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引言
近些年随着工业互联网、大数据、人工智能等新兴技术的迅猛发展，无人飞行器（简称无人机）凭借其灵活性高、成本低等特点，在对危险区域或人类不方便抵达的空间开展巡检、探测等领域有着广阔的应用需求。目前在户外场景飞行的无人机应用较为成熟，其可以深入应用于农林植保、电力巡线、石油管道巡检、国土测绘、人工降雨、航空遥感、抢险救灾、地质勘测、安全巡逻、物流快递、医疗救护、海洋遥感、新闻报道等诸多行业场景。但在复杂密闭的空间，特别是类似火力发电厂锅炉的高空、高尘、双盲（无 GPS、无光照）的工业场景下，无人机进行智能飞行、高清拍摄和图像处理，存在着诸多技术难题，这已经成为工业无人机行业亟待解决的最重要课题之一。下面将以具有高度代表性的火电厂锅炉炉膛巡检用无人机为例， 进行相关的阐述和研究。
1 火电厂锅炉智能巡检无人机的应用需求
火力发电机组经过 20 多年的跨越式发展，中国已经发展成为世界最大装机容量的国家。近些年火力发电行业如何融合大数据、人工智能等新技术革命提高设备管理水平和安全生产水平，促进火力发电厂的智能化改造和产业升级，已经成为火电行业急需解决的重要课题。
火电厂的锅炉是电厂核心的发电生产设备之一。其体积庞大，特别是超超临界的百万等级锅炉，其最高约 100m 左右，内部跨度可达 60m，深度 40m 左右。锅炉内部煤粉燃烧的环境复杂恶劣，需要长期在超超临界高温高压参数的水蒸气条件下长期稳定的运行。因此，设备可靠性和巡检质量的要求非常高，保障锅炉安全运行具有至关重要的意义。对锅炉停机检测的工作，一般采用搭设大型脚手架或升降式大平台后进行人工检测法。检验员在脚手架上通过目测或仪器发现锅炉炉内可能存在的腐蚀、裂纹、变形、磨损等缺陷。这种传统的检测方式需要搭建大量脚手架等准备工作，工作量庞大、工期长、危险系数高，并且对检验员的技能和经验要求较高。因此，研发设计适应于此密闭空间的工业无人机，利用其对锅炉炉膛内部进行自主飞行和高清拍摄，将影像实时传输至外部进行计算处理，智能识别内部缺陷等劣化问题并进行实时评估，这种提升改造对传统的火力发电厂具有非常大的吸引力。
2 国内外无人机应用及技术研究情况
2.1 无人机应用现状
商用无人机一般分两类：一类为面向普通消费者的消费型无人机，这类产品市场范围大，制造成本低，技术门槛偏低，中国无人机制造商在这个领域占据了全球七成以上的市场份额;第二类为工业无人机，主要面向特定行业用户，需要具备较高的技术、品质和可靠性。因此，研发周期长、投入高 。
2.2 无人机导航与感知技术研究现状
无人机的飞行需要导航，即按照指定精度要求，正确引导无人机沿着预定的航迹在指定的时间内到达目的地。要使无人机成功完成预定的航行任务，必须知道无人机的实时位置、航行速度、航向等导航参数。目前在无人机上采用的导航技术主要包括惯性导航、卫星导航、Wi-Fi 室内导航、蓝牙室内定位技术、超宽带 UWB 室内定位技术、视觉导航、激光雷达导航等。
2.3 密闭空间无人机应用现状
目前，国际上已初步开展了无人机在密闭工业场景中的巡检工作的研究，主要通过在机身外部增加防护罩的形式，可以对无人机的安全飞行进行有效保护。然而，在锅炉炉膛等密闭空间内若需自主飞行检测时，还需克服并解决如下问题，才能让无人机在锅炉炉膛内的飞行巡检更具效率。
1） 无人机在锅炉中无法自主悬停。目前，无人机通常采用卫星导航或视觉导航方式。然而，在锅炉卫星信号拒止、黑暗的“双盲”环境中，卫星导航、视觉导航均无法使用，无人机无法进行自主定位。因此，上述两款无人机在锅炉膛进行检测作业时，对操作人员提出了较高的要求。尤其是当无人机在锅炉炉膛飞行时，操作人员无法观察到无人机，操作难度较大。
2） 无人机在锅炉中无法实现三维自主避障。目前两款无人机是通过防护罩形式实现避障的，其存在一定不足： 一方面，锅炉内一些细长的突出结构，可能会穿过防护罩， 影响飞行安全;另一方面，防护罩在与炉壁碰撞时，虽然不会导致飞行事故，但会影响操作体验与影像质量。因此， 需要研究基于传感器与智能算法的主动式避障方法。
3） 无法确定无人机拍摄影像在锅炉中的位置。目前两款无人机在拍摄锅炉影像后，难以与其对应的炉体位置相对应。由于炉体内不同部位相似度较高，在记录大量影像后，即使发现缺陷也无法得知缺陷所在的具体位置。因此， 需要研究无人机在锅炉中的相对定位方法，在此基础上推算拍摄影像在炉体内对应的位置，从而形成对影像的有效记录。
4） 飞行器续航时间短。目前无人机的飞行时间在
10min ～ 15 min 之间，无法满足远距离、长时间的飞行。一旦失去动力，需频繁更换蓄电池。对于炉膛较高的锅炉， 飞行过程中需预估飞行时间，如中断飞行需更换电池，较难完成检测任务。
3 密闭空间智能巡检无人机的研发目标
无人机在锅炉炉膛内飞行巡检时，无人机处于卫星拒止、无可见光的“双盲”环境中，这样的环境对无人机的感知、导航和控制技术都提出了很高的技术创新要求，研发目标如下：
3.1 无卫星信号、无光照、强电磁干扰复杂环境下的无人机精确导航
锅炉炉膛属于金属封闭式环境，无人机进行锅炉检测作业时处于无卫星信号、无光的“双盲”环境中。目前商用无人机的智能飞控、增稳悬停、航线规划、避障等功能的实现均是以视野开阔或光线良好为前提。无人机通过GPS、惯性导航和人工视觉模块来获取位置、姿态、速度、障碍物距离等数据进行综合运算，从而实现增稳、悬停、避障、航线规划等智能功能。但在锅炉内 GPS 信号被遮挡， 指南针受到金属结构干扰，视觉传感器因为光线黑暗无法工作。因此，为保障飞行器的安全飞行，需要结合新型导航技术，针对锅炉环境构建无人机的自主导航方法。
3.2 锅炉无光照环境下障碍物感知与自主避障
锅炉炉膛检测作业主要为近观检测任务，指通过对锅炉表面的近距离观察，对其焊缝开裂、表面缺陷等问题进行排查。为了得到高分辨率的炉体影像信息，飞行器需要沿炉壁近距离飞行。为保障飞行器的安全飞行，需要对炉体内的复杂结构进行精确感知与建模。同时，无人机要能够自主感知环境、合理规划路径并及时躲避障碍物，否则存在无人机与炉壁碰撞，导致事故的风险。
3.3 面向复杂锅炉检测任务的无人机系统设计
锅炉炉膛巡检任务要求无人机携带相机，在黑暗、封闭、强电磁干扰的炉体环境中，通过自主巡航和近观检测获得有效识别炉体结构中裂缝、变形、腐蚀等缺陷的图像信息。然而，检验过程中容易受到光照、浮尘、电磁干扰等不利因素影响，无人机难以稳定悬停并拍摄出清晰可靠的检测图像;另外，检测工作任务重、耗时长，现有无人机所采用的蓄电池供电系统难以满足无人机对工作效率的要求。因此，综合考虑锅炉检测任务对无人机感知、导航与控制的需求，需要对锅炉检验无人机硬件系统结构进行针对性设计。
3.4 锅炉复杂环境下的无人机自主容错导航
传统商用无人机的智能飞控、增稳悬停、航线规划、避障等功能的实现均是以开阔或光线良好为前提。从原理上讲，无人飞机是通过 GPS、惯性导航和人工视觉模块来获取当前位置信息、高度信息、姿态数据、当前速度、障碍物距离数据进行综合运算，从而实现增稳、悬停、避障、航线规划等智能功能。但在炉膛内，GPS 信号被遮挡，指南针受到金属结构干扰，人工视觉模块因为光线暗淡无法工作，导致无人机部分智能功能丧失，在飞行中会出现明显的漂移，需要地面控制人员依靠丰富的经验控制飞行姿态。在黑暗、封闭的环境下，无人机控制难度与作业安全风险增大。无人机在此环境下的可靠定位成为突出问题， 解决该环境下的自主定位是难点之一。
3.5 基于三维模型的锅炉检测模拟与数据复现
在无人机研制过程中 ， 需要进行大量的飞行控制系统半物理实时仿真和科研试飞试验，而飞行数据的观测、分析和处理是一个非常重要的环节。然而随着飞行数据量的增大，这种简单的方法越来越不能满足新要求。同时，锅炉实地检测通常需要耗费大量精力，传感器的真实数据往往来之不易，锅炉检测模拟环境的搭建以及锅炉数据的仿真复现可以减轻极大工作量。
4 密闭空间智能无人机巡检研发关键技术
锅炉炉膛环境为无 GPS、无光照的“双盲环境”，传统无人机基于 GPS 或视觉传感器的定位方法在此环境下不适用。因此，无人机高精度定位是本项目关键技术之一。锅炉均由金属构成，会对无人机与地面端的通讯产生较大影响。除此以外，传统无人机飞行时间受蓄电池影响往往需要多次重复飞行才能实现整个锅炉的检验。因此，炉膛内无人机通讯与电源问题也是本项目关键技术之一。
综上，面向火力发电厂锅炉炉膛自主飞行检测无人机研发的关键技术如下：
4.1 基于三维激光雷达的无人机定位技术
在光照条件极差的封闭锅炉环境内，传统的基于视觉传感器的语义构图技术在此环境下具有一定的不适应性， 而激光雷达作为一种自主式感知传感器，不受周围光照条件影响，测距精度高，测量范围广。因此，本项目采用激光雷达作为无人机的主要感知手段。通过对激光雷达实时构图技术的研究，分析其误差原理，实现锅炉精确三维地图的构建。研究内容具体包括：基于激光雷达点云的栅格地图概率表达，基于三维点云信息的地图模型构建技术 。
4.2 基于三维激光雷达的炉膛障碍物感知与标识技术
三维激光雷达通过激光测距原理，可得到无人机周围实时障碍物信息。采集得到的激光雷达信息不止用于无人机的导航定位，还能用以锅炉环境的智能感知。因此，本项目采用基于激光雷达点云模型的锅炉障碍物感知与标识技术，用于无人机实时自主避障功能。研究内容具体包括： 激光雷达点云感知与处理、炉膛障碍物自主标识技术。
4.3 异步异构传感器多源信息融合技术
无人机在锅炉复杂环境下要实现平稳安全飞行仅依靠单一传感器是无法实现的。从定位角度说，单一传感器无法满足无人机控制所需的高频高精度位姿解算;从安全飞行角度说，单一传感器信息有限，无法满足对无人机周边障碍物全方位检测。基于以上分析，需要深入研究多种异步异构传感器信息融合算法以实现高精度位姿解算以及无人机周边环境全方位感知。
4.4 无人机雷达点云数据与锅炉模型匹配技术
无人机通过三维激光雷达可以感知炉膛内的距离信息， 从而形成点云数据。通过相关性匹配算法，将该点云数据与锅炉内炉膛模型相匹配，可以得到无人机在锅炉中的相对位置。进而，通过相机与炉膛的距离、角度信息，可以推算拍摄图像在锅炉中对应的部位，从而为检测提供准确的参考。
4.5 密闭空间无人机的供电方案设计
锅炉检验属于长时间作业任务，无人机在一次飞行作业中通常需要在空中停留长达一个小时甚至更长时间，面向这种特殊的长时间作业任务，需要对无人机的供电方案进行针对性的设计。研究内容具体包括：基于系留无人机解决方案的无人机有线供电系统设计，考虑地空电力传输故障的无人机机载备用供电方案设计，大功率高可靠性无人机系统地面端电源设计。
5 结论
密闭空间锅炉炉膛采用智能无人机巡检有着低成本、高效率、高智能等显著优势，在锅炉炉膛高效检测工作中发挥了巨大作用，这对提升传统火力发电行业的智能化具有较大的价值。
随着技术的发展，无人机平台将可以搭载测厚设备、光谱分析设备等，可以对锅炉进行更加全面地检测，从而达到代替人工的目的。此外，通过本课题研究取得的无人机相关技术，也可在船舱、核电站、油罐、大型管道等其它密闭空间的工业环境的检测中得到推广应用。
责任编辑：gt
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