淺析特種設(shè)備無人機檢測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

孫大超

摘 要 針對過去以人工為主的特種設(shè)備檢測勞動強度大、檢測效率低等問題，提出一種將無人機和紅外熱成像結(jié)合到一起的新檢測系統(tǒng)，并對其該系統(tǒng)的設(shè)計和施工進行深入分析，通過實踐，驗證了該檢測系統(tǒng)的可行性與有效性。

關(guān)鍵詞 特種設(shè)備檢測;無人機;紅外熱成像

特種設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越多，特種設(shè)備由于輸送特殊介質(zhì)或作業(yè)條件復(fù)雜，容易產(chǎn)生損壞，而且一旦損壞，沒有及時得到修復(fù)，將產(chǎn)生安全隱患。然而，特種設(shè)備的檢測在過去一直采用人工進行，勞動強度大，效率低下，無法滿足特種設(shè)備應(yīng)用及發(fā)展需要。而無人機技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用為特種設(shè)備檢測提供了新的技術(shù)支撐，能在保證檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的同時，加快檢測效率。

1基于紅外熱成像的特種設(shè)備無人機檢測方法

對起重機和壓力管道及容器進行日常巡查或試驗檢測時，經(jīng)常需要進行登高作業(yè)或進行長距離檢查，這不僅增大了相關(guān)人員作業(yè)強度，而且對提高檢測工作效率也提出了很大的挑戰(zhàn)。無人機可實現(xiàn)長距離飛行，具有可搭載設(shè)備、可懸停和操作簡便等優(yōu)勢特點，伴隨無人機使用日益普及，近幾年我國很多特種設(shè)備檢測機構(gòu)都在不斷加強對這項技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，并將相關(guān)成果引入到很多特種設(shè)備檢測實際工作當(dāng)中，取得了良好的成效[1]。

對于紅外熱成像，它是一種常用無損檢測方法，由于為非接觸式，所以不僅具有很高的靈敏度，而且應(yīng)用范圍廣泛，對圖像的顯示比較直觀。該技術(shù)和光學(xué)攝影機十分相近，都是以熱釋電效應(yīng)為依據(jù)采用非制冷探測器對目標(biāo)表面存在的紅外輻射進行接收，然后對不可見熱圖像予以動態(tài)成像。在實際工作中，對準(zhǔn)待檢測設(shè)備的成像儀，在對輻射圖進行連續(xù)觀察的基礎(chǔ)上，可對可疑的部位進行拍攝，再通過匯總給出判斷。如果設(shè)備中存在破損，則破損部位的溫度將急劇上升，使成像顯示出明顯的異常。該技術(shù)有著很快的診斷速度，可以實現(xiàn)所見即所得目標(biāo)，正常情況下的分辨率能達到0.1℃，而且不會受到光源強度的干擾與影響，在夜間也可以進行操作?；诖?，在無人機上搭載這種設(shè)備能實現(xiàn)對特種設(shè)備的檢測，從而徹底取代傳統(tǒng)的人工檢測，從根本上解決上述實際問題。

2系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

無人機類型的選擇應(yīng)根據(jù)其所搭載的設(shè)備確定，如前所述，紅外設(shè)備為無人機主要搭載的設(shè)備，在此基礎(chǔ)上還搭載可見光相機。根據(jù)以上搭載的設(shè)備，可采用四旋翼無人機。在飛行器的底部可以設(shè)計一個便于相機云臺更換操作的簡易結(jié)構(gòu)，使紅外相機和可見光相機在飛行中能夠輕松地進行交替使用。在無人機飛行時，采用紅外相機能對常規(guī)JPEG格式的圖像進行拍攝，并能錄制相應(yīng)的數(shù)字視頻，對靜止圖像進行記錄。從溫度識別方面講，可以對檢測范圍內(nèi)溫度達到最高的點進行自動追蹤和捕獲，并能確定溫度的平均值，以及最高點和最低點的實際溫度數(shù)值[2]。

飛行控制系統(tǒng)為專門在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域使用的可編程式飛行控制系統(tǒng)，能支持至少20種不同的接口。在無人機中，還搭載很多傳感器，如陀螺儀、加速度計和GPS等。采用以SoC為基礎(chǔ)的實操系統(tǒng)，在芯片中對ARM與FPGA予以集成，在實現(xiàn)自動控制和人機交互基礎(chǔ)上，提供硬件加速功能，并減少功耗。無人機飛行控制平臺是將開源飛行控制系統(tǒng)作為基礎(chǔ)開發(fā)而成的，對于開源飛行控制系統(tǒng)，它主要由HAL與高級層兩部分構(gòu)成。其中，高級層主要對輸入數(shù)據(jù)進行處理，并對任務(wù)實際執(zhí)行進行調(diào)度。而HAL主要功能在于底層硬件驅(qū)動，對硬件存儲器當(dāng)中的各類數(shù)據(jù)進行訪問。采用這種架構(gòu)，能進行跨平臺的應(yīng)用開發(fā)。無人機的地面控制站主要是以windows系統(tǒng)為基礎(chǔ)開發(fā)的，系統(tǒng)的調(diào)試軟件為mission planner。圖像傳輸系統(tǒng)以HACK LINK數(shù)字鏈路技術(shù)為核心，能對720p高清視頻信號進行傳輸，并能對飛行數(shù)據(jù)進行實時交互、對遙控器數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)，采用手機或平板電腦等終端就可以對高清視頻進行觀看及控制[3]。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用

按照以上設(shè)計方案制成檢測系統(tǒng)后，將其用于敷設(shè)在工業(yè)園區(qū)室外的熱力管道檢測工作中，完成了連續(xù)26min的遠(yuǎn)距離圖像傳輸，并借助紅外熱成像實現(xiàn)了定點溫度測量，滿足現(xiàn)場宏觀檢測要求與紅外檢測要求，可發(fā)現(xiàn)管道中保溫層實際破壞情況。當(dāng)無人機搭載的是可見光相機時，通過十倍變焦能對遠(yuǎn)距離或超遠(yuǎn)距離的熱力管道實施穩(wěn)定且連續(xù)的觀測，則在近距離可以對十分微小的目標(biāo)予以放大觀測。而當(dāng)無人機搭載的是紅外相機時，能對拍攝區(qū)中的熱力管道實施動態(tài)分析和連續(xù)觀測，給出溫度測量圖譜，進而準(zhǔn)確地對被測目標(biāo)進行分析。在分析報告當(dāng)中，主要包含以下四項內(nèi)容：其一，平均溫度;其二，最高點溫度;其三，最低點溫度;其四，任意點的溫度。對于管道具體位置，可以根據(jù)報告提供的經(jīng)緯度和高度來確定[4]。

3結(jié)束語

綜上所述，以紅外熱成像為關(guān)鍵技術(shù)提出無人機檢測技術(shù)，通過對這一技術(shù)的實際應(yīng)用，能檢測并判斷出被檢測設(shè)備是否正常，進而有效解決以往由人員進行檢測時部分位置無法到達的問題。另外，通過對熱成像的實時采集開展圖譜分析，以此為檢驗人員給出準(zhǔn)確且科學(xué)的結(jié)果提供參考依據(jù)。在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)的各類問題，都可以為今后的深入研究及發(fā)展提供方向，比如在無人機遠(yuǎn)距離飛行過程中有效作業(yè)人員行走方向的問題，以及如何將紅外成像和可見光成像結(jié)合到一起，形成一個畫面，進一步提高檢驗過程及結(jié)果的清晰度。

參考文獻

[1] 陳亮.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在特種設(shè)備檢驗檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機與配件，2018，10（6）：173-174.

[2] 陳嘉輝.渦流檢測技術(shù)在承壓特種設(shè)備檢測中的應(yīng)用研究[J].特種設(shè)備安全技術(shù)，2017，11（6）：51-53.

[3] 江愛紅.質(zhì)量管理系統(tǒng)在特種設(shè)備檢驗檢測中的應(yīng)用及分析[J].中國設(shè)備工程，2017，10（20）：66-67.

[4] 金樟民，方學(xué)寵，邵定進.特種設(shè)備現(xiàn)場檢驗信息化建設(shè)研究[J].中國管理信息化，2017，20（10）：65.