基于四旋翼飛行器的橋梁檢測(cè)系統(tǒng)研究

何昱佳 遲耀丹 陳 穎 李 來(lái) 劉安琪

（吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春130118）

中國(guó)的橋梁事業(yè)早已進(jìn)入大發(fā)展建設(shè)時(shí)期，在我國(guó)橋梁成就的同時(shí)，不斷出現(xiàn)的橋梁坍塌事故問(wèn)題不能被忽略。因此，維護(hù)橋梁安全、事業(yè)取得舉世矚目的健康、正常運(yùn)行的工作狀態(tài)就變得尤為重要。當(dāng)混凝土橋梁建成投入使用后，長(zhǎng)期受到風(fēng)力、地震等各種自然力量和車輛負(fù)載的作用以及隨著建筑材料的逐漸老化，會(huì)產(chǎn)生裂痕、腐蝕、坍塌等現(xiàn)象。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，橋梁的負(fù)荷越來(lái)越重，但人們對(duì)其的維護(hù)和保養(yǎng)還不夠重視?，F(xiàn)階段對(duì)橋梁的檢測(cè)方式主要采用傳統(tǒng)人工檢修。相比較傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法，無(wú)人機(jī)能夠輕松便捷的進(jìn)行橋檢作業(yè)，減輕了檢測(cè)人員的工作強(qiáng)度，安全性高、效率高，特別解決了人工檢測(cè)盲區(qū)的局限性。為了實(shí)現(xiàn)橋梁檢測(cè)的高效、高精度，本項(xiàng)目致力研究一種基于四旋翼飛行器的橋梁檢測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成以及工作原理

為提高橋梁檢測(cè)和維護(hù)的工作效率以及能夠迅速、精確、有效率的找到橋梁病害和異常，本項(xiàng)目提出一種基于四旋翼飛行器的橋梁檢測(cè)系統(tǒng)?；诙嘈頍o(wú)人機(jī)的橋梁檢測(cè)系統(tǒng)由四旋翼飛行器、圖像位置系統(tǒng)、光學(xué)相機(jī)組成，同時(shí)裝有圖像處理技術(shù)檢測(cè)和橋梁模型預(yù)處理等程序。無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)上搭載飛控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和圖像提取組件在空中作業(yè)。由地面發(fā)出控制信息，飛行平臺(tái)上的執(zhí)行控制模塊通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)接收到，各執(zhí)行控制模塊依據(jù)控制信號(hào)對(duì)飛控系統(tǒng)進(jìn)行控制，以確保無(wú)人機(jī)按照預(yù)設(shè)軌跡飛行順利完成檢測(cè)任務(wù)。要注意的是，手動(dòng)控制信息發(fā)出控制信息的優(yōu)先級(jí)需要大于地面站控制信息，以防意外情況的發(fā)生。

如圖1 所示，橋梁檢測(cè)系統(tǒng)主要是由四旋翼飛行器、圖像采集系統(tǒng)及位置采集系統(tǒng)三部分組成的。

2 四旋翼飛行器

四旋翼飛行器穩(wěn)定性高，是良好的橋梁檢系統(tǒng)測(cè)搭載云臺(tái)。為了檢測(cè)的精準(zhǔn)性，飛行器需要確保實(shí)現(xiàn)飛行器在無(wú)線控制條件的同時(shí)，還能接收到解碼處理和控制飛行器，從而安全又穩(wěn)定的飛行。為了保證飛行器穩(wěn)定性，我們需要研究姿態(tài)控制。首先需要采集到姿態(tài)傳感數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，最后根據(jù)整合的數(shù)據(jù)判斷飛行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，保證飛行的安全性。首先計(jì)算出自身姿態(tài)，然后無(wú)人機(jī)控制電機(jī)調(diào)整所需的飛行姿態(tài)，這里主要采用PID控制器設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式和電機(jī)控制量。

圖1 橋梁檢測(cè)系統(tǒng)組成部分

3 圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)主要由可見(jiàn)光系統(tǒng)CCD 探測(cè)器、紫外光系統(tǒng)CCD探測(cè)器、紅外光系統(tǒng)CCD探測(cè)器三部分組成。

3.1 可見(jiàn)光系統(tǒng)CCD探測(cè)器。可見(jiàn)光系統(tǒng)以CCD探測(cè)器為基礎(chǔ)進(jìn)行研究。要保證圖片質(zhì)量的穩(wěn)定，可見(jiàn)光系統(tǒng)的80m目標(biāo)的最小分辨率βMIN應(yīng)優(yōu)于2mm，即βMIN<2mm。為了使得CCD傳感器上的目標(biāo)成像須占1 個(gè)像元以上，即CCD 像元分辨率ΔL 須達(dá)到

2 mm。根據(jù)觀測(cè)距離L要求，得出像元角分辨率α 為

式（1）是最小視場(chǎng)分辨率，求得相機(jī)最小像元數(shù)N為

為實(shí)現(xiàn)電子去抖和減小曝光時(shí)間，要使CCD 光學(xué)系統(tǒng)具備高靈敏度，所以要求CCD傳感器的像元尺寸盡可能大。另一方面，要保證瞬時(shí)視場(chǎng)角固定的前提，需要大尺寸像素CCD 來(lái)增加光學(xué)系統(tǒng)的焦距，但這樣的條件卻使得難以減小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的尺寸，并且使器件質(zhì)量的增加，最終將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)控制不穩(wěn)定。綜合以上因素，選擇美國(guó)Imperx 公司的IGV-B0620C 相機(jī)，其主要性能如表1 所示，該系統(tǒng)性能的相機(jī)能夠滿足作業(yè)精度的需求。

表1 IGV-B0620C 主要性能指標(biāo)

3.2 紫外光系統(tǒng)CCD探測(cè)器。為保證像元角分辨率α 優(yōu)于25μrad，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和高分辨率CCD 傳感器，去除紫外濾光片，添加可見(jiàn)光濾光片（帶通截止濾光片）后，相機(jī)可獲得280nm-470nm 范圍內(nèi)紫外圖像信號(hào)。像元尺寸A和光學(xué)系統(tǒng)最大焦距f1之間的有

f1為296mm，取其整為300mm。當(dāng)在最大視場(chǎng)工作時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)有

選用的IGV-B0620C 相機(jī)的效成像素區(qū)域的對(duì)角線長(zhǎng)度為14.8mm，由此求得f2為74 mm。由f1和f2可知，該光學(xué)系統(tǒng)具備5倍電動(dòng)變焦能力。綜合考慮相對(duì)孔徑，取光學(xué)系統(tǒng)口徑D為Φ50 mm。因此能夠在80m處分辨3mm最小目標(biāo)。

3.3 紅外光系統(tǒng)CCD 探測(cè)器。根據(jù)CCD 數(shù)據(jù)分析，將IGV-B0620C 相機(jī)置于飛行器中，其工作原理為：光經(jīng)被探測(cè)物體進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)傳感器，進(jìn)入到光電探測(cè)系統(tǒng)，由探測(cè)器形成原始圖片。多光譜成像系統(tǒng)是由可見(jiàn)光、紫外光、紅外光同軸相機(jī)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行拍攝，形成多光譜圖片，再通過(guò)多通道圖像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬光譜成像，接下來(lái)將對(duì)多通道圖像融合技術(shù)與圖片處理方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

橋梁的檢測(cè)要求進(jìn)行快速識(shí)別分類，所以要對(duì)裂縫、混凝土剝落、露筋等病害構(gòu)建深度學(xué)習(xí)模型。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，我們發(fā)現(xiàn)在橋梁檢測(cè)的圖像系統(tǒng)中，橋梁裂縫的主要特征就在于其線性的邊緣。因此，我們首先需要檢測(cè)圖像的邊緣，然后對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行圖像分割以使其從圖像中分離出裂縫。然而，如果只使用邊緣檢測(cè)法，裂縫的連續(xù)性將會(huì)被破壞，裂縫的實(shí)際情況就無(wú)法實(shí)際展現(xiàn)出來(lái)。為了獲得完整連續(xù)的裂縫，有利于對(duì)橋梁破損程度進(jìn)行更為準(zhǔn)確的判斷，同時(shí)也使得后續(xù)程序處理更為方便精確，需要讓使裂縫連接。通過(guò)研究適于無(wú)人機(jī)成像的圖像預(yù)處理程序、裂縫法向?qū)挾扔?jì)算方法、構(gòu)建裂縫形態(tài)智能提取數(shù)據(jù)模型，以獲得滿足橋梁裂縫寬度識(shí)別精度要求的裂縫圖。

4 位置信息采集系統(tǒng)

通過(guò)GPS、ISN、LiDAR 混合標(biāo)簽?zāi)Ｊ綔y(cè)試異常點(diǎn)位置信息，地理位置信息采集系統(tǒng)是由LiDAR、GPS、激光測(cè)距機(jī)、INS 組成，其為光學(xué)相機(jī)提供空中位置信息。采用LiDAR、GPS、INS混合標(biāo)簽?zāi)Ｊ浇?shù)據(jù)庫(kù)表文，完善的圖像空中位置數(shù)據(jù)。

橋梁底部表面病害檢測(cè)是橋梁評(píng)定技術(shù)狀態(tài)重要元素，但橋下GPS 信號(hào)極易被阻擋，無(wú)人飛機(jī)飛行或懸停時(shí)，采用手動(dòng)定位，極易出現(xiàn)安全事故。實(shí)現(xiàn)無(wú)人飛機(jī)橋下凈空飛行在硬件方面尚需要從建立局部坐標(biāo)系基站自動(dòng)定位導(dǎo)航、自動(dòng)避障技術(shù)、增強(qiáng)抗風(fēng)穩(wěn)定性等方面有待進(jìn)一步進(jìn)行完善和開(kāi)發(fā)。所以檢測(cè)橋梁之前需要制定一套巡檢方案，首先由無(wú)人機(jī)對(duì)橋梁拍攝，再由無(wú)人機(jī)三維映像轉(zhuǎn)化為橋梁三維模型。通過(guò)GPS等記錄橋梁及其周圍環(huán)境，建立同步定位構(gòu)圖和電子地圖。無(wú)人機(jī)將依據(jù)設(shè)定好的飛行路線，做出預(yù)判自動(dòng)避障，然后自動(dòng)返回航線，順利完成檢測(cè)。即使當(dāng)?shù)乩砦恢眯盘?hào)丟失時(shí)，飛機(jī)也會(huì)繼續(xù)完成預(yù)設(shè)的航線飛行任務(wù)，對(duì)無(wú)人機(jī)做出適當(dāng)?shù)氖Э乇Ｗo(hù)處理，不需要進(jìn)行人為干預(yù)。

5 結(jié)論

基于四旋翼的無(wú)人機(jī)橋梁檢測(cè)實(shí)施方案的關(guān)鍵是精準(zhǔn)分離出破損信號(hào)以及3D 模型的建立，采用四旋翼飛行器對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)，不僅解決了傳統(tǒng)人工檢查存在的“盲區(qū)”問(wèn)題，而且大大的提高了檢測(cè)的效率。相信基于四旋翼飛行器的橋梁檢測(cè)技術(shù)將會(huì)是未來(lái)橋梁檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。