无人机整机
无人机配件
无人机服务
设备与工具工业场所通常包含难以进入或对人类有害的区域和设施。燃煤火力发电厂的锅炉单元就是这种环境类型的一个例子。图1显示了这样一个单元，其目视检查将作为整个工作的应用示例。每当需要检查这些区域时，都必须采取巨大的预防措施，以尽量减少对人类工人的风险。此外，通常需要安装脚手架以允许进入难以到达的部分。这些措施会导致工厂大量停机，因此会带来巨大的经济成本。
图1 电厂锅炉二号机组的激光扫描（侧视图）。高度接近50m，这是一个中型单元。飞行试验在锅炉下部进行。
自主航空系统有可能减少人类对各种工业检查任务的参与，进而可以减少停机时间。它们既不需要广泛的安全措施，也不需要支撑结构来进入高架或狭窄区域。与现有且非常成功地使用的机器人平台（例如磁履带）相比，飞行检查车辆几乎可以轻松进入任何区域，并且不限于铁磁表面。然而，飞行系统的使用带来了许多挑战，例如非常有限的有效载荷能力，因此计算资源有限。主要困难之一是在没有 GPS 信号、高质量惯性测量单元 (IMU) 等的情况下可靠的状态或车辆自我运动估计。
因此，提出了一种能够在封闭的工业环境中执行检查任务的小型无人机系统 (UAS)。具有这种能力的无人机系统有可能减少人类对危险任务的参与，并可以最大限度地减少设施停运时间。所呈现的结果可以推广到几乎任何 GPS 拒绝的室内环境中的 UAS 探索任务。
建模与控制
空中平台的基础是 AscTec Hummingbird 姿态控制器和无刷电机控制器。换句话说，滚动、俯仰和偏航速度由基础平台控制，依赖于姿态控制器集成的 IMU。定制机身在与环境的自愿或非自愿接触期间保护螺旋桨。该平台足够轻巧，可以承受大多数碰撞，易于使用并且对人类操作通常是安全的。
图2 用于锅炉二号机组实验的原型飞行器。传感器头由一对以经典的前视立体配置排列的摄像头组成。板载主动照明模块提供足够的照明以在锅炉内部运行。IMU 安装在背面。
如图3所示，姿态控制器对参考命令的未知响应是用黑盒建模方法（预测误差方法，PEM）识别的。发现一阶模型后跟时间延迟对于手头的任务来说足够准确。
图3 四旋翼的完整模型使用一个简单的点质量和四个传递函数来表示机载姿态控制器对命令的行为
传感器设计
视觉/惯性传感器的核心是Xilinx Spartan 6 FPGA，可实现与多达四个Aptina MT9V034 全局快门 CMOS 图像传感器和Analog Devices ADIS16488工厂校准的MEMS IMU 的接口。此外，还安装了一组中低成本MEMS陀螺仪和加速度计，用于重量或成本至关重要的应用。FPGA通过千兆以太网接口连接到主机。通过FPGA路由所有传感器流，可以使用相同的时钟源准确地对所有测量进行时间戳记。图4显示了传感器硬件。
图4集成的视觉惯性 SLAM 传感器。本研究仅使用了安装在正面平行立体装置中的两台摄像机。与飞行器一样，传感器配备了相机曝光同步 LED 闪光灯（未图示），以实现在锅炉中的操作。FPGA 位于 PCB 的底部，中间顶部是市售的 Intel ATOM 模块。
飞行试验
飞行器的任务是在距锅炉表面约一米的距离处遵循预先定义的轨迹。第一次运行时，所需的前进速度设置为 0.25m/s，然后在第二次运行时增加到 0.8m/s，以测试车辆的动态能力和视觉惯性运动估计系统的极限。图5显示了车辆在典型试运行期间所遵循的路径的叠加图。
图5 飞行器执行的实际飞行路径，其任务是遵循预先编程的轨迹，前进速度为 0.25m/s
图6显示了飞行过程中的飞行器。在距锅炉壁大约一米的距离处，MAV 通过一个区域，该区域的表面被非铁磁性的、轻微腐蚀的隔热罩绝缘。场景由机载的大功率 LED 照明，与相机快门同步以节省电力并避免过热。
图6 在飞行测试期间的飞行器
传感器评估
图7说明了来自数据集的视频帧与从结构的激光扫描渲染的合成视图之间的比较，以及在记录视频帧时相机的估计姿势。渲染基于相机内在特性和失真参数，这些参数与为进行实验所使用的设置校准的参数相同。虽然纯粹是定性的，但这个结果突出了姿势估计的方向分量，这个量没有被位置地面实况考虑。相机图像和合成视图表现出极大的相似性，这表明不仅相机位置而且其方向都已准确恢复。
图7 使用来自锅炉结构扫描的估计相机位姿和反射率测量值比较数据集 (11(a)) 中的相机帧和合成视图 (11(b))。渲染应用了为实验中使用的相机校准的相机内在参数和失真参数。这些数字表现出极大的相似性，这表明不仅相机的位置而且它的方向已经被估计到足够的准确度。
通过控制扫描轨迹，我们能够在近距离拍摄一组重叠的、正面平行的锅炉壁照片，从而能够检测到更大的结构损坏。我们的视觉惯性状态估计框架的定量结果显示，在超过8分钟的时间里，位置发生了大约10厘米的小幅漂移。这表明即使没有外部导航设备，跟随大轨迹也是可行的。
源自：DOI: 10.1109/AERO.2013.6496959
2024-02-28 10:00
2024-02-28 09:58
2024-02-28 09:55
2024-02-28 09:54
2024-02-27 10:18
2024-02-27 10:15
2024-02-27 10:12
2024-02-27 10:11
2024-02-27 10:11
2024-02-26 10:09
