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設備與工具工業(yè)場所通常包含難以進入或?qū)θ祟愑泻Φ膮^(qū)域和設施。燃煤火力發(fā)電廠的鍋爐單元就是這種環(huán)境類型的一個例子。圖1顯示了這樣一個單元，其目視檢查將作為整個工作的應用示例。每當需要檢查這些區(qū)域時，都必須采取巨大的預防措施，以盡量減少對人類工人的風險。此外，通常需要安裝腳手架以允許進入難以到達的部分。這些措施會導致工廠大量停機，因此會帶來巨大的經(jīng)濟成本。
圖1 電廠鍋爐二號機組的激光掃描（側(cè)視圖）。高度接近50m，這是一個中型單元。飛行試驗在鍋爐下部進行。
自主航空系統(tǒng)有可能減少人類對各種工業(yè)檢查任務的參與，進而可以減少停機時間。它們既不需要廣泛的安全措施，也不需要支撐結(jié)構(gòu)來進入高架或狹窄區(qū)域。與現(xiàn)有且非常成功地使用的機器人平臺（例如磁履帶）相比，飛行檢查車輛幾乎可以輕松進入任何區(qū)域，并且不限于鐵磁表面。然而，飛行系統(tǒng)的使用帶來了許多挑戰(zhàn)，例如非常有限的有效載荷能力，因此計算資源有限。主要困難之一是在沒有 GPS 信號、高質(zhì)量慣性測量單元 (IMU) 等的情況下可靠的狀態(tài)或車輛自我運動估計。
因此，提出了一種能夠在封閉的工業(yè)環(huán)境中執(zhí)行檢查任務的小型無人機系統(tǒng) (UAS)。具有這種能力的無人機系統(tǒng)有可能減少人類對危險任務的參與，并可以最大限度地減少設施停運時間。所呈現(xiàn)的結(jié)果可以推廣到幾乎任何 GPS 拒絕的室內(nèi)環(huán)境中的 UAS 探索任務。
建模與控制
空中平臺的基礎是 AscTec Hummingbird 姿態(tài)控制器和無刷電機控制器。換句話說，滾動、俯仰和偏航速度由基礎平臺控制，依賴于姿態(tài)控制器集成的 IMU。定制機身在與環(huán)境的自愿或非自愿接觸期間保護螺旋槳。該平臺足夠輕巧，可以承受大多數(shù)碰撞，易于使用并且對人類操作通常是安全的。
圖2 用于鍋爐二號機組實驗的原型飛行器。傳感器頭由一對以經(jīng)典的前視立體配置排列的攝像頭組成。板載主動照明模塊提供足夠的照明以在鍋爐內(nèi)部運行。IMU 安裝在背面。
如圖3所示，姿態(tài)控制器對參考命令的未知響應是用黑盒建模方法（預測誤差方法，PEM）識別的。發(fā)現(xiàn)一階模型后跟時間延遲對于手頭的任務來說足夠準確。
圖3 四旋翼的完整模型使用一個簡單的點質(zhì)量和四個傳遞函數(shù)來表示機載姿態(tài)控制器對命令的行為
傳感器設計
視覺/慣性傳感器的核心是Xilinx Spartan 6 FPGA，可實現(xiàn)與多達四個Aptina MT9V034 全局快門 CMOS 圖像傳感器和Analog Devices ADIS16488工廠校準的MEMS IMU 的接口。此外，還安裝了一組中低成本MEMS陀螺儀和加速度計，用于重量或成本至關重要的應用。FPGA通過千兆以太網(wǎng)接口連接到主機。通過FPGA路由所有傳感器流，可以使用相同的時鐘源準確地對所有測量進行時間戳記。圖4顯示了傳感器硬件。
圖4集成的視覺慣性 SLAM 傳感器。本研究僅使用了安裝在正面平行立體裝置中的兩臺攝像機。與飛行器一樣，傳感器配備了相機曝光同步 LED 閃光燈（未圖示），以實現(xiàn)在鍋爐中的操作。FPGA 位于 PCB 的底部，中間頂部是市售的 Intel ATOM 模塊。
飛行試驗
飛行器的任務是在距鍋爐表面約一米的距離處遵循預先定義的軌跡。第一次運行時，所需的前進速度設置為 0.25m/s，然后在第二次運行時增加到 0.8m/s，以測試車輛的動態(tài)能力和視覺慣性運動估計系統(tǒng)的極限。圖5顯示了車輛在典型試運行期間所遵循的路徑的疊加圖。
圖5?飛行器執(zhí)行的實際飛行路徑，其任務是遵循預先編程的軌跡，前進速度為 0.25m/s
圖6顯示了飛行過程中的飛行器。在距鍋爐壁大約一米的距離處，MAV 通過一個區(qū)域，該區(qū)域的表面被非鐵磁性的、輕微腐蝕的隔熱罩絕緣。場景由機載的大功率 LED 照明，與相機快門同步以節(jié)省電力并避免過熱。
圖6 在飛行測試期間的飛行器
傳感器評估
圖7說明了來自數(shù)據(jù)集的視頻幀與從結(jié)構(gòu)的激光掃描渲染的合成視圖之間的比較，以及在記錄視頻幀時相機的估計姿勢。渲染基于相機內(nèi)在特性和失真參數(shù)，這些參數(shù)與為進行實驗所使用的設置校準的參數(shù)相同。雖然純粹是定性的，但這個結(jié)果突出了姿勢估計的方向分量，這個量沒有被位置地面實況考慮。相機圖像和合成視圖表現(xiàn)出極大的相似性，這表明不僅相機位置而且其方向都已準確恢復。
圖7 使用來自鍋爐結(jié)構(gòu)掃描的估計相機位姿和反射率測量值比較數(shù)據(jù)集 (11(a)) 中的相機幀和合成視圖 (11(b))。渲染應用了為實驗中使用的相機校準的相機內(nèi)在參數(shù)和失真參數(shù)。這些數(shù)字表現(xiàn)出極大的相似性，這表明不僅相機的位置而且它的方向已經(jīng)被估計到足夠的準確度。
通過控制掃描軌跡，我們能夠在近距離拍攝一組重疊的、正面平行的鍋爐壁照片，從而能夠檢測到更大的結(jié)構(gòu)損壞。我們的視覺慣性狀態(tài)估計框架的定量結(jié)果顯示，在超過8分鐘的時間里，位置發(fā)生了大約10厘米的小幅漂移。這表明即使沒有外部導航設備，跟隨大軌跡也是可行的。
源自：DOI: 10.1109/AERO.2013.6496959
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