無人機檢測系統(tǒng)在橋梁檢測中的應(yīng)用

瞿柯飛

摘要： 隨著我國公路交通的高速發(fā)展，公路橋梁數(shù)量不斷增加，橋梁養(yǎng)護管理的需求也隨之不斷提升。目前，橋梁管養(yǎng)單位主要依靠橋梁檢測車等傳統(tǒng)檢測平臺，抵近目測來開展橋梁檢測工作。但是傳統(tǒng)檢測方法往往存在著檢測盲區(qū)（例如懸索橋、斜拉橋的索塔、纜索，大跨度高墩橋的橋墩等），橋梁檢測工作存在安全隱患。2007年以來，民用無人機進入了快速發(fā)展階段。隨著技術(shù)的逐漸成熟，憑借著“機動靈活、快速高效、作業(yè)成本低”等顯著特點，無人機作為一種新型檢測平臺在橋梁檢測中得到了許多成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 無人機檢測系統(tǒng);橋梁檢測;應(yīng)用

【中圖分類號】U446.1【文獻標(biāo)識碼】A【文章編號】1674-3733（2020）15-0143-01

引言：隨著交通量的急劇增長，超重、重中型車輛日益增多，使得社會對橋梁的正常使用功能要求越來越高，橋梁的檢測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，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)真實狀態(tài)已成為橋梁檢測界亟待解決的問題。

1無人機檢測原理

無人機檢測主要由無人機、拍攝鏡頭、地面站系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)等組成。一般采用多旋翼無人機，應(yīng)用地面站系統(tǒng)，進行橋梁的軌跡巡查，利用鏡頭系統(tǒng)，進行定點拍攝、儲存，可數(shù)據(jù)傳輸也可移動式傳輸，后期通過專業(yè)技術(shù)人員進行照片的處理，以發(fā)現(xiàn)和觀察病害，確定病害的程度。對于傳統(tǒng)的橋梁檢查方法，無人機檢查有以下幾個優(yōu)點：1）可檢查范圍大，只要有一定的飛行空間，即可進行相應(yīng)的圖片采集，基本可實現(xiàn)無死角檢查;2）檢查效率高，利用無人機機動性強、連續(xù)性好的優(yōu)勢，可快速地進行數(shù)據(jù)采集，并可根據(jù)檢查需求，掛載相應(yīng)的高清攝像頭，進行重點部位的跟蹤檢查，也可以將檢查的實時情況傳輸?shù)浇K端，還可定點、點航線進行自動數(shù)據(jù)采集工作，減少人為干擾，達到檢查效果;3）檢查成本不高，無人機價格便宜，加上高清攝像頭的費用，長期下來較橋梁檢查車費用較低，可降低檢查費用。

2無人機檢測系統(tǒng)在橋梁檢測中的應(yīng)用

2.1無人機定位、導(dǎo)航技術(shù)

由于橋梁結(jié)構(gòu)本身較為復(fù)雜，且無人機用于橋梁檢測屬于近地飛行，橋梁結(jié)構(gòu)本身和地面障礙物對GPS信號的干擾不可避免，無人機經(jīng)常處于GPS信號偏弱甚至無GPS信號的狀況，僅依靠GPS信號進行定位和導(dǎo)航難以滿足橋梁檢測需求。此外，橋梁病害數(shù)據(jù)采集時還需獲取無人機本身相對于橋梁構(gòu)件的相對定位，以確定所采集病害的位置。因此，除依靠GPS信號進行定位導(dǎo)航外，還需輔以其他定位導(dǎo)航技術(shù)。目前，使用較為廣泛的是計算機視覺定位技術(shù)和超聲波定位技術(shù)等。計算機視覺定位技術(shù)的原理是對無人機搭載的視覺傳感器所獲取的各個方向的圖像進行圖像處理和特征點提取，從而獲得目標(biāo)的圖像坐標(biāo)，反向計算無人機的空中定位。該技術(shù)較為成熟，已得到廣泛應(yīng)用，但是會受到光線、鏡面等因素的影響，同時對圖像處理和計算能力要求很高。超聲波定位技術(shù)的原理是利用超聲波的反射獲取各方向障礙物的距離，從而確定無人機的相對定位。該技術(shù)成本較低、適用性強，但是測距距離較短，導(dǎo)航精度相對較差。利用GPS信號定位導(dǎo)航技術(shù)輔以計算機視覺定位和超聲波定位技術(shù)基本可滿足橋梁檢測對無人機定位、導(dǎo)航技術(shù)的要求。

2.2檢測數(shù)據(jù)圖像識別技術(shù)

基于無人機檢測技術(shù)的特點，其所采集的橋梁病害檢測影像數(shù)據(jù)不僅數(shù)量巨大，而且圖片相似度較高。若采用人工查看，不僅工作量大、效率低，還有可能由于視覺疲勞出現(xiàn)遺漏。因此，有必要采用圖像識別技術(shù)對所采集影像數(shù)據(jù)進行病害辨識?；谏疃葘W(xué)習(xí)的自主圖像識別技術(shù)在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，隨著圖像樣本量的增大，識別精度可不斷提高并可不斷迭代升級優(yōu)化。目前，自主圖像識別技術(shù)亦可識別出寬度為0.1mm的裂縫，適用于橋梁檢測數(shù)據(jù)圖像識別的需求。

2.3無人機自主避障技術(shù)

橋下空間定位困難且環(huán)境復(fù)雜，相較于日常工作環(huán)境，無人機在進行橋梁檢測工作時更容易發(fā)生誤撞、摔機等意外。依靠操作人員人工規(guī)避障礙物較為困難，且與無人機檢測初衷不符，因此無人機自主避障技術(shù)在無人機檢測系統(tǒng)中顯得格外重要。定位、測距和飛行路徑重規(guī)劃是無人機避障技術(shù)的基礎(chǔ)，與無人機定位導(dǎo)航技術(shù)和無人機飛行路徑自能規(guī)劃相通。

2.4無人機飛行路徑智能規(guī)劃

橋梁檢測需抵近所有構(gòu)件進行檢查，而用于橋梁檢測的旋翼式無人機往往飛行時間有限，因此，合理規(guī)劃無人機的飛行路徑既能提高橋梁檢測的質(zhì)量，又能提高橋梁檢測的效率。此外，橋下空間大多存在各種各樣的障礙物，如何在規(guī)避障礙物的基礎(chǔ)上保障檢測質(zhì)量，需預(yù)設(shè)規(guī)劃路線進行智能重規(guī)劃。目前，用于無人機飛行路徑規(guī)劃的算法很多，但大多用于高空巡視飛行，不適用于橋下空間，無人機飛行路徑智能規(guī)劃技術(shù)尚需進一步研究發(fā)展。

結(jié)語：對于高邊坡、長大橋梁、高路基等特殊構(gòu)造物的日常巡查和養(yǎng)護工作存在較大的困難，而無人機技術(shù)的應(yīng)用中可以快速緩解技術(shù)人員和設(shè)備不足的情況。目前公路的高邊坡、橋梁墩臺等構(gòu)造物動輒幾十米，高則上百米，依靠傳統(tǒng)人工檢查很難完成。隨著無人機技術(shù)的發(fā)展和橋梁檢查的迫切需求，相信不久的將來，無人機檢查技術(shù)會從定性到定量的領(lǐng)域發(fā)展，更加滿足公路養(yǎng)護管理工作的需求。

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