人體感應(yīng)技術(shù)在智能電力機(jī)器人設(shè)計中的應(yīng)用

卓 一，邱 臻，黃鋒堯，王 歡

(浙江華云信息科技有限公司，浙江 杭州 330009)

0 引言

智能時代的來臨，讓電力能源成為工業(yè)生產(chǎn)、民眾生活中不可或缺的重要資源，也促進(jìn)了電力工業(yè)系統(tǒng)朝智能化、自動化方向發(fā)展，令電力企業(yè)與變電站規(guī)模不斷壯大。但隨之而來的還有一些負(fù)面影響，如人力資源短缺，巡檢難度增加，運(yùn)維效率降低，設(shè)備與人員安全無法得到保障等。隨著計算機(jī)技術(shù)與人工智能技術(shù)的升級換代，如巡檢機(jī)器人、作業(yè)機(jī)器人等各類智能電力機(jī)器人[1-2]脫穎而出，為保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的支撐。智能電力機(jī)器人的普及應(yīng)用既節(jié)省人力，還能夠保障設(shè)備與人員安全。

雖然我國用于電力領(lǐng)域的智能機(jī)器人研究成果在近幾年逐漸成熟，但仍存在一定缺漏與性能弊端。為推進(jìn)智慧電力建設(shè)，本文將人體感應(yīng)技術(shù)融入智能電力機(jī)器人的設(shè)計中。人體感應(yīng)技術(shù)憑借其成熟度與靈敏度，早已遍布日常生活中的每個角落，如玩具、游戲機(jī)、燈具和開關(guān)等，給生活帶來許多便利。本文基于此項技術(shù)與外接元器件共同組建了人體感應(yīng)裝置，經(jīng)過實驗證明此方法有助于提升智能電力機(jī)器人對人體的探測能力，拓展了機(jī)器人應(yīng)用范圍。

1 人體感應(yīng)裝置設(shè)計方案

采集人體散發(fā)的熱紅外輻射能量是人體感應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)的最基本條件。通過斯蒂芬玻爾茲曼定律[3]可知，熱紅外輻射能量強(qiáng)度與人體體溫呈正相關(guān)性，因此，根據(jù)能量強(qiáng)度，即可估算出大概的人體溫度。一般來說，人體紅外線中心波長范圍是9 ～10 μm，因此，為強(qiáng)化智能電力機(jī)器人對人體紅外輻射波段的探測感應(yīng)性能，在紅外傳感器上側(cè)增加窗口，用于安裝紅外線波長為7～12 μm的濾光鏡片。

結(jié)合多光譜自動目標(biāo)識別技術(shù)[4]，建立基于目標(biāo)場景的指定紅外光譜特征矩陣，即

(1)

xm(n)為矩陣的列向量，表示接收到的紅外線輻射強(qiáng)度，波長通常在10 μm左右；m為焦平面的列序數(shù)；n為行序數(shù)。若接收到的紅外波長超出指定范圍，則用灰度等級描述該像素。

為提升智能電力機(jī)器人對人體的高效探測能力，基于多光譜自動目標(biāo)識別的人體感應(yīng)技術(shù)，利用高集成芯片與部分外接元器件構(gòu)成人體感應(yīng)裝置，如圖1所示。其中，芯片設(shè)計采用8引腳雙列直插式塑料封裝技術(shù)[5]，主要用于處理熱紅外輻射能量信號。芯片腳功能設(shè)計如表1所示。

圖1 人體感應(yīng)裝置

表1 芯片引腳功能設(shè)計

2 人體感應(yīng)裝置與智能電力機(jī)器人設(shè)計融合

2.1 智能電力機(jī)器人定位

為使人體感應(yīng)裝置更適配于智能電力機(jī)器人，需先按照以下步驟明確機(jī)器人位置。

2.1.1 導(dǎo)航定位

采用全球定位系統(tǒng)[6]，根據(jù)觀測信號傳播時間，推導(dǎo)出地心坐標(biāo)系內(nèi)機(jī)器人位置的三維數(shù)據(jù)。用地心坐標(biāo)系，將接收機(jī)天線方位定義成絕對定位，當(dāng)機(jī)器人移動時，衛(wèi)星難以持續(xù)保持跟蹤狀態(tài)，故利用測碼偽距定位策略，實現(xiàn)機(jī)器人的絕對定位。

測碼偽距定位過程中需將全球定位系統(tǒng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至當(dāng)?shù)氐乃阶鴺?biāo)系內(nèi)，涉及的2個坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換階段如下：

a.空間坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系。假定任意點的空間坐標(biāo)與大地坐標(biāo)各是(X,Y,Z)、(B,L,H)，卯酉圈曲率半徑為N，歐拉函數(shù)是e，則2個坐標(biāo)間的相關(guān)性為

(2)

由此得出2個坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換方程組為

(3)

(4)

假定衛(wèi)星i與機(jī)器人j的當(dāng)前方位是(Xi,Yi,Zi)與(Xj,Yj,Zj)，則二者之間的實際間距Rij為

(5)

實際應(yīng)用中含有一定誤差，即接收機(jī)測得的實際間距存在偽距，則機(jī)器人j與衛(wèi)星i之間的偽距Dij通過下式解得，即

Dij=Rij+δI(t)+δT(t)+c(tj-ti)

(6)

δI(t)、δT(t)分別為電離層與對流層的折射延時等效距離偏差；tj、ti分別為機(jī)器人j、衛(wèi)星i與定位系統(tǒng)的時間誤差；c為時間誤差修正因子，針對電離層與對流層產(chǎn)生的輸送偏差，可通過雙頻傳輸策略[7]加以修正。

由于衛(wèi)星坐標(biāo)、時間誤差與延遲偏差均為已知項，故改寫偽距Dij的計算公式為

(7)

每測量1顆衛(wèi)星偽距，就會生成1個含有4個未知項的等式方程，則i個衛(wèi)星與機(jī)器人j的偽距測量方程組為

(8)

2.1.2 位置估算

智能電力機(jī)器人的航位估算采用自主能力較強(qiáng)的直接數(shù)字化X射線攝影導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)的組成部分為位移傳感器與航向傳感器，在不與外界交互數(shù)據(jù)的條件下，根據(jù)起點坐標(biāo)位置與方位角，即可推算出機(jī)器人的下一方位。

將地面抽象成二維平面(x,y)，若機(jī)器人的起點坐標(biāo)為(x0,y0)，航向角為θ0，采樣時間里其移動距離為s，航向角變化量為Δθ，則機(jī)器人的下一方位坐標(biāo)是(xk,yk)，對應(yīng)航向角為θk，推導(dǎo)公式分別為：

(9)

(10)

θk=θ0+Δθ

(11)

其中，當(dāng)機(jī)器人的方位角呈順時針變化時，變化量Δθ取正值，反之，則取負(fù)值。

2.2 智能電力機(jī)器人的人體感應(yīng)裝置應(yīng)用

電力機(jī)器人的使用環(huán)境相對復(fù)雜，只有具備良好的人員檢測性能，才能更好地抑制工作場景帶來的負(fù)面干擾。人體感應(yīng)裝置很好地解決了傳統(tǒng)超聲波測距的人體盲區(qū)弊端，讓人員方位信息更加可靠。

為減小人體感應(yīng)裝置角度的局限性，更理想地完成人體感應(yīng)識別，應(yīng)在1個機(jī)器人上至少安裝2個感應(yīng)裝置，擴(kuò)大機(jī)器人的感知視角范圍。以2個人體感應(yīng)裝置為例，如圖2所示，電力機(jī)器人的感應(yīng)空間中共含有4個區(qū)域，即交叉感應(yīng)區(qū)域、左感應(yīng)區(qū)域、右感應(yīng)區(qū)域和空白感應(yīng)區(qū)域。

圖2 智能電力機(jī)器人感應(yīng)空間區(qū)劃

各感應(yīng)區(qū)域與感應(yīng)裝置的關(guān)系如表2所示。根據(jù)區(qū)域探測結(jié)果，將4個區(qū)域劃分為有效區(qū)域與無效區(qū)域。

表2 多人體感應(yīng)裝置與各感應(yīng)區(qū)域相關(guān)性

為進(jìn)一步提高感應(yīng)精準(zhǔn)度，根據(jù)下述探測原理，定義人體感應(yīng)裝置的基本功能：檢測各區(qū)域的熱紅外輻射能量，融合多源感應(yīng)信息，若感應(yīng)區(qū)域中存在超過10%的人體部分，則判定為有人，此時裝置輸出一個正脈沖信號；相反，則輸出負(fù)脈沖信號。

融入人體感應(yīng)技術(shù)的智能電力機(jī)器人，通常用于防止人員誤入危險區(qū)域或巡檢時躲避工作場景中的人員。人體感應(yīng)裝置在其中的具體應(yīng)用描述如下：

a.預(yù)警機(jī)制。在機(jī)器人中，利用電纜線連接感應(yīng)裝置、控制電路及聲光報警器，當(dāng)有效區(qū)域探測到輻射能量時，感應(yīng)裝置通過芯片的2號引腳，將電信號傳輸給控制電路[8]，觸發(fā)報警器，保障人員與電力設(shè)備安全。

b.躲避機(jī)制。連接感應(yīng)裝置與直接數(shù)字化X射線攝影導(dǎo)航系統(tǒng)，基于機(jī)器人的導(dǎo)航定位與位置估算方法，當(dāng)裝置在有效區(qū)域探測到熱紅外輻射能量時，開始執(zhí)行躲避程序，根據(jù)明確的繞線位置，利用導(dǎo)航系統(tǒng)中的位移傳感器與航向傳感器，改變航向角，實現(xiàn)工作場景內(nèi)的人員躲避功能，同時，用光電編碼器[9]等裝置標(biāo)記移動參數(shù)(如躲避移動距離、角度等)，依據(jù)記錄的參數(shù)返回至原來的運(yùn)行軌跡上，繼續(xù)執(zhí)行給定的電力任務(wù)。

3 基于智能電力機(jī)器人的人體感應(yīng)效果檢測實驗

3.1 實驗準(zhǔn)備階段

針對某試運(yùn)行變電站，在室內(nèi)、外2種實驗環(huán)境下，分別檢驗人體感應(yīng)裝置的躲避性能與預(yù)警性能，驗證人體感應(yīng)技術(shù)與智能電力機(jī)器人融合的重要性。

為加強(qiáng)裝置檢測結(jié)果的可靠度與說服力，進(jìn)行實驗之前，需先測試出電力機(jī)器人是否具備精準(zhǔn)的現(xiàn)場導(dǎo)航能力。在機(jī)器人的室內(nèi)外移動軌跡上各任選5個測量點，導(dǎo)航測試結(jié)果如表3所示。

表3 智能電力機(jī)器人現(xiàn)場導(dǎo)航能力測試結(jié)果

由表3中可知，該電力機(jī)器人的室內(nèi)外導(dǎo)航能力相差無幾，直路偏差始終較小，彎路偏差也基本可以忽略不計，當(dāng)移動路徑上存在彎路時，運(yùn)行速度略有下降，但仍然能夠滿足機(jī)器人的實際應(yīng)用需求。上述測試結(jié)果說明，該智能電力機(jī)器人具有比較穩(wěn)定的導(dǎo)航能力，運(yùn)行時相對平滑，具備良好的現(xiàn)場導(dǎo)航性能，可用于檢測人體感應(yīng)裝置的應(yīng)用效果。

3.2 人體感應(yīng)裝置預(yù)警性能檢測分析

基于穩(wěn)定的機(jī)器人導(dǎo)航效果，從為期1個月的實驗周期中選取不同的天氣條件，在變電站現(xiàn)場各進(jìn)行50組預(yù)警性能實驗，實驗結(jié)果如表4所示。

表4 不同天氣狀況下感應(yīng)裝置預(yù)警結(jié)果

根據(jù)各天氣條件下的預(yù)警測試結(jié)果可知，該裝置以人體散發(fā)的熱紅外輻射能量為探測依據(jù)，通過在紅外傳感器上側(cè)增加濾光鏡片，擴(kuò)大了可探測的紅外線中心波長范圍。因此，即便是視野條件不佳的霧霾、多云與陰雨天氣，依舊能夠?qū)M(jìn)入有效區(qū)域的人員準(zhǔn)確且及時地發(fā)出聲光預(yù)警，較為理想地完成設(shè)備安全與人員安全的保護(hù)任務(wù)。其中，霧霾天氣發(fā)生的1次失敗預(yù)警主要是因為當(dāng)天霧霾指數(shù)較高，使能見度大幅度下降，影響了感應(yīng)裝置的靈敏性，今后將針對該問題展開深入研究，強(qiáng)化裝置對天氣條件的適應(yīng)性。

3.3 人體感應(yīng)裝置躲避性能檢測

本實驗階段的探究方向是人體感應(yīng)裝置在智能電力機(jī)器人中的躲避功能。劃分機(jī)器人的避障實驗為人體判定避障、返回原路徑等2個部分，其中編號1～20矩形為電力設(shè)備，黑三角為智能電力機(jī)器人，黑圓點為工作人員，設(shè)置編號4、7、15、18號設(shè)備出現(xiàn)問題，需要機(jī)器人檢測處理，機(jī)器人的人體躲避結(jié)果如圖3所示。

圖3 感應(yīng)裝置躲避能力的室內(nèi)現(xiàn)場檢測情況

由圖3可以看出，人體感應(yīng)裝置基于多光譜自動目標(biāo)識別技術(shù)，利用高集成芯片與部分外接元器件構(gòu)成人體感應(yīng)裝置，結(jié)合機(jī)器人的全球定位系統(tǒng)與直接數(shù)字化X射線攝影導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠有效完成人體判定、轉(zhuǎn)彎避障和返回原路徑的整體躲避任務(wù)。

為進(jìn)一步驗證感應(yīng)裝置的躲避能力，分別在5種電力應(yīng)用場景中進(jìn)行50組躲避性能實驗，得到如表5所示的實驗結(jié)果。從躲避性能的各項指標(biāo)數(shù)據(jù)可以看出，該裝置憑借自主能力較強(qiáng)的直接數(shù)字化X射線攝影導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)勢，始終具有較高的躲避水平，50組實驗中未發(fā)生1次避障失誤，且通過極短的時間就完成了人體判定。

表5 感應(yīng)裝置躲避結(jié)果

4 結(jié)束語

電力行業(yè)不斷升級，傳統(tǒng)電力模式亟待轉(zhuǎn)型，機(jī)器人在高需求的市場背景推動下迅猛發(fā)展，廣泛應(yīng)用于電力領(lǐng)域的重點業(yè)務(wù)中。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的飛速進(jìn)步，電力機(jī)器人越來越智能化，為進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器人性能，本文嘗試在智能電力機(jī)器人的設(shè)計中，融合人體感應(yīng)技術(shù)。由于該研究方向正處于初始階段，因此，需通過以下策略加以完善：大型電力企業(yè)需要多臺機(jī)器人完成工作，下一研究課題應(yīng)探討裝有感應(yīng)裝置的多個機(jī)器人之間是否存在干擾，影響預(yù)警與躲避效果；因資源與時間限制，僅在現(xiàn)有的主流智能電力機(jī)器人中增設(shè)了人體感應(yīng)技術(shù)，下一階段應(yīng)針對機(jī)器人的軟硬件展開深入探索，讓感應(yīng)技術(shù)與機(jī)器人配置具有更理想的適配性。