龙源环保密闭空间自主飞行巡测无人机破解世界级难题

      安徽宿州电厂近五十米高的脱硫塔内，一场无声的科技革命正在上演。直径20米的圆柱空间里，漂浮的灰尘在探照灯下翻涌，钢塔内壁的防腐层布满结晶。这里曾是人工作业的“噩梦区”——工人需在这个空间内搭设满堂脚手架，在脚手架上沿着塔壁一寸寸检查寻找破损的防腐层，每次检测至少耗时5天的高风险作业。

      但此刻，一只翼展不足半米的黑色“雄鹰”正在喷淋层中穿梭。它灵巧地避开错综复杂的支撑梁，激光雷达在黑暗中划出绿色网格，塔内三维地图在地面站屏幕上快速成型。突然，无人机悬停在一处阴影前，实时图传的画面上亮起警示框，精准标出了塔壁上50cm×30cm的区域发生衬胶脱落，系统自动拍照并记录坐标。——这是龙源环保研发的全球首套脱硫塔自主飞行巡测无人机系统，仅用2小时便完成了传统团队5天的工作。
     “我们管它叫'密室雄鹰'，”科环龙源环保特许运维事业部副经理兼项目负责人郭锦涛解释，“既能在密闭空间里自主飞行，又有鹰一样的眼睛精准识别故障。”就在前不久，该技术顺利通过中国电力企业联合会组织的科技成果鉴定，鉴定专家一致认为：项目成果总体技术水平达到国际领先水平。

给无人机装上“蝙蝠之眼”

      别看雄鹰如今飞得流畅，着实起飞不易。研发团队最初遭遇的是“密室检测”问题，如何才能提高脱硫塔内部的检修效率，节约成本，同时降低安全风险？吸收塔人孔门的尺寸限制了大型起重机械进入其内部，采用爬壁机器人又存在塔壁结垢凹凸不平、无法有效吸附的问题。最完美的解决方案是使用无人机直接在这个三维立体空间中飞行，效率最高，但是无人机在塔内飞行存在更多技术难题，首先就是自身的定位导航问题：卫星信号被钢铁塔壁隔绝，视觉导航因黑暗巨大的空间和漂浮的灰尘失效，而激光雷达因在塔内垂直方向的特征雷同发生模型退化而“迷路”——就像让人蒙眼在镜面迷宫里找路。

      转机来自一次跨学科的碰撞火花，一天夜里，团队成员苏殿熙盯着SLAM（同步定位与建图）算法崩溃的日志，突然想起蝙蝠的回声定位技术。“既然环境的定位特征有限，我们就增加感知维度来创建精准坐标系！”他们创造性地构建了融合飞行姿态和高度约束的LIO-UAV算法——相当于给无人机装上“蝙蝠之眼”，突破了密闭空间、特征稀疏环境下无人机定位与三维地图重建的技术瓶颈，有效解决了SLAM在高度方向特征退化导致的精度下降问题，即使在密闭大空间中特征稀少的垂直方向也能通过姿态和高度变化计算出精确位置，实现了脱硫塔中的无人机自主飞行控制。 

 
      团队还创造性地提出了SOIM索引地图技术：针对大空间环境下无人机路径规划过程中由于全局地图数据量大导致的机载电脑难以满足大量实时体素搜索和全局地图存储问题，研发团队提出了轻量化索引地图结构及快速体素搜索方法SOIM，因此大大节省了地图存储空间，提升了路径规划的实时性与系统资源适应性。测试时，使用SOIM方法相比于普通点云地图节省了98.86%的存储空间，平均体素搜索速度相比于Octomap提高了22.53%，使无人机具备了巡测轨迹规划功能，无人机CPU负载直接从90%降至35%，续航提升了40%。

      “就像司机在开车过程中相比于记忆区域内所有地理位置信息，只记忆行驶路线上的关键建筑物。”软件负责人侯博士这样比喻道。

与试飞斗智斗勇

      团队迅速排查坠机原因，通过查看飞控数据发现，无人机在进行俯仰动作时，对侧螺旋桨电机的电流会急剧升高，超过了其最大电流负载。经过分析，这个现象是由于无人机负重配置受限，其重心与结构中心不完全重合，导致对侧的两个螺旋桨要额外消耗一部分功率来抵抗无人机的自旋趋势，这部分功率在设计时没有考虑到，最终导致电机不堪重负，无人机姿态失稳。 

 
      大家连夜对无人机进行改造，调整负重配置，让重心与结构中心重合，同时重新对电机进行选型，选择了功率更大的电机，增加了安全冗余，提高了无人机的可靠性。而电机功率的增加又导致了无人机续航的降低，团队不得不在配重、性能、续航等参数中寻找合适的平衡点，通过解决一个又一个技术难题、工程难题，这只“密室雄鹰”也变得越来越强壮。

从“密室”飞向行业

      在山西大同二电厂，这套无人机系统刚上岗就立下大功。无人机扫描过程中发现塔壁防腐鳞片有颜色的轻微变化，经确认是防腐鳞片经过浆液冲刷磨损变薄，细微处已经有磨穿迹象——这种隐患人工检查也很难发现。“若是检修过程中没有发现，机组启动后，脱硫塔塔壁有可能被腐蚀穿透，严重了甚至会导致机组非停事故。”电厂管理人员心有余悸。

      目前该无人机系统已经多次立功，避免了可能导致的严重后果。从整体来看，通过节省脚手架搭建费用、节约检修工期、避免发生故障等，该无人机系统能为单厂年节约检修成本超80万元。

 
      更令人兴奋的是无人机系统得到了应用推广。在江苏常州污泥处理现场，该无人机仅用半天就完成了污泥库的检测，发现了建筑结构中的气体渗漏点，而用传统的方式搭脚手架检测需清空泥库并停工两周，需要付出巨大的成本。密闭空间自主巡测的消息像信鸽般越传越广，这只“雄鹰”的飞翔范围也越来越大，龙源环保正着手开发多功能版本，实现更多场景的应用，未来还有可能飞入锅炉、油气罐等“工业禁地”。 

 
      随着火电深度调峰成为常态，火电厂主要设备的健康监测关乎能源安全。全国上万台脱硫塔，传统检测每年消耗数十万人工时，如果全都用上这项技术，每年能节约成本上亿元。 

 
      站在山东博兴电厂的脱硫塔下，夕阳为脱硫塔披上了金甲。塔内，“密室雄鹰”正进行自主飞行巡测，它的轨迹在地面站屏幕上织成一张发光的网——这既是工业元宇宙的神经末梢，也是环保产业向智慧运维跃迁的生动注脚，正如研发团队常挂嘴边的一句话：“给硬核工业注入一点‘黑科技’的浪漫。”