大型起重机金属结构无人机自动巡检技术研究

叶仁俊

（湖北特种设备检验检测研究院鄂州分院，湖北 鄂州 436000）

就目前情况来说，在我国大型起重机金属结构检测的时候，通常情况是检测人员携带检测设备对重点部位进行检测，但是这样也只能检测到是否存在缺件、裂纹、损坏、腐蚀等一些问题，大型起重机隐藏的一些问题未能达到有效检查，这样不仅检测的效率较低，其检测还不够全面，存在诸多的安全隐患。然而，将无人机自动巡检技术应用到其中，可以很好地解决该项问题，确保大型起重机检测的全面性和精准性，提升大型起重机检测的效率，以避免大型起重机金属结构故障的产生。

1 无人机自动巡检技术概述

（1）无人机自动巡检技术属于一项新型的巡检技术，并在很多领域中都得到了普遍的应用，例如，桥梁、大型起重机、光伏电站、输电线路等方面，可以准确地识别存在的故障，以及故障存在的位置，从而提升故障解决的效率。同时，大型起重机设备结构相对较为复杂，主要是由工字梁、箱型梁方面组成，并且在金属结构检测的时候，所涉及的内容相对较多，例如，三维曲面、多平面等方面，很多时候都是处于电磁干扰比较强，存在较多的障碍物，其工作环境也相对较为复杂，这时利用无人机自动巡检技术可以对大型起重机金属结构进行全面的检测，从而解决传统检测方式存在的弊端。

（2）无人机自动巡检技术在大型起重机检测中，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，并且结合实际情况，将图像识别技术引入其中，这样可以实现数据的智能化处理，从而生成完善的大型起重机自动化巡检作业模式。同时，在这种巡检模式下，需要根据相关要求，一定要合理地规划大型起重机的巡检路线，并且需要对路线的影响因素进行综合考虑，做好相应的预防措施，以此保证无人机自动巡检的效果。另外，在无人机自动巡检的时候，需要做好各项巡检信息和数据的记录，这样在后期大型起重机维护时，提供了重要的数据支持。

（3）在无人机自动巡检的时候，根据实际情况，需要对飞行速度进行严格的控制，这样一旦发现大型起重机存在缺陷的话，可以对其进行拍摄和记录，这样在下次巡检时，可以根据之前做记录的缺陷点，进一步地甄别缺陷位置，做好记录和拍摄工作。

2 大型起重机金属结构故障成因

（1）金属结构是大型起重机的基本构成，其主要作用就是承受实际运行环节中的基本载荷、附加载荷、特殊载荷等，并且金属结构作为基本承载结构，主要是由钢材制成，确保大型起重机在运行期间，零件以及基础结构受到载荷的影响后，不会产生损坏、变形等问题，提高大型起重机结构的强度，延长其使用寿命。但是，大型起重机在实际使用中，经常会受到一些因素的影响，导致金属结构故障频频发生，例如，变形、焊缝外露、裂纹等，这些故障严重影响了大型起重机的使用性能，如果情况较为严重，往往还会导致安全事故的发生。

（2）导致大型起重机金属结构故障产生的原因有很多，焊接工艺质量不合格，为裂缝、气孔、未融合等焊接问题埋下隐患，也正是因为这些隐患的存在，导致焊缝面积逐渐变小，本身的承载力较差，局部应力过于集中，从而增大了大型起重机的疲劳强度，进而影响了大型起重机的正常使用。同时，由于焊接工艺的使用不当，还会导致焊接的内应力和工作应力产生重叠现象，这样焊接残余应力过大，导致腹板位置就会出现波浪变形，进而埋下安全隐患。

（3）在大型起重机使用的时候，经常忽略额定载荷，这样很容易出现超载荷使用情况，并且如果大型起重机长期处于该状态下，这时腹板自身的稳定性就会无法保障。同时，受到热效应的影响，大型起重机在运输存放的过程中，材质本身处于过度疲劳的状态，从而导致金属结构缺陷产生。

3 大型起重机金属结构无人机自动巡检技术要点

无人机自动巡检技术在大型起重机金属结构巡检中，可以很好地解决传统巡检技术存在的不足以及缺陷，提升大型起重机金属结构巡检效率以及效果。那么，无人机自动巡检技术在大型起重机金属结构巡检应用中，能掌握以下几点技术要点。

3.1 多旋翼无人机巡检路径

从大型起重机金属结构来说，主要是通过螺旋连接、焊接、销轴连接等方式，所组成的金属结构。同时，在无人机巡检技术在对这些结构进行巡检时，可以使用牛耕式全覆盖巡检路径，如图1 所示，从图1 中我们可以看出，巡检相机所拍摄的方向其实就是图中所表示出的截面箭头方向。从金属结构来说，无人机的结构尺寸的3 倍以上，就是巡检的安全距离，例如，旋翼展开后，其轴距是1m。那么，与结构之间的安全距离，应至少为3m，这样才能保证良好的巡检效果。同时，从电池的能耗来说，牛耕式巡检路径可以在巡检之前，最小函数目标，并且根据实际情况对路径进行优化，在路径优化时，应当注意以下几点。

图1 牛耕式全覆盖的巡检路径

（1）在巡检的期间，对于设定电池能耗最小函数这一目标来说，需要根据实际情况进行合理地设定，这样才能使无人机自动巡检技术在低能耗的情况下，高效地完成巡检工作。

（2）多旋无人机巡检路线以及太阳光照之间的关系应当进行进一步的明确，避免带来负面影响。

（3）针对构建三维模型，应根据大型起重机金属结构的各项参数，设定巡检位置且建模，并且在巡检过程中，需要对所有试点坐标进行输入，这样及时判断大型起重机金属结构所存在的缺陷，进而有针对性的解决。

3.2 精密定位

（1）精密定位也是无人机自动巡检技术中一项关键的技术要点，主要是根据大型起重机实际运行情况，判断金属结构可能存在的缺陷，并且及时进行定位，有助于后期对问题的解决。同时，在无人机自动巡检技术应用时，需要不断提升信号的质量，将GPS+Glonasss双系统融合的精密单点定位方式应用到精密定位中，这样可以发现卫星数量得到明显的增加，确保定位的准确性。

（2）针对系统融合来说，有效的应用可以将单系统定位性能，得到有效的应用，从而解决传统定位存在的不足。另外，针对信号较弱的地区来说，可以利用主副无人机协同定位的方式，展开大型起重机金属结构自动巡检工作，这样可以使得无人机检验的定位准星线得到很好的提升，为大型起重机金属结构故障解决，提供有力的数据支撑。

（3）副无人机规划路径，对于双机协同定位检测来说，起到了十分重要的作用。因此，在巡检路径规划的时候，需要将主无人机巡检路径作为基础，并且为避免主副两架无人机在巡检期间发生碰撞，主无人机的高度可以根据实际情况适当调低，不能高于副无人机。

3.3 无人机自主避障技术

就目前大型起重机来说，金属结构相对较为复杂，并且在起重机使用期间，由于现场环境较为混乱，金属结构可能存在动态故障问题。基于此，在无人机自动巡检的时候，应对多传感器进行充分的利用，并且可以将超声、视觉、红外等，与多传感器进行融合，以此构建无人机定位和建图等结构，这样无人机在环境感知的能力下，可以准确地判断大型起重机金属结构存在的缺陷。同时，在无人机自动巡检过程中，需要大型起重机金属结构之间设置一段安全距离，这样无人机自动悬停，可以避免发生碰撞和坠落等事故，进而提升巡检的安全性。另外，需要设置安全自动报警系统，这样一旦超出安全距离，可以自动启动报警系统，保证无人机飞行操作处于安全稳定的状态。

3.4 图像预处理技术

（1）大型起重机属于室外工作设备，所以在无人机自动巡检时，经常会受到环境因素的影响，导致巡检图像存在噪音、模糊、抖动、畸形等问题，严重影响无人机自动巡检图像的质量。对此，为提升无人机自动巡检图像质量，需要将图像预处理技术应用于其中，通过利用去噪增强方法，图像去模糊抖动算法，镜头畸变矫正算法等方面，以此提升图像输出质量，为大型起重机金属结构缺陷解决提供辨识率较高的影像。

（2）按电流噪声和不同光照，所对图像造成的影响，可以采用均值滤波，高斯滤波，中值滤波，同态滤波等方式，对图像进行去噪和增强处理，并且利用图像信照比以及，指标衡量照，以此增强图像辨识效果。同时，针对微小型，多旋翼无人机在巡检时所产生的姿态变化以及震动所引起的拍摄抖动和模糊问题，可以基于图像局部区域约束与R-L 反卷积的图像去模糊抖动算法，并且通过图像局部区域以及运动模糊地核的各种约束，获取最小能量函数。另外，在获取到最小能量函数时，用交替最小方法得出最小化能量函数，并且对运动模糊和进行估算，在估算完成以后，通过利用R-L 反卷积算法，从而对原始图像进行恢复，提升无人机自动巡检图像的分辨率。

4 无人机自动巡检技术应用效果

以上的分析，本段内容对无人机自动巡检技术在大型起重机金属结构中的应用效果，做出了简要的总结。

（1）无人机自动技术的应用，可以很好地改善大型起重机金属结构拍摄的效果，并且可以很好地实现高空作业，不需要人工攀爬到大型起重机金属结构上进行检测，从而解决了传统大型起重机金属结构巡检存在的不足，提高了检测效率，及时发现其中存在的安全隐患，降低了人力成本，避免了安全事故的产生。

（2）通过对无人机自动化巡检技术在大型起重机金属结构中应用的研究，可以很好地推动物理检测理论和技术的发展，并且通过各项技术的融合，可以有效地提升金属结构检测的准确性，提高各项巡检影像的辨识度，为大型起重机金属结构后期维护以及安全性评估提供了重要的数据支撑。同时，无人机自动巡检技术的应用，也保证了大型起重机后期的改装工作，从而延长其设备的使用寿命，将设备的最大潜能得以充分地发挥。总的来说，无人机自动巡检技术的出现，可以很好地满足大型起重机巡检工作的需求。

5 结语

大型起重机在很多工业领域中起到了重要的作用，一旦发生故障，所造成的影响是非常严重的。对此，通过利用无人机自动巡检技术，可以准确判断，大型起重机金属结构所存在的故障，并且准确定位，从而及时地有针对性地进行解决，确保大型起重机运行的稳定性以及安全性。另外，无人机自动巡检技术的应用，可以有效地提升大型起重机金属结构质量以及工作效率，为其相关行业稳定健康地发展，给予技术性的保障。