大型起重机金属结构无人机自动巡检技术研究

刘洋

（湖北特种设备检验检测研究院荆州分院，湖北 荆州 434000）

就目前的情况来看，我国在检测起重机金属结构的时候，一般就是让有关的检测人员携带着检测的仪器爬到受力的重要结构位置上进行检查，但是，这样的检测方式只能够通过目视还有仪器的方式来对缺件、裂纹、损坏和腐蚀等问题进行检查，但是，对盲区却不能够进行有效的检查，而且这样的检测方式存在效率低、劳动强度大、危险作业等方面的问题。而运用无人机自动巡检技术就可以有效地解决这些问题。因此，本文就大型起重机金属结构无人机自动巡检技术开展有关的研究，以此使飞行操作的安全性和稳定性得到有效的提高，进而使无人机自动巡检作业可以更加标准化、规范化地进行。

1 大型起重机金属结构无人机自动巡检方法以及系统

在检测桥梁、光伏电站还有输电线路等领域中都对无人机自动巡检有着一定程度的运用和研究，但是，在检测大型起重机复杂钢结构方面的有关研究还是比较少的。对于起重机的结构而言，主要包括工字梁、箱型梁等结构形式，并且在检测方面还涉及三维曲面和多平面等比较复杂的检测表面，而且对于起重机来说，大多数的时候都是处于在电磁干扰比较强，存在较多障碍物还有场景混杂的作业环境中，所以运用无人机自动巡检技术对大型起重机的金属结构进行有关的检测工作还存在着比较多的难点。而针对这些存在的主要问题，在对大型起重机金属结构进行检测的时候，就提出了飞机打点结合航迹飞行的多旋翼无人机自动巡检的检测方式，并且在其中还将图像识别技术引入进去，以此使智能化的机巡数据处理实现，进而构建了新的大型起重机自动智能巡检作业的一种模式。在这种检测模式下，一定要科学地规划塔式起重机、门式起重机和门座式起重机巡检的路径，并且对路径全覆盖的规划方式应该要进行研究，以此充分地考虑影响航迹规划的因素。接着，依据所规划的路径让有关的人员对于无人机进行操控，以此进行初步的巡检，这个过程中对于若干航点的高度数据和经纬度等应该要进行有效的采集，然后将有关的记录工作做好。在巡检的过程中，可以依据航迹对飞行的速度进行控制，一旦发现有缺陷存在时，要对其进行有效的记录拍摄，这样在下次飞行的时候，就可以依据所记录的缺陷点的位置和起飞点的位置来生成新的飞行航迹，然后让无人机自动的飞行到有缺陷的位置处来对其进一步的进行甄别还有拍摄。

2 在大型起重机金属结构无人机自动巡检中存在的关键技术

2.1 规划多旋翼无人机巡检路径的方式

就大型起重机的金属结构来说，主要是通过螺栓连接、焊接、销轴连接还有铆接等连接的方式组成的，对于大型起重机的结构来说，主要有工字梁还有箱形梁等结构形式。在运用无人机自动巡检技术来对这些金属结构进行巡检的时候，其无人机自动巡检的主要路径就是使用牛耕式全覆盖的巡检路径。其巡检的路径如图1所示，就图1我们可以明显地看出来，其相机拍摄的方向其实就是图中表示出的截面箭头。对于结构来说，无人机结构尺寸的3倍以上其实就是安全距离，换句话说，假如其旋翼展开后的轴距是1m，那么与结构之间的安全距离至少应该是3m。对于电池的能耗以及规避逆光代价来说，其实就是在牛耕式巡检路径前提下的最小函数目标，所以在对路径进行优化和规划时，就可以使用改进A*混合算法以及改进蚁群算法来进行，具体来说，主要的步骤流程分为以下五点：

图1 大型起重机金属结构无人机牛耕式巡检的路径图

（1）在巡检的过程中，对于规避光代价还有电池能耗的最小函数目标一定要建立好，这样才能够使得无人机自动巡检的低能耗性以及安全性得到有效的保障。（2）为了可以更好地将巡航能耗和悬停能耗确定下来，那么对于会干扰到多旋翼无人机巡检电池能耗的主要影响因素应该要进行深入的分析。（3）对于多旋翼无人机巡检的航迹以及和太阳光照之间的关系应该要进行有效的确定。（4）在建立三维模型的时候，要按照结构的设计尺寸对等待进行检测的位置建模，然后将巡航过程中所有的视点坐标输进去。（5）为了得到最优的航迹，就可以使用改进蚁群算法还有改进A*混合算法来进行，这样就可以得到最佳的输出航迹。

2.2 无人机自动巡检及精密定位方法

就大型起重机的金属结构而言，对其为了能够实现自动的检测，那么就要不断地提升无人机的定位性能。而对于信号的质量而言，为了可以使其有效地提高，所以在进行定位的时候就运用了GPS+Glonasss双系统融合的精密单点定位方式，并且可以发现其卫星数得到明显的增加。与此同时，对于这样系统融合的方式来说，对其进行有效的运用可以将单系统定位性能在高度角加大时而造成性能迅速变差的缺点有效地克服，这样就可以让定位导航的稳定性以及精度有效地提高。而就严重遮挡信号的区域而言，就可以运用主副无人机协同定位的方式来开展自动巡检作业，这样的方式可以使得检验无人机的定位精度得到有效的提高。对于副无人机的路径规划来说，在双机协同定位检测中是十分重要的，所以在设计巡检路径的时候，就可以依据主无人机的巡检路径来进行，一般来说，为了避免主副两架无人机在飞行的过程中发生碰撞，主无人机飞行的高度应该要低于副无人机。

2.3 在多传感器基础上的无人机自主避障技术

就现阶段的大型起重机而言，其金属结构和形状等都具备复杂的特征，并且在起重机作业的现场人物机的作业比较混乱，而且还存在着具有比较多动态障碍物的问题。而在多传感器当中，将超声、视觉和红外等融合其中，以此建立无人机定位和建图的方式，进而使得无人机的环境感知能力得到有效的提高。

在无人机自动巡检作业的过程中，可以和设备之间设置一段安全距离，这样在无人机自动悬停的时候可以有效地避免碰撞和坠落等事故的发生，进而使无人机检测作业的安全性得到有效的提升。与此同时，对于无人机悬停多方面拍摄的待检测部位图像，在无人机自动巡检的时候也可以进行控制，并且设置好安全距离，这样一旦超出安全距离的时候就可以自动地进行报警，以此使飞行操作的安全性和稳定性得到有效的提升。

3 结语

综上所述，就现阶段我国的大型起重机金属结构的检测而言，在运用无人机自动巡检的方式时还存在着一定困难，而与人工智能图像识别等技术结合，就可以有效自动地评估、检测、量化、识别出其金属结构中存在的缺陷，并且还可以将无人机自动巡检作业的新模式建立起来，这样就可以有效地检测出那些人工不能够检测或者是不能够达到的位置，以此可以使事故发生的概率得到有效的控制和预防，进而使设备和人员的生命财产损失有效地减少，有效地推动企业的健康发展以及安全生产。