电室的大小和室内布局,通过ROS系统下的Gazebo物理仿真平台搭建了配电室仿真环境。采用Gmapping算法对仿真环境进行建图,对比了不同粒子数时配电室巡检机器人在仿真环境下的建图效果。（2）配电室巡检机器人局部路径规划的研究。对传统DWA算法的进行了理论研究,并对其评价函数中三个重要参数α、β、γ进行了Matlab仿真实验和分析。基于参数分析结果和配电室巡检机器人自主探索的导航需求,提出了改进的DWA算法。在厦门理工学院高压电力试验中心配电室仿真环境地图下,与ROS中的DWA算法进行对比,结果表明改进后的DWA算法具有更高的导航效率。（3）配电室巡检机器人全局路径规划的研究。研究了A*算法,并进行了一些改进:首先,针对A*算法中启发函数存在搜索时间较长问题,采用曼哈顿距离和欧式距离结合的方式提出了一个新的启发函数;其次,利用Floyd算法优化全局路径中多余节点;最后,利用多段高阶多项式对生成的路径进行轨迹优化。同样地,在厦门理工学院高压电力试验中心配电室仿真环境地图下,与ROS中的A*算法进行对比,结果表明改进后的A*算法具有更高的路径规划效率。（4）配电室巡检机器人路径规划实验验证。通过搭建的配电室巡检机器人在实际配电室环境下进行建图;采用配电室巡检机器人路径规划实验和临时避障实验,验证了改进A*全局路径规划算法和改进DWA局部路径规划算法的可行性;最后,通过多站点巡检测试,进一步验证了本文所设计的路径规划算法能够很好地运用于配电室巡检机器人巡检导航。

关键词：配电室巡检机器人路径规划自主导航改进A* 改进DWA

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配电室巡检机器人多目标点路径规划研究

配电室巡检机器人多目标点路径规划研究

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作者：黄淼河北大学

学位级别：硕士

配电室巡检机器人应用于工业现场,因其性能成本、电磁兼容等多方面考虑,其搭载的处理器计算能力羸弱,智能路径规划算法的部署需要优化甚至剪裁。配电室机房空间狭小,设备面积占比较大,忽略设备障碍物会使智能路径规划算法性能退化。针... 详细信息

配电室巡检机器人应用于工业现场,因其性能成本、电磁兼容等多方面考虑,其搭载的处理器计算能力羸弱,智能路径规划算法的部署需要优化甚至剪裁。配电室机房空间狭小,设备面积占比较大,忽略设备障碍物会使智能路径规划算法性能退化。针对上述问题,本文对配电室巡检机器人的多目标点路径规划问题进行了研究。首先,改进了传统灰狼优化算法。其次,提出了基于改进灰狼算法与A*算法串联融合的多目标点路径规划算法,并进行了仿真对比实验。最后,应用自主搭建的巡检机器人实验平台在配电室环境中进行了验证实验。实验结果表明本文提出的融合算法适用于巡检机器人平台,可使巡检机器人简洁高效地完成配电室工况环境中多目标点巡航任务。具体研究工作内容总结如下:(1)根据配电室巡检机器人平台及应用现场特点选取了智能优化算法。本文首先根据配电室机器人搭载的处理器平台及现场工况环境,总结出其应用的智能群算法需具备既短小精悍,又参数较少的特点。其次,选取了目前比较经典的四种算法:遗传算法、蚁群算法、粒子群算法以及灰狼算法,进行了实验与对比。从参数数量以及运行时内存及CPU占用等三个方面对四种智能优化算法进行了评估。最后,选取了灰狼算法作为配电室巡检机器人多目标点优化算法。(2)对传统灰狼算法进行了针对性改进。针对传统灰狼无法直接应用于求解TSP问题的局限性及算法存在的易早熟收敛,收敛速度不够快的问题。本文首先改进了传统灰狼优化算法输入变量编码方式,将目标点之间的坐标编码为搜索空间矩阵及距离矩阵,将二者的映射关系作为灰狼优化算法最终输出结果。其次,改进了收敛因子式,改进后灰狼优化算法增加灰狼全局搜索比例,使算法减小了陷入局部最优,早熟收敛的可能。(3)提出基于改进灰狼算法与A*串联融合的多目标点路径规划算法。该算法使用前置A*依次规划任意两目标点的路径,根据路径规划结果计算两目标点的距离作为改进灰狼算法输入变量,使用后置A*规划改进灰狼优化结果的路径。相较于传统灰狼算法使用欧式距离作为输入变量,其优化结果的拓扑外形与障碍物外形基本拟合,避免了传统算法的规划结果回使巡检机器人陷入应用环境中的“路径陷阱”的可能。(4)使用自主搭建的巡检机器人平台在配电室实验环境内进行了实验。依据配电室平面布置图创建了数据格式化的栅格地图。对配电室实验环境中巡检机器人实验平台的巡航路径结果进行评估,验证了本文提出的改进灰狼优化与A*串联融合算法能够使巡检机器人更加简洁高效地完成配电室工况环境中多目标点巡航任务。

关键词：配电室巡检机器人多目标点路径规划灰狼优化算法融合算法

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