一种基于改进蚁群算法的足式巡检机器人及其顺序化作业优化方法与流程

本发明涉及移动机器人任务规划，特别涉及一种基于改进蚁群算法的足式巡检机器人及其顺序化作业优化方法。

背景技术：

1、变电站设备巡检是有效保证变电站设备安全运行、提高供电可靠性的一项基础工作，主要分为例行巡检和特殊巡检。例行巡检每天至少2次；特殊巡检一般在高温天气、大负荷运行、新投入设备运行前以及大风、雾天、冰雪、冰雹、雷雨后进行。现有巡检方式主要为人工巡视，人工巡检存在劳动强度大、工作效率低、检测质量分散、管理成本高等明显不足。

2、随着机器人技术的快速发展，将机器人技术与电力应用相结合，符合机器人+应用政策。移动机器人平台携带检测设备代替人工进行设备巡检。轮式移动机器人目前在电力巡检领域应用较多，但轮式机器人在环境适应性方面相对较差。而足式机器人具有更好的环境适应能力，但由于关节电机功率的限制，足式机器人的负载往往较小，能够搭载的仪器设备较少。因此，亟待发明设计一种能够实现搭载大负载的变电站足式巡检机器人系统。除了以上要求外，在变电站巡检过程中，需要设置多个巡检任务点，变电站足式巡检机器人的能耗远高于轮式机器人，变电站足式巡检机器人的电池也是导致机器人过重的主要原因，因此，如何规划任务点的巡检顺序，使得变电站足式巡检机器人能够以最短路径完成变电站巡检任务，提高变电站足式巡检机器人的巡检效率是亟待解决的又一关键问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于改进蚁群算法的足式巡检机器人及其顺序化作业优化方法，该足式巡检机器人采用三自由度并联型结构，能够提供较大的负载，并且提出一种基于改进蚁群算法，能够对足式机器人的任务点巡查路径进行优化。具体技术方案如下：

2、一种基于改进蚁群算法的足式巡检机器人，包括躯干框架、双光云台相机、环境感知单元以及四个三自由度并联型腿；

3、所述双光云台相机安装于所述躯干框架上，所述躯干框架的每个面上均设有一个所述环境感知单元，四个所述的三自由度并联型腿分别安装于所述躯干框架底面的四角。

4、优选的，所述环境感知单元包括立体相机和三维激光雷达，一个立体相机和一个三维激光雷达形成一组环境感知单元，四组环境感知单元分别安装于所述躯干框架的前后左右四个面上。

5、优选的，所述三自由度并联型腿包括腿部基座、三个关节电机、三个支杆以及足端；

6、三个所述关机电机的后端间隔固定于所述腿部基座的下端，每个所述关机电机的输出与所述支杆的一端固定，三个所述支杆均与足端固定连接，所述腿部基座的上端固定于所述躯干的底部。

7、优选的，三个所述关节电机以120°角度间隔固定安装于腿部基座上。

8、优选的，三个所述支杆与所述足端连接点成120°分布。

9、优选的，所述支杆包括连接件、直连杆以及钝角连杆；

10、所述连接件与关节电机输出端固定连接，所述直连杆的一端与连接件固定连接，所述直连杆的另一端与所述钝角连杆之间通过铰链连接，所述钝角连杆的另外一端与所述足端通过铰链连接在一起。

11、一种基于改进蚁群算法的顺序化作业优化方法，应用于上述足式巡检机器人中，包括以下步骤：

12、s1、对于对于巡检机器人的巡检任务模型，定义如下：

13、s11、假设整个蚂蚁群体中的蚂蚁数量为m，任务点为n个，形成的集合如下：

14、c＝{c1,c2,c3,...,cn}

15、s12、任务点i与任务点j之间的距离记为dij，距离用欧式距离计算得到：

16、

17、s13、t时刻任务点i和任务点j连接路径上的信息素浓度为τij(t)，初始时刻，各个任务点间的连接路径上的信息素浓度相同；

18、s14、蚂蚁k根据各个任务点间连接路径上的信息素浓度决定其下一个任务点，则t时刻蚂蚁k从任务点i转移到任务点j的概率计算公式，即信息素状态转移概率计算公式如下：

19、

20、其中，edk表示蚂蚁k下一步允许的任务点，β为启发函数重要程度因子；α为信息重要程序因子；ηij启发函数，与距离成反比，定义为ηij＝1/dij，表示从任务点i到任务点j的期望程度；ds表示下一待任务点s到目标任务点g的欧式距离；ts表示任务点s累计被访问的次数；

21、s15、当所有蚂蚁完成一次循环后，各个任务点之间连接路径上的信息素浓度需进行实时更新，所述信息素τ的更新策略为：

22、τij(t+n)＝(1-ρ)τij(t)+vτij(t)

23、

24、其中，δτij表示第k只蚂蚁在任务点i和任务点j连接路径上释放的信息素浓度，其中δτij(0)＝0；

25、δτij的更新策略如下：

26、

27、s2、根据步骤s1定义，按照如下步骤进行计算，具体为：

28、s21、初始化参数，在计算之初，需要对相关参数进行初始化，即蚁群规模m，信息素重要程序因子α，启发函数重要程度因子β，信息素挥发系数ρ，信息素释放总量q，最大迭代次数max，迭代次数初值iter＝1；

29、s22、构建解空间，将各个蚂蚁随机地置于不同的出发任务点，每个蚂蚁k，按照信息素状态转移概率计算公式计算其下一个待访问的城市，直到所有的蚂蚁访问完所有的城市

30、s23、更新信息素，计算各个蚂蚁经过的路径长度dij，记录当前迭代次数中的最优解，同时，根据信息素τ的更新策略公式和的更新策略公式对各个城市链接路径上的信息素浓度进行更新；

31、s24、判断是否中止，若迭代次数小于max时，清空蚂蚁经过路径的记录表，并返回步骤s22，否则终止计算，输出最优解；最终确定巡检机器人的最优任务巡检规划。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

33、1、本发明设计的三自由度并联型变电站足式巡检机器人本体具有较好的负载能力，同时降低了关节电机的负载要求。

34、2、本发明中，根据实际的任务点要求，提出一种基于改进蚁群算法实现变电站足式巡检机器人的任务点巡检规划路径，能够保持巡检路径最短，同时通过改进蚁群算法，提高了任务点巡检的规划效率。

技术特征：

1.一种基于改进蚁群算法的足式巡检机器人，其特征在于，包括躯干框架、双光云台相机、环境感知单元以及四个三自由度并联型腿；

2.根据权利要求1所述的基于改进蚁群算法的足式巡检机器人，其特征在于，所述环境感知单元包括立体相机和三维激光雷达，一个立体相机和一个三维激光雷达形成一组环境感知单元，四组环境感知单元分别安装于所述躯干框架的前后左右四个面上。

3.根据权利要求1所述的基于改进蚁群算法的足式巡检机器人，其特征在于，所述三自由度并联型腿包括腿部基座、三个关节电机、三个支杆以及足端；

4.根据权利要求3所述的基于改进蚁群算法的足式巡检机器人，其特征在于，三个所述关节电机以120°角度间隔固定安装于腿部基座上。

5.根据权利要求3所述的基于改进蚁群算法的足式巡检机器人，其特征在于，三个所述支杆与所述足端连接点成120°分布。

6.根据权利要求3所述的基于改进蚁群算法的足式巡检机器人，其特征在于，所述支杆包括连接件、直连杆以及钝角连杆；

7.一种基于改进蚁群算法的顺序化作业优化方法，应用于所述权利要求1-6任一项所述的足式巡检机器人中，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种基于改进蚁群算法的足式巡检机器人及其顺序化作业优化方法，该足式巡检机器人主要包含躯干框架、双光云台相机、环境感知单元和四个三自由度并联型腿。三自由度并联型腿能够提供较大的负载能力，同时降低足式巡检机器人的腿部惯量。主要包含一个腿部基座、三个关节电机、三个支杆和一个足端。为解决足式巡检机器人搭载的电源模块仅能够提供有限的能源的问题，提出了一种基于改进蚁群算法实现N个任务点的巡检，并且使变电站巡检总长度最小。本发明的三自由度并联型足式巡检机器人本体具有较好的负载能力，同时降低了关节电机的负载要求，优化的任务点巡检规划路径，既能够保持巡检路径最短，也提高了任务点巡检的规划效率。技术研发人员：李斐,张文良,洪刚,梁毅,李硕,庞龙,何博,叶偲,韩光新,戴堂标,覃剑受保护的技术使用者：广西电网有限责任公司北海供电局技术研发日：技术公布日：2024/6/18