基于自動化交互行為的電力機房巡檢機器人系統(tǒng)設(shè)計

（許繼電源有限公司，許昌 461000）

0 引言

電力機房內(nèi)存儲大量的電纜線、機柜、交叉線等電力設(shè)備，其占地面積大，為了保障電力機房內(nèi)的所有設(shè)備和信息在出現(xiàn)故障和問題時，電力機房管控人員第一時間知道消息，專業(yè)人員將巡檢機器人系統(tǒng)進行改裝，使得具有多機納管、統(tǒng)計分析、巡檢管理、資產(chǎn)管理等功能，減輕工作人員的巡檢任務(wù)，并提高巡檢的精度。近年來隨著電力領(lǐng)域的發(fā)展，電力機房內(nèi)設(shè)備的存儲數(shù)據(jù)增加并且連接變得復雜，電力機房主要的作用是維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，一旦電力機房內(nèi)的設(shè)備出現(xiàn)問題，隸屬于此機房的電力系統(tǒng)就會出現(xiàn)崩潰故障，因此管理人員要時刻完成對電力機房的檢查巡邏[1]。由于電力機房的不斷擴大，人工巡檢任務(wù)量大，效率低，就會導致電力巡檢效率降低，所以構(gòu)建電力機房巡檢機器人系統(tǒng)代替人工巡檢，保證巡檢效率[2]。

本文以提高電力機房巡檢機器人系統(tǒng)的巡檢效率和精度為目的，設(shè)計基于自動交互行為的電力機房巡檢機器人系統(tǒng)，以自動化交互行為為分析基礎(chǔ)，突破傳統(tǒng)的設(shè)計理念，分別設(shè)計系統(tǒng)的硬件區(qū)域和軟件區(qū)域，提高電力機房巡檢機器人系統(tǒng)性能，解決以上提到的問題。

1 基于自動化交互行為的電力機房巡檢機器人系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文研究的基于自動化交互行為的電力機房巡檢機器人系統(tǒng)硬件由驅(qū)動器、處理器、傳感器、紅外熱成像測溫器組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電力機房巡檢機器人系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件引腳如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件引腳

1.1 機器人驅(qū)動器

電力機房機器人系統(tǒng)硬件區(qū)域的驅(qū)動器的工作任務(wù)是為系統(tǒng)提供動力，使機器人進行運動和停止操作，防止機器人出現(xiàn)摔倒等事故。驅(qū)動器的工作電壓為24V，額定功率為200W，為了使機器人的運行行為具有消音功能，驅(qū)動器的空載轉(zhuǎn)速為3500RPM，負載轉(zhuǎn)速為3000PPM，當工作電流大于0.8時，驅(qū)動器工作，當小于0.8毫安時，機器人處于自動停止的狀態(tài)。驅(qū)動器還對巡檢機器人的每個行為進行監(jiān)督，根據(jù)機器人行為標準，設(shè)定驅(qū)動器的極限驅(qū)動力矩為0.64N。硬件區(qū)域的各個設(shè)備之間都具有關(guān)聯(lián)性，通過引腳相互連接，為了提高驅(qū)動器的靈敏性，設(shè)計了控制信號引腳接口、電機引腳接口、霍爾信號引腳接口[3]。

驅(qū)動器的控制信號引腳如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，電機引腳接口分別為W、v、U、VDC，分別控制驅(qū)動器與電機之間的連接以及電流輸入線路?；魻栃盘栆_分為為GND、HA、HB，用于驅(qū)動器接收不同類型的霍爾信號源。

圖3 驅(qū)動器控制信號引腳

1.2 處理器

處理器是系統(tǒng)硬件的關(guān)鍵設(shè)備，如果處理器的性能達不到系統(tǒng)的需求，系統(tǒng)的最大極限性能也會很低，并且運轉(zhuǎn)周期短，對于系統(tǒng)內(nèi)處理器調(diào)用的設(shè)備的使用周期也會降低，為了避免出現(xiàn)以上涉及的問題，本文采用TUIS-8689處理器。處理器如圖4所示。

圖4 TUIS-8689處理器示意圖

此處理器的單核睿頻可以達到5.6GHz，并采用8核心16進程的處理模式，內(nèi)含300系列的主板，可以及時對處理器進行散熱處理，延長處理器的使用壽命，與本文設(shè)計的電力機房巡檢機器人的內(nèi)部運行需求相符合。此系列的處理器對于任務(wù)進程的處理速度可以達到120字節(jié)每秒，提前緩存12MB的緩存任務(wù)，工作頻率為3.2GHz，光刻為14NM，保證處理器的處理效果[4]。處理器電路圖如圖5所示。

1.3 傳感器

傳感器的工作是最繁瑣的，在電力機房巡檢機器人系統(tǒng)的硬件中起到一個連接輸送信息的作用，傳感器將紅外熱成像測溫器傳出的信息傳輸?shù)教幚砥髦?，處理器對圖像和數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)處理結(jié)果觸發(fā)系統(tǒng)的驅(qū)動器，使得巡檢機器人工作。

傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖5 處理器電路圖

圖6 傳感器結(jié)構(gòu)圖

傳感器采用多線輸出模式，分別對應(yīng)硬件區(qū)域不同的連接設(shè)備，避免多條任務(wù)在同一線路中出現(xiàn)數(shù)據(jù)格式化，傳感器的電流為80mA，內(nèi)部的螺紋尺寸為10mm×15mm，因為螺紋精密度高，可以保證傳感器零件之間的靈敏度。傳感器的輸出阻抗小于500歐，傳感器的精度可以達到1%FS，保證系統(tǒng)內(nèi)部流通數(shù)據(jù)的完整性[5]。

1.4 紅外熱成像測溫器

紅外熱成像測溫器的設(shè)計目的是在不接觸機房內(nèi)設(shè)備的基礎(chǔ)上，完成實時檢測電力機房內(nèi)部設(shè)備溫度的任務(wù)，如果溫度過高，會引起一系列不可挽回的影響，所以精度高的紅外熱成像測溫器對于電力機房巡檢機器人系統(tǒng)十分重要[6]。本文設(shè)計的是T8型紅外熱成像儀測溫器，此設(shè)備的體積小，為了保證儀器的測溫精度，儀器鏡頭的可見光分辨率為500萬像素，對于不同級別的溫度靈敏度為40MK，根據(jù)電力機房的特定，設(shè)計紅外熱成像測溫器的測量溫度范圍為{-20，650}攝氏度，紅外線光譜的大小范圍為[8,14]。紅外熱成像測溫器示意圖如圖7所示：

圖7 紅外熱成像測溫器示意圖

此儀器將測量的溫度會按規(guī)律記錄溫度，通過USB接口，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌O(shè)備中，一旦出現(xiàn)溫度異常，立即傳感器對異常電力機房的設(shè)備進行二次校驗，保證數(shù)據(jù)的精確度。

2 基于自動化交互行為的電力機房巡檢機器人系統(tǒng)軟件設(shè)計

自動化交互行為模型分析的第一步是數(shù)據(jù)獲取，本文采用SBU數(shù)據(jù)集獲取電力機房機器人的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括機器人的雙人互動數(shù)據(jù)集和三維關(guān)節(jié)坐標數(shù)據(jù)，經(jīng)過跟蹤技術(shù)捕獲機器人25個關(guān)節(jié)點的三維位置信息，從而便于確定及騎行的活動姿態(tài)。巡檢機器人如圖8所示。

圖8 巡檢機器人

機器人的關(guān)鍵姿態(tài)是分析其自動化交互行為的關(guān)鍵，為防止關(guān)鍵信息的丟失，通過幀間差異比較提取采集數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵幀，將該幀間狀態(tài)下的機器人姿態(tài)信息作為關(guān)鍵姿態(tài)，連續(xù)兩幀之間的機器人坐標的移動距離可以采用以下公式計算：

其中，m表示幀數(shù)，j代表機器人的骨骼點；

特征提取是識別機器人交互行為的關(guān)鍵步驟，為準確判斷機器人的行為，去除影響參數(shù)，本文提出了一種全新的基于關(guān)鍵姿勢的特征提取，即根據(jù)機器人的每個動作的關(guān)鍵姿勢表示機器人每個骨架的序列，并利用連續(xù)幀間關(guān)節(jié)點的變化描述機器人的運動幅度，從而尋找機器人發(fā)出該行為的主要活動部位。關(guān)節(jié)點的角度變化方差的計算公式如下：

其中，i表示巡檢機器人的任意一個關(guān)節(jié)點；n表示機器人巡檢過程中關(guān)鍵幀的幀數(shù)；K表示連續(xù)幀間關(guān)節(jié)點i的變化角度；p是關(guān)節(jié)點i連續(xù)兩針之間角度變化的平均值。

根據(jù)關(guān)節(jié)點的角度變化方差的大小，獲取方差最大的兩個關(guān)節(jié)點作為關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)點，該關(guān)節(jié)點的位置就是機器人發(fā)出該行為的主要活動部位，一旦停止機器人的巡檢行為，則立即對主要活動部位停止驅(qū)動。

根據(jù)以上對機器人自動化交互行為模型的分析和電力機房巡檢機器人系統(tǒng)硬件區(qū)域設(shè)備的功能設(shè)計，本文總結(jié)出以下基于自動化交互行為的電力機房巡檢機器人的工作流程，具體步驟如圖9所示。

圖9 電力機房巡檢機器人工作流程

觀察圖8可知，首先將設(shè)計的電力機房巡檢系統(tǒng)處于時刻待機的狀態(tài)，一旦接收到巡檢命令時，立即對巡檢命令進行數(shù)據(jù)獲取，此時系統(tǒng)立即驅(qū)動機器人，節(jié)省巡檢緩沖時間。獲取電力機房的內(nèi)部布施情況，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)利用公式計算出巡檢命令的特征值。系統(tǒng)硬件區(qū)域的處理器快速地反應(yīng)出機器人的巡檢路線，最后在機器巡檢過程中，系統(tǒng)的傳感器和紅外熱成像測溫器不斷地識別巡檢周圍的環(huán)境，以便應(yīng)對突發(fā)的狀況，持續(xù)完成電力機房的巡檢任務(wù)，出現(xiàn)異常狀況立即報備。

3 實驗分析

通過以上的論述，本文完成了基于自動化交互行為的電力機房巡檢機器人系統(tǒng)的設(shè)計，為了檢驗此系統(tǒng)的功能是否達到了要求，本文進行對比試驗分析，采用基于人工智能的電力機房巡檢機器人系統(tǒng)和基于地理位置定位的電力機房巡檢機器人系統(tǒng)作為傳統(tǒng)系統(tǒng)，共同完成對比試驗的研究，保證試驗的科學性。為了使對比試驗數(shù)據(jù)具有真實性，本文試驗的對象是長春某一電力機房，在實驗過程中會持續(xù)在電力機房內(nèi)布設(shè)除了試驗系統(tǒng)的專業(yè)巡檢機器人系統(tǒng)，保證電力機房的正常運轉(zhuǎn)。在試驗前采用抓鬮的方法確定系統(tǒng)進行試驗的順序，然后根據(jù)順序，逐一進行試驗測試，最終對試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)匯總，得出試驗結(jié)論。

系統(tǒng)響應(yīng)精度實驗結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)響應(yīng)精度實驗結(jié)果

響應(yīng)時間實驗結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)時間實驗結(jié)果

在本文對比試驗測試的過程中，剔除了外界的干擾因素，所以本次測試結(jié)果具有可信度，經(jīng)過測試，本文研究的系統(tǒng)在完成并檢測出異常任務(wù)消耗的功率低于兩個傳統(tǒng)的系統(tǒng)并且發(fā)現(xiàn)異常的精度高于傳統(tǒng)的系統(tǒng)，但是基于自動化交互行為的電力機房巡檢機器人系統(tǒng)的響應(yīng)時間比基于人工智能的電力機房巡檢機器人系統(tǒng)慢，但是比基于地理位置定位的電力機房巡檢機器人快，通過這一試驗結(jié)果，可以自動基于地理位置定位的電力機房巡檢機器人系統(tǒng)不是最優(yōu)的系統(tǒng)。因為本次設(shè)計的系統(tǒng)主要目的是實現(xiàn)電力機房巡檢機器人的巡檢精度，所以響應(yīng)時間與巡檢精度相比，機器人的巡檢精度比響應(yīng)時間重要，因此基于自動化交互行為的電力機房巡檢機器人系統(tǒng)是最優(yōu)的。

得到這一測試結(jié)果一方面是因為本文在系統(tǒng)硬件區(qū)域采用性能價值最好的處理器和傳感器，巡檢機器人在接受到巡檢任務(wù)時，對任務(wù)分析的同時同時啟動機器人巡檢系統(tǒng)的預處理，節(jié)省了系統(tǒng)進程排隊的時間。在系軟件區(qū)域的設(shè)計中，采用自動化交互行為模型，對于巡檢機器人在巡檢過程中的肢體行為動作進行規(guī)范設(shè)定，防止由于機器人巡檢不到位，導致巡檢數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。另一方面本文突破傳統(tǒng)電力機房巡檢機器人系統(tǒng)的調(diào)用技術(shù)，采用自動化交互行為技術(shù)，增強巡檢機器人系統(tǒng)對巡檢任務(wù)操作的靈敏性，提高電力機房巡檢機器人工作的響應(yīng)時間。

4 結(jié)語

本文首先了解電力機房的功能，然后根據(jù)系統(tǒng)的性能需求，在電力機房巡檢機器人系統(tǒng)硬件區(qū)域設(shè)計了驅(qū)動器、處理器、傳感器以及紅外熱成像測溫器，使系統(tǒng)的基本性能達到最高。然后分析自動化交互行為模型的原理，實現(xiàn)基于自動化交互行為的電力機房巡檢機器人系統(tǒng)的調(diào)用，完成本文系統(tǒng)的設(shè)計。最后通過對比實驗分析，證明本文研究設(shè)計的電力機房巡檢機器人系統(tǒng)比傳統(tǒng)的系統(tǒng)具有較高的性能和響應(yīng)速度，達到本文研究的目的，促進電力巡檢機器人領(lǐng)域的發(fā)展。