[发明专利]一种石化工厂巡检机器人定位系统和方法

说明书

本发明公开了一种石化工厂巡检机器人定位系统和方法。系统包括GPS观测单元、UWB观测单元、视觉观测单元、激光观测单元、里程观测单元、组合决策模块、惯性状态估计模块、可用定位观测/SINS组合模块和定位信息融合模块。5个观测单元分别采集各自观测数据，发送给组合决策模块；组合决策模块结合环境模型先验信息模块存储的环境地图模型，进行基于多层地图的定位，判断可用观测类型；可用定位观测/SINS组合模块将可用观测数据与惯性状态估计模块建立的对应运动方程组合，组合结果发送给定位信息融合模块，进行最终的集成位姿估计。本发明解决了巡检机器人在石化工厂各种复杂区域运行时的无缝定位问题，保证了定位过程的连续性和定位结果的稳定性。

技术领域

本发明属于特种机器人定位领域，特别涉及了一种石化工厂巡检机器人定位系统和方法。

背景技术

石化企业、油库、储运公司等工厂的工作区域面积大、环境形式复杂，安全隐患不易排查。目前只能通过人工对各个罐区、泵区、变电所等工作场合的仪器仪表进行徒步现场检测。石化工厂需要巡检的内容多样，通常包括输油管路、储油罐底部、泵站、计量间、流量间、防火通道等各类工作场合，对各种阀门、仪表、设备进行安全排查等。这些待检内容存在于室内与室外、结构化与非结构化、白天和夜间、照明情况较好和较差、阴雨风雪，甚至可能出现有烟尘、水汽等恶劣环境中，给巡检任务带来巨大的工作强度和危险性。采用自主巡检机器人代替人工执行巡检任务，可以极大的降低工人工作强度，降低工作风险。

现阶段巡检机器人在变电站、室内工作区域等结构化条件较好的环境已经取得应用和推广，但是在石化行业的应用却进展缓慢，原因是相较于变电站与室内环境，石化工厂环境非结构化程度更高，需要巡检的内容和场所类型和环境更复杂。另外还要满足白天和夜间、雨雪等恶劣天气的巡检工作。由于巡检任务的复杂性，机器人必须具有很强的定位能力，既要可以适应各类复杂场合和环境条件，同时必须严格保证定位精度，从而确保机器人在自主导航和运动过程中不会与危险设备或其他物体碰撞。在运行到场景变化、环境特征发生较大改变的区域时，定位效果不能发生震荡或失效情况。石化工厂自主巡检机器人在各类复杂环境的高精度、高可靠性定位对于机器人的自主性和安全性起着至关重要的作用。

目前石化行业应用的巡检机器人较少。其他领域巡检机器人常用的定位方法有以下几种：

1.磁条引导加射频识别RFID辅助定位：此类方法为目前工厂AGV导引车和变电站巡检机器人常用的定位方式，通过预先铺设磁轨和RFID标签实现机器人定位，主要缺点是需要预先布置磁条，施工工作量和后期维护成本高，巡检路径固定不灵活。而且只适应与平坦路面，对于地形复杂区域适应性差。石化工厂厂区面积大，后期改造难度大，而且地形复杂，使用磁条导航成本高，且无法满足复杂地形下的精确定位。

2.GNSS/INS组合定位：此类方法在车载系统、户外移动机器人和无人机广泛应用，利用高精度GPS与IMU进行组合定位，主要缺点是设备成本高，而且由于GPS存在多路径效应，其对于设备和建筑物林立的巡检场所适应性差，在室内等有遮挡环境下无法使用。石化工厂流量间、计量间、变电所等室内巡检环境多，而且储油罐、泵区设备等林立，单纯使用GPS定位精度难以保证。

3.航迹推算定位：此类方法主要应用于室内移动机器人等领域，利用里程计或惯性测量单元建立运动模型通过航迹推算进行位姿估计，主要缺点是随着运动范围的扩大，航迹推算的累积误差增大，逐渐丧失定位能力，而且对于地面崎岖不平的适应性差。石化工厂存在崎岖、斜坡等路面，单独利用航迹推算定位累积误差大。

4.二维激光SLAM定位：此类方法主要应用于室内移动机器人和变电站巡检机器人上，利用激光SLAM方法实现同步定位和地图构建，主要缺点是环境适应能力不强，对特征稀疏的场合无法实现精确定位，对于崎岖路面适应性差。石化工厂存在室内较长范围走廊、室外防火堤内等特征少的场合，二维激光SLAM方法无法适应此类环境，同时激光对于雨天工作的适应性差。