无人飞行器在锅炉炉内检测中的应用研究

王天雨

摘要：锅炉使用环境恶劣复杂，容易发生损坏或故障，锅炉的检测工作对于保障锅炉安全稳定的运行具有重要意义。锅炉检测是保障锅炉安全与稳定运行的重要过程。本文拟采用无人飞行器搭载激相机及光照明设备，对热电厂锅炉炉内待检测区域进行拍摄成像，以代替炉内初检时采用的传统的搭建脚手架进行人工目视检测的方式，极大提高检测效率。炉内检测飞行器使用红外摄像头实现视觉定位，并采用非线性鲁棒控制算法进行定点飞行控制。

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.

關键词：锅炉检测;无人飞行器;室内定位

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

中图分类号：V279;TP391.4                           文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）16-0176-03

0  引言

热电厂锅炉是重要的的工业设备，使用环境复杂恶劣，需要在高温高压条件下长期稳定的运行。在工业生产实际过程中，需要定期的针对锅炉开展一系列的检测工作，做好锅炉的检测工作对于保障锅炉安全稳定的运行具有重要意义。并且，依据我国相关法律法规的要求，锅炉作为特种设备须进行强制检验检测。

常用的锅炉检测方法包括：外观目测检测法、锤击检测法、灯光检测法、磁粉渗透检测法、超声波检测法、X射线探伤法等，以及借助爬壁机器人等多种技术手段实施检测。通常情况下对锅炉进行检测需要多种方法结合使用。在锅炉停机初检时，一般采用外观目视检测法，外观目测法需要在锅炉停机及内部清理后人工搭建脚手架，检验员在脚手架上通过目测发现锅炉炉内可能存在的腐蚀、裂纹、变形、磨损等锅炉表面缺陷。外观目测法对检验员要求比较高，并且需要搭建脚手架，检测效率低、检测工期长、危险系数高。

本文将无人飞行器应用到电厂锅炉炉内检测中，通过无人飞行器搭载高清相机以及激光照明装置，对待检测区域成像，以代替人工目视检测的方式，使得检测工作效率提高并且可以降低检测工作的危险性。由于电厂锅炉炉内空间有着黑暗、密闭的特点，因此实现无人飞行器在锅炉炉内定点飞行是采用无人飞行器开展炉内检测工作的关键。

1  室内无人飞行器

无人飞行器特别是小型电动多旋翼飞行器近年来发展迅猛，首先作为消费电子产品，多旋翼无人飞行器作为会飞的照相机，在航拍摄影中的应用较为广泛;其次，在精确农业、电力巡检、环境保护、快递运输等领域，多旋翼无人飞行器也凭借自身的特点优势发挥着越来越重要的作用。

在电厂锅炉炉内检测领域，使用多旋翼飞行器搭载高清相机以及激光照明装置，对待检测区域拍照，检测人员通过对所拍照片进行分析比对，发现锅炉表面缺陷，并可以通过照片对缺陷部位定位，再有针对性地的开展维护维修工作。由于锅炉炉内为黑暗密闭的室内空间，无人飞行器在室内空间飞行时的定位及控制无法依赖GPS以及磁罗盘等传感器，因此，如何安全有效的实现无人飞行器在炉内空间的定位定向飞行成为其在电厂锅炉炉内检测领域开展应用的关键。

近年来，随着科学技术的进步，室内定位无人飞行器的研究应用得到了越来越广泛的关注。无人飞行器在空中的飞行离不开GPS/INS、磁罗盘、气压高度等传感器的使用。在室内空间，由于无法正常获取GPS等卫星定位信号，因此，无人飞行器在室内飞行难以采用GPS进行定位飞行。目前，无人飞行器室内定位飞行通常采用基于单目/双目视觉的自主导航定位，基于光流传感器的自主导航定位以及基于激光雷达的自主导航定位等技术原理来实现。其中基于单目/双目视觉自主导航定位以及基于光流传感器的自主导航定位要求室内空间光线充足，在黑暗环境条件下无法正常使用。而采用激光雷达进行导航定位的方式适合应用在复杂多样的室内空间，在规整的锅炉炉内空间使用激光测距效果将大打折扣。（图1）