1.马鞍山市特种设备监督检验中心 安徽马鞍山 243041；2.安徽科器智能技术开发有限公司 安徽马鞍山 243041
摘要：本文首先对特种设备无人机在起重机和压力管道等检测领域中的应用情况和所存在的困难进行了深入的分析。之后根据红外热成像技术设计出了特种设备无人机检测系统，结合开源飞控系统研发了飞控系统，在飞控系统中搭载宏观摄像头与机载红外设备，能够有效完成特种设备的红外和宏观检测，这一设备的应用能够让检验人员摆脱高温、高空、有害有毒等高危作业环境。通过对化工园区内的热力管道实施检测，证明此系统能够完成对热力管道的红外及宏观检测，对检测管道的宏观与保温层情况非常有帮助。
关键词：特种设备；无人机检测系统；设计；应用
压力管道和压力容器及起重机等特殊设备，在平时寻常检测时通常需要登高来进行或是长距离实施检测操作，这对于提升检测效率、降低检测人员工作压力，来说是一种较困难并且具有挑战性的一项工作。而多旋翼无人机系统恰好具备长距离飞行、能够悬停、成本低、操作简单、可以携载检测设备等特点，伴随多旋翼无人机的广泛应用，近些年我国各大特种设备检测机构正在不断的开发以无人机技术和无损检测技术融合在一起的无人机检测系统，同时将其融入到石化企业、起重机和游乐设施等特种设备中，其中包含的主要内容是应急救援、检测、事故现场的勘察等。
1.无人机系统应用现状
尽管市场现时期已有较成熟并且可靠的无人机系统，然而却只限用在民用领域当中，在其他行业的应用依然缺少较适合并且完备的产品。如大疆研发的无人机，如直接在大型容器、塔器、及罐体等大规格的特种设备和长输管道的检测中使用，经常会产生以下一些问题，即：1）负载力有限，平时所用的检测装置不能实施搭载操作；2)从功能上来看完全不适合，相互间无法实现融合，不能为其提供图像处理识别和数据分析功能；3）续航时间与现实检测需求相差太远，根本无法达到要求。所以结合这些情况，开展研究以旋翼无人机为主的特种设备检测系统是非常有意义和价值的。
2.特种设备无人机红外热成像检测法
红外热成像技术属于一种无损检测。由于其具备非接触式操作优势，不但测温效率高、灵敏性高，并且其使用范围也较大、可直观的呈现图像。红外热像仪设备的外观和光摄像设备比较相似，都是基于热释电效应利用非制冷探测仪来接收被测对象外表红外辐射的。将检测对象表面的不可见热辐射以热图像的形式实施实时成像操作。在工作过程中，检测人员把红外热成像设备对准所要检测的对象，在对热辐射图进行观察的同时拍摄存在可疑的地方，之后再进行整理汇总并分析判断存在问题的部位。如被检测设备某位置有破损情况存在，那么在破损位置处的温度会不断上升，这时成像会显示异常。采用红外热成像仪器进行故障诊断，诊断效率非常高，可以在发现时就能及时的确定，分辨率能够达到0.10C，而且还不会因光源弱而受到任何影响，可以晚上进行操作。所以，能够利用无人机搭载红外热成像仪器来取替以往的人工检测。
3.特种设备无人机检测系统设计
在此所选择的无人机负载设备是机载红外设备，其分辨率为640，并且配备了三轴变焦像素为2000万的可见光相机。结合所搭载设备本身负重，设计了轴距在800的四旋翼式无人机，无人机仪器结构图如图1所示。在飞行器的底端设置了能够便于更换相机云台的速拆结构，这样可为红外相机和可风光相机的交换使用提供方便。在无人机飞行期间，机载红外设备能够拍摄到常规图像或是全辐射图像，同时还可以录制8位的MJPEG或是H.264式数字视频，除此之外还可记录14位静止图像。在温度识别上，可以智能的追踪到区域内的高温点，并同时得到平均温值和最高及最低点的温度值。
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图1 无人机机械结构
飞控系统主要使用的是由杭州若联公司开发的习控器。此飞控系统主要是在工业领域应用的一种全可编程式飞控，可适用于数十种传感器的I/O接口。在本文中所提到的无人机主要搭载了加速计、GPS、磁罗盘、陀螺仪、热红外、雷达等传感器。主要使用的是SOC架构式无人机操作系统，在芯片当中配备了ARM双核处理器与FPGA可编程逻辑，在提供自动控制和人机交互的功能以外，可以对飞行控制算法硬件进行加速同，时降低功耗。飞行控制算法主要使用的是卡乐曼滤波控制。
飞行平台主要是基于开源飞控系统ArduPilot为主而进行开发的，ArduPilot系统主要是由高级层、硬件抽象层所构成。其中高级层主要是负责输入数据的处理和调度任务执行。抽象层就是底层硬件驱动层，主要是访问硬件存储器内数据。像这种分离式的架构设计，能够进行跨平台应用的开发。对于地面控制站的开发来说，其主要是基于windows系统来开发的，其中调试的软件使用的是mission planner，地面站开发界面如图2所示。图像传送系统主要使用的是HACK LINK数字链路，主要支持720p视频与mavlink飞行数据的交互，及PPM遥控器数据转发等功能，对于视频和图像的观看，可利用手机或是平板来观看及管控。在此当中mavlink主要适合应用在小规格无人机通信协议。
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图2 地面站开发界面
4.特种设备无人机检测系统的应用
在多处工业园区内的外热力管道实施无人机检测，实现26分钟远距图传与红外热成像定点测温操作，基本能够完成现场宏观和红外检测，可以及时发现热力管道外观保湿层损坏情况。具体测得现场图与热成像如图3所示。当无人机搭载可见光式摄像机时，因其具备十位变焦所以可以对较远距离的管道实施稳定的检测，而近距离可以对微小目标的细小环节进行放大观测。在搭载红外热成像仪时能够对拍摄范围内的管道实施随时的分析和观测，并同时出具红外测温图谱，对被测目标进行精准的分析。
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图3 热力管道无人机测试现场和热成像
5.结语
总体来说，本文基于红外热成像无损检测技术设计了特种设备无人机检测系统，之后通过现场应用，能够辨识设备是不是存在异常，并同时对人员无法检测到位置实施检测，利用采集热成像来对图谱进行分析，辅助检测人员有效作出精准的检测和判断。
参考文献
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