面向復(fù)雜密閉空間的智能無人機的研發(fā)和應(yīng)用

邢一陽，常劭坤

（1.江蘇聯(lián)盛科技有限責(zé)任公司，南京 211100；2.蘇州德威國際高中，江蘇 蘇州 215026）

0 引言

1 火電廠鍋爐智能巡檢無人機的應(yīng)用需求

火力發(fā)電機組經(jīng)過20 多年的跨越式發(fā)展，中國已經(jīng)發(fā)展成為世界最大裝機容量的國家。近些年火力發(fā)電行業(yè)如何融合大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)革命提高設(shè)備管理水平和安全生產(chǎn)水平，促進(jìn)火力發(fā)電廠的智能化改造和產(chǎn)業(yè)升級，已經(jīng)成為火電行業(yè)急需解決的重要課題。

圖1 工業(yè)級無人機應(yīng)用領(lǐng)域[1]Fig.1 Industrial-grade drone applications[1]

火電廠的鍋爐是電廠核心的發(fā)電生產(chǎn)設(shè)備之一。其體積龐大，特別是超超臨界的百萬等級鍋爐，其最高約100m左右，內(nèi)部跨度可達(dá)60m，深度40m 左右。鍋爐內(nèi)部煤粉燃燒的環(huán)境復(fù)雜惡劣，需要長期在超超臨界高溫高壓參數(shù)的水蒸氣條件下長期穩(wěn)定的運行。因此，設(shè)備可靠性和巡檢質(zhì)量的要求非常高，保障鍋爐安全運行具有至關(guān)重要的意義。對鍋爐停機檢測的工作，一般采用搭設(shè)大型腳手架或升降式大平臺后進(jìn)行人工檢測法。檢驗員在腳手架上通過目測或儀器發(fā)現(xiàn)鍋爐爐內(nèi)可能存在的腐蝕、裂紋、變形、磨損等缺陷。這種傳統(tǒng)的檢測方式需要搭建大量腳手架等準(zhǔn)備工作，工作量龐大、工期長、危險系數(shù)高，并且對檢驗員的技能和經(jīng)驗要求較高。因此，研發(fā)設(shè)計適應(yīng)于此密閉空間的工業(yè)無人機，利用其對鍋爐爐膛內(nèi)部進(jìn)行自主飛行和高清拍攝，將影像實時傳輸至外部進(jìn)行計算處理，智能識別內(nèi)部缺陷等劣化問題并進(jìn)行實時評估，這種提升改造對傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠具有非常大的吸引力。

2 國內(nèi)外無人機應(yīng)用及技術(shù)研究情況

2.1 無人機應(yīng)用現(xiàn)狀

商用無人機一般分兩類：一類為面向普通消費者的消費型無人機，這類產(chǎn)品市場范圍大，制造成本低，技術(shù)門檻偏低，中國無人機制造商在這個領(lǐng)域占據(jù)了全球七成以上的市場份額；第二類為工業(yè)無人機，主要面向特定行業(yè)用戶，需要具備較高的技術(shù)、品質(zhì)和可靠性。因此，研發(fā)周期長、投入高[1]。

圖2 無人機導(dǎo)航定位技術(shù)方法分類Fig.2 Classification of the methods of drone navigation and positioning technology

2.2 無人機導(dǎo)航與感知技術(shù)研究現(xiàn)狀

無人機的飛行需要導(dǎo)航，即按照指定精度要求，正確引導(dǎo)無人機沿著預(yù)定的航跡在指定的時間內(nèi)到達(dá)目的地。要使無人機成功完成預(yù)定的航行任務(wù)，必須知道無人機的實時位置、航行速度、航向等導(dǎo)航參數(shù)。目前在無人機上采用的導(dǎo)航技術(shù)主要包括慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、Wi-Fi 室內(nèi)導(dǎo)航、藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)、超寬帶UWB 室內(nèi)定位技術(shù)、視覺導(dǎo)航、激光雷達(dá)導(dǎo)航等。

2.3 密閉空間無人機應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國際上已初步開展了無人機在密閉工業(yè)場景中的巡檢工作的研究，主要通過在機身外部增加防護(hù)罩的形式，可以對無人機的安全飛行進(jìn)行有效保護(hù)。然而，在鍋爐爐膛等密閉空間內(nèi)若需自主飛行檢測時，還需克服并解決如下問題，才能讓無人機在鍋爐爐膛內(nèi)的飛行巡檢更具效率。

1）無人機在鍋爐中無法自主懸停。目前，無人機通常采用衛(wèi)星導(dǎo)航或視覺導(dǎo)航方式。然而，在鍋爐衛(wèi)星信號拒止、黑暗的“雙盲”環(huán)境中，衛(wèi)星導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航均無法使用，無人機無法進(jìn)行自主定位。因此，上述兩款無人機在鍋爐膛進(jìn)行檢測作業(yè)時，對操作人員提出了較高的要求。尤其是當(dāng)無人機在鍋爐爐膛飛行時，操作人員無法觀察到無人機，操作難度較大。

2）無人機在鍋爐中無法實現(xiàn)三維自主避障。目前兩款無人機是通過防護(hù)罩形式實現(xiàn)避障的，其存在一定不足：一方面，鍋爐內(nèi)一些細(xì)長的突出結(jié)構(gòu)，可能會穿過防護(hù)罩，影響飛行安全；另一方面，防護(hù)罩在與爐壁碰撞時，雖然不會導(dǎo)致飛行事故，但會影響操作體驗與影像質(zhì)量。因此，需要研究基于傳感器與智能算法的主動式避障方法。

3）無法確定無人機拍攝影像在鍋爐中的位置。目前兩款無人機在拍攝鍋爐影像后，難以與其對應(yīng)的爐體位置相對應(yīng)。由于爐體內(nèi)不同部位相似度較高，在記錄大量影像后，即使發(fā)現(xiàn)缺陷也無法得知缺陷所在的具體位置。因此，需要研究無人機在鍋爐中的相對定位方法，在此基礎(chǔ)上推算拍攝影像在爐體內(nèi)對應(yīng)的位置，從而形成對影像的有效記錄。

假設(shè)三：imc*/qk

4）飛行器續(xù)航時間短。目前無人機的飛行時間在10min ～15 min 之間，無法滿足遠(yuǎn)距離、長時間的飛行。一旦失去動力，需頻繁更換蓄電池。對于爐膛較高的鍋爐，飛行過程中需預(yù)估飛行時間，如中斷飛行需更換電池，較難完成檢測任務(wù)。

3 密閉空間智能巡檢無人機的研發(fā)目標(biāo)

無人機在鍋爐爐膛內(nèi)飛行巡檢時，無人機處于衛(wèi)星拒止、無可見光的“雙盲”環(huán)境中，這樣的環(huán)境對無人機的感知、導(dǎo)航和控制技術(shù)都提出了很高的技術(shù)創(chuàng)新要求，研發(fā)目標(biāo)如下：

3.1 無衛(wèi)星信號、無光照、強電磁干擾復(fù)雜環(huán)境下的無人機精確導(dǎo)航

鍋爐爐膛屬于金屬封閉式環(huán)境，無人機進(jìn)行鍋爐檢測作業(yè)時處于無衛(wèi)星信號、無光的“雙盲”環(huán)境中。目前商用無人機的智能飛控、增穩(wěn)懸停、航線規(guī)劃、避障等功能的實現(xiàn)均是以視野開闊或光線良好為前提。無人機通過GPS、慣性導(dǎo)航和人工視覺模塊來獲取位置、姿態(tài)、速度、障礙物距離等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合運算，從而實現(xiàn)增穩(wěn)、懸停、避障、航線規(guī)劃等智能功能。但在鍋爐內(nèi)GPS 信號被遮擋，指南針受到金屬結(jié)構(gòu)干擾，視覺傳感器因為光線黑暗無法工作。因此，為保障飛行器的安全飛行，需要結(jié)合新型導(dǎo)航技術(shù)，針對鍋爐環(huán)境構(gòu)建無人機的自主導(dǎo)航方法。

3.2 鍋爐無光照環(huán)境下障礙物感知與自主避障

鍋爐爐膛檢測作業(yè)主要為近觀檢測任務(wù)，指通過對鍋爐表面的近距離觀察，對其焊縫開裂、表面缺陷等問題進(jìn)行排查。為了得到高分辨率的爐體影像信息，飛行器需要沿爐壁近距離飛行。為保障飛行器的安全飛行，需要對爐體內(nèi)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確感知與建模。同時，無人機要能夠自主感知環(huán)境、合理規(guī)劃路徑并及時躲避障礙物，否則存在無人機與爐壁碰撞，導(dǎo)致事故的風(fēng)險。

3.3 面向復(fù)雜鍋爐檢測任務(wù)的無人機系統(tǒng)設(shè)計

鍋爐爐膛巡檢任務(wù)要求無人機攜帶相機，在黑暗、封閉、強電磁干擾的爐體環(huán)境中，通過自主巡航和近觀檢測獲得有效識別爐體結(jié)構(gòu)中裂縫、變形、腐蝕等缺陷的圖像信息。然而，檢驗過程中容易受到光照、浮塵、電磁干擾等不利因素影響，無人機難以穩(wěn)定懸停并拍攝出清晰可靠的檢測圖像；另外，檢測工作任務(wù)重、耗時長，現(xiàn)有無人機所采用的蓄電池供電系統(tǒng)難以滿足無人機對工作效率的要求。因此，綜合考慮鍋爐檢測任務(wù)對無人機感知、導(dǎo)航與控制的需求，需要對鍋爐檢驗無人機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性設(shè)計。

3.4 鍋爐復(fù)雜環(huán)境下的無人機自主容錯導(dǎo)航

傳統(tǒng)商用無人機的智能飛控、增穩(wěn)懸停、航線規(guī)劃、避障等功能的實現(xiàn)均是以開闊或光線良好為前提。從原理上講，無人飛機是通過GPS、慣性導(dǎo)航和人工視覺模塊來獲取當(dāng)前位置信息、高度信息、姿態(tài)數(shù)據(jù)、當(dāng)前速度、障礙物距離數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合運算，從而實現(xiàn)增穩(wěn)、懸停、避障、航線規(guī)劃等智能功能。但在爐膛內(nèi)，GPS 信號被遮擋，指南針受到金屬結(jié)構(gòu)干擾，人工視覺模塊因為光線暗淡無法工作，導(dǎo)致無人機部分智能功能喪失，在飛行中會出現(xiàn)明顯的漂移，需要地面控制人員依靠豐富的經(jīng)驗控制飛行姿態(tài)。在黑暗、封閉的環(huán)境下，無人機控制難度與作業(yè)安全風(fēng)險增大。無人機在此環(huán)境下的可靠定位成為突出問題，解決該環(huán)境下的自主定位是難點之一。

3.5 基于三維模型的鍋爐檢測模擬與數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)

在無人機研制過程中,需要進(jìn)行大量的飛行控制系統(tǒng)半物理實時仿真和科研試飛試驗，而飛行數(shù)據(jù)的觀測、分析和處理是一個非常重要的環(huán)節(jié)。然而隨著飛行數(shù)據(jù)量的增大，這種簡單的方法越來越不能滿足新要求。同時，鍋爐實地檢測通常需要耗費大量精力，傳感器的真實數(shù)據(jù)往往來之不易，鍋爐檢測模擬環(huán)境的搭建以及鍋爐數(shù)據(jù)的仿真復(fù)現(xiàn)可以減輕極大工作量。

4 密閉空間智能無人機巡檢研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

鍋爐爐膛環(huán)境為無GPS、無光照的“雙盲環(huán)境”，傳統(tǒng)無人機基于GPS 或視覺傳感器的定位方法在此環(huán)境下不適用。因此，無人機高精度定位是本項目關(guān)鍵技術(shù)之一。鍋爐均由金屬構(gòu)成，會對無人機與地面端的通訊產(chǎn)生較大影響。除此以外，傳統(tǒng)無人機飛行時間受蓄電池影響往往需要多次重復(fù)飛行才能實現(xiàn)整個鍋爐的檢驗。因此，爐膛內(nèi)無人機通訊與電源問題也是本項目關(guān)鍵技術(shù)之一。

綜上，面向火力發(fā)電廠鍋爐爐膛自主飛行檢測無人機研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)如下：

4.1 基于三維激光雷達(dá)的無人機定位技術(shù)

在光照條件極差的封閉鍋爐環(huán)境內(nèi)，傳統(tǒng)的基于視覺傳感器的語義構(gòu)圖技術(shù)在此環(huán)境下具有一定的不適應(yīng)性，而激光雷達(dá)作為一種自主式感知傳感器，不受周圍光照條件影響，測距精度高，測量范圍廣。因此，本項目采用激光雷達(dá)作為無人機的主要感知手段。通過對激光雷達(dá)實時構(gòu)圖技術(shù)的研究，分析其誤差原理，實現(xiàn)鍋爐精確三維地圖的構(gòu)建。研究內(nèi)容具體包括：基于激光雷達(dá)點云的柵格地圖概率表達(dá)，基于三維點云信息的地圖模型構(gòu)建技術(shù)[2]。

4.2 基于三維激光雷達(dá)的爐膛障礙物感知與標(biāo)識技術(shù)

三維激光雷達(dá)通過激光測距原理，可得到無人機周圍實時障礙物信息。采集得到的激光雷達(dá)信息不止用于無人機的導(dǎo)航定位，還能用以鍋爐環(huán)境的智能感知。因此，本項目采用基于激光雷達(dá)點云模型的鍋爐障礙物感知與標(biāo)識技術(shù)，用于無人機實時自主避障功能。研究內(nèi)容具體包括：激光雷達(dá)點云感知與處理、爐膛障礙物自主標(biāo)識技術(shù)。

4.3 異步異構(gòu)傳感器多源信息融合技術(shù)

無人機在鍋爐復(fù)雜環(huán)境下要實現(xiàn)平穩(wěn)安全飛行僅依靠單一傳感器是無法實現(xiàn)的。從定位角度說，單一傳感器無法滿足無人機控制所需的高頻高精度位姿解算；從安全飛行角度說，單一傳感器信息有限，無法滿足對無人機周邊障礙物全方位檢測。基于以上分析，需要深入研究多種異步異構(gòu)傳感器信息融合算法以實現(xiàn)高精度位姿解算以及無人機周邊環(huán)境全方位感知。

4.4 無人機雷達(dá)點云數(shù)據(jù)與鍋爐模型匹配技術(shù)

無人機通過三維激光雷達(dá)可以感知爐膛內(nèi)的距離信息，從而形成點云數(shù)據(jù)。通過相關(guān)性匹配算法，將該點云數(shù)據(jù)與鍋爐內(nèi)爐膛模型相匹配，可以得到無人機在鍋爐中的相對位置。進(jìn)而，通過相機與爐膛的距離、角度信息，可以推算拍攝圖像在鍋爐中對應(yīng)的部位，從而為檢測提供準(zhǔn)確的參考。

4.5 密閉空間無人機的供電方案設(shè)計

鍋爐檢驗屬于長時間作業(yè)任務(wù)，無人機在一次飛行作業(yè)中通常需要在空中停留長達(dá)一個小時甚至更長時間，面向這種特殊的長時間作業(yè)任務(wù)，需要對無人機的供電方案進(jìn)行針對性的設(shè)計。研究內(nèi)容具體包括：基于系留無人機解決方案的無人機有線供電系統(tǒng)設(shè)計，考慮地空電力傳輸故障的無人機機載備用供電方案設(shè)計，大功率高可靠性無人機系統(tǒng)地面端電源設(shè)計。

5 結(jié)論

密閉空間鍋爐爐膛采用智能無人機巡檢有著低成本、高效率、高智能等顯著優(yōu)勢，在鍋爐爐膛高效檢測工作中發(fā)揮了巨大作用，這對提升傳統(tǒng)火力發(fā)電行業(yè)的智能化具有較大的價值。

隨著技術(shù)的發(fā)展，無人機平臺將可以搭載測厚設(shè)備、光譜分析設(shè)備等，可以對鍋爐進(jìn)行更加全面地檢測，從而達(dá)到代替人工的目的。此外，通過本課題研究取得的無人機相關(guān)技術(shù)，也可在船艙、核電站、油罐、大型管道等其它密閉空間的工業(yè)環(huán)境的檢測中得到推廣應(yīng)用。