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無(wú)人機(jī)整機(jī)
無(wú)人機(jī)配件
無(wú)人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具工業(yè)場(chǎng)所通常包含難以進(jìn)入或?qū)θ祟愑泻Φ膮^(qū)域和設(shè)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(gè)例子。圖1顯示了這樣一個(gè)單元，其目視檢查將作為整個(gè)工作的應(yīng)用示例。每當(dāng)需要檢查這些區(qū)域時(shí)，都必須采取巨大的預(yù)防措施，以盡量減少對(duì)人類工人的風(fēng)險(xiǎn)。此外，通常需要安裝腳手架以允許進(jìn)入難以到達(dá)的部分。這些措施會(huì)導(dǎo)致工廠大量停機(jī)，因此會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)成本。
圖1 電廠鍋爐二號(hào)機(jī)組的激光掃描（側(cè)視圖）。高度接近50m，這是一個(gè)中型單元。飛行試驗(yàn)在鍋爐下部進(jìn)行。
自主航空系統(tǒng)有可能減少人類對(duì)各種工業(yè)檢查任務(wù)的參與，進(jìn)而可以減少停機(jī)時(shí)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(lái)進(jìn)入高架或狹窄區(qū)域。與現(xiàn)有且非常成功地使用的機(jī)器人平臺(tái)（例如磁履帶）相比，飛行檢查車輛幾乎可以輕松進(jìn)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(lái)了許多挑戰(zhàn)，例如非常有限的有效載荷能力，因此計(jì)算資源有限。主要困難之一是在沒(méi)有 GPS 信號(hào)、高質(zhì)量慣性測(cè)量單元 (IMU) 等的情況下可靠的狀態(tài)或車輛自我運(yùn)動(dòng)估計(jì)。
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(wù)的小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng) (UAS)。具有這種能力的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)有可能減少人類對(duì)危險(xiǎn)任務(wù)的參與，并可以最大限度地減少設(shè)施停運(yùn)時(shí)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(wù)。
建模與控制
空中平臺(tái)的基礎(chǔ)是 AscTec Hummingbird 姿態(tài)控制器和無(wú)刷電機(jī)控制器。換句話說(shuō)，滾動(dòng)、俯仰和偏航速度由基礎(chǔ)平臺(tái)控制，依賴于姿態(tài)控制器集成的 IMU。定制機(jī)身在與環(huán)境的自愿或非自愿接觸期間保護(hù)螺旋槳。該平臺(tái)足夠輕巧，可以承受大多數(shù)碰撞，易于使用并且對(duì)人類操作通常是安全的。
圖2 用于鍋爐二號(hào)機(jī)組實(shí)驗(yàn)的原型飛行器。傳感器頭由一對(duì)以經(jīng)典的前視立體配置排列的攝像頭組成。板載主動(dòng)照明模塊提供足夠的照明以在鍋爐內(nèi)部運(yùn)行。IMU 安裝在背面。
如圖3所示，姿態(tài)控制器對(duì)參考命令的未知響應(yīng)是用黑盒建模方法（預(yù)測(cè)誤差方法，PEM）識(shí)別的。發(fā)現(xiàn)一階模型后跟時(shí)間延遲對(duì)于手頭的任務(wù)來(lái)說(shuō)足夠準(zhǔn)確。
圖3 四旋翼的完整模型使用一個(gè)簡(jiǎn)單的點(diǎn)質(zhì)量和四個(gè)傳遞函數(shù)來(lái)表示機(jī)載姿態(tài)控制器對(duì)命令的行為
傳感器設(shè)計(jì)
視覺(jué)/慣性傳感器的核心是Xilinx Spartan 6 FPGA，可實(shí)現(xiàn)與多達(dá)四個(gè)Aptina MT9V034 全局快門(mén) CMOS 圖像傳感器和Analog Devices ADIS16488工廠校準(zhǔn)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(jì)，用于重量或成本至關(guān)重要的應(yīng)用。FPGA通過(guò)千兆以太網(wǎng)接口連接到主機(jī)。通過(guò)FPGA路由所有傳感器流，可以使用相同的時(shí)鐘源準(zhǔn)確地對(duì)所有測(cè)量進(jìn)行時(shí)間戳記。圖4顯示了傳感器硬件。
圖4集成的視覺(jué)慣性 SLAM 傳感器。本研究?jī)H使用了安裝在正面平行立體裝置中的兩臺(tái)攝像機(jī)。與飛行器一樣，傳感器配備了相機(jī)曝光同步 LED 閃光燈（未圖示），以實(shí)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(yàn)
飛行器的任務(wù)是在距鍋爐表面約一米的距離處遵循預(yù)先定義的軌跡。第一次運(yùn)行時(shí)，所需的前進(jìn)速度設(shè)置為 0.25m/s，然后在第二次運(yùn)行時(shí)增加到 0.8m/s，以測(cè)試車輛的動(dòng)態(tài)能力和視覺(jué)慣性運(yùn)動(dòng)估計(jì)系統(tǒng)的極限。圖5顯示了車輛在典型試運(yùn)行期間所遵循的路徑的疊加圖。
圖5 飛行器執(zhí)行的實(shí)際飛行路徑，其任務(wù)是遵循預(yù)先編程的軌跡，前進(jìn)速度為 0.25m/s
圖6顯示了飛行過(guò)程中的飛行器。在距鍋爐壁大約一米的距離處，MAV 通過(guò)一個(gè)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(chǎng)景由機(jī)載的大功率 LED 照明，與相機(jī)快門(mén)同步以節(jié)省電力并避免過(guò)熱。
圖6 在飛行測(cè)試期間的飛行器
傳感器評(píng)估
圖7說(shuō)明了來(lái)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(shí)相機(jī)的估計(jì)姿勢(shì)。渲染基于相機(jī)內(nèi)在特性和失真參數(shù)，這些參數(shù)與為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所使用的設(shè)置校準(zhǔn)的參數(shù)相同。雖然純粹是定性的，但這個(gè)結(jié)果突出了姿勢(shì)估計(jì)的方向分量，這個(gè)量沒(méi)有被位置地面實(shí)況考慮。相機(jī)圖像和合成視圖表現(xiàn)出極大的相似性，這表明不僅相機(jī)位置而且其方向都已準(zhǔn)確恢復(fù)。
圖7 使用來(lái)自鍋爐結(jié)構(gòu)掃描的估計(jì)相機(jī)位姿和反射率測(cè)量值比較數(shù)據(jù)集 (11(a)) 中的相機(jī)幀和合成視圖 (11(b))。渲染應(yīng)用了為實(shí)驗(yàn)中使用的相機(jī)校準(zhǔn)的相機(jī)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(jī)的位置而且它的方向已經(jīng)被估計(jì)到足夠的準(zhǔn)確度。
通過(guò)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(cè)到更大的結(jié)構(gòu)損壞。我們的視覺(jué)慣性狀態(tài)估計(jì)框架的定量結(jié)果顯示，在超過(guò)8分鐘的時(shí)間里，位置發(fā)生了大約10厘米的小幅漂移。這表明即使沒(méi)有外部導(dǎo)航設(shè)備，跟隨大軌跡也是可行的。
源自：DOI: 10.1109/AERO.2013.6496959
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