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火電廠鍋爐智能巡檢無人機的應用及方案設計

來源:電子發燒友
發布時間: 2020-09-08
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引言

近些年隨著工業互聯網、大數據、人工智能等新興技術的迅猛發展,無人飛行器(簡稱無人機)憑借其靈活性高、成本低等特點,在對危險區域或人類不方便抵達的空間開展巡檢、探測等領域有著廣闊的應用需求。目前在戶外場景飛行的無人機應用較為成熟,其可以深入應用于農林植保、電力巡線、石油管道巡檢、國土測繪、人工降雨、航空遙感、搶險救災、地質勘測、安全巡邏、物流快遞、醫療救護、海洋遙感、新聞報道等諸多行業場景。但在復雜密閉的空間,特別是類似火力發電廠鍋爐的高空、高塵、雙盲(無 GPS、無光照)的工業場景下,無人機進行智能飛行、高清拍攝和圖像處理,存在著諸多技術難題,這已經成為工業無人機行業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為例, 進行相關的闡述和研究。

1 火電廠鍋爐智能巡檢無人機的應用需求

火力發電機組經過 20 多年的跨越式發展,中國已經發展成為世界最大裝機容量的國家。近些年火力發電行業如何融合大數據、人工智能等新技術革命提高設備管理水平和安全生產水平,促進火力發電廠的智能化改造和產業升級,已經成為火電行業急需解決的重要課題。

火電廠的鍋爐是電廠核心的發電生產設備之一。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,內部跨度可達 60m,深度 40m 左右。鍋爐內部煤粉燃燒的環境復雜惡劣,需要長期在超超臨界高溫高壓參數的水蒸氣條件下長期穩定的運行。因此,設備可靠性和巡檢質量的要求非常高,保障鍋爐安全運行具有至關重要的意義。對鍋爐停機檢測的工作,一般采用搭設大型腳手架或升降式大平臺后進行人工檢測法。檢驗員在腳手架上通過目測或儀器發現鍋爐爐內可能存在的腐蝕、裂紋、變形、磨損等缺陷。這種傳統的檢測方式需要搭建大量腳手架等準備工作,工作量龐大、工期長、危險系數高,并且對檢驗員的技能和經驗要求較高。因此,研發設計適應于此密閉空間的工業無人機,利用其對鍋爐爐膛內部進行自主飛行和高清拍攝,將影像實時傳輸至外部進行計算處理,智能識別內部缺陷等劣化問題并進行實時評估,這種提升改造對傳統的火力發電廠具有非常大的吸引力。

2 國內外無人機應用及技術研究情況

2.1 無人機應用現狀

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,這類產品市場范圍大,制造成本低,技術門檻偏低,中國無人機制造商在這個領域占據了全球七成以上的市場份額;第二類為工業無人機,主要面向特定行業用戶,需要具備較高的技術、品質和可靠性。因此,研發周期長、投入高 。

2.2 無人機導航與感知技術研究現狀

無人機的飛行需要導航,即按照指定精度要求,正確引導無人機沿著預定的航跡在指定的時間內到達目的地。要使無人機成功完成預定的航行任務,必須知道無人機的實時位置、航行速度、航向等導航參數。目前在無人機上采用的導航技術主要包括慣性導航、衛星導航、Wi-Fi 室內導航、藍牙室內定位技術、超寬帶 UWB 室內定位技術、視覺導航、激光雷達導航等。

2.3 密閉空間無人機應用現狀

目前,國際上已初步開展了無人機在密閉工業場景中的巡檢工作的研究,主要通過在機身外部增加防護罩的形式,可以對無人機的安全飛行進行有效保護。然而,在鍋爐爐膛等密閉空間內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,無人機通常采用衛星導航或視覺導航方式。然而,在鍋爐衛星信號拒止、黑暗的“雙盲”環境中,衛星導航、視覺導航均無法使用,無人機無法進行自主定位。因此,上述兩款無人機在鍋爐膛進行檢測作業時,對操作人員提出了較高的要求。尤其是當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三維自主避障。目前兩款無人機是通過防護罩形式實現避障的,其存在一定不足: 一方面,鍋爐內一些細長的突出結構,可能會穿過防護罩, 影響飛行安全;另一方面,防護罩在與爐壁碰撞時,雖然不會導致飛行事故,但會影響操作體驗與影像質量。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,難以與其對應的爐體位置相對應。由于爐體內不同部位相似度較高,在記錄大量影像后,即使發現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,在此基礎上推算拍攝影像在爐體內對應的位置,從而形成對影像的有效記錄。

4) 飛行器續航時間短。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, 飛行過程中需預估飛行時間,如中斷飛行需更換電池,較難完成檢測任務。

3 密閉空間智能巡檢無人機的研發目標

無人機在鍋爐爐膛內飛行巡檢時,無人機處于衛星拒止、無可見光的“雙盲”環境中,這樣的環境對無人機的感知、導航和控制技術都提出了很高的技術創新要求,研發目標如下:

3.1 無衛星信號、無光照、強電磁干擾復雜環境下的無人機精確導航

鍋爐爐膛屬于金屬封閉式環境,無人機進行鍋爐檢測作業時處于無衛星信號、無光的“雙盲”環境中。目前商用無人機的智能飛控、增穩懸停、航線規劃、避障等功能的實現均是以視野開闊或光線良好為前提。無人機通過GPS、慣性導航和人工視覺模塊來獲取位置、姿態、速度、障礙物距離等數據進行綜合運算,從而實現增穩、懸停、避障、航線規劃等智能功能。但在鍋爐內 GPS 信號被遮擋, 指南針受到金屬結構干擾,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,需要結合新型導航技術,針對鍋爐環境構建無人機的自主導航方法。

3.2 鍋爐無光照環境下障礙物感知與自主避障

鍋爐爐膛檢測作業主要為近觀檢測任務,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,需要對爐體內的復雜結構進行精確感知與建模。同時,無人機要能夠自主感知環境、合理規劃路徑并及時躲避障礙物,否則存在無人機與爐壁碰撞,導致事故的風險。

3.3 面向復雜鍋爐檢測任務的無人機系統設計

鍋爐爐膛巡檢任務要求無人機攜帶相機,在黑暗、封閉、強電磁干擾的爐體環境中,通過自主巡航和近觀檢測獲得有效識別爐體結構中裂縫、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,無人機難以穩定懸停并拍攝出清晰可靠的檢測圖像;另外,檢測工作任務重、耗時長,現有無人機所采用的蓄電池供電系統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對無人機感知、導航與控制的需求,需要對鍋爐檢驗無人機硬件系統結構進行針對性設計。

3.4 鍋爐復雜環境下的無人機自主容錯導航

傳統商用無人機的智能飛控、增穩懸停、航線規劃、避障等功能的實現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、慣性導航和人工視覺模塊來獲取當前位置信息、高度信息、姿態數據、當前速度、障礙物距離數據進行綜合運算,從而實現增穩、懸停、避障、航線規劃等智能功能。但在爐膛內,GPS 信號被遮擋,指南針受到金屬結構干擾,人工視覺模塊因為光線暗淡無法工作,導致無人機部分智能功能喪失,在飛行中會出現明顯的漂移,需要地面控制人員依靠豐富的經驗控制飛行姿態。在黑暗、封閉的環境下,無人機控制難度與作業安全風險增大。無人機在此環境下的可靠定位成為突出問題, 解決該環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據復現

在無人機研制過程中 , 需要進行大量的飛行控制系統半物理實時仿真和科研試飛試驗,而飛行數據的觀測、分析和處理是一個非常重要的環節。然而隨著飛行數據量的增大,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,傳感器的真實數據往往來之不易,鍋爐檢測模擬環境的搭建以及鍋爐數據的仿真復現可以減輕極大工作量。

4 密閉空間智能無人機巡檢研發關鍵技術

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

綜上,面向火力發電廠鍋爐爐膛自主飛行檢測無人機研發的關鍵技術如下:

4.1 基于三維激光雷達的無人機定位技術

在光照條件極差的封閉鍋爐環境內,傳統的基于視覺傳感器的語義構圖技術在此環境下具有一定的不適應性, 而激光雷達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作為無人機的主要感知手段。通過對激光雷達實時構圖技術的研究,分析其誤差原理,實現鍋爐精確三維地圖的構建。研究內容具體包括:基于激光雷達點云的柵格地圖概率表達,基于三維點云信息的地圖模型構建技術 。

4.2 基于三維激光雷達的爐膛障礙物感知與標識技術

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

4.3 異步異構傳感器多源信息融合技術

無人機在鍋爐復雜環境下要實現平穩安全飛行僅依靠單一傳感器是無法實現的。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?;谝陨戏治?,需要深入研究多種異步異構傳感器信息融合算法以實現高精度位姿解算以及無人機周邊環境全方位感知。

4.4 無人機雷達點云數據與鍋爐模型匹配技術

無人機通過三維激光雷達可以感知爐膛內的距離信息, 從而形成點云數據。通過相關性匹配算法,將該點云數據與鍋爐內爐膛模型相匹配,可以得到無人機在鍋爐中的相對位置。進而,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的部位,從而為檢測提供準確的參考。

4.5 密閉空間無人機的供電方案設計

鍋爐檢驗屬于長時間作業任務,無人機在一次飛行作業中通常需要在空中停留長達一個小時甚至更長時間,面向這種特殊的長時間作業任務,需要對無人機的供電方案進行針對性的設計。研究內容具體包括:基于系留無人機解決方案的無人機有線供電系統設計,考慮地空電力傳輸故障的無人機機載備用供電方案設計,大功率高可靠性無人機系統地面端電源設計。

5 結論

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、高智能等顯著優勢,在鍋爐爐膛高效檢測工作中發揮了巨大作用,這對提升傳統火力發電行業的智能化具有較大的價值。

隨著技術的發展,無人機平臺將可以搭載測厚設備、光譜分析設備等,可以對鍋爐進行更加全面地檢測,從而達到代替人工的目的。此外,通過本課題研究取得的無人機相關技術,也可在船艙、核電站、油罐、大型管道等其它密閉空間的工業環境的檢測中得到推廣應用。


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