引言

近些年隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)的迅猛發(fā)展，無人飛行器（簡(jiǎn)稱無人機(jī)）憑借其靈活性高、成本低等特點(diǎn)，在對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域或人類不方便抵達(dá)的空間開展巡檢、探測(cè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用需求。目前在戶外場(chǎng)景飛行的無人機(jī)應(yīng)用較為成熟，其可以深入應(yīng)用于農(nóng)林植保、電力巡線、石油管道巡檢、國(guó)土測(cè)繪、人工降雨、航空遙感、搶險(xiǎn)救災(zāi)、地質(zhì)勘測(cè)、安全巡邏、物流快遞、醫(yī)療救護(hù)、海洋遙感、新聞報(bào)道等諸多行業(yè)場(chǎng)景。但在復(fù)雜密閉的空間，特別是類似火力發(fā)電廠鍋爐的高空、高塵、雙盲（無 GPS、無光照）的工業(yè)場(chǎng)景下，無人機(jī)進(jìn)行智能飛行、高清拍攝和圖像處理，存在著諸多技術(shù)難題，這已經(jīng)成為工業(yè)無人機(jī)行業(yè)亟待解決的最重要課題之一。下面將以具有高度代表性的火電廠鍋爐爐膛巡檢用無人機(jī)為例， 進(jìn)行相關(guān)的闡述和研究。

1 火電廠鍋爐智能巡檢無人機(jī)的應(yīng)用需求

火力發(fā)電機(jī)組經(jīng)過 20 多年的跨越式發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)發(fā)展成為世界最大裝機(jī)容量的國(guó)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(jí)，已經(jīng)成為火電行業(yè)急需解決的重要課題。

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(jí)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(zhǎng)期在超超臨界高溫高壓參數(shù)的水蒸氣條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)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(yùn)行具有至關(guān)重要的意義。對(duì)鍋爐停機(jī)檢測(cè)的工作，一般采用搭設(shè)大型腳手架或升降式大平臺(tái)后進(jìn)行人工檢測(cè)法。檢驗(yàn)員在腳手架上通過目測(cè)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(cè)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(zhǎng)、危險(xiǎn)系數(shù)高，并且對(duì)檢驗(yàn)員的技能和經(jīng)驗(yàn)要求較高。因此，研發(fā)設(shè)計(jì)適應(yīng)于此密閉空間的工業(yè)無人機(jī)，利用其對(duì)鍋爐爐膛內(nèi)部進(jìn)行自主飛行和高清拍攝，將影像實(shí)時(shí)傳輸至外部進(jìn)行計(jì)算處理，智能識(shí)別內(nèi)部缺陷等劣化問題并進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，這種提升改造對(duì)傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠具有非常大的吸引力。

2 國(guó)內(nèi)外無人機(jī)應(yīng)用及技術(shù)研究情況

2.1 無人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

商用無人機(jī)一般分兩類：一類為面向普通消費(fèi)者的消費(fèi)型無人機(jī)，這類產(chǎn)品市場(chǎng)范圍大，制造成本低，技術(shù)門檻偏低，中國(guó)無人機(jī)制造商在這個(gè)領(lǐng)域占據(jù)了全球七成以上的市場(chǎng)份額;第二類為工業(yè)無人機(jī)，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(zhǎng)、投入高 。

2.2 無人機(jī)導(dǎo)航與感知技術(shù)研究現(xiàn)狀

無人機(jī)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(jī)沿著預(yù)定的航跡在指定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的地。要使無人機(jī)成功完成預(yù)定的航行任務(wù)，必須知道無人機(jī)的實(shí)時(shí)位置、航行速度、航向等導(dǎo)航參數(shù)。目前在無人機(jī)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(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國(guó)際上已初步開展了無人機(jī)在密閉工業(yè)場(chǎng)景中的巡檢工作的研究，主要通過在機(jī)身外部增加防護(hù)罩的形式，可以對(duì)無人機(jī)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(cè)時(shí)，還需克服并解決如下問題，才能讓無人機(jī)在鍋爐爐膛內(nèi)的飛行巡檢更具效率。

1） 無人機(jī)在鍋爐中無法自主懸停。目前，無人機(jī)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(hào)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(jī)無法進(jìn)行自主定位。因此，上述兩款無人機(jī)在鍋爐膛進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)時(shí)，對(duì)操作人員提出了較高的要求。尤其是當(dāng)無人機(jī)在鍋爐爐膛飛行時(shí)，操作人員無法觀察到無人機(jī)，操作難度較大。

2） 無人機(jī)在鍋爐中無法實(shí)現(xiàn)三維自主避障。目前兩款無人機(jī)是通過防護(hù)罩形式實(shí)現(xiàn)避障的，其存在一定不足： 一方面，鍋爐內(nèi)一些細(xì)長(zhǎng)的突出結(jié)構(gòu)，可能會(huì)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(shí)，雖然不會(huì)導(dǎo)致飛行事故，但會(huì)影響操作體驗(yàn)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(dòng)式避障方法。

3） 無法確定無人機(jī)拍攝影像在鍋爐中的位置。目前兩款無人機(jī)在拍攝鍋爐影像后，難以與其對(duì)應(yīng)的爐體位置相對(duì)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(jī)在鍋爐中的相對(duì)定位方法，在此基礎(chǔ)上推算拍攝影像在爐體內(nèi)對(duì)應(yīng)的位置，從而形成對(duì)影像的有效記錄。

4） 飛行器續(xù)航時(shí)間短。目前無人機(jī)的飛行時(shí)間在

10min ～ 15 min 之間，無法滿足遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)時(shí)間的飛行。一旦失去動(dòng)力，需頻繁更換蓄電池。對(duì)于爐膛較高的鍋爐， 飛行過程中需預(yù)估飛行時(shí)間，如中斷飛行需更換電池，較難完成檢測(cè)任務(wù)。

3 密閉空間智能巡檢無人機(jī)的研發(fā)目標(biāo)

無人機(jī)在鍋爐爐膛內(nèi)飛行巡檢時(shí)，無人機(jī)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(duì)無人機(jī)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(hào)、無光照、強(qiáng)電磁干擾復(fù)雜環(huán)境下的無人機(jī)精確導(dǎo)航

鍋爐爐膛屬于金屬封閉式環(huán)境，無人機(jī)進(jìn)行鍋爐檢測(cè)作業(yè)時(shí)處于無衛(wèi)星信號(hào)、無光的“雙盲”環(huán)境中。目前商用無人機(jī)的智能飛控、增穩(wěn)懸停、航線規(guī)劃、避障等功能的實(shí)現(xiàn)均是以視野開闊或光線良好為前提。無人機(jī)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(yùn)算，從而實(shí)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(hào)被遮擋， 指南針受到金屬結(jié)構(gòu)干擾，視覺傳感器因?yàn)楣饩€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(duì)鍋爐環(huán)境構(gòu)建無人機(jī)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(cè)作業(yè)主要為近觀檢測(cè)任務(wù)，指通過對(duì)鍋爐表面的近距離觀察，對(duì)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(duì)爐體內(nèi)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確感知與建模。同時(shí)，無人機(jī)要能夠自主感知環(huán)境、合理規(guī)劃路徑并及時(shí)躲避障礙物，否則存在無人機(jī)與爐壁碰撞，導(dǎo)致事故的風(fēng)險(xiǎn)。

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

鍋爐爐膛巡檢任務(wù)要求無人機(jī)攜帶相機(jī)，在黑暗、封閉、強(qiáng)電磁干擾的爐體環(huán)境中，通過自主巡航和近觀檢測(cè)獲得有效識(shí)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(yàn)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(jī)難以穩(wěn)定懸停并拍攝出清晰可靠的檢測(cè)圖像;另外，檢測(cè)工作任務(wù)重、耗時(shí)長(zhǎng)，現(xiàn)有無人機(jī)所采用的蓄電池供電系統(tǒng)難以滿足無人機(jī)對(duì)工作效率的要求。因此，綜合考慮鍋爐檢測(cè)任務(wù)對(duì)無人機(jī)感知、導(dǎo)航與控制的需求，需要對(duì)鍋爐檢驗(yàn)無人機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

3.4 鍋爐復(fù)雜環(huán)境下的無人機(jī)自主容錯(cuò)導(dǎo)航

傳統(tǒng)商用無人機(jī)的智能飛控、增穩(wěn)懸停、航線規(guī)劃、避障等功能的實(shí)現(xiàn)均是以開闊或光線良好為前提。從原理上講，無人飛機(jī)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(yùn)算，從而實(shí)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(hào)被遮擋，指南針受到金屬結(jié)構(gòu)干擾，人工視覺模塊因?yàn)楣饩€暗淡無法工作，導(dǎo)致無人機(jī)部分智能功能喪失，在飛行中會(huì)出現(xiàn)明顯的漂移，需要地面控制人員依靠豐富的經(jīng)驗(yàn)控制飛行姿態(tài)。在黑暗、封閉的環(huán)境下，無人機(jī)控制難度與作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)增大。無人機(jī)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(diǎn)之一。

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

在無人機(jī)研制過程中 ， 需要進(jìn)行大量的飛行控制系統(tǒng)半物理實(shí)時(shí)仿真和科研試飛試驗(yàn)，而飛行數(shù)據(jù)的觀測(cè)、分析和處理是一個(gè)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(jiǎn)單的方法越來越不能滿足新要求。同時(shí)，鍋爐實(shí)地檢測(cè)通常需要耗費(fèi)大量精力，傳感器的真實(shí)數(shù)據(jù)往往來之不易，鍋爐檢測(cè)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(jī)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(jī)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(jī)高精度定位是本項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)之一。鍋爐均由金屬構(gòu)成，會(huì)對(duì)無人機(jī)與地面端的通訊產(chǎn)生較大影響。除此以外，傳統(tǒng)無人機(jī)飛行時(shí)間受蓄電池影響往往需要多次重復(fù)飛行才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)鍋爐的檢驗(yàn)。因此，爐膛內(nèi)無人機(jī)通訊與電源問題也是本項(xiàng)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(cè)無人機(jī)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(jī)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(cè)距精度高，測(cè)量范圍廣。因此，本項(xiàng)目采用激光雷達(dá)作為無人機(jī)的主要感知手段。通過對(duì)激光雷達(dá)實(shí)時(shí)構(gòu)圖技術(shù)的研究，分析其誤差原理，實(shí)現(xiàn)鍋爐精確三維地圖的構(gòu)建。研究?jī)?nèi)容具體包括：基于激光雷達(dá)點(diǎn)云的柵格地圖概率表達(dá)，基于三維點(diǎn)云信息的地圖模型構(gòu)建技術(shù) 。

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

三維激光雷達(dá)通過激光測(cè)距原理，可得到無人機(jī)周圍實(shí)時(shí)障礙物信息。采集得到的激光雷達(dá)信息不止用于無人機(jī)的導(dǎo)航定位，還能用以鍋爐環(huán)境的智能感知。因此，本項(xiàng)目采用基于激光雷達(dá)點(diǎn)云模型的鍋爐障礙物感知與標(biāo)識(shí)技術(shù)，用于無人機(jī)實(shí)時(shí)自主避障功能。研究?jī)?nèi)容具體包括： 激光雷達(dá)點(diǎn)云感知與處理、爐膛障礙物自主標(biāo)識(shí)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(jī)在鍋爐復(fù)雜環(huán)境下要實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)安全飛行僅依靠單一傳感器是無法實(shí)現(xiàn)的。從定位角度說，單一傳感器無法滿足無人機(jī)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(duì)無人機(jī)周邊障礙物全方位檢測(cè)?；谝陨戏治?，需要深入研究多種異步異構(gòu)傳感器信息融合算法以實(shí)現(xiàn)高精度位姿解算以及無人機(jī)周邊環(huán)境全方位感知。

4.4 無人機(jī)雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與鍋爐模型匹配技術(shù)

無人機(jī)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(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過相關(guān)性匹配算法，將該點(diǎn)云數(shù)據(jù)與鍋爐內(nèi)爐膛模型相匹配，可以得到無人機(jī)在鍋爐中的相對(duì)位置。進(jìn)而，通過相機(jī)與爐膛的距離、角度信息，可以推算拍攝圖像在鍋爐中對(duì)應(yīng)的部位，從而為檢測(cè)提供準(zhǔn)確的參考。

4.5 密閉空間無人機(jī)的供電方案設(shè)計(jì)

鍋爐檢驗(yàn)屬于長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)任務(wù)，無人機(jī)在一次飛行作業(yè)中通常需要在空中停留長(zhǎng)達(dá)一個(gè)小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間，面向這種特殊的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)任務(wù)，需要對(duì)無人機(jī)的供電方案進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。研究?jī)?nèi)容具體包括：基于系留無人機(jī)解決方案的無人機(jī)有線供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，考慮地空電力傳輸故障的無人機(jī)機(jī)載備用供電方案設(shè)計(jì)，大功率高可靠性無人機(jī)系統(tǒng)地面端電源設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

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

隨著技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)平臺(tái)將可以搭載測(cè)厚設(shè)備、光譜分析設(shè)備等，可以對(duì)鍋爐進(jìn)行更加全面地檢測(cè)，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(jī)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(cè)中得到推廣應(yīng)用。