無人機(jī)在橋梁檢測(cè)應(yīng)用中的若干問題探討

徐 丹 林建茂

(福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所 福建福州 350004)

0 引言

隨著交通量的急劇增長(zhǎng)，超重、重中型車輛日益增多，使得社會(huì)對(duì)橋梁的正常使用功能要求越來越高，橋梁的檢測(cè)與加固維修工作顯得愈發(fā)重要，而準(zhǔn)確、高效的橋梁檢測(cè)是結(jié)構(gòu)加固維修的先行條件。然而，傳統(tǒng)的橋梁檢查設(shè)備較為單一，主要依靠肉眼或者輔助工具(望遠(yuǎn)鏡、橋檢車等)來檢查結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)各類病害。而且，現(xiàn)有的特大橋、大橋、特殊橋梁結(jié)構(gòu)(斜拉橋、懸索橋等)數(shù)量逐年增多，若仍采用傳統(tǒng)的方法檢測(cè)，其操作難度大、并有盲區(qū)存在，無法為管養(yǎng)部門提供一份可靠的檢測(cè)結(jié)論作為決策依據(jù)。如何高效、準(zhǔn)確反映各類橋梁結(jié)構(gòu)真實(shí)狀態(tài)已成為橋梁檢測(cè)界亟待解決的問題。

無人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱“無人機(jī)”(英文：UAV)，是一種憑借無線電設(shè)備遙控或者按照自身的控制程序飛行的不載人飛行器[1]。經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展，無人機(jī)由最初的軍事專用領(lǐng)域逐步發(fā)展到為民所用，如軍用無人機(jī)進(jìn)行情報(bào)搜集、空中偵察等，民用無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)作物播種或噴灑農(nóng)藥、地形圖測(cè)繪、電力巡線、道路交通路況監(jiān)測(cè)、應(yīng)急救災(zāi)等，各個(gè)領(lǐng)域均可見到無人機(jī)的蹤跡。如何高效地將無人機(jī)技術(shù)運(yùn)用到各個(gè)行業(yè)，為人類謀福祉，已成為國(guó)內(nèi)外一個(gè)熱門的研究課題。

近年來，國(guó)內(nèi)已有不少學(xué)者開展無人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)研究，主要有上海交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、重慶大學(xué)等一些高等院校及科研機(jī)構(gòu)，并取得了一定成果。如王學(xué)義[2]進(jìn)行無人機(jī)搭載高清攝像頭技術(shù)試驗(yàn)，同時(shí)在橋底下設(shè)立臨時(shí)基站以解決信號(hào)和飛行路線規(guī)劃技術(shù)問題，并借用OPENCV軟件編寫裂縫識(shí)別與測(cè)量計(jì)算程序。對(duì)比結(jié)果表明，采用該方法測(cè)量裂縫精確較高。王鵬[3]提出了在無人機(jī)上攜帶激光測(cè)距儀、可變焦攝像頭、GPS定位器檢測(cè)方案，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)展開論述。結(jié)果表明，該技術(shù)下裂縫識(shí)別率達(dá)到90%以上。方留楊[4]等提出了一種基于無人機(jī)三維建模技術(shù)的橋梁檢測(cè)方案，詳細(xì)介紹了該方法的操作流程，并對(duì)3座實(shí)橋進(jìn)行驗(yàn)證，證明了該方法的可行性。朱普茂[5]提出了一種基于橋梁點(diǎn)云模型的無人機(jī)導(dǎo)航方案，可較為精準(zhǔn)確定無人機(jī)的具體位置。該方法可為無人機(jī)的線路規(guī)劃導(dǎo)航提供借鑒參考技術(shù)意義。

綜上文獻(xiàn)歸納可知，運(yùn)用無人機(jī)進(jìn)行橋梁檢測(cè)要經(jīng)歷：航跡規(guī)劃→圖像獲取→圖像識(shí)別與處理→結(jié)果分析4個(gè)步驟。該研究是一個(gè)復(fù)雜的多學(xué)科耦合系統(tǒng)領(lǐng)域，科學(xué)技術(shù)水平高、需要全方位統(tǒng)籌考慮設(shè)計(jì)。盡管當(dāng)前已有不少學(xué)者展開相關(guān)技術(shù)研究，但都是進(jìn)行局部探討分析，并沒有形成一整套完善的研究體系，若將該技術(shù)盲目推廣運(yùn)用，其可行性與結(jié)果可信度有待進(jìn)一步商榷。

基于此，本文在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分別從研究現(xiàn)狀、相關(guān)硬件裝備技術(shù)性要求，以及應(yīng)用特點(diǎn)三方面展開闡述。研究發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)飛行器的定位信號(hào)、安全性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及圖像識(shí)別問題是影響其廣泛應(yīng)用的技術(shù)“瓶頸”。本文藉此對(duì)其改善措施進(jìn)行探討。

1 無人機(jī)在橋梁檢測(cè)中硬件裝備要求

無人機(jī)在不同的行業(yè)運(yùn)用中，有不同的硬件裝備技術(shù)指標(biāo)要求。在橋梁檢測(cè)領(lǐng)域，對(duì)相應(yīng)的檢測(cè)硬件裝備要求較高，可分為物理結(jié)構(gòu)硬件和電子硬件兩部分。

1.1 物理結(jié)構(gòu)硬件

無人機(jī)橋梁檢測(cè)物理硬件裝備組成如圖1所示[6]，主要由飛行器、高分辨率相機(jī)模塊、定位模塊、激光測(cè)距儀、圖像傳輸器和電池六大部分組成。

圖1 物理硬件裝備組成

(1)飛行器主體

考慮到橋梁結(jié)構(gòu)類型多、構(gòu)造復(fù)雜，且對(duì)結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行圖像采集時(shí)，需要在相對(duì)穩(wěn)定的懸停條件下操作，宜采用多旋翼小型無人機(jī)作為飛行器載體。為了保障飛行器的正常使用功能，應(yīng)配備安全保護(hù)罩，避免外界因素導(dǎo)致飛行器發(fā)生碰撞墜毀事故。

(2)相機(jī)模塊

橋梁結(jié)構(gòu)的病害出現(xiàn)位置無章可循，有的病害出現(xiàn)在陰暗處且很微小，不易被察覺(如：裂縫)。因此，搭載在飛行器上的相機(jī)，要具備質(zhì)量輕、高分辨率、陰暗環(huán)境下具有自動(dòng)調(diào)整變焦功能，能夠清晰識(shí)別結(jié)構(gòu)病害，并將其記錄下，便于后期病害處置。

(3)定位模塊

采用無人機(jī)進(jìn)行橋梁檢測(cè)技術(shù)，要在高、穩(wěn)定信號(hào)環(huán)境下進(jìn)行。然而現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜、材料品種多樣，尤其是鋼材等材料會(huì)產(chǎn)生局部磁干擾效應(yīng)，影響信號(hào)功能，導(dǎo)致無人機(jī)無法按預(yù)設(shè)軌跡正常巡檢。因此，有必要配備慣性測(cè)量單元導(dǎo)航、超聲波等定位功能裝置。

(4)測(cè)距模塊

橋梁構(gòu)造復(fù)雜，為了提高飛行器的避障功能，有必要在飛行器上搭載紅外線測(cè)距儀，保證飛行器6個(gè)方面都與梁體保持一定的安全距離。

(5)無線圖像傳輸模塊

對(duì)于大型、特大型橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)，為了確保拍攝圖片數(shù)據(jù)的有效性、精準(zhǔn)性等因素，操作人員應(yīng)全程實(shí)時(shí)跟蹤捕捉攝像頭畫面，需要有穩(wěn)定的圖像傳輸保障技術(shù)，以達(dá)到檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效、可行。

(6)電池模塊

飛行器和搭載設(shè)備質(zhì)量較重，使得無人機(jī)處于超負(fù)荷工作；另一方面，對(duì)于特大橋等結(jié)構(gòu)檢測(cè)巡航，為了保障工作連貫性與數(shù)據(jù)可靠性，對(duì)無人機(jī)的續(xù)航能力提出較高要求。在相同的質(zhì)量下，宜采用高能量密度鋰電池。

1.2 電子硬件

電子硬件系統(tǒng)組成如圖2所示[7]，主要是指無人機(jī)飛行控制中心(通訊樞紐)以及遙控系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和供電系統(tǒng)5個(gè)子系統(tǒng)組合而成的飛行控制系統(tǒng)。

圖2 電子硬件系統(tǒng)組成

(1)遙控系統(tǒng)

地面操控人員通過發(fā)射機(jī)發(fā)送PWM信號(hào)至接收機(jī)，接收機(jī)通過信號(hào)簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換并將其傳輸給飛控中心。一般而言，發(fā)射機(jī)至少需要4通道(升降、副翼、方向以及油門)才能保證飛行器較為穩(wěn)定飛行。

(2)傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)，是由加速度計(jì)、陀螺儀、電子羅盤、氣壓計(jì)和GPS等組成，是保證無人機(jī)按指定軌跡飛行、姿態(tài)調(diào)整以及保障安全飛行、避免碰撞的感應(yīng)系統(tǒng)。

(3)動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)，是指電機(jī)和電子調(diào)速器。飛控中心收到地面信號(hào)指令，將信號(hào)傳遞給電子調(diào)速器，電子調(diào)速器生成高頻交流電輸出至電機(jī)，從而發(fā)揮調(diào)控電機(jī)作用。

(4)通訊系統(tǒng)

飛行器控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳遞模塊連接，保證地面操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控操作。

(5)供電系統(tǒng)

飛行器控制系統(tǒng)與電池通過電源連接控制，以實(shí)現(xiàn)電源能夠提供穩(wěn)定電壓、持續(xù)供電能力。

2 無人機(jī)在橋梁檢測(cè)應(yīng)用中優(yōu)缺點(diǎn)分析

橋梁檢測(cè)可分為經(jīng)常性檢查、定期檢測(cè)和特殊檢測(cè)3種形式。經(jīng)常性檢查，指對(duì)橋梁表觀是否產(chǎn)生病害的日常巡檢，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并修理，是保證結(jié)構(gòu)正常安全使用的形式之一[8]。運(yùn)用無人機(jī)進(jìn)行橋梁經(jīng)常性巡檢，具有輕巧方便、效率高等優(yōu)勢(shì)，可為管養(yǎng)部分、檢測(cè)單位提供便捷。經(jīng)常性檢測(cè)主要內(nèi)容如表1所示[9]。

表1 橋梁經(jīng)常性檢查基本內(nèi)容(混凝土路面)

2.1 無人機(jī)檢測(cè)優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)相比，運(yùn)用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行橋梁表觀檢測(cè)，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)對(duì)特殊的橋梁結(jié)構(gòu)(斜拉橋、懸索橋、拱橋)檢測(cè)時(shí)，高塔柱頂、梁板底部等目所能及范圍之外的區(qū)域，采用肉眼觀察方式無法完成，且難度大、危險(xiǎn)性高，若借助無人機(jī)可有效解決一系列難題。

(2)無人機(jī)進(jìn)行橋梁檢測(cè)過程中不占用車道，對(duì)橋面上的交通不造成任何影響。

(3)從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮，無人機(jī)設(shè)備綜合單價(jià)遠(yuǎn)低于購(gòu)買橋梁檢測(cè)車或者租賃臺(tái)班費(fèi)用，可有效降低成本。

(4)無人機(jī)檢測(cè)效率高、結(jié)構(gòu)病害主要以計(jì)算機(jī)識(shí)別判斷為主，降低人為干擾因素，結(jié)果更為客觀、可靠。

(5)操作人員經(jīng)過短期培訓(xùn)即可上崗，無需較強(qiáng)的專業(yè)功底，而且人員配備數(shù)量相對(duì)較少，工作強(qiáng)度較低。

采用無人機(jī)橋梁檢測(cè)，最能發(fā)揮其優(yōu)越性能的檢測(cè)部位及內(nèi)容，如表2所示。

表2 無人機(jī)檢測(cè)部位及內(nèi)容

2.2 無人機(jī)檢測(cè)缺點(diǎn)

運(yùn)用無人機(jī)進(jìn)行橋梁檢測(cè)無疑是未來的發(fā)展方向，但目前綜合水平僅處于初步階段，仍存在以下幾點(diǎn)不足：

(1)目前無人機(jī)還沒有較為完善的避障技術(shù)，無法保證飛行器與結(jié)構(gòu)保持必要的安全距離，導(dǎo)致撞擊墜毀。

(2)現(xiàn)有的多翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定的缺陷，如：質(zhì)量重、續(xù)航能力短、機(jī)身穩(wěn)定性能較差等。

(3)對(duì)搭載的照相機(jī)性能要求較高，要具備像素高、質(zhì)量輕、自動(dòng)調(diào)校位置、變焦能力等。

(4)受自然環(huán)境影響大，當(dāng)氣候較為惡劣時(shí)就無法展開工作，僅在晴空無風(fēng)狀態(tài)下才能進(jìn)行。

(5)圖像裂縫識(shí)別精度有待提高，當(dāng)光線較暗或結(jié)構(gòu)表面有一些污物時(shí)，識(shí)別率較差，只能人工輔助識(shí)別。

3 關(guān)鍵技術(shù)問題探討

無人機(jī)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用研究是一個(gè)復(fù)雜多學(xué)科耦合領(lǐng)域。盡管隨著無人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)水平的不斷提高，在較為理想狀態(tài)下具備可行性，但若將其直接應(yīng)用在橋梁檢測(cè)中，還有諸多關(guān)鍵技術(shù)問題亟需解決。

3.1 定位GPS信號(hào)問題

當(dāng)飛行器距地表較近時(shí)，地面障礙物對(duì)飛行器的信號(hào)干擾不可忽視。為了保證按預(yù)定軌跡飛行，可啟動(dòng)飛行器姿態(tài)飛行模式。飛行器姿態(tài)飛行模式主要原理，即發(fā)揮飛行器內(nèi)部慣性測(cè)量單元，自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前飛行姿態(tài)進(jìn)行平衡調(diào)整；自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前位置坐標(biāo)值，從而鎖定無人機(jī)的具體位置，較為理想解決信號(hào)不穩(wěn)定問題[10]。

3.2 圖像識(shí)別問題

根據(jù)橋梁外觀檢測(cè)要求，橋梁表觀裂縫識(shí)別精度需要達(dá)到0.2mm以上，而現(xiàn)有的試驗(yàn)僅在理想環(huán)境下才勉強(qiáng)滿足要求。一般情況下，采用無人機(jī)進(jìn)行橋梁外觀檢測(cè)，構(gòu)件表面的亮度與懸停狀態(tài)下機(jī)身抖動(dòng)幅度，是影響拍攝照片的清晰度主要兩個(gè)因素。針對(duì)這種狀況，可在無人機(jī)上安裝補(bǔ)光照明設(shè)備，并在相機(jī)與飛行器結(jié)合處安裝避震裝置，可有效提高拍攝圖片的清晰度與識(shí)別度。

3.3 飛行器的安全性問題

無人機(jī)進(jìn)行橋梁檢測(cè)，是一個(gè)近距離環(huán)繞構(gòu)件飛行的過程，如操作不當(dāng)?shù)仁д`，均有可能造成撞擊墜毀。因此，如何保證飛行器的安全飛行已成為一個(gè)關(guān)鍵問題。當(dāng)前最為先進(jìn)的無人機(jī)，可實(shí)現(xiàn)左、右、前、后、下5個(gè)方向的避障功能，但上部方向沒有預(yù)防措施。因此，可在飛行器頂部增設(shè)一套防護(hù)支架，以發(fā)揮全方位保護(hù)作用。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題

現(xiàn)有橋梁檢測(cè)中應(yīng)用的無人機(jī)，一般都是從市面上直接購(gòu)買，沒有專業(yè)的橋梁檢測(cè)專用機(jī)，具有較大的結(jié)構(gòu)改進(jìn)空間。與此同時(shí)，若將高性能復(fù)合材料(指樹脂、纖維等預(yù)浸料)運(yùn)用于無人機(jī)結(jié)構(gòu)中并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可有效改善當(dāng)前飛行器自身的一些缺陷與力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，延長(zhǎng)續(xù)航能力和安全穩(wěn)定性能。

4 結(jié)論

盡管當(dāng)前運(yùn)用無人機(jī)進(jìn)行橋梁檢測(cè)技術(shù)還不夠成熟，存在較多的局限性，但其給國(guó)家管養(yǎng)部門或檢測(cè)單位帶來的便捷不言而喻。相信隨著科技的不斷發(fā)展，當(dāng)前存在的一些技術(shù)“瓶頸”將迎刃而解，且在未來橋梁檢測(cè)市場(chǎng)中發(fā)揮主導(dǎo)、引領(lǐng)作用。