孫大超

摘 要 針對(duì)過去以人工為主的特種設(shè)備檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢測(cè)效率低等問題，提出一種將無人機(jī)和紅外熱成像結(jié)合到一起的新檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)其該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行深入分析，通過實(shí)踐，驗(yàn)證了該檢測(cè)系統(tǒng)的可行性與有效性。

關(guān)鍵詞 特種設(shè)備檢測(cè);無人機(jī);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(shí)得到修復(fù)，將產(chǎn)生安全隱患。然而，特種設(shè)備的檢測(cè)在過去一直采用人工進(jìn)行，勞動(dòng)強(qiáng)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(jī)技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用為特種設(shè)備檢測(cè)提供了新的技術(shù)支撐，能在保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)，加快檢測(cè)效率。

1基于紅外熱成像的特種設(shè)備無人機(jī)檢測(cè)方法

對(duì)起重機(jī)和壓力管道及容器進(jìn)行日常巡查或試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)，經(jīng)常需要進(jìn)行登高作業(yè)或進(jìn)行長(zhǎng)距離檢查，這不僅增大了相關(guān)人員作業(yè)強(qiáng)度，而且對(duì)提高檢測(cè)工作效率也提出了很大的挑戰(zhàn)。無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離飛行，具有可搭載設(shè)備、可懸停和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，伴隨無人機(jī)使用日益普及，近幾年我國(guó)很多特種設(shè)備檢測(cè)機(jī)構(gòu)都在不斷加強(qiáng)對(duì)這項(xiàng)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(cè)實(shí)際工作當(dāng)中，取得了良好的成效[1]。

對(duì)于紅外熱成像，它是一種常用無損檢測(cè)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(duì)圖像的顯示比較直觀。該技術(shù)和光學(xué)攝影機(jī)十分相近，都是以熱釋電效應(yīng)為依據(jù)采用非制冷探測(cè)器對(duì)目標(biāo)表面存在的紅外輻射進(jìn)行接收，然后對(duì)不可見熱圖像予以動(dòng)態(tài)成像。在實(shí)際工作中，對(duì)準(zhǔn)待檢測(cè)設(shè)備的成像儀，在對(duì)輻射圖進(jìn)行連續(xù)觀察的基礎(chǔ)上，可對(duì)可疑的部位進(jìn)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(shí)現(xiàn)所見即所得目標(biāo)，正常情況下的分辨率能達(dá)到0.1℃，而且不會(huì)受到光源強(qiáng)度的干擾與影響，在夜間也可以進(jìn)行操作?；诖?，在無人機(jī)上搭載這種設(shè)備能實(shí)現(xiàn)對(duì)特種設(shè)備的檢測(cè)，從而徹底取代傳統(tǒng)的人工檢測(cè)，從根本上解決上述實(shí)際問題。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無人機(jī)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(jī)主要搭載的設(shè)備，在此基礎(chǔ)上還搭載可見光相機(jī)。根據(jù)以上搭載的設(shè)備，可采用四旋翼無人機(jī)。在飛行器的底部可以設(shè)計(jì)一個(gè)便于相機(jī)云臺(tái)更換操作的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)，使紅外相機(jī)和可見光相機(jī)在飛行中能夠輕松地進(jìn)行交替使用。在無人機(jī)飛行時(shí)，采用紅外相機(jī)能對(duì)常規(guī)JPEG格式的圖像進(jìn)行拍攝，并能錄制相應(yīng)的數(shù)字視頻，對(duì)靜止圖像進(jìn)行記錄。從溫度識(shí)別方面講，可以對(duì)檢測(cè)范圍內(nèi)溫度達(dá)到最高的點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)追蹤和捕獲，并能確定溫度的平均值，以及最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的實(shí)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(jī)中，還搭載很多傳感器，如陀螺儀、加速度計(jì)和GPS等。采用以SoC為基礎(chǔ)的實(shí)操系統(tǒng)，在芯片中對(duì)ARM與FPGA予以集成，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和人機(jī)交互基礎(chǔ)上，提供硬件加速功能，并減少功耗。無人機(jī)飛行控制平臺(tái)是將開源飛行控制系統(tǒng)作為基礎(chǔ)開發(fā)而成的，對(duì)于開源飛行控制系統(tǒng)，它主要由HAL與高級(jí)層兩部分構(gòu)成。其中，高級(jí)層主要對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)任務(wù)實(shí)際執(zhí)行進(jìn)行調(diào)度。而HAL主要功能在于底層硬件驅(qū)動(dòng)，對(duì)硬件存儲(chǔ)器當(dāng)中的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。采用這種架構(gòu)，能進(jìn)行跨平臺(tái)的應(yīng)用開發(fā)。無人機(jī)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(duì)720p高清視頻信號(hào)進(jìn)行傳輸，并能對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互、對(duì)遙控器數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，采用手機(jī)或平板電腦等終端就可以對(duì)高清視頻進(jìn)行觀看及控制[3]。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用

按照以上設(shè)計(jì)方案制成檢測(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)溫度測(cè)量，滿足現(xiàn)場(chǎng)宏觀檢測(cè)要求與紅外檢測(cè)要求，可發(fā)現(xiàn)管道中保溫層實(shí)際破壞情況。當(dāng)無人機(jī)搭載的是可見光相機(jī)時(shí)，通過十倍變焦能對(duì)遠(yuǎn)距離或超遠(yuǎn)距離的熱力管道實(shí)施穩(wěn)定且連續(xù)的觀測(cè)，則在近距離可以對(duì)十分微小的目標(biāo)予以放大觀測(cè)。而當(dāng)無人機(jī)搭載的是紅外相機(jī)時(shí)，能對(duì)拍攝區(qū)中的熱力管道實(shí)施動(dòng)態(tài)分析和連續(xù)觀測(cè)，給出溫度測(cè)量圖譜，進(jìn)而準(zhǔn)確地對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行分析。在分析報(bào)告當(dāng)中，主要包含以下四項(xiàng)內(nèi)容：其一，平均溫度;其二，最高點(diǎn)溫度;其三，最低點(diǎn)溫度;其四，任意點(diǎn)的溫度。對(duì)于管道具體位置，可以根據(jù)報(bào)告提供的經(jīng)緯度和高度來確定[4]。

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，以紅外熱成像為關(guān)鍵技術(shù)提出無人機(jī)檢測(cè)技術(shù)，通過對(duì)這一技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，能檢測(cè)并判斷出被檢測(cè)設(shè)備是否正常，進(jìn)而有效解決以往由人員進(jìn)行檢測(cè)時(shí)部分位置無法到達(dá)的問題。另外，通過對(duì)熱成像的實(shí)時(shí)采集開展圖譜分析，以此為檢驗(yàn)人員給出準(zhǔn)確且科學(xué)的結(jié)果提供參考依據(jù)。在實(shí)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(jī)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(gè)畫面，進(jìn)一步提高檢驗(yàn)過程及結(jié)果的清晰度。

參考文獻(xiàn)

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