大型起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)無人機(jī)自動巡檢技術(shù)研究＊

南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 南京 210000

0 引言

目前，起重機(jī)結(jié)構(gòu)檢測主要通過人工攜帶檢測儀器攀爬到重要受力結(jié)構(gòu)位置，然后通過儀器或目視檢查有無明顯裂紋、腐蝕、缺件和損壞等缺陷[1]，存在檢測盲區(qū)、高空作業(yè)危險、勞動強(qiáng)度大、效率低等問題。利用無人機(jī)搭載高分辨率視覺傳感器，實時采集顯示起重機(jī)被檢測部位的圖像，再通過圖像處理進(jìn)行缺陷特征提取與識別[2-5]，具有非接觸、非侵入、遠(yuǎn)程可視化、表面全尺度、高密度、高精度、現(xiàn)場操作便捷、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。

然而，在結(jié)構(gòu)巡檢航拍過程中，無人機(jī)拍攝位置和高度都要靠飛行控制人員的人工視覺判斷，飛行控制嚴(yán)重依賴于無人機(jī)操控人員的個體水平，受地面操控人員視角差異影響，存在人為操控難度大、航拍定位精度低等問題，不僅降低工作效率，還可能因定位不良影響航拍和狀態(tài)診斷的有效性[6-8]，亟待開展無人機(jī)自動巡檢。為提高大型起重機(jī)結(jié)構(gòu)無人機(jī)檢測自動化和智能化水平，實現(xiàn)無人機(jī)巡檢作業(yè)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，對多旋翼無人機(jī)自動駕駛與智能巡檢技術(shù)進(jìn)行研究，在電磁干擾、GPS信號遮擋嚴(yán)重等起重機(jī)復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下，實現(xiàn)無人機(jī)自動巡航與結(jié)構(gòu)檢測作業(yè)。

1 大型起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)多旋翼無人機(jī)自動巡檢系統(tǒng)及方法

無人機(jī)自動巡檢在輸電線路[9，10]、光伏電站[11，12]、風(fēng)機(jī)葉片[13]、橋梁檢測[14，15]等領(lǐng)域均有一定研究與應(yīng)用，但在大型起重機(jī)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)檢測方面研究較少，由于起重機(jī)結(jié)構(gòu)包括箱形梁、工字梁、桁架結(jié)構(gòu)等形式，涉及多平面、三維曲面等復(fù)雜表面檢測，且起重機(jī)現(xiàn)場多處于人機(jī)物混雜的動態(tài)作業(yè)場景，動態(tài)障礙物多，電機(jī)、變頻器、繼電器以及港口船舶大量電氣設(shè)備對無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)電磁干擾較強(qiáng)，檢測主梁下蓋板等部位時存在GPS信號遮擋、信號強(qiáng)度弱等問題，故實現(xiàn)復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的無人機(jī)自動巡檢是一個難題。

針對目前人工操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行大型起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)檢測自動化程度不高，導(dǎo)致檢測時間偏長或多發(fā)墜機(jī)等問題，提出飛機(jī)打點+航跡飛行的多旋翼無人機(jī)自動巡檢方法，結(jié)合圖像識別技術(shù)實現(xiàn)機(jī)巡數(shù)據(jù)的智能處理，建立大型起重機(jī)自動智能巡檢作業(yè)的新模式。無人機(jī)自動巡檢作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 大型起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)無人機(jī)自動巡檢作業(yè)流程

根據(jù)圖1所示流程，首先對門式起重機(jī)、門座起重機(jī)、塔式起重機(jī)等巡檢路徑進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，研究在三維空間中面向復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的全覆蓋路徑規(guī)劃方法，考慮自然風(fēng)因素和光照條件對航跡規(guī)劃的影響，針對箱形梁、工字梁、桁架結(jié)構(gòu)以及多旋翼無人機(jī)性能的安全約束實現(xiàn)最優(yōu)路徑規(guī)劃，以便在實際飛行中全方位獲取大型起重機(jī)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)表面圖像，不遺漏任何可能有缺陷的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

然后，根據(jù)規(guī)劃的門式起重機(jī)、門座起重機(jī)、塔式起重機(jī)巡檢路徑，由人工操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行初步巡檢，采集并記錄若干航跡點的經(jīng)緯度和高度數(shù)據(jù)，根據(jù)航跡點繪制生成航跡；在進(jìn)行自主巡航時，按航跡自動飛行，飛行過程中可控制飛行速度，可控制飛機(jī)懸停拍攝待檢測部位圖像，發(fā)現(xiàn)缺陷時可記錄拍攝點的經(jīng)緯度和高度數(shù)據(jù)，下次飛行時根據(jù)起飛點和記錄的缺陷點位置生成航跡，自動飛到該缺陷部位進(jìn)行進(jìn)一步的拍攝和甄別。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多旋翼無人機(jī)巡檢路徑規(guī)劃方法

起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)由鋼板和型鋼通過焊接、鉚接、螺栓連接、銷軸連接等方式連接而成，結(jié)構(gòu)形式包括箱形梁、工字梁、桁架結(jié)構(gòu)等。對于箱形梁、工字梁、桁架結(jié)構(gòu)等形式的金屬結(jié)構(gòu)以及鋼絲繩等線狀目標(biāo)，無人機(jī)采用牛耕式全覆蓋巡檢路徑，如圖2所示，圖中截面的箭頭為相機(jī)拍攝方向，與結(jié)構(gòu)之間的安全距離為無人機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的3倍以上，如無人機(jī)旋翼展開后軸距為1 m，則安全距離至少為3 m。

圖2 大型起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)無人機(jī)牛耕式巡檢路徑

在牛耕式巡檢路徑的基礎(chǔ)上，以電池能耗和規(guī)避逆光代價最低為目標(biāo)函數(shù)，通過改進(jìn)蟻群算法和改進(jìn)A*混合算法對規(guī)劃路徑進(jìn)行優(yōu)化，具體5個步驟。

步驟1：為保證巡檢的安全性和低能耗性，建立電池能耗和規(guī)避逆光代價最低的目標(biāo)函數(shù)；

步驟2：分析影響多旋翼無人機(jī)巡檢電池能耗的影響因素，確定懸停能耗以及巡航能耗；

步驟3：確定太陽光照與多旋翼無人機(jī)巡檢航跡之間關(guān)系；

步驟4：根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸對待檢測部位進(jìn)行三維建模，同時輸入巡航過程中所有視點坐標(biāo)；

步驟5：運用改進(jìn)蟻群算法輸出最優(yōu)巡航路徑、運用改進(jìn)A*混合算法輸出相鄰兩視點間的最優(yōu)飛行路徑，最終輸出最優(yōu)航跡。

2.2 無人機(jī)精密定位與自動巡檢方法

為了實現(xiàn)無人機(jī)對大型起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的自動檢測，需要提高無人機(jī)的定位性能。采用GPS+Glonass雙系統(tǒng)融合精密單點定位方法，增加可見衛(wèi)星數(shù)，從而提高信號質(zhì)量，通過多系統(tǒng)融合克服單系統(tǒng)定位性能會隨截止高度角的增加而迅速變差的缺點，有效提高定位導(dǎo)航的精度和穩(wěn)定性。

對于主梁下蓋板等信號遮擋嚴(yán)重區(qū)域，在自動巡檢中使用主副無人機(jī)協(xié)同定位方法，提高檢驗無人機(jī)(主無人機(jī))的定位精度。如圖3、圖4所示，主無人機(jī)（Main UAV）檢測主梁下蓋板時，由于衛(wèi)星信號受遮擋，全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System）數(shù)據(jù)精度較低，副無人機(jī)（Subsidiary UAV）在通視開闊區(qū)域懸停，可獲取自身位置的高精度GNSS數(shù)據(jù)，通過相機(jī)及紅外測距傳感器測量與主無人機(jī)的相對距離d、俯仰角φ和方位角θ，建立主無人機(jī)的定位解算模型，計算主無人機(jī)位置信息，作為GPS+Glonass方法定位主無人機(jī)位置的正確補充，從而提高主無人機(jī)的定位精度和可靠性。

圖3 雙機(jī)協(xié)同定位

圖4 主副無人機(jī)之間的相對位置測量

在雙機(jī)協(xié)同定位檢測中，副無人機(jī)路徑的規(guī)劃是非常重要的，可根據(jù)主無人機(jī)的巡檢路徑來進(jìn)行設(shè)計，例如副無人機(jī)飛行高度比主無人機(jī)高20 m，避免兩架無人機(jī)發(fā)生碰撞。此外，雙機(jī)協(xié)同定位檢測技術(shù)還可解決主無人機(jī)在高空作業(yè)時由于距離較遠(yuǎn)存在視覺差，無法判斷無人機(jī)與設(shè)備真實距離問題。

2.3 基于多傳感器的無人機(jī)自主避障技術(shù)

針對大型起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，現(xiàn)場人機(jī)物混雜，動態(tài)障礙物多等問題，擬研究視覺、紅外、超聲、慣性等多傳感器融合的無人機(jī)定位和建圖方法，進(jìn)一步提高無人機(jī)的環(huán)境感知能力，實現(xiàn)上下、左右、前后等6個方向避障功能。

大型門式起重機(jī)、門座起重機(jī)、塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)表面通常會涂裝油漆，為漫反射材質(zhì)，且工作場所為室外，光照充足，適合采用視覺感知避障傳感器。采用御Mavic 2無人機(jī)，通過機(jī)身前、后向搭載的雙目視覺傳感器、下視雙目視覺傳感器和紅外測距傳感器、頂置紅外測距傳感器、左右兩側(cè)的單目視覺傳感器、主相機(jī)、GPS/Glonass雙模衛(wèi)星定位系統(tǒng)、IMU和指南針等設(shè)備，為自主避障提供實時圖像、深度、定位等信息，構(gòu)建飛行器周圍的三維地圖并確定自己的位置，實現(xiàn)上下、左右、前后等6個方向避障功能。

在自動巡檢作業(yè)中，可設(shè)置與設(shè)備的安全距離（如3 m），當(dāng)上下、左右、前后任一方向距離小于安全距離時，無人機(jī)自動懸停，防止與設(shè)備或障礙物發(fā)生碰撞引發(fā)墜機(jī)等安全事故，從而有效提高無人機(jī)檢測作業(yè)的安全性。

在上述全覆蓋路徑規(guī)劃、高精度定位和自主避障技術(shù)的支撐下，提出一種大型起重機(jī)無人機(jī)自動巡檢方法，根據(jù)門式起重機(jī)、門座起重機(jī)、塔式起重機(jī)的設(shè)計巡檢路徑，首先由人工操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行初步巡檢，記錄若干航拍控制軌跡點的經(jīng)緯度、高度和各航拍點的相機(jī)俯仰角度等信息，制定該起重機(jī)的自動巡檢方案。進(jìn)行自動巡檢時，沿設(shè)定的軌跡控制點按預(yù)設(shè)角度進(jìn)行航拍，在衛(wèi)星信號遮擋、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下快速準(zhǔn)確地完成定點巡航和結(jié)構(gòu)檢測作業(yè)，巡檢速度分為慢速、中速和快速等3擋，最低速度可設(shè)置為2 m/s。在自動巡檢過程中，還可控制無人機(jī)懸停多方位拍攝待檢測部位圖像，與目標(biāo)距離超過設(shè)定安全距離時會自動報警，提高了飛行操縱穩(wěn)定性和安全性，為實現(xiàn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的無人機(jī)安全巡檢作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

3 大型起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)自動巡檢試驗

為驗證大型起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)無人機(jī)自動巡檢精度，實驗采用御Mavic 2多旋翼無人機(jī)，搭載1 200萬像素可見光變焦相機(jī)云臺，對某公司一臺40/25 t門式起重機(jī)進(jìn)行多次學(xué)習(xí)模式與精細(xì)化自動巡檢，航線全長約 1.2 km。首先按照圖2a規(guī)劃的巡檢路徑進(jìn)行初步巡檢（即學(xué)習(xí)模式），記錄若干航跡點的經(jīng)緯度和高度數(shù)據(jù)；然后根據(jù)航跡點生成自動巡檢航跡，進(jìn)行無人機(jī)精細(xì)化自動巡檢。對比學(xué)習(xí)航點與自動巡檢航跡點的實時位置信息、機(jī)頭方向、云臺角度、無人機(jī)遙控信號、圖傳信號等基礎(chǔ)參數(shù)，由此計算學(xué)習(xí)模式與自動巡視模式的精度差異。

本次實驗結(jié)合 GPS+Glonass雙系統(tǒng)融合精密單點定位、雙機(jī)協(xié)同定位技術(shù)和門式起重機(jī)巡檢路徑規(guī)劃方法，實現(xiàn)無人機(jī)巡檢高精度定位和高分辨率圖像獲取，圖 5為學(xué)習(xí)模式與自動巡檢模式對比情況。

圖5 學(xué)習(xí)模式與自動巡檢模式對比

無人機(jī)拍攝門式起重機(jī)主梁下蓋板時采用固定高度飛行模式，飛行高度為10.0 m，根據(jù)多次測試結(jié)果，對學(xué)習(xí)模式飛行記錄中的航點坐標(biāo)與自動巡檢實際飛行航點坐標(biāo)進(jìn)行誤差計算，以驗證大型起重機(jī)無人機(jī)自動巡檢的定位精度，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，無人機(jī)精細(xì)化自動巡檢在1 km 范圍內(nèi)誤差不超過1 m。當(dāng)無人機(jī)抵達(dá)預(yù)定航跡點位置附近時，也可由飛行控制人員進(jìn)行人工操控航拍，降低對定位精度的要求，通過人機(jī)結(jié)合實現(xiàn)大型起重機(jī)精細(xì)化自動巡檢的要求。

表1 自動巡檢誤差分析 m

4 小結(jié)

本文提出一種大型起重機(jī)多旋翼無人機(jī)自動駕駛智能巡檢系統(tǒng)及方法，根據(jù)大型起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)形狀特點，提出牛耕式全覆蓋巡檢路徑規(guī)劃方法，采用蟻群算法和A*混合算法輸出最優(yōu)巡航路徑；提出GPS+Glonass雙系統(tǒng)融合精密單點定位方法、主副無人機(jī)協(xié)同定位方法，提高主檢驗無人機(jī)的定位精度和可靠性；在上述路徑規(guī)劃方法和高精度定位技術(shù)支撐下，建立基于定點巡航的大型起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)無人機(jī)自動巡檢方法，現(xiàn)場實驗表明在1 km 航跡范圍內(nèi)航點坐標(biāo)誤差不超過 1 m，能夠有效解決人工遙控飛行檢測作業(yè)精準(zhǔn)度低、可重復(fù)性差、自動化程度低等問題，可大幅度提高大型起重機(jī)無人機(jī)巡檢的效率和質(zhì)量，為無人機(jī)在起重機(jī)結(jié)構(gòu)檢測中的規(guī)模應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。

利用無人機(jī)自動巡檢方法，結(jié)合人工智能圖像識別技術(shù)，對起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行自動檢測、識別、量化和評估，建立無人機(jī)自動智能巡檢作業(yè)的新模式，很多人工檢測無法達(dá)到或難以達(dá)到的部位均可由無人機(jī)檢測代替，能有效預(yù)防并控制事故的發(fā)生，減少人員和設(shè)備財產(chǎn)的損失，對促進(jìn)企業(yè)安全生產(chǎn)具有重要意義。其成果可推廣至風(fēng)電設(shè)備、塔架、船體、橋梁、大型游樂設(shè)施、鍋爐、儲罐、多層框架鋼結(jié)構(gòu)等室外復(fù)雜環(huán)境下在役大型結(jié)構(gòu)表面缺陷檢測，具有重大的理論研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。