一种计及充电性能与路径选择的巡检机器人无线充电点位评价方法与评价系统

摘要

本发明公开了一种计及充电性能与路径选择的巡检机器人无线充电点位评价方法与评价系统，方法包括如下步骤：确定巡检场地的无线充电桩点位及充电桩的性能参数；根据巡检场地道路生成变电站巡检机器人可行走的路径集合；确定巡检机器人的性能参数；计算巡检机器人完成巡检任务时所需的总巡检距离及总巡检时间；巡检机器人生成多个不同初始情况下的总路径长度和总巡检时间权向量集合；计算每种无线充电点布置方案的巡检效率特征值；对计及充电性能与路径选择的巡检机器人无线充电点位的合理性进行评价。系统包括：参数确定模块、参数处理模块和方案评价模块。本发明能够评估变电站巡检机器人无线充电点位设置的合理性。

说明书

技术领域

本发明涉及巡检机器人技术领域，尤其是一种计及充电性能与路径选择的巡检机器人无线充电点位评价方法与评价系统。

背景技术

近年来，为了减少人力、提高巡检可靠性，智能巡检机器人已广泛应用于输变电设施变电站、煤矿、化工厂等多个行业。作为智能巡检机器人不可或缺的一部分，其充电系统越来越受到人们的关注。一般来说，巡检机器人的充电系统可以分为两类，即有线充电和无线充电。对于有线充电方式，由于其结构简单、成本低的优点，在智能巡检机器人中得到了广泛的应用。然而，电火花和不精确对接的潜在危险不可避免地存在于有线充电系统中，无线电能传输技术是一种综合利用电力电子技术和现代控制理论并通过磁介质来实现电能从电源/电池以非电气接触的方式传递到负载的技术，其具有安全、可靠、灵活等优点。但受到巡检机器人电力巡查轨迹多变、巡检点需求复杂等因素以及特高压变电站场地规模大的影响，变电站巡检机器人的电池续航不能满足单次全覆盖，因此需合理化布置多无线充电点位，多无线充电点位布置的合理性值得深入探讨，需要一种新的点位评价方法，实现充电点位改进或机器人性能提升时的点位布置合理性评估。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种计及充电性能与路径选择的巡检机器人无线充电点位评价方法与评价系统，用于含多无线充电点位的巡检机器人充电系统，以评估变电站巡检机器人无线充电点位设置的合理性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种计及充电性能与路径选择的巡检机器人无线充电点位评价方法，包括如下步骤：

步骤1、确定巡检场地的无线充电桩点位及充电桩的性能参数；

步骤2、根据巡检场地道路生成变电站巡检机器人需巡检的路径集S

步骤3、确定巡检机器人的性能参数；

步骤4、计算巡检机器人完成巡检任务时所需的总巡检距离L

步骤5、巡检机器人根据总路径长度和总巡检时间计算，结合A*路径选择算法，选择最优充电方式与巡检路线，生成多个不同初始情况下的总路径长度和总巡检时间权向量集合；总路径长度既要考虑多次充电多走的路径，还要考虑需要被巡检区域的路径规划；

步骤6、计算每种无线充电点布置方案的巡检效率特征值；

步骤7、通过对比每种无线充电点布置方案的巡检效率特征值，对计及充电性能与路径选择的巡检机器人无线充电点位的合理性进行评价。

优选的，步骤1中，确定巡检场地的无线充电桩点位及充电桩的性能参数具体为：

优选的，步骤2中，路径集S

优选的，步骤3中，确定巡检机器人的性能参数，j(1≤j≤N

优选的，步骤4中，由巡检机器人根据实时所处的巡检位置

优选的，步骤5中，巡检机器人根据总路径长度和总巡检时间计算，结合A*路径选择算法，选择最优充电方式与巡检路线具体包括如下步骤：

步骤51、创建空列表open列表和close列表；

步骤52、对A

步骤53、open列表的长度进行计算，如果open列表的长度为0，则说明没有可通行的路径，巡检机器人寻路失败，否则，执行步骤54；

步骤54、将open列表中f(n)值最低的节点移到close列表中，对该节点是否为目标节点进行判断；如果是，则表示巡检机器人的路线规划成功，将进行步骤56；否则，将进行步骤55；

步骤55、对当前节点的所有相邻的节点进行遍历，对在close列表中的所有节点不执行任何操作；对于open列表中的节点，重新对估计代价进行计算，并与以前的估计代价进行比较，将其中更小的值更新为新的估计代价；对于不在open列表和close列表这两个列表中的点，计算它们的估计代价并将其放入open列表中；按照上述操作对所有的相邻节点进行处理，直到遍历完当前节点的所有相邻的节点后，然后返回步骤53；

步骤56、从目标节点沿父节点方向找到初始节点，然后推导出A

优选的，步骤5中，对同一种充电点位方案生成巡检机器人多种不同初始情况下的总路径长度和总巡检时间权向量集合，定义为：S

优选的，步骤6中，计算每种无线充电点布置方案的巡检效率特征值，即

相应的，一种计及充电性能与路径选择的巡检机器人无线充电点位评价系统，包括：参数确定模块、参数处理模块和方案评价模块；参数确定模块确定巡检过程中的多个参数，参数处理模块根据确定的多个参数，结合A*路径选择算法，选择最优充电方式与巡检路线，方案评价模块通过对比每种无线充电点布置方案的巡检效率特征值，可对计及充电性能与路径选择的巡检机器人无线充电点位的合理性进行评价。

优选的，参数确定模块确定巡检场地的无线充电桩点位及充电桩的性能参数，根据巡检场地道路生成变电站巡检机器人需巡检的路径集S

本发明的有益效果为：本发明建立了计及巡检机器人巡检路线、巡检距离、充放电时间及充电点位充电性能的归一化评价方法，提出了通过计算巡检效率特征值来衡量复杂多样的变电站巡检机器人充电点位设置的合理性，极大的便利了变电站后期无线充电点位运行效率的评估，对变电站巡检的效率提升具有推进作用。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为本发明的A*路径选择算法流程示意图。

图3为变电站的巡检机器人巡检可行路径的示意图。

图4为变电站的巡检机器人巡检可行路径的坐标示意图。

图5为变电站的巡检机器人A方案充电点位设置示意图。

图6为变电站的巡检机器人B方案充电点位设置示意图。

图7为变电站A方案充电点位时巡检机器人行走路径示意图。

图8为变电站B方案充电点位时巡检机器人行走路径示意图。

图9为变电站A方案与B方案充电点位布置方案评价结果示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种计及充电性能与路径选择的巡检机器人无线充电点位评价方法，包括如下步骤：

步骤1、确定巡检场地的无线充电桩点位及充电桩的性能参数；

步骤2、根据巡检场地道路生成变电站巡检机器人需巡检的路径集S

步骤3、确定巡检机器人的性能参数；

步骤4、计算巡检机器人完成巡检任务时所需的总巡检距离L

步骤5、巡检机器人根据总路径长度和总巡检时间计算，结合A*路径选择算法，选择最优充电方式与巡检路线，生成多个不同初始情况下的总路径长度和总巡检时间权向量集合；如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤51、创建空列表open列表和close列表；

步骤52、对A

步骤53、open列表的长度进行计算，如果open列表的长度为0，则说明没有可通行的路径，巡检机器人寻路失败，否则，执行步骤54；

步骤54、将open列表中f(n)值最低的节点移到close列表中，对该节点是否为目标节点进行判断；如果是，则表示巡检机器人的路线规划成功，将进行步骤56；否则，将进行步骤55；

步骤55、对当前节点的所有相邻的节点进行遍历，对在close列表中的所有节点不执行任何操作；对于open列表中的节点，重新对估计代价进行计算，并与以前的估计代价进行比较，将其中更小的值更新为新的估计代价；对于不在open列表和close列表这两个列表中的点，计算它们的估计代价并将其放入open列表中；按照上述操作对所有的相邻节点进行处理，直到遍历完当前节点的所有相邻的节点后，然后返回步骤53；

步骤56、从目标节点沿父节点方向找到初始节点，然后推导出A

步骤6、计算每种无线充电点布置方案的巡检效率特征值；

步骤7、通过对比每种无线充电点布置方案的巡检效率特征值，对计及充电性能与路径选择的巡检机器人无线充电点位的合理性进行评价。

以电压等级为500kV的某变电站为例，对大规模变电站的充电点规划方案进行评估分析。首先，在大规模变电站中进行变电站的巡检机器人的线路规划仿真。根据大规模变电站的鸟瞰图，可以计算出变电站的巡检机器人巡检时可以选择的路线，进一步推进变电站充电点的方案规划。图3是变电站的巡检机器人的巡检时可以选择的线路图。

然后再建立变电站的巡检机器人巡检所需的环境模型，根据调研出来的大规模变电站的占地规模可知，大规模变电站的占地面积约240亩。将大规模变电站的占地面积与鸟瞰图相结合，可以利用栅格法建立出大规模变电站的巡检机器人进行路径仿真所需要的环境模型，如图4所示。

在图4中，“□”为变电站的巡检机器人巡检时可以通过的路径，“◇”则代表了变电站中的电气设备，巡检机器人在巡检时无法通过，每个单位的栅格的边长为5m。变电站的宽度为个80栅格，即400m，高度也为80个栅格，即为400m。大规模变电站的巡检机器人仿真的环境模型基本与现实中的大规模变电站的环境相吻合。

然后在大规模变电站的巡检机器人仿真的环境模型中加入充电点，进一步进行大规模变电站的充电点设置评价，充电点在仿真程序中的样式如图5和图6中的“·”所示。图5为大规模变电站充电点规划方案A，图6为大规模变电站充电点规划方案B。从变电站的巡检机器人巡检大规模变电站一圈所需的总路程以及变电站的巡检机器人巡检大规模变电站一圈所需的时间这2个方面，对这2种方案进行评估分析和比较。

通过使用变电站的巡检机器人的路线规划仿真软件进行计算，根据变电站的巡检机器人的路线规划仿真得到巡检大规模变电站一圈所需的总路程，根据路程与巡检机器人的移动速度计算出巡检一圈所需要的时间。

在方案A中，变电站的巡检机器人在巡检大规模变电站一圈中的坐标变化如图6所示，考虑到大规模变电站的占地面积，图7中的坐标变化只提取了关键的坐标变化。得到巡检机器人的坐标的移动变化后，将巡检路线先进行拆分，然后一段段计算后将其汇总起来，得到了结果：在方案A中，变电站的巡检机器人在大规模变电站中巡检一圈需要移动674个栅格，即变电站的巡检机器人在大规模变电站中巡检一圈需要行走3370m的路程。

根据调研参考数据，变电站的巡检机器人的移动速度为1.2m/s，充电所需的时间为3小时，充电完成后变电站的巡检机器人的运行时间为5小时，每小时的移动距离约为4km。根据这些数据以及在方案A中变电站的巡检机器人在大规模变电站中巡检一圈所需行走的总路程，可以计算出在方案A中变电站的巡检机器人在大规模变电站中巡检一圈所需的时间约为46.8分钟。

在方案B中，变电站的巡检机器人在巡检大规模变电站一圈中的坐标变化如图8所示，考虑到大规模变电站的占地面积，图8中的坐标变化只提取了关键的坐标变化。得到巡检机器人的坐标的移动变化后，将巡检路线先进行拆分，然后一段段计算后将其汇总起来，得到了结果：在方案B中，变电站的巡检机器人在大规模变电站中巡检一圈需要移动528个栅格，即变电站的巡检机器人在大规模变电站中巡检一圈需要行走2640m的路程。

根据调研，本发明的变电站的巡检机器人的移动速度为1.2m/s，充电所需的时间为3小时，充电完成后变电站的巡检机器人的运行时间为5小时，每小时的移动距离约为4km。根据这些数据以及在方案B中变电站的巡检机器人在大规模变电站中巡检一圈所需行走的总路程，可以计算出在方案B中变电站的巡检机器人在大规模变电站中巡检一圈所需的时间约为36.7分钟。

对这两种方案的巡检路程和巡检时间进行归纳整理，然后通过对这些数据进行对比分析，得到两种方案的对比结果，如图9为两种充电点规划方案的比较结果。

将充电点规划方案B与方案A进行评估分析，从图9的数据中可以看出，充电点规划方案B的巡检路程、巡检时间，均少于方案A，即可得到充电点规划方案B的成本低于方案A，节省了巡检所需的费用。综上所述，无论是从变电站的巡检机器人巡检的经济性还是高效性，充电点规划方案B都会比方案A好。

根据图9中的结果对比可知，本发明提出的计及充电性能与路径选择的巡检机器人无线充电点位评价方法可在变电站长期运行下，根据巡检机器人与站内无线充电点位的布置，定期动态评估点位设置的合理性，快速、准确、高效的指导巡检机器人无线充电点位的优化布置，提高巡检机器人的巡检效率，促进新型电力系统智能化的实现。