（許繼電源有限公司，許昌 461000）

0 引言

電力機(jī)房?jī)?nèi)存儲(chǔ)大量的電纜線、機(jī)柜、交叉線等電力設(shè)備，其占地面積大，為了保障電力機(jī)房?jī)?nèi)的所有設(shè)備和信息在出現(xiàn)故障和問題時(shí)，電力機(jī)房管控人員第一時(shí)間知道消息，專業(yè)人員將巡檢機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行改裝，使得具有多機(jī)納管、統(tǒng)計(jì)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(lái)隨著電力領(lǐng)域的發(fā)展，電力機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)增加并且連接變得復(fù)雜，電力機(jī)房主要的作用是維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，一旦電力機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備出現(xiàn)問題，隸屬于此機(jī)房的電力系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)崩潰故障，因此管理人員要時(shí)刻完成對(duì)電力機(jī)房的檢查巡邏[1]。由于電力機(jī)房的不斷擴(kuò)大，人工巡檢任務(wù)量大，效率低，就會(huì)導(dǎo)致電力巡檢效率降低，所以構(gòu)建電力機(jī)房巡檢機(jī)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(jī)房巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的巡檢效率和精度為目的，設(shè)計(jì)基于自動(dòng)交互行為的電力機(jī)房巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，以自動(dòng)化交互行為為分析基礎(chǔ)，突破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，分別設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件區(qū)域和軟件區(qū)域，提高電力機(jī)房巡檢機(jī)器人系統(tǒng)性能，解決以上提到的問題。

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

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

圖1 電力機(jī)房巡檢機(jī)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(jī)器人驅(qū)動(dòng)器

電力機(jī)房機(jī)器人系統(tǒng)硬件區(qū)域的驅(qū)動(dòng)器的工作任務(wù)是為系統(tǒng)提供動(dòng)力，使機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和停止操作，防止機(jī)器人出現(xiàn)摔倒等事故。驅(qū)動(dòng)器的工作電壓為24V，額定功率為200W，為了使機(jī)器人的運(yùn)行行為具有消音功能，驅(qū)動(dòng)器的空載轉(zhuǎn)速為3500RPM，負(fù)載轉(zhuǎn)速為3000PPM，當(dāng)工作電流大于0.8時(shí)，驅(qū)動(dòng)器工作，當(dāng)小于0.8毫安時(shí)，機(jī)器人處于自動(dòng)停止的狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)器還對(duì)巡檢機(jī)器人的每個(gè)行為進(jìn)行監(jiān)督，根據(jù)機(jī)器人行為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定驅(qū)動(dòng)器的極限驅(qū)動(dòng)力矩為0.64N。硬件區(qū)域的各個(gè)設(shè)備之間都具有關(guān)聯(lián)性，通過(guò)引腳相互連接，為了提高驅(qū)動(dòng)器的靈敏性，設(shè)計(jì)了控制信號(hào)引腳接口、電機(jī)引腳接口、霍爾信號(hào)引腳接口[3]。

驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)引腳如圖3所示。

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

圖3 驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)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(dá)不到系統(tǒng)的需求，系統(tǒng)的最大極限性能也會(huì)很低，并且運(yùn)轉(zhuǎn)周期短，對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)處理器調(diào)用的設(shè)備的使用周期也會(huì)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(dá)到5.6GHz，并采用8核心16進(jìn)程的處理模式，內(nèi)含300系列的主板，可以及時(shí)對(duì)處理器進(jìn)行散熱處理，延長(zhǎng)處理器的使用壽命，與本文設(shè)計(jì)的電力機(jī)房巡檢機(jī)器人的內(nèi)部運(yùn)行需求相符合。此系列的處理器對(duì)于任務(wù)進(jìn)程的處理速度可以達(dá)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(jī)房巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的硬件中起到一個(gè)連接輸送信息的作用，傳感器將紅外熱成像測(cè)溫器傳出的信息傳輸?shù)教幚砥髦?，處理器?duì)圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果觸發(fā)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器，使得巡檢機(jī)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(duì)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?yàn)槁菁y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(dá)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(cè)溫器

紅外熱成像測(cè)溫器的設(shè)計(jì)目的是在不接觸機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的基礎(chǔ)上，完成實(shí)時(shí)檢測(cè)電力機(jī)房?jī)?nèi)部設(shè)備溫度的任務(wù)，如果溫度過(guò)高，會(huì)引起一系列不可挽回的影響，所以精度高的紅外熱成像測(cè)溫器對(duì)于電力機(jī)房巡檢機(jī)器人系統(tǒng)十分重要[6]。本文設(shè)計(jì)的是T8型紅外熱成像儀測(cè)溫器，此設(shè)備的體積小，為了保證儀器的測(cè)溫精度，儀器鏡頭的可見光分辨率為500萬(wàn)像素，對(duì)于不同級(jí)別的溫度靈敏度為40MK，根據(jù)電力機(jī)房的特定，設(shè)計(jì)紅外熱成像測(cè)溫器的測(cè)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(cè)溫器示意圖如圖7所示：

圖7 紅外熱成像測(cè)溫器示意圖

此儀器將測(cè)量的溫度會(huì)按規(guī)律記錄溫度，通過(guò)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(duì)異常電力機(jī)房的設(shè)備進(jìn)行二次校驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)的精確度。

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

自動(dòng)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(jī)房機(jī)器人的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括機(jī)器人的雙人互動(dòng)數(shù)據(jù)集和三維關(guān)節(jié)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)跟蹤技術(shù)捕獲機(jī)器人25個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的三維位置信息，從而便于確定及騎行的活動(dòng)姿態(tài)。巡檢機(jī)器人如圖8所示。

圖8 巡檢機(jī)器人

機(jī)器人的關(guān)鍵姿態(tài)是分析其自動(dòng)化交互行為的關(guān)鍵，為防止關(guān)鍵信息的丟失，通過(guò)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(jī)器人姿態(tài)信息作為關(guān)鍵姿態(tài)，連續(xù)兩幀之間的機(jī)器人坐標(biāo)的移動(dòng)距離可以采用以下公式計(jì)算：

其中，m表示幀數(shù)，j代表機(jī)器人的骨骼點(diǎn)；

特征提取是識(shí)別機(jī)器人交互行為的關(guān)鍵步驟，為準(zhǔn)確判斷機(jī)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(shì)的特征提取，即根據(jù)機(jī)器人的每個(gè)動(dòng)作的關(guān)鍵姿勢(shì)表示機(jī)器人每個(gè)骨架的序列，并利用連續(xù)幀間關(guān)節(jié)點(diǎn)的變化描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)幅度，從而尋找機(jī)器人發(fā)出該行為的主要活動(dòng)部位。關(guān)節(jié)點(diǎn)的角度變化方差的計(jì)算公式如下：

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

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

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

圖9 電力機(jī)房巡檢機(jī)器人工作流程

觀察圖8可知，首先將設(shè)計(jì)的電力機(jī)房巡檢系統(tǒng)處于時(shí)刻待機(jī)的狀態(tài)，一旦接收到巡檢命令時(shí)，立即對(duì)巡檢命令進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，此時(shí)系統(tǒng)立即驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，節(jié)省巡檢緩沖時(shí)間。獲取電力機(jī)房的內(nèi)部布施情況，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)利用公式計(jì)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(jī)器人的巡檢路線，最后在機(jī)器巡檢過(guò)程中，系統(tǒng)的傳感器和紅外熱成像測(cè)溫器不斷地識(shí)別巡檢周圍的環(huán)境，以便應(yīng)對(duì)突發(fā)的狀況，持續(xù)完成電力機(jī)房的巡檢任務(wù)，出現(xiàn)異常狀況立即報(bào)備。

3 實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)以上的論述，本文完成了基于自動(dòng)化交互行為的電力機(jī)房巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為了檢驗(yàn)此系統(tǒng)的功能是否達(dá)到了要求，本文進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析，采用基于人工智能的電力機(jī)房巡檢機(jī)器人系統(tǒng)和基于地理位置定位的電力機(jī)房巡檢機(jī)器人系統(tǒng)作為傳統(tǒng)系統(tǒng)，共同完成對(duì)比試驗(yàn)的研究，保證試驗(yàn)的科學(xué)性。為了使對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有真實(shí)性，本文試驗(yàn)的對(duì)象是長(zhǎng)春某一電力機(jī)房，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)持續(xù)在電力機(jī)房?jī)?nèi)布設(shè)除了試驗(yàn)系統(tǒng)的專業(yè)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，保證電力機(jī)房的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在試驗(yàn)前采用抓鬮的方法確定系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)的順序，然后根據(jù)順序，逐一進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，最終對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，得出試驗(yàn)結(jié)論。

系統(tǒng)響應(yīng)精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)響應(yīng)精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在本文對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試的過(guò)程中，剔除了外界的干擾因素，所以本次測(cè)試結(jié)果具有可信度，經(jīng)過(guò)測(cè)試，本文研究的系統(tǒng)在完成并檢測(cè)出異常任務(wù)消耗的功率低于兩個(gè)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(dòng)化交互行為的電力機(jī)房巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間比基于人工智能的電力機(jī)房巡檢機(jī)器人系統(tǒng)慢，但是比基于地理位置定位的電力機(jī)房巡檢機(jī)器人快，通過(guò)這一試驗(yàn)結(jié)果，可以自動(dòng)基于地理位置定位的電力機(jī)房巡檢機(jī)器人系統(tǒng)不是最優(yōu)的系統(tǒng)。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要目的是實(shí)現(xiàn)電力機(jī)房巡檢機(jī)器人的巡檢精度，所以響應(yīng)時(shí)間與巡檢精度相比，機(jī)器人的巡檢精度比響應(yīng)時(shí)間重要，因此基于自動(dòng)化交互行為的電力機(jī)房巡檢機(jī)器人系統(tǒng)是最優(yōu)的。

得到這一測(cè)試結(jié)果一方面是因?yàn)楸疚脑谙到y(tǒng)硬件區(qū)域采用性能價(jià)值最好的處理器和傳感器，巡檢機(jī)器人在接受到巡檢任務(wù)時(shí)，對(duì)任務(wù)分析的同時(shí)同時(shí)啟動(dòng)機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的預(yù)處理，節(jié)省了系統(tǒng)進(jìn)程排隊(duì)的時(shí)間。在系軟件區(qū)域的設(shè)計(jì)中，采用自動(dòng)化交互行為模型，對(duì)于巡檢機(jī)器人在巡檢過(guò)程中的肢體行為動(dòng)作進(jìn)行規(guī)范設(shè)定，防止由于機(jī)器人巡檢不到位，導(dǎo)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(jī)房巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的調(diào)用技術(shù)，采用自動(dòng)化交互行為技術(shù)，增強(qiáng)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)巡檢任務(wù)操作的靈敏性，提高電力機(jī)房巡檢機(jī)器人工作的響應(yīng)時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先了解電力機(jī)房的功能，然后根據(jù)系統(tǒng)的性能需求，在電力機(jī)房巡檢機(jī)器人系統(tǒng)硬件區(qū)域設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)器、處理器、傳感器以及紅外熱成像測(cè)溫器，使系統(tǒng)的基本性能達(dá)到最高。然后分析自動(dòng)化交互行為模型的原理，實(shí)現(xiàn)基于自動(dòng)化交互行為的電力機(jī)房巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的調(diào)用，完成本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最后通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析，證明本文研究設(shè)計(jì)的電力機(jī)房巡檢機(jī)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(dá)到本文研究的目的，促進(jìn)電力巡檢機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展。