本發(fā)明涉及多機器人協(xié)作的技術領域，特別是一種電力線路多機器人協(xié)作巡檢方法。

背景技術：

傳統(tǒng)的電網(wǎng)人工巡檢和作業(yè)方式存在勞動強度大、工作效率低、人員安全性差等特點，尤其在惡劣天氣和和復雜地形等條件下更加明顯。目前，很多科研機構應相繼開展了各種作業(yè)機器人的研究，例如變電站設備巡檢機器人、帶電搶修作業(yè)機器人、懸臂式巡線機器人、光纖復合架空地線巡檢機器人、絕緣子檢測機器人、輸電線路破冰機器人，并且有的已經(jīng)投入運行，經(jīng)受住了惡劣氣候的考驗。隨著具有不同功能和不同大小的電力機器人的出現(xiàn)以及電力特種機器人技術的不斷成熟發(fā)展，多機器人協(xié)作將成為未來電力機器人的主要應用形式。目前，多機器人協(xié)作電力巡檢的相關研究尚未成熟，而電力線路巡檢的目標是電力桿塔、線路、金具、絕緣子和沿線環(huán)境等。與一般的多機器人作業(yè)任務相比，電力線路巡檢任務存在著特殊性：(1)工作區(qū)域跨度大，受外力影響較多，環(huán)境錯綜復雜；(2)機器人的路徑受到限制，它必須在電力線走廊區(qū)域內行進，以獲得全面的線路信息；(3)常規(guī)的電力巡檢制度未充分考慮電網(wǎng)的實際運行情況，有些運行良好的線路區(qū)段容易出現(xiàn)過度巡檢，而一些區(qū)段則巡檢不夠充分的現(xiàn)象；(4)在具體作業(yè)任務中，輸配電線路檢測、修復工作存在步驟多、流程復雜的問題，也增加了操作的難度。因此，急需一種能夠在電力線路巡檢中使用的多機器人協(xié)作的方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是充分發(fā)揮多機器人系統(tǒng)的優(yōu)勢，提高電力巡檢效率和質量，尤其在出現(xiàn)大面積線路故障和冰雪等災害天氣時，利用多機器人搜尋故障并執(zhí)行修復作業(yè)，能夠高效可靠地完成任務，降低經(jīng)濟損失和社會影響。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術手段是：

電力線路多機器人協(xié)作巡檢方法，包含以下步驟：

步驟一，巡檢線路分段，按桿塔將導線分段，根據(jù)桿塔坐標和導線模型數(shù)據(jù)，生成巡檢線路區(qū)段，按照電力巡檢規(guī)范將整個工作區(qū)域劃分為若干巡檢線路子區(qū)域；

步驟二，高層任務規(guī)劃，負責將檢測機器人、中繼機器人和作業(yè)機器人在不同巡檢線路區(qū)段的分配，首先確定每個巡檢線路子區(qū)域的輸電線路靜態(tài)的空間分布情況、每個巡檢線路子區(qū)域的空間大小以及外界環(huán)境，衡量因素包括每個巡檢線路子區(qū)域的巡檢路徑長度L_k、地形復雜程度C_k、故障易發(fā)程度F_k以及作業(yè)難易程度E_k，其中C_k、F_k和E_k在0～1之內，按照電力巡檢規(guī)范將整個工作區(qū)域劃分為若干巡檢線路子區(qū)域；其次考慮機器人所具備的能力，包括目標檢測、通信、清障、線路修復、除冰、絕緣子清洗能力，將機器人能力用一個一維數(shù)組A_i來表示，A_i＝[a_i1，a_i2，…，a_is]，如果具備該能力，對應的值為1，否則為0，除了目標檢測和中繼通信能力，其他功能統(tǒng)稱為作業(yè)能力，此時，機器人能力數(shù)組簡化為A_i＝[a_i1，a_i2，a_i3]，基于不同巡檢線路子區(qū)域的任務需求，采用輪盤賭算法或啟發(fā)式算法協(xié)調多機器人在各個巡檢線路子區(qū)域的分布，首先考慮檢測能力實現(xiàn)區(qū)域內全路徑巡檢，其次考慮通信能力，再次考慮作業(yè)能力，各巡檢線路子區(qū)域內的機器人需要滿足約束條件；

步驟三，低層任務規(guī)劃，建立每個機器人的行為規(guī)則，采用自組織方式，建立每個機器人的行為規(guī)則，以實現(xiàn)機器人有效的協(xié)調運動，每個巡檢線路子區(qū)域內的機器人分為三大類：檢測機器人、中繼機器人和作業(yè)機器人，其中作業(yè)機器人進一步細分為清障機器人、除冰機器人和線路修復機器人，遵循自主決策、個體簡單、有限通信的原則，機器機器人采用反應式結構，基于事件觸發(fā)形式進行規(guī)則設計，充分發(fā)揮群集智能的優(yōu)勢，當作業(yè)機器人完成故障修復時，向其他同類機器人和中繼機器人發(fā)送作業(yè)完成信息，否則，繼續(xù)傳遞作業(yè)信息；

步驟四，建立每一類機器人的子任務，對于每一類機器人，在具體作業(yè)任務中，根據(jù)自身的任務目標將任務分解成若干可獨立運行的子任務完成目標任務；

步驟五，任務重規(guī)劃，重復步驟二至步驟四，實現(xiàn)動態(tài)任務分配，保證機器人分布的合理性。

所述的步驟二中，各巡檢線路子區(qū)域內的機器人需要滿足的約束條件為

其中，M_k表示區(qū)域k內機器人數(shù)量，A_di表示機器人i的最大前進距離，x_ik表示機器人i在區(qū)域k工作，函數(shù)f₁、f₂和f₃為經(jīng)驗函數(shù)，定義每個巡檢線路子區(qū)域對機器人巡視能力、通信能力和作業(yè)能力的附加要求。

所述的步驟三中，

檢測機器人：用光學攝像機或紅外熱像儀獲取輸電線路和線路走廊的影像，當發(fā)現(xiàn)故障時，向通信范圍內的其他機器人發(fā)送作業(yè)信息；

中繼機器人：當機器人在超視距范圍工作時，需要借助于中繼機器人為超視距范圍的機器人提供通信，提供檢測機器人與作業(yè)機器人之間以及檢測機器人與地面控制中心之間的通信，保證信息傳輸，擴大巡視范圍；

作業(yè)機器人：各種類型的作業(yè)機器人，包括除冰機器人，在不損傷電力線路以及絕緣子的前提下，除冰機器人以擊打、敲擊、振動的方式快速高效除冰；帶電修復作業(yè)機器人，能夠從事壓接管電阻測量、斷股修補、防振錘拖回的帶電作業(yè)任務。

所述的檢測機器人包括飛行機器人，涉及航跡生成、航跡跟蹤和穩(wěn)定姿態(tài)控制，基于數(shù)字高程地圖(DEM)和桿塔數(shù)據(jù)，利用遺傳算法生成參考航跡，采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制方法實現(xiàn)航跡跟蹤和穩(wěn)定姿態(tài)控制，保證飛行路徑在距離電力線10m～30m范圍的走廊區(qū)域內飛行，并獲取清晰的設備圖像；作業(yè)機器人——除冰機器人根據(jù)規(guī)范的作業(yè)流程，將除冰任務分解為機械臂各關節(jié)的一系列行為和動作，利用機器視覺和模糊控制器保證動作的準確性和穩(wěn)定性。

所述的步驟五中，任務重規(guī)劃包括

巡檢線路子區(qū)域內信息素的初始值τ_k＝a₁F_k+a₂E_k，此處，信息素初值不為零，是考慮到專家經(jīng)驗和歷史經(jīng)驗的影響，參數(shù)a₁和a₂可根據(jù)應用情況調整；

當檢測機器人在負責區(qū)域內發(fā)現(xiàn)線路故障、嚴重設施損壞的問題，則增加該區(qū)域信息素數(shù)量τ_k←τ_k+δ₁；

當作業(yè)機器人在負責區(qū)域內完成一處故障修復，則降低該區(qū)域信息素的數(shù)量τ_k←τ_k-ε，如果τ_k<0，置τ_k＝0；

當作業(yè)機器人在負責區(qū)域內不能獨立完成故障修復，則增加該區(qū)域信息素的數(shù)量τ_k←τ_k+2δ₁；

信息素隨時間蒸發(fā)，蒸發(fā)因子為ρ，0<ρ<1；

為了調整機器人對信息素的敏感度，設置閾值th_v，如果某個巡檢線路子區(qū)域的信息τ_k(t)大于閾值th_v，信息素才對機器人的決策產(chǎn)生影響，否則，機器人忽略信息素的作用；不同工作區(qū)域內機器人的重分配通過巡檢線路子區(qū)域的控制中心進行協(xié)調，機器人以概率p_sk從第s個區(qū)域轉移到第k個區(qū)域：

其中，η_sk為第s個區(qū)域和第k個區(qū)域之間的啟發(fā)信息，令η_sk＝1/d_sk，d_sk為兩個子區(qū)域的中心之間的距離，α和β為調整τ_k和η_sk對決策影響程度的參數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明針對電力線路巡檢和作業(yè)任務，充分發(fā)揮多機器人優(yōu)勢，研究異構電力機器人的組織形式，設計系統(tǒng)成員的交互框架；在充分考慮電力線路的分布特點和任務復雜程度，設計機器人之間的任務規(guī)劃機制；考慮外部環(huán)境的不確定性和動態(tài)變化，研究多機器人動態(tài)任務分配方法，提高系統(tǒng)的適應性和魯棒性。在電力線路巡檢任務中，按桿塔將導線分段，根據(jù)桿塔坐標和導線模型數(shù)據(jù)，生成巡檢線路區(qū)段。在多機器人電力巡檢和作業(yè)任務中，多種類型的機器人共同努力完成指定任務，使系統(tǒng)具有區(qū)域規(guī)劃、任務重規(guī)劃的能力以提高系統(tǒng)效率和未知動態(tài)環(huán)境下的適應性、魯棒性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明為電力線路多機器人協(xié)作巡檢方法，在電力線路巡檢任務中，按桿塔將導線分段，根據(jù)桿塔坐標和導線模型數(shù)據(jù)，生成巡檢線路區(qū)段。在多機器人電力巡檢和作業(yè)任務中，多種類型的機器人共同努力完成指定任務，使系統(tǒng)具有區(qū)域規(guī)劃、任務重規(guī)劃的能力以提高系統(tǒng)效率和未知動態(tài)環(huán)境下的適應性、魯棒性。

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。

具體實施例，如圖1所示，電力線路多機器人協(xié)作巡檢方法，包含以下步驟：

步驟一，巡檢線路分段，按桿塔將導線分段，根據(jù)桿塔坐標和導線模型數(shù)據(jù)，生成巡檢線路區(qū)段，按照電力巡檢規(guī)范將整個工作區(qū)域劃分為若干巡檢線路子區(qū)域；

步驟二，高層任務規(guī)劃，負責將檢測機器人、中繼機器人和作業(yè)機器人在不同巡檢線路區(qū)段的分配，首先確定每個巡檢線路子區(qū)域的輸電線路靜態(tài)的空間分布情況、每個巡檢線路子區(qū)域的空間大小以及外界環(huán)境，衡量因素包括每個巡檢線路子區(qū)域的巡檢路徑長度L_k、地形復雜程度C_k、故障易發(fā)程度F_k以及作業(yè)難易程度E_k，其中C_k、F_k和E_k在0～1之內，根據(jù)專家經(jīng)驗預先給出，其值越大，復雜度越大，優(yōu)先級越高；其次考慮機器人所具備的能力，包括目標檢測、通信、清障、線路修復、除冰、絕緣子清洗能力，將機器人能力用一個一維數(shù)組A_i來表示，A_i＝[a_i1，a_i2，…，a_is]，如果具備該能力，對應的值為1，否則為0，除了目標檢測和中繼通信能力，其他功能統(tǒng)稱為作業(yè)能力，此時，機器人能力數(shù)組簡化為A_i＝[a_i1，a_i2，a_i3]，基于不同巡檢線路子區(qū)域的任務需求，采用輪盤賭算法或啟發(fā)式算法(如蟻群算法等)協(xié)調多機器人在各個巡檢線路子區(qū)域的分布，首先考慮檢測能力實現(xiàn)區(qū)域內全路徑巡檢，其次考慮通信能力，再次考慮作業(yè)能力，各巡檢線路子區(qū)域內的機器人需要滿足的約束條件為

其中，M_k表示區(qū)域k內機器人數(shù)量，A_di表示機器人i的最大前進距離，x_ik表示機器人i在區(qū)域k工作，函數(shù)f₁、f₂和f₃為經(jīng)驗函數(shù)，定義每個巡檢線路子區(qū)域對機器人巡視能力、通信能力和作業(yè)能力的附加要求，

以某一次巡線任務為例，巡檢區(qū)域分為兩個子區(qū)域，區(qū)域1內110kv及以上輸電線路12條，長度L_k＝180公里，地形復雜程度C_k＝0.2、故障易發(fā)程度F_k＝0.5，作業(yè)難易程度E_k＝0.4，區(qū)域2內110kv及以上輸電線路15條，長度L_k＝230公里，地形復雜程度C_k＝0.7、故障易發(fā)程度F_k＝0.2，作業(yè)難易程度E_k＝0.6，函數(shù)f₁(C_k)＝100C_k，函數(shù)f₂，f₃的定義類似，檢測機器人、通信機器人和作業(yè)機器人的總量分別為20，10，10，通過經(jīng)驗函數(shù)和輪盤賭算法，可以得到三類機器人在兩個子區(qū)域的分布分別為(8,4,6)和(12,6,4)。

步驟三，低層任務規(guī)劃，建立每個機器人的行為規(guī)則，采用自組織方式，建立每個機器人的行為規(guī)則，以實現(xiàn)機器人有效的協(xié)調運動，每個巡檢線路子區(qū)域內的機器人分為三大類：檢測機器人、中繼機器人和作業(yè)機器人，其中作業(yè)機器人進一步細分為清障機器人、除冰機器人和線路修復機器人，遵循自主決策、個體簡單、有限通信的原則，機器機器人采用反應式結構，基于事件觸發(fā)形式進行規(guī)則設計，充分發(fā)揮群集智能的優(yōu)勢，其中

檢測機器人：用光學攝像機或紅外熱像儀獲取輸電線路和線路走廊的影像，當發(fā)現(xiàn)故障時，向通信范圍內的其他機器人發(fā)送作業(yè)信息；

中繼機器人：當機器人在超視距范圍工作時，需要借助于中繼機器人為超視距范圍的機器人提供通信，提供檢測機器人與作業(yè)機器人之間以及檢測機器人與地面控制中心之間的通信，保證信息傳輸，擴大巡視范圍；

作業(yè)機器人：各種類型的作業(yè)機器人，包括除冰機器人，在不損傷電力線路以及絕緣子的前提下，除冰機器人以擊打、敲擊、振動的方式快速高效除冰；帶電修復作業(yè)機器人，能夠從事壓接管電阻測量、斷股修補、防振錘拖回的帶電作業(yè)任務，當作業(yè)機器人完成故障修復時，向其他同類機器人和中繼機器人發(fā)送作業(yè)完成信息，否則，繼續(xù)傳遞作業(yè)信息。

步驟四，建立每一類機器人的子任務，對于每一類機器人，在具體作業(yè)任務中，根據(jù)自身的任務目標將任務分解成若干可獨立運行的子任務完成目標任務，例如，如果檢測機器人是飛行機器人，則通過航跡生成、航跡跟蹤和穩(wěn)定姿態(tài)控制實現(xiàn)，基于數(shù)字高程地圖(DEM)和桿塔數(shù)據(jù)，利用遺傳算法生成參考航跡，采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制方法實現(xiàn)航跡跟蹤和穩(wěn)定姿態(tài)控制，保證飛行路徑在距離電力線10m～30m范圍的走廊區(qū)域內飛行，并獲取清晰的設備圖像；作業(yè)機器人——除冰機器人根據(jù)規(guī)范的作業(yè)流程，將除冰任務分解為機械臂各關節(jié)的一系列行為和動作，利用機器視覺和模糊控制器保證動作的準確性和穩(wěn)定性。鑒于顯示通信的優(yōu)勢，本發(fā)明采用顯示通信方式，實現(xiàn)機器人之間的信息傳輸。這種機器人自組織形式有利于實現(xiàn)環(huán)境動態(tài)變化和機器人故障等不確定因素影響的機器人的協(xié)調協(xié)作。

步驟五，任務重規(guī)劃，在輸電線路巡檢和作業(yè)任務中，雖然子區(qū)域的覆蓋范圍和線路分布情況是已知的，但是子區(qū)域內的線路故障點數(shù)目和損壞程度仍然需要機器人在巡視過程中探測獲得?？紤]到常規(guī)巡檢中存在的過度巡檢和欠巡檢問題，實現(xiàn)動態(tài)任務分配，重復步驟二至步驟四，保證機器人分布的合理性，以作業(yè)機器人的重規(guī)劃為例，具體實現(xiàn)如下：

巡檢線路子區(qū)域內信息素的初始值τ_k＝a₁F_k+a₂E_k，此處，信息素初值不為零，是考慮到專家經(jīng)驗和歷史經(jīng)驗的影響，參數(shù)a₁和a₂可根據(jù)應用情況調整；

當檢測機器人在負責區(qū)域內發(fā)現(xiàn)線路故障、嚴重設施損壞的問題，則增加該區(qū)域信息素數(shù)量τ_k←τ_k+δ₁；

當作業(yè)機器人在負責區(qū)域內完成一處故障修復，則降低該區(qū)域信息素的數(shù)量τ_k←τ_k-ε，如果τ_k<0，置τ_k＝0；

當作業(yè)機器人在負責區(qū)域內不能獨立完成故障修復，則增加該區(qū)域信息素的數(shù)量τ_k←τ_k+2δ₁；

信息素隨時間蒸發(fā)，蒸發(fā)因子為ρ，0<ρ<1；

為了調整機器人對信息素的敏感度，設置閾值th_v，如果某個巡檢線路子區(qū)域的信息τ_k(t)大于閾值th_v，信息素才對機器人的決策產(chǎn)生影響，否則，機器人忽略信息素的作用；不同工作區(qū)域內作業(yè)機器人的重分配通過巡檢線路子區(qū)域的控制中心進行協(xié)調，作業(yè)機器人以概率p_sk從第s個區(qū)域轉移到第k個區(qū)域：

其中，η_sk為第s個區(qū)域和第k個區(qū)域之間的啟發(fā)信息，令η_sk＝1/d_sk，d_sk為兩個子區(qū)域的中心之間的距離，α和β為調整τ_k和η_sk對決策影響程度的參數(shù)。

考慮兩個巡檢子區(qū)域的情況，令參數(shù)a₁＝3，a₂＝2，α＝1，β＝2，ρ＝0.02，th_v＝10，δ₁＝10，ε＝5。當區(qū)域1連續(xù)發(fā)現(xiàn)新故障，則τ₁增加，當τ₁>10，而τ₁>τ2，則會吸引區(qū)域2的作業(yè)機器人轉移到區(qū)域1，兩個子區(qū)域的機器人分布由(8,4,6)和(12,6,4)變?yōu)?8,4,7)和(12,6,3)。尤其區(qū)域1的作業(yè)機器人發(fā)現(xiàn)不能獨立完成工作，需要其他同種類機器人協(xié)作，則會加速作業(yè)機器人的轉移。這種啟發(fā)式方式能夠根據(jù)環(huán)境的變化動態(tài)實時調整機器人在各子區(qū)域的分布和機器人的工作量，在電力機器人能力受限的情況下，有利于提高巡檢效率，降低機器人消耗。

檢測機器人的重規(guī)劃過程與作業(yè)機器人類似，具體實現(xiàn)如下：

巡檢線路子區(qū)域內信息素的初始值τ_k＇＝a₁F_k+a₂E_k，

當檢測機器人在負責區(qū)域內發(fā)現(xiàn)線路故障、嚴重設施損壞的問題，則增加該區(qū)域信息素數(shù)量τ_k＇←τ_k＇+δ₁＇；

信息素隨時間蒸發(fā)，蒸發(fā)因子為ρ，0<ρ<1；

當檢測機器人頻繁在所負責的區(qū)域內發(fā)現(xiàn)故障，則該區(qū)域內出現(xiàn)更多故障的可能性會較大，則傾向于需要更多檢測機器人，機器人以概率p_sk＇從第s個區(qū)域轉移到第k個區(qū)域：

其中，η_sk、α和β的含義與前面相同，各參數(shù)的取值可參考作業(yè)機器人重規(guī)劃過程中各參數(shù)的取值。

中繼機器人負責檢測機器人、作業(yè)機器人、地面控制中心之前的通信，區(qū)域內的檢測機器人和作業(yè)機器人越多，通信范圍越廣，通信量越大，需要的中繼機器人越多，中繼機器人在各個子區(qū)域的數(shù)量分布基本與檢測機器人在各區(qū)域的數(shù)量分布成比例，而通信需求大部分來自于檢測機器人，所以，

其中，M_ke，M_kc和M_kw分別表示區(qū)域k內檢測機器人、中繼機器人和作業(yè)機器人的數(shù)量，s₁和s₂為調整系數(shù)，s₁相對于s₂是一個較大的數(shù)，在前面的實例中，可以取s₁＝10,s₂＝0.5。

為了衡量分配算法的有效性，在步驟五任務重規(guī)劃中，設置評價指標，包括獎勵值、任務完成時間、路徑代價和任務完成率：

(1)獎勵與懲罰(R)

機器人發(fā)現(xiàn)并排除故障的時間越短，得到的獎勵越大，否則，隨著時間變化獎勵越來越小，超過規(guī)定時間內，所有機器人都應該得到一個懲罰。在任務結束后，會得到一個總的反饋為獎勵與懲罰之差；

(2)任務完成時間(T)

從執(zhí)行任務開始，到工作區(qū)域內所有輸電線路覆蓋區(qū)域巡檢完成所消耗的時間定義為任務完成時間，這一標準是關系效率的主要因素。

(3)路徑代價(C)

路徑代價定義為所有機器人走過路徑長度的總和。這一標準關系到機器人的能源消耗和機械損耗，也是關系效率的主要因素。

(4)任務完成率(P)

任務完成率的定義可以從兩個方面描述：機器人修復作業(yè)的輸電線路長度與總的故障線路長度的百分比；機器人修復的故障數(shù)量與總的故障數(shù)量的百分比，其中，定義單個故障是根據(jù)具體的電力巡檢標準來確定的，例如，某個絕緣子的部分裂痕可定義為一個故障，某處導線斷股定義為一個故障。