人体感应技术在智能电力机器人设计中的应用

卓 一，邱 臻，黄锋尧，王 欢

(浙江华云信息科技有限公司，浙江 杭州 330009)

0 引言

智能时代的来临，让电力能源成为工业生产、民众生活中不可或缺的重要资源，也促进了电力工业系统朝智能化、自动化方向发展，令电力企业与变电站规模不断壮大。但随之而来的还有一些负面影响，如人力资源短缺，巡检难度增加，运维效率降低，设备与人员安全无法得到保障等。随着计算机技术与人工智能技术的升级换代，如巡检机器人、作业机器人等各类智能电力机器人[1-2]脱颖而出，为保证电网安全可靠运行提供了强有力的支撑。智能电力机器人的普及应用既节省人力，还能够保障设备与人员安全。

虽然我国用于电力领域的智能机器人研究成果在近几年逐渐成熟，但仍存在一定缺漏与性能弊端。为推进智慧电力建设，本文将人体感应技术融入智能电力机器人的设计中。人体感应技术凭借其成熟度与灵敏度，早已遍布日常生活中的每个角落，如玩具、游戏机、灯具和开关等，给生活带来许多便利。本文基于此项技术与外接元器件共同组建了人体感应装置，经过实验证明此方法有助于提升智能电力机器人对人体的探测能力，拓展了机器人应用范围。

1 人体感应装置设计方案

采集人体散发的热红外辐射能量是人体感应技术实现的最基本条件。通过斯蒂芬玻尔兹曼定律[3]可知，热红外辐射能量强度与人体体温呈正相关性，因此，根据能量强度，即可估算出大概的人体温度。一般来说，人体红外线中心波长范围是9 ～10 μm，因此，为强化智能电力机器人对人体红外辐射波段的探测感应性能，在红外传感器上侧增加窗口，用于安装红外线波长为7～12 μm的滤光镜片。

结合多光谱自动目标识别技术[4]，建立基于目标场景的指定红外光谱特征矩阵，即

(1)

xm(n)为矩阵的列向量，表示接收到的红外线辐射强度，波长通常在10 μm左右；m为焦平面的列序数；n为行序数。若接收到的红外波长超出指定范围，则用灰度等级描述该像素。

为提升智能电力机器人对人体的高效探测能力，基于多光谱自动目标识别的人体感应技术，利用高集成芯片与部分外接元器件构成人体感应装置，如图1所示。其中，芯片设计采用8引脚双列直插式塑料封装技术[5]，主要用于处理热红外辐射能量信号。芯片脚功能设计如表1所示。

图1 人体感应装置

表1 芯片引脚功能设计

2 人体感应装置与智能电力机器人设计融合

2.1 智能电力机器人定位

为使人体感应装置更适配于智能电力机器人，需先按照以下步骤明确机器人位置。

2.1.1 导航定位

采用全球定位系统[6]，根据观测信号传播时间，推导出地心坐标系内机器人位置的三维数据。用地心坐标系，将接收机天线方位定义成绝对定位，当机器人移动时，卫星难以持续保持跟踪状态，故利用测码伪距定位策略，实现机器人的绝对定位。

测码伪距定位过程中需将全球定位系统的坐标数据转换至当地的水平坐标系内，涉及的2个坐标系转换阶段如下：

a.空间坐标系与大地坐标系。假定任意点的空间坐标与大地坐标各是(X,Y,Z)、(B,L,H)，卯酉圈曲率半径为N，欧拉函数是e，则2个坐标间的相关性为

(2)

由此得出2个坐标的转换方程组为

(3)

(4)

假定卫星i与机器人j的当前方位是(Xi,Yi,Zi)与(Xj,Yj,Zj)，则二者之间的实际间距Rij为

(5)

实际应用中含有一定误差，即接收机测得的实际间距存在伪距，则机器人j与卫星i之间的伪距Dij通过下式解得，即

Dij=Rij+δI(t)+δT(t)+c(tj-ti)

(6)

δI(t)、δT(t)分别为电离层与对流层的折射延时等效距离偏差；tj、ti分别为机器人j、卫星i与定位系统的时间误差；c为时间误差修正因子，针对电离层与对流层产生的输送偏差，可通过双频传输策略[7]加以修正。

由于卫星坐标、时间误差与延迟偏差均为已知项，故改写伪距Dij的计算公式为

(7)

每测量1颗卫星伪距，就会生成1个含有4个未知项的等式方程，则i个卫星与机器人j的伪距测量方程组为

(8)

2.1.2 位置估算

智能电力机器人的航位估算采用自主能力较强的直接数字化X射线摄影导航系统，该系统的组成部分为位移传感器与航向传感器，在不与外界交互数据的条件下，根据起点坐标位置与方位角，即可推算出机器人的下一方位。

将地面抽象成二维平面(x,y)，若机器人的起点坐标为(x0,y0)，航向角为θ0，采样时间里其移动距离为s，航向角变化量为Δθ，则机器人的下一方位坐标是(xk,yk)，对应航向角为θk，推导公式分别为：

(9)

(10)

θk=θ0+Δθ

(11)

其中，当机器人的方位角呈顺时针变化时，变化量Δθ取正值，反之，则取负值。

2.2 智能电力机器人的人体感应装置应用

电力机器人的使用环境相对复杂，只有具备良好的人员检测性能，才能更好地抑制工作场景带来的负面干扰。人体感应装置很好地解决了传统超声波测距的人体盲区弊端，让人员方位信息更加可靠。

为减小人体感应装置角度的局限性，更理想地完成人体感应识别，应在1个机器人上至少安装2个感应装置，扩大机器人的感知视角范围。以2个人体感应装置为例，如图2所示，电力机器人的感应空间中共含有4个区域，即交叉感应区域、左感应区域、右感应区域和空白感应区域。

图2 智能电力机器人感应空间区划

各感应区域与感应装置的关系如表2所示。根据区域探测结果，将4个区域划分为有效区域与无效区域。

表2 多人体感应装置与各感应区域相关性

为进一步提高感应精准度，根据下述探测原理，定义人体感应装置的基本功能：检测各区域的热红外辐射能量，融合多源感应信息，若感应区域中存在超过10%的人体部分，则判定为有人，此时装置输出一个正脉冲信号；相反，则输出负脉冲信号。

融入人体感应技术的智能电力机器人，通常用于防止人员误入危险区域或巡检时躲避工作场景中的人员。人体感应装置在其中的具体应用描述如下：

a.预警机制。在机器人中，利用电缆线连接感应装置、控制电路及声光报警器，当有效区域探测到辐射能量时，感应装置通过芯片的2号引脚，将电信号传输给控制电路[8]，触发报警器，保障人员与电力设备安全。

b.躲避机制。连接感应装置与直接数字化X射线摄影导航系统，基于机器人的导航定位与位置估算方法，当装置在有效区域探测到热红外辐射能量时，开始执行躲避程序，根据明确的绕线位置，利用导航系统中的位移传感器与航向传感器，改变航向角，实现工作场景内的人员躲避功能，同时，用光电编码器[9]等装置标记移动参数(如躲避移动距离、角度等)，依据记录的参数返回至原来的运行轨迹上，继续执行给定的电力任务。

3 基于智能电力机器人的人体感应效果检测实验

3.1 实验准备阶段

针对某试运行变电站，在室内、外2种实验环境下，分别检验人体感应装置的躲避性能与预警性能，验证人体感应技术与智能电力机器人融合的重要性。

为加强装置检测结果的可靠度与说服力，进行实验之前，需先测试出电力机器人是否具备精准的现场导航能力。在机器人的室内外移动轨迹上各任选5个测量点，导航测试结果如表3所示。

表3 智能电力机器人现场导航能力测试结果

由表3中可知，该电力机器人的室内外导航能力相差无几，直路偏差始终较小，弯路偏差也基本可以忽略不计，当移动路径上存在弯路时，运行速度略有下降，但仍然能够满足机器人的实际应用需求。上述测试结果说明，该智能电力机器人具有比较稳定的导航能力，运行时相对平滑，具备良好的现场导航性能，可用于检测人体感应装置的应用效果。

3.2 人体感应装置预警性能检测分析

基于稳定的机器人导航效果，从为期1个月的实验周期中选取不同的天气条件，在变电站现场各进行50组预警性能实验，实验结果如表4所示。

表4 不同天气状况下感应装置预警结果

根据各天气条件下的预警测试结果可知，该装置以人体散发的热红外辐射能量为探测依据，通过在红外传感器上侧增加滤光镜片，扩大了可探测的红外线中心波长范围。因此，即便是视野条件不佳的雾霾、多云与阴雨天气，依旧能够对进入有效区域的人员准确且及时地发出声光预警，较为理想地完成设备安全与人员安全的保护任务。其中，雾霾天气发生的1次失败预警主要是因为当天雾霾指数较高，使能见度大幅度下降，影响了感应装置的灵敏性，今后将针对该问题展开深入研究，强化装置对天气条件的适应性。

3.3 人体感应装置躲避性能检测

本实验阶段的探究方向是人体感应装置在智能电力机器人中的躲避功能。划分机器人的避障实验为人体判定避障、返回原路径等2个部分，其中编号1～20矩形为电力设备，黑三角为智能电力机器人，黑圆点为工作人员，设置编号4、7、15、18号设备出现问题，需要机器人检测处理，机器人的人体躲避结果如图3所示。

图3 感应装置躲避能力的室内现场检测情况

由图3可以看出，人体感应装置基于多光谱自动目标识别技术，利用高集成芯片与部分外接元器件构成人体感应装置，结合机器人的全球定位系统与直接数字化X射线摄影导航系统，能够有效完成人体判定、转弯避障和返回原路径的整体躲避任务。

为进一步验证感应装置的躲避能力，分别在5种电力应用场景中进行50组躲避性能实验，得到如表5所示的实验结果。从躲避性能的各项指标数据可以看出，该装置凭借自主能力较强的直接数字化X射线摄影导航系统优势，始终具有较高的躲避水平，50组实验中未发生1次避障失误，且通过极短的时间就完成了人体判定。

表5 感应装置躲避结果

4 结束语

电力行业不断升级，传统电力模式亟待转型，机器人在高需求的市场背景推动下迅猛发展，广泛应用于电力领域的重点业务中。随着人工智能、物联网等技术的飞速进步，电力机器人越来越智能化，为进一步优化机器人性能，本文尝试在智能电力机器人的设计中，融合人体感应技术。由于该研究方向正处于初始阶段，因此，需通过以下策略加以完善：大型电力企业需要多台机器人完成工作，下一研究课题应探讨装有感应装置的多个机器人之间是否存在干扰，影响预警与躲避效果；因资源与时间限制，仅在现有的主流智能电力机器人中增设了人体感应技术，下一阶段应针对机器人的软硬件展开深入探索，让感应技术与机器人配置具有更理想的适配性。