基于无人机的起重机检测系统研究
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1.2 架构设计
选用稳定的多旋翼无人机（具有高耐久性、高 稳健性等特点）系统，结合港口大型起重机检测的 特殊性，进行针对性的研发改进，使无人机检测平 台适用于起重机的专业性检测，且整个操作过程 更加便捷有效。
如图 1 所示，多旋翼无人机起重机检测系统 主要由无人机飞行结构、机器视觉避障系统、高清 摄像机、遥控装置、地面站系统以及检测报告软件
2）遇险自动返航功能。当无人机在全自动执 行检测任务、遇到信号失控等紧急情况时，系统能 智能判断并做出遇险自动返航保护处理。
3）起重机三维模型（3D）导入功能。基于起 重机检测的实际应用，支持将起重机结构设计的 3D 图导入到地面站系统中，并且在导入的 3D 图 中可以实现对起重机检测点的自助构件编号。
2）系统与起重机三维模型相结合形成良好的 操控界面，实现无人机自动航线规划，且和传感器 配合完成起重机数据采集。其方法是在起重机的 司机室安放无线传感器方便传送数据，收集起重 机工作过程的受力状态、结构振动等参数，为起重 机风险评估提供依据。
3）系统在起重机管理中起到非常重要的补充 作用。系统借助无人机的空中优势，通过搭载高 清照相机、夜视传感器或无损检测设备实现非接 触式检测，且具备可扩展性（即可与其它微型检测 设备结合，实现起重机裂纹扩展、腐蚀变化、载荷 变化等诸多工况有效监控）。
第2期
机电技术
89
基于无人机的起重机检测系统研究
杨静
（福建省特种设备检验研究院，福建 福州 350008）
摘 要：针对目前港口大型起重机高空位置的金属结构表面缺陷检测存在盲点和危险性等问题，设计一种基于无人 机的起重机检测系统。根据起重机检验的任务需求，从无人机检测系统的功能定位出发，构建了检测系统架构；阐述了系 统的关键组成部分的功能设计。实际应用表明，基于无人机平台的检测技术可以降低大型起重机结构检测工作的危险 性、提高工作效率。
*福建省质量技术监督局科技项目（FJQI2017016） 作者简介：杨静（1983—），女，工程师，硕士，主要从事特种设备检测技术研究。
90
机电技术
2019 年 4 月
平台等几大关键部分组成。无人机飞行结构、机 器视觉避障系统结合高清摄像机可实现起重机金 属结构检测所需要位置的安全飞行，同时可以获 取高清的图像数据；地面站系统与摇控装置组合 可以实现无人机飞行航线的规划以及各种飞行 类、检测类数据的展示与处理；检测报告软件平台 可为起重机使用单位提供检测报告。
关键词：无人机；起重机；检测；缺陷 中图分类号：TH21；V279 文献标识码：A 文章编号：1672-4801（2019）02-089-04 DOI:10.19508/j.cnki.1672-4801.2019.02.025
起重机是一种使用广泛的物流设备，然而其 在长期高负载运作下产生的机械磨损、疲劳断裂 产生的裂纹，以及长期暴露于潮湿环境下造成的 机械腐蚀等安全缺陷无法避免[1，2]。对运行起重机 的安全检测必不可少。但检测港口大型起重机金 属结构的高空位置，往往现场还伴随着大风等恶 劣环境；且有些部位如港口门座式起重机的象鼻 梁和人字架顶部、门式起重机的主梁下盖板和支 腿上部等，检测人员往往难以到达，或到达后受空 间限制难以从容地使用仪器进行检测[3，4]。因此亟 需一种安全性高、易操作的方式实现起重机全面 安全检测。
4）基于 3D 模型图的路径规划功能。在系统 中导入的 3D 坐标可以直接转换为无人机接入的 坐标，无人机在飞行和航线定制时，可以直接参考 该坐标，完成起重机检测路径规划和自主飞行。
5）视频回传功能。在无人机飞行过程中，系 统可以实时将无人机拍摄的起重机缺陷图像数据 回传到地面站系统。检验人员可以将应用软件安
1）无人机具有自动防撞、返航、告警、防风平 衡能力，可沿起重机被检测金属结构面飞行。通
过遥控装置控制无人机完成起重机金属结构底 面、顶面等位置的拍摄取证，为检测人员分析起重 机裂缝状态提供图片数据，从而及时发现缺陷、减 轻检验人员的工作强度、提高检测维护效率。系 统裂缝识别精度能达到亚 mm 级，即使 0.1 mm 的 缝隙也可以被识别出来。
近年来，随着无人机技术的不断进步，基于无 人机的检测技术在电力巡线、桥梁检测等领域得 到一定程度的应用[5，6]。对于起重机金属结构表面 裂纹、腐蚀等缺陷，利用无人机搭载视觉传感器对 其进行非接触式检测，可有效弥补检验人员在高 空位置检测的不足。
1 系统的功能定位与架构设计
1.1 功能定位
港口大型起重机多在大风、露天等复杂的环 境工作，且金属结构表面存在灰尘、油污、漆皮剥 落等问题，故设计的无人机起重机检测系统的功 能和内容主要包括以下几个方面[7，8]：
2.2 机器视觉避障系统
无人机起重机检测系统采用机器视觉传感导 航和超声波传感器系统，辅以先进的视觉算法，可 感知飞行区域附近的障碍物，保证整个检测航线 的安全飞行。具体设计功能有：
1）高精度视觉定位。系统采用高精度立体视 觉算法，在复杂起重机金属结构环境和高速飞行 条件下均可提供达 cm 级准确定位信息，为近距离 检测起重机金属结构提供保障。
装在移动端，如手机或者平板电脑，在线查Βιβλιοθήκη Baidu缺陷 图像数据。
6）微定位功能。在无人机飞行检验起重机过 程中，通过系统指定 3D 坐标结合飞行数据，如飞 行高度、距离、速度等综合数据计算出无人机当前 的飞行位置，完成微坐标定位。在得到自动定位 后根据起重机部件指定的拍摄点自动开启图像采 集功能。
7）警告及处置功能。可实时接收显示空中视 频图像和详尽的飞行器遥测数据，对信号不良、电 池电量不足、空中风力变化等重要问题自动报警 提示和处理。
图 1 无人机载的起重机检测系统架构图
2 系统方案设计
2.1 地面站系统 整个地面站系统基于客户端/服务器模式（C/
S）：客户端完成起重机相关数据采集、控制和接入 功能；服务器端完成数据的管理和分析功能。具 体设计功能如下：
1）与无人机通讯功能。地面站随时保证与无 人机平台系统的通讯，具备信息的收、发功能，在 整个飞行过程中能实时、可靠地传输所有起重机 检测数据。
选用稳定的多旋翼无人机（具有高耐久性、高 稳健性等特点）系统，结合港口大型起重机检测的 特殊性，进行针对性的研发改进，使无人机检测平 台适用于起重机的专业性检测，且整个操作过程 更加便捷有效。
如图 1 所示，多旋翼无人机起重机检测系统 主要由无人机飞行结构、机器视觉避障系统、高清 摄像机、遥控装置、地面站系统以及检测报告软件
2）遇险自动返航功能。当无人机在全自动执 行检测任务、遇到信号失控等紧急情况时，系统能 智能判断并做出遇险自动返航保护处理。
3）起重机三维模型（3D）导入功能。基于起 重机检测的实际应用，支持将起重机结构设计的 3D 图导入到地面站系统中，并且在导入的 3D 图 中可以实现对起重机检测点的自助构件编号。
2）系统与起重机三维模型相结合形成良好的 操控界面，实现无人机自动航线规划，且和传感器 配合完成起重机数据采集。其方法是在起重机的 司机室安放无线传感器方便传送数据，收集起重 机工作过程的受力状态、结构振动等参数，为起重 机风险评估提供依据。
3）系统在起重机管理中起到非常重要的补充 作用。系统借助无人机的空中优势，通过搭载高 清照相机、夜视传感器或无损检测设备实现非接 触式检测，且具备可扩展性（即可与其它微型检测 设备结合，实现起重机裂纹扩展、腐蚀变化、载荷 变化等诸多工况有效监控）。
第2期
机电技术
89
基于无人机的起重机检测系统研究
杨静
（福建省特种设备检验研究院，福建 福州 350008）
摘 要：针对目前港口大型起重机高空位置的金属结构表面缺陷检测存在盲点和危险性等问题，设计一种基于无人 机的起重机检测系统。根据起重机检验的任务需求，从无人机检测系统的功能定位出发，构建了检测系统架构；阐述了系 统的关键组成部分的功能设计。实际应用表明，基于无人机平台的检测技术可以降低大型起重机结构检测工作的危险 性、提高工作效率。
*福建省质量技术监督局科技项目（FJQI2017016） 作者简介：杨静（1983—），女，工程师，硕士，主要从事特种设备检测技术研究。
90
机电技术
2019 年 4 月
平台等几大关键部分组成。无人机飞行结构、机 器视觉避障系统结合高清摄像机可实现起重机金 属结构检测所需要位置的安全飞行，同时可以获 取高清的图像数据；地面站系统与摇控装置组合 可以实现无人机飞行航线的规划以及各种飞行 类、检测类数据的展示与处理；检测报告软件平台 可为起重机使用单位提供检测报告。
关键词：无人机；起重机；检测；缺陷 中图分类号：TH21；V279 文献标识码：A 文章编号：1672-4801（2019）02-089-04 DOI:10.19508/j.cnki.1672-4801.2019.02.025
起重机是一种使用广泛的物流设备，然而其 在长期高负载运作下产生的机械磨损、疲劳断裂 产生的裂纹，以及长期暴露于潮湿环境下造成的 机械腐蚀等安全缺陷无法避免[1，2]。对运行起重机 的安全检测必不可少。但检测港口大型起重机金 属结构的高空位置，往往现场还伴随着大风等恶 劣环境；且有些部位如港口门座式起重机的象鼻 梁和人字架顶部、门式起重机的主梁下盖板和支 腿上部等，检测人员往往难以到达，或到达后受空 间限制难以从容地使用仪器进行检测[3，4]。因此亟 需一种安全性高、易操作的方式实现起重机全面 安全检测。
4）基于 3D 模型图的路径规划功能。在系统 中导入的 3D 坐标可以直接转换为无人机接入的 坐标，无人机在飞行和航线定制时，可以直接参考 该坐标，完成起重机检测路径规划和自主飞行。
5）视频回传功能。在无人机飞行过程中，系 统可以实时将无人机拍摄的起重机缺陷图像数据 回传到地面站系统。检验人员可以将应用软件安
1）无人机具有自动防撞、返航、告警、防风平 衡能力，可沿起重机被检测金属结构面飞行。通
过遥控装置控制无人机完成起重机金属结构底 面、顶面等位置的拍摄取证，为检测人员分析起重 机裂缝状态提供图片数据，从而及时发现缺陷、减 轻检验人员的工作强度、提高检测维护效率。系 统裂缝识别精度能达到亚 mm 级，即使 0.1 mm 的 缝隙也可以被识别出来。
近年来，随着无人机技术的不断进步，基于无 人机的检测技术在电力巡线、桥梁检测等领域得 到一定程度的应用[5，6]。对于起重机金属结构表面 裂纹、腐蚀等缺陷，利用无人机搭载视觉传感器对 其进行非接触式检测，可有效弥补检验人员在高 空位置检测的不足。
1 系统的功能定位与架构设计
1.1 功能定位
港口大型起重机多在大风、露天等复杂的环 境工作，且金属结构表面存在灰尘、油污、漆皮剥 落等问题，故设计的无人机起重机检测系统的功 能和内容主要包括以下几个方面[7，8]：
2.2 机器视觉避障系统
无人机起重机检测系统采用机器视觉传感导 航和超声波传感器系统，辅以先进的视觉算法，可 感知飞行区域附近的障碍物，保证整个检测航线 的安全飞行。具体设计功能有：
1）高精度视觉定位。系统采用高精度立体视 觉算法，在复杂起重机金属结构环境和高速飞行 条件下均可提供达 cm 级准确定位信息，为近距离 检测起重机金属结构提供保障。
装在移动端，如手机或者平板电脑，在线查Βιβλιοθήκη Baidu缺陷 图像数据。
6）微定位功能。在无人机飞行检验起重机过 程中，通过系统指定 3D 坐标结合飞行数据，如飞 行高度、距离、速度等综合数据计算出无人机当前 的飞行位置，完成微坐标定位。在得到自动定位 后根据起重机部件指定的拍摄点自动开启图像采 集功能。
7）警告及处置功能。可实时接收显示空中视 频图像和详尽的飞行器遥测数据，对信号不良、电 池电量不足、空中风力变化等重要问题自动报警 提示和处理。
图 1 无人机载的起重机检测系统架构图
2 系统方案设计
2.1 地面站系统 整个地面站系统基于客户端/服务器模式（C/
S）：客户端完成起重机相关数据采集、控制和接入 功能；服务器端完成数据的管理和分析功能。具 体设计功能如下：
1）与无人机通讯功能。地面站随时保证与无 人机平台系统的通讯，具备信息的收、发功能，在 整个飞行过程中能实时、可靠地传输所有起重机 检测数据。