变电站智能巡检机器人全局路径规划设计与实现

摘要

随着智能化程度的提高，新电压等级、新技术不断应用到超高压、特高压输变电系统工程中，使无人或者少人值守的变电站朝着大规模、现代化、复杂化的方向发展。在高效性、安全性、可靠性等方面，变电站设备传统人工巡检方式面临巨大的挑战，而智能巡检机器人的引入在提高电力系统智能化水平的同时，也能有效解决传统巡检方式面临的新挑战。全局路径规划是智能巡检机器人完成巡检任务的前提，因此对变电站智能巡检机器人全局路径规划的研究意义重大。
　　变电站智能巡检机器人全局路径规划的目标是寻找完成所有任务的最优路径。本文首先介绍了课题的背景及意义、国内外发展现状以及未来发展趋势，简单介绍了论文主要内容和目标以及章节安排。
　　其次，综述全局路径规划的环境建模方法和路径规划算法的基本思想，建模方法主要介绍可视图法、拓扑图法、自由空间法和栅格法，路径规划算法主要介绍了Dijkstra算法、A*算法、遗传算法和模拟退火算法，介绍了它们在路径搜索中的实现原理，并分析各自的优缺点以及适用场合。
　　第三，根据变电站智能巡检机器人系统的任务要求，导航和定位选用磁轨迹导航和射频识别技术，根据导航定位方式、变电站环境和路线特点以及智能巡检机器人运动特点，建立类Voronoi图的静态半结构化道路模型。
　　第四，针对变电站智能巡检机器人全局最优路径规划需要解决的两大问题:一是任意两停靠点之间最短路径的求解问题;二是所有停靠点最优化组合的求解问题，提出采用Dijkstra算法与模拟退火算法相结合的方法解决这两大问题。鉴于传统Dijkstra算法在大规模场合存在存储空间大、搜索效率低、大量空间冗余的不足，对该算法进行限定搜索区域和冗余点过滤的改进。前者通过建立双直角坐标系实现，根据起始点和目标点在双直角坐标系下的象限位置确定搜索区域，大大缩小了搜索范围，提高了搜索效率。冗余点过滤弥补了空间冗余的不足。第二个问题是一个典型的NP问题，采用模拟退火算法求解最优化组合，为了避免陷入次优解，记忆搜索过程中的较优解，所有搜索结束以后，选择整个过程出现的最优解。
　　最后，在Microsoft Visual Studio2010开发环境下，结合SQL Sever数据库技术，实现集静态半结构化道路模型创建、全局路径规划和巡检机器人定位跟踪于一体的变电站二维电子地图系统，并应用到实际工程中，实际运行结果表明，本文的方法高效，切实可行。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 国内外发展现状及趋势

1．2．1 移动机器人发展现状及趋势

1．2．2 路径规划发展现状及趋势

1．3 本课题的研究内容及目标

1．4 论文各章节安排

1．5 本章小结

第2章 移动机器人的全局路径规划技术

2．1 全局路径规划问题分析

2．2 地图环境模型创建方法

2．2．1 可视图法

2．2．2 拓扑法

2．2．3 自由空间法

2．2．4 栅格法

2．3 全局路径搜寻方法

2．3．1 Dijkstra算法

2．3．2 A*算法

2．3．3 遗传算法

2．3．4 模拟退火算法

2．4 本章小结

第3章 变电站静态环境半结构化模型创建

3．1 变电站环境模型的功能分析

3．2 变电站智能巡检机器人导航与定位

3．2．1 巡检任务要求及变电站环境分析

3．2．2 导航定位方式选取

3．3 静态半结构化模型创建

3．3．1 变电站环境抽象化处理

3．3．2 变电站环境模型创建

3．4 本章小结

第4章 变电站智能巡检机器人全局路径规划设计

4．1 巡检机器人全局路径规划需求分析

4．2 基于改进Dijkstra算法的局部路径规划

4．2．1 限定搜索区域

4．2．2 基于改进Dijkstra算法的局部路径规划软件设计

4．3 基于模拟退火算法的全局路径规划

4．3．1 基于模拟退火算法的路径规划

4．3．2 基于模拟退火算法的全局路径规划软件设计

4．4 本章小结

第5章 变电站二维电子地图系统实现

5．1 系统功能划分

5．2 数据库模块

5．2．1 数据基础

5．2．2 电子地图系统的数据库设计

5．3 路径规划模块

5．2．1 编程基础

5．2．2 全局路径规划软件实现

5．4 界面显示模块

5．5 现场运行结果

5．6 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

读研期间发表的论文和参加的科研项目