基于攝像頭的旋翼無人機(jī)在熱電廠巡檢中的應(yīng)用

馮宏

摘 要：借鑒無人機(jī)在油氣管道和電力線路巡檢的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合熱電廠巡檢工作的特點(diǎn)，對基于攝像頭的旋翼無人機(jī)在熱電廠巡檢工作進(jìn)行了嘗試、分析和應(yīng)用，分析了無人機(jī)巡檢的優(yōu)勢，提出了專業(yè)方案，并對無人機(jī)在熱電行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的廣泛前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：旋翼無人機(jī)；巡檢；智能；避障；監(jiān)控

中圖分類號：V279+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）23-0176-02

Abstract： Based on the experience of UAV inspection in oil and gas pipelines and power lines， combined with the characteristics of thermal power plant inspection， the rotor-wing UAV based on camera is tried， analyzed and applied in thermal power plant. This paper analyzes the advantages of UAV inspection， puts forward a professional scheme， and looks forward to the broad prospects of UAV applications in the thermoelectric industry.

Keywords： rotor UAV； patrol； intelligence； obstacle avoidance； surveillance

前言

無人機(jī)（Unrnanned Aerial Vehicle，縮寫為UAV）又稱“空中機(jī)器人”，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行設(shè)備[1]。無人機(jī)按應(yīng)用領(lǐng)域分為軍用與民用。民用方面，目前在大氣研究、氣象觀測、環(huán)境保護(hù)、航拍、森林防火、農(nóng)業(yè)、植保、運(yùn)輸、災(zāi)難救援、觀察野生動物、監(jiān)控傳染病、地理測繪、新聞報(bào)道、電力巡檢、救災(zāi)、影視拍攝等領(lǐng)域的應(yīng)用方心未艾、非常廣泛。

近年來，隨著軍用領(lǐng)域無人機(jī)技術(shù)不斷轉(zhuǎn)化至民用領(lǐng)域和民用市場規(guī)模爆炸式的增長，無人機(jī)的發(fā)展進(jìn)入了一個嶄新的時代，同發(fā)達(dá)國家一樣，我國無人機(jī)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨廣泛，正顯現(xiàn)出巨大的市場潛力和廣闊的市場前景。

筆者借鑒無人機(jī)在油氣管道和電力線路巡檢的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合熱電廠巡檢工作的特點(diǎn)，對基于攝像頭的旋翼無人機(jī)在日常熱電廠巡檢工作進(jìn)行了分析、嘗試和應(yīng)用，并對此廣泛前景進(jìn)行了展望。

1 無人機(jī)分類和無人機(jī)系統(tǒng)

1.1 無人機(jī)系統(tǒng)種類繁多，分類方法也不盡相同

從技術(shù)角度無人機(jī)定義可以分為：直升機(jī)、固定翼機(jī)、旋翼機(jī)、撲翼機(jī)等；按用途分類，無人機(jī)一般可分為軍用無人機(jī)和民用無人機(jī)；按活動半徑分類，無人機(jī)可分為超近程無人機(jī)、近程無人機(jī)、短程無人機(jī)、中程無人機(jī)和遠(yuǎn)程無人機(jī)；目前分類比較用得最多的是按民航法規(guī)從重量和尺度對無人機(jī)進(jìn)行一般可分為：可分為微型無人機(jī)、輕型無人機(jī)、小型無人機(jī)以及大型無人機(jī)。微型無人機(jī)是指起飛質(zhì)量小于等于7kg的無人機(jī)，輕型無人機(jī)是指質(zhì)量大于7kg，但小于等于116的無人機(jī)，且校正空速小于100km/h，升限小于3000m的無人機(jī)，小型無人機(jī)是指空機(jī)質(zhì)量小于等于5700kg的無人機(jī)，大型無人機(jī)是指空機(jī)質(zhì)量大于5700kg的無人機(jī)。

1.2 無人機(jī)的功能和系統(tǒng)

無人機(jī)系統(tǒng)由飛機(jī)平臺系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)組成。飛機(jī)平臺系統(tǒng)主要包括飛動力、傳感器、信號處理、GPS接收、無線電控制等[2]。信息采集系統(tǒng)主要包括云臺、相機(jī)、傳感器、無線電控制等。地面控制系統(tǒng)系統(tǒng)主要包括無線電控制、GPS導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。制導(dǎo)系統(tǒng)的基本任務(wù)是確定無人機(jī)與目標(biāo)的相對位置，操縱無人機(jī)飛行，在一定的準(zhǔn)確度下，引導(dǎo)無人機(jī)沿設(shè)定的軌跡飛向目標(biāo)[3]。對于無人機(jī)來說，既可以在可視范圍內(nèi)人工控制飛行軌跡，可也以通過編程實(shí)現(xiàn)超視覺自主飛行或自動避障。

2 熱電廠巡檢特點(diǎn)和無人機(jī)優(yōu)勢結(jié)合

2.1 無人機(jī)在熱電廠巡檢的優(yōu)勢

目前，旋翼無人機(jī)在輸油輸氣管道管理巡護(hù)領(lǐng)域和國家電網(wǎng)公司輸電線路巡視等有不同程度的應(yīng)用，不但極大地節(jié)約節(jié)省工作時間和人力，提高了工作效率，而且無人機(jī)高清晰攝像機(jī)航拍無死角，得到數(shù)據(jù)全面易于保存，人身安全得到保障。同樣，對于熱電廠來說，也存在很多高空領(lǐng)域巡檢和野外管道巡檢工作，采用無人機(jī)替代人工優(yōu)勢非常明顯。

嘉興新嘉愛斯熱電有限公司位于江南水鄉(xiāng)的杭嘉湖平原，公司現(xiàn)有熱網(wǎng)主管道195km，壓縮空氣管道約27km，管道所處均在河道、湖泊、池塘和水田周邊穿過，地形復(fù)雜、不易于行走。公司現(xiàn)有煙囪3座，冷卻塔3座，脫硫塔6座、灰?guī)烊舾珊痛a頭一座，設(shè)備和管廊巡檢均涉及高空作業(yè)。旋翼無人機(jī)體積小、懸停穩(wěn)定，可以實(shí)時檢查監(jiān)控航拍視頻和錄像保存，雪、冷、汛期優(yōu)勢更明顯。結(jié)合無人機(jī)的優(yōu)勢和熱電廠的實(shí)際需求，嘉興新嘉愛斯研究院對熱電廠涉及高空巡檢和較長距離巡檢工作采用了無人機(jī)巡檢的應(yīng)用嘗試探索。

2.2 熱電廠巡檢無人機(jī)的選擇

熱電廠巡檢特點(diǎn)，提出了無人機(jī)的要求：

（1）飛行穩(wěn)定，易于操作；（2）飛行距離5公里，飛行高度200米以內(nèi)；（3）機(jī)身輕巧，便于攜帶；（4）相機(jī)高清穩(wěn)定，可以實(shí)時傳輸；（5）飛機(jī)起飛和降落不需要特殊裝置。

針對上述要求，我們選擇深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司（簡稱DJI）精靈列無人機(jī)作為熱電廠巡檢無人機(jī)，它有以下特點(diǎn)：（1）四旋翼無人機(jī)，起飛和降落非常方便，飛行穩(wěn)定，價格合理。（2）操控精準(zhǔn)、響應(yīng)靈敏，拆裝便捷，機(jī)身輕巧，便于攜帶。（3）30分鐘續(xù)航能力，有避障功能，GPS實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。（4）高性能相機(jī)，可拍4K視頻和最高1200萬像素靜態(tài)照片，全高清數(shù)字圖傳系統(tǒng)，最遠(yuǎn)可達(dá)5公里，最高500米。（5）自動起飛降落、智能返航、實(shí)時地圖和雷達(dá)顯示、相機(jī)參數(shù)實(shí)時設(shè)置等功能。

3 無人機(jī)在熱電廠巡檢的應(yīng)用

3.1 無人機(jī)系統(tǒng)工作流程

（1）準(zhǔn)備工作：按照熱電廠設(shè)備巡檢周期制定巡檢任務(wù)，結(jié)合天氣預(yù)報(bào)情況做好飛行任務(wù)規(guī)劃和飛機(jī)充電和備用工作。（2）飛行任務(wù)規(guī)劃：為保證任務(wù)的安全進(jìn)行，飛行當(dāng)天結(jié)合天氣、地理和無人機(jī)狀況做好飛行任務(wù)的具體規(guī)劃安排，做好應(yīng)急情況處理準(zhǔn)備。（3）航前檢查：在起飛點(diǎn)做好航前檢查，檢查遙控器、飛機(jī)電池以及移動設(shè)備的電量是否充足，螺旋槳是否正確安裝，確保已插入Micro-SD卡，電源開啟后相機(jī)和云臺是否正常工作，開機(jī)后校準(zhǔn)指南針，檢查電機(jī)是否正常啟動，軟件DJIGO App是否正常運(yùn)行，檢查GPS狀態(tài)、飛行模式等飛行狀態(tài)列表是否正常。另外需要檢查周圍環(huán)境是否符合飛行條件。（4）航飛監(jiān)

控： 實(shí)時掌握飛機(jī)的姿態(tài)、方位、空速、位置、電池容量、即時風(fēng)速風(fēng)向、任務(wù)時間等重要狀態(tài)，便于操作人員實(shí)時判斷任務(wù)的可執(zhí)行性，進(jìn)一步保證任務(wù)的安全。（5）建立飛行日志和檔案：航拍任務(wù)完成后，對航拍影像進(jìn)行研究分析和建檔。

3.2 無人機(jī)自主飛行

無人機(jī)在編程控制下自動飛行模式下，經(jīng)過前期地理坐標(biāo)和高度的采集，再通過一套軟件結(jié)合無人機(jī)，將作業(yè)任務(wù)導(dǎo)入并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際選擇定高或變高后，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主飛行執(zhí)行任務(wù)，作業(yè)過程中無需再進(jìn)行任何操作和擔(dān)心信號及圖傳問題，任務(wù)完成后便可自動返航至起飛點(diǎn)降落，大大提高了作業(yè)效率和穩(wěn)定性[6]。

4 無人機(jī)在熱電廠運(yùn)用的注意事項(xiàng)

4.1 無人機(jī)和駕駛員管理政策法規(guī)

無人機(jī)大大提高了效率，但也要注意無人機(jī)在我國正處于高速發(fā)展期間，一些新的政策法規(guī)不斷頒布，必須學(xué)習(xí)和遵守。近年來，我國民航主管部門頒布了多個管理文件：《關(guān)于民用無人機(jī)管理有關(guān)問題的暫行規(guī)定》和《民用無人機(jī)適航管理工作會議紀(jì)要》，主要解決無人機(jī)的適航管理問題；《民用無人機(jī)空中交通管理辦法》主要解決無人機(jī)的空域管理問題；《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》主要解決無人機(jī)的駕駛員資質(zhì)管理。對于7公斤的微型無人機(jī)，飛行范圍在目視視距內(nèi)半徑500米、相對高度低于120米范圍內(nèi)，無須證照管理，但應(yīng)盡可能避免遙控飛機(jī)進(jìn)入過高空域；重量等指標(biāo)高于上述標(biāo)準(zhǔn)的無人機(jī)以及飛入復(fù)雜空域內(nèi)的，駕駛員需納入行業(yè)協(xié)會甚至民航局的監(jiān)管[7]。

4.2 禁飛區(qū)和限飛區(qū)

根據(jù)2017年5月17日民航局發(fā)布的《關(guān)于公布民用機(jī)場障礙物限制面保護(hù)范圍的公告》以民航局公布的民用機(jī)場障礙物限制面及容差緩沖區(qū)的12個坐標(biāo)點(diǎn)為基礎(chǔ)，將民航局定義的機(jī)場保護(hù)范圍坐標(biāo)向外拓展100米形成禁飛區(qū)。飛行器無法在禁飛區(qū)內(nèi)起飛；從外部接近禁飛區(qū)邊界時，將自動減速并懸停。以跑道兩端中點(diǎn)向外延伸20公里，跑道兩側(cè)各延伸10公里，形成大致20公里寬、40公里長的長方形區(qū)域?yàn)橄薷邊^(qū)（與禁飛區(qū)不相交的部分）。在限高區(qū)中，飛行器的限制飛行高度為120米。

5 前景展望

世界無人機(jī)的主要制造商集中在美國、以色列和歐洲。其中，美國份額高達(dá)69%，遙遙領(lǐng)先于其他國家；中國無人機(jī)由于性價比優(yōu)勢明顯，占據(jù)約10%份額。上述數(shù)據(jù)說明，我國無人機(jī)產(chǎn)業(yè)仍有相對廣闊的發(fā)展空間。國內(nèi)無人機(jī)市場已發(fā)展了將近30余年，從最初的軍用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展到消費(fèi)領(lǐng)域。目前國內(nèi)消費(fèi)無人機(jī)市場火熱，普通民眾對無人機(jī)的認(rèn)可程度和需求度逐漸攀升，近兩年來，無人機(jī)企業(yè)、飛手?jǐn)?shù)量和產(chǎn)品用途都有了明顯的增多，甚至出現(xiàn)了指數(shù)型增長，監(jiān)管制度方面也有了進(jìn)一步的完善。未來五年民用無人機(jī)行業(yè)將持續(xù)保持較快的發(fā)展態(tài)勢。作為世界各國的軍民用前沿裝備，無人機(jī)綜合集成航空技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)、測控技術(shù)、傳感技術(shù)以及新材料、新能源等多學(xué)科技術(shù)，代表著未來航空業(yè)的發(fā)展方向。

在熱電行業(yè)逐步推廣無人機(jī)作業(yè)技術(shù)，建立和完善無人機(jī)作業(yè)管理和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，不斷拓展新技術(shù)發(fā)展，實(shí)

現(xiàn)熱電技術(shù)自動化、數(shù)字化、信息化、智能化是實(shí)現(xiàn)智能能制造、面向未來的發(fā)展戰(zhàn)略。

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