無人飛行器在鍋爐爐內檢測中的應用研究

王天雨

摘要：鍋爐使用環境惡劣復雜，容易發生損壞或故障，鍋爐的檢測工作對于保障鍋爐安全穩定的運行具有重要意義。鍋爐檢測是保障鍋爐安全與穩定運行的重要過程。本文擬采用無人飛行器搭載激相機及光照明設備，對熱電廠鍋爐爐內待檢測區域進行拍攝成像，以代替爐內初檢時采用的傳統的搭建腳手架進行人工目視檢測的方式，極大提高檢測效率。爐內檢測飛行器使用紅外攝像頭實現視覺定位，并采用非線性魯棒控制算法進行定點飛行控制。

Abstract： The boiler use environment is harsh and complex， and it is prone to damage or failure. The inspection work of the boiler is of great significance for ensuring the safe and stable operation of the boiler. Boiler testing is an important process to ensure the safe and stable operation of boilers. This paper intends to use the UAV with the laser camera and light illumination equipment to image the area to be detected in the boiler of the thermal power plant to replace the traditional scaffolding used in the initial inspection of the furnace for manual visual inspection， so as to improve the detection efficiency. The in-furnace detection aircraft uses an infrared camera to achieve visual positioning， and uses a nonlinear robust control algorithm for fixed-point flight control.

關鍵詞：鍋爐檢測;無人飛行器;室內定位

Key words： boiler inspection; unmanned aerial vehicle; indoor positioning

中圖分類號：V279;TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）16-0176-03

0? 引言

熱電廠鍋爐是重要的的工業設備，使用環境復雜惡劣，需要在高溫高壓條件下長期穩定的運行。在工業生產實際過程中，需要定期的針對鍋爐開展一系列的檢測工作，做好鍋爐的檢測工作對于保障鍋爐安全穩定的運行具有重要意義。并且，依據我國相關法律法規的要求，鍋爐作為特種設備須進行強制檢驗檢測。

常用的鍋爐檢測方法包括：外觀目測檢測法、錘擊檢測法、燈光檢測法、磁粉滲透檢測法、超聲波檢測法、X射線探傷法等，以及借助爬壁機器人等多種技術手段實施檢測。通常情況下對鍋爐進行檢測需要多種方法結合使用。在鍋爐停機初檢時，一般采用外觀目視檢測法，外觀目測法需要在鍋爐停機及內部清理后人工搭建腳手架，檢驗員在腳手架上通過目測發現鍋爐爐內可能存在的腐蝕、裂紋、變形、磨損等鍋爐表面缺陷。外觀目測法對檢驗員要求比較高，并且需要搭建腳手架，檢測效率低、檢測工期長、危險系數高。

本文將無人飛行器應用到電廠鍋爐爐內檢測中，通過無人飛行器搭載高清相機以及激光照明裝置，對待檢測區域成像，以代替人工目視檢測的方式，使得檢測工作效率提高并且可以降低檢測工作的危險性。由于電廠鍋爐爐內空間有著黑暗、密閉的特點，因此實現無人飛行器在鍋爐爐內定點飛行是采用無人飛行器開展爐內檢測工作的關鍵。

1? 室內無人飛行器

無人飛行器特別是小型電動多旋翼飛行器近年來發展迅猛，首先作為消費電子產品，多旋翼無人飛行器作為會飛的照相機，在航拍攝影中的應用較為廣泛;其次，在精確農業、電力巡檢、環境保護、快遞運輸等領域，多旋翼無人飛行器也憑借自身的特點優勢發揮著越來越重要的作用。

在電廠鍋爐爐內檢測領域，使用多旋翼飛行器搭載高清相機以及激光照明裝置，對待檢測區域拍照，檢測人員通過對所拍照片進行分析比對，發現鍋爐表面缺陷，并可以通過照片對缺陷部位定位，再有針對性地的開展維護維修工作。由于鍋爐爐內為黑暗密閉的室內空間，無人飛行器在室內空間飛行時的定位及控制無法依賴GPS以及磁羅盤等傳感器，因此，如何安全有效的實現無人飛行器在爐內空間的定位定向飛行成為其在電廠鍋爐爐內檢測領域開展應用的關鍵。

近年來，隨著科學技術的進步，室內定位無人飛行器的研究應用得到了越來越廣泛的關注。無人飛行器在空中的飛行離不開GPS/INS、磁羅盤、氣壓高度等傳感器的使用。在室內空間，由于無法正常獲取GPS等衛星定位信號，因此，無人飛行器在室內飛行難以采用GPS進行定位飛行。目前，無人飛行器室內定位飛行通常采用基于單目/雙目視覺的自主導航定位，基于光流傳感器的自主導航定位以及基于激光雷達的自主導航定位等技術原理來實現。其中基于單目/雙目視覺自主導航定位以及基于光流傳感器的自主導航定位要求室內空間光線充足，在黑暗環境條件下無法正常使用。而采用激光雷達進行導航定位的方式適合應用在復雜多樣的室內空間，在規整的鍋爐爐內空間使用激光測距效果將大打折扣。（圖1）