新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)在橋梁檢測(cè)工程中的應(yīng)用

摘要：智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展也在促進(jìn)無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，目前在各個(gè)行業(yè)無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)都得到廣泛應(yīng)用，但是隨著各個(gè)行業(yè)融合發(fā)展的趨勢(shì)，也有著限制無(wú)人機(jī)發(fā)展的問(wèn)題。在目前我國(guó)橋梁建設(shè)中，結(jié)合各項(xiàng)橋梁項(xiàng)目的增多，檢測(cè)效果和檢測(cè)方式也需不斷變化和提升。因此本文基于此背景，對(duì)傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)方式進(jìn)行分析和研究，隨后分析傳統(tǒng)與現(xiàn)代新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)，最后提出無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)在橋梁檢測(cè)工程中的實(shí)際應(yīng)用，以案例分析為背景，希望本文所提出的相關(guān)應(yīng)用能夠?yàn)楹罄m(xù)同種類(lèi)型工程建設(shè)奠定重要技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù);橋梁工程;檢測(cè)應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：U446

引言

在航拍和遙感技術(shù)不斷發(fā)展的前提下，無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)滲透到我國(guó)各個(gè)行業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，而目前所熟知的無(wú)人機(jī)飛行器可分為很多類(lèi)型，而無(wú)人多旋翼飛行器是目前使用最為廣泛的無(wú)人機(jī)類(lèi)型，該類(lèi)型的飛行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和價(jià)格低廉的特點(diǎn)，在橋梁檢測(cè)、線路巡檢等方面有著十分廣泛的應(yīng)用。在橋梁工程建設(shè)中，并不是所有前期勘測(cè)和質(zhì)量檢測(cè)都可以實(shí)地進(jìn)行，有些區(qū)域因?yàn)榈貏?shì)原因需要進(jìn)行航拍檢測(cè)，因此無(wú)人機(jī)在此過(guò)程中則發(fā)揮著重要的作用，本文以此為背景，對(duì)無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)在橋梁工程檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行探討，為后續(xù)相關(guān)工程建設(shè)與發(fā)展提供一些技術(shù)意見(jiàn)。

1. 傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)方式介紹

1.1懸臂檢測(cè)車(chē)

截止到目前為止，在大型或者特大型橋梁底面檢測(cè)過(guò)程中，大約占據(jù)60%以上的橋梁都需要檢測(cè)車(chē)來(lái)完成作業(yè)，而這種檢測(cè)車(chē)一般都是以折疊比或者桁架式懸臂為主，但是其屬于一種高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)形式;同時(shí)懸臂的架設(shè)會(huì)受到燈桿上部結(jié)構(gòu)的影響^[1]。

1.2橋底檢測(cè)通道

在實(shí)施橋底檢測(cè)通道建設(shè)期間，一般都是一懸掛的形式緊貼在橋梁的底面，便于后續(xù)檢測(cè)工作，但是其具有的缺點(diǎn)也不可忽視。檢測(cè)通道受到年限影響較大，一般在設(shè)計(jì)年限以?xún)?nèi)該通道就失去其應(yīng)有的作用。另外檢測(cè)通道一般都是建設(shè)在距離地面十幾米的高空，這屬于高空危險(xiǎn)作業(yè)。同時(shí)由于檢測(cè)通道位置不可改變，因此其檢測(cè)的范圍相對(duì)較為固定^[2]。

1.3綜合檢測(cè)車(chē)

該方法主要是利用汽車(chē)的設(shè)備搭載，在橋梁上行走期間結(jié)合超聲波和振動(dòng)等方法來(lái)檢測(cè)橋梁和橋面，看其是否存在故障，其具有的缺點(diǎn)在于，設(shè)備總體的穿透能力有限，并且在遇到一些厚度較大的橋梁時(shí)期檢測(cè)的精度會(huì)受到影響。并且這種檢測(cè)車(chē)難以檢測(cè)橋墩或者橋柱等位置。

1. 無(wú)人機(jī)檢測(cè)方法分析

基于上述傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)技術(shù)的分析得知，在一定程度上這些檢測(cè)技術(shù)都存在一定的局限性，而隨著遙感和無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，這種技術(shù)以其獨(dú)特的特點(diǎn)在現(xiàn)階段有著十分廣泛的應(yīng)用效果，其檢測(cè)橋梁的實(shí)際流程如圖1所示。

2.1傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)

在無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)最開(kāi)始進(jìn)入到建筑外部檢過(guò)程中，主要是還是由國(guó)外開(kāi)始，初期也被理解為是一種外行介入的模式，在此背景下，不僅會(huì)提升橋梁檢測(cè)工作的困難程度，同時(shí)傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)檢測(cè)都是先由一些航模愛(ài)好者進(jìn)行操作，再將這些所拍攝的照片交給工程建設(shè)方或者工程養(yǎng)護(hù)團(tuán)隊(duì)作為后續(xù)工程建設(shè)的基礎(chǔ)，但是傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)檢測(cè)其具有的缺點(diǎn)是，整體系統(tǒng)的效率較低，并且沒(méi)有較強(qiáng)的抗風(fēng)能力，難以應(yīng)對(duì)一些復(fù)雜或者惡劣的天氣情況。并且在技術(shù)缺陷的影響，這些攝影設(shè)備難以結(jié)合云平臺(tái)的輔助作用來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)精準(zhǔn)度難以提升。并且在早期的無(wú)人機(jī)檢測(cè)設(shè)備試用期間其操作難度相對(duì)較高。

2.2新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)

目前我們所使用的無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)，其系統(tǒng)整體包含無(wú)人機(jī)、地面站、數(shù)據(jù)傳輸和任務(wù)荷載、攝影攝像系統(tǒng)和其他一些設(shè)備組合而成的一種綜合系統(tǒng)形式，更加有利于數(shù)據(jù)的檢測(cè)和收集。而隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前所使用的無(wú)人機(jī)都是結(jié)合橋梁檢測(cè)的實(shí)際需求選擇的針對(duì)于性技術(shù)形式，這在我國(guó)的橋梁檢測(cè)工程方面有著十分重要的應(yīng)用，其具體包含三個(gè)系統(tǒng)，如下所示^[4]。

1. 異形檢測(cè)無(wú)人機(jī)。這種無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)比較特殊，檢測(cè)的部分為橋梁的外部結(jié)構(gòu)。在異形檢測(cè)無(wú)人機(jī)的使用中，主要由以下幾點(diǎn)進(jìn)行使用。首先需要將2只固定臂放在無(wú)人機(jī)的前段，方向向前，隨后在固定臂裝置上舵機(jī)或者滑輪，隨后在所搭載的兩只固定臂中間安裝影像設(shè)備而，解決傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)難以實(shí)施垂直面覆蓋拍攝的問(wèn)題。再次需要采用八軸的飛行動(dòng)力系統(tǒng)形式，這樣可以在一些強(qiáng)風(fēng)天氣下對(duì)無(wú)人機(jī)飛行方向進(jìn)行無(wú)障礙調(diào)整^[5]。同時(shí)需要注意的是，需要將防護(hù)網(wǎng)覆蓋在旋翼的頂端，這樣就可以緊貼在橋底進(jìn)行拍攝。本文所提出的飛行器形勢(shì)是大疆A3飛控，并且為其配備了三套GNSS與IMU模塊，可以根據(jù)軟件設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)6路導(dǎo)航，飛行精度縮小到1cm以下，并且有著十分強(qiáng)力的抗磁干擾能力，為實(shí)時(shí)有效拍攝奠定技術(shù)基礎(chǔ)。。
2. 中繼無(wú)人機(jī)。中繼無(wú)人機(jī)是為了避免在橋底檢測(cè)過(guò)程中信號(hào)丟失或者受到強(qiáng)烈磁場(chǎng)干擾期間，拍攝精度受損，因此其可以增強(qiáng)GPS信號(hào)，并且可以精準(zhǔn)提供磁羅盤(pán)校準(zhǔn)作業(yè)^[6]。

（3）建筑信息化模型地面站系統(tǒng)。該系統(tǒng)是根據(jù)BIM技術(shù)所建立的信息化模型演變而來(lái)的，其在提供安全檢查的同時(shí)也可在二維采集的照片來(lái)形成三維立體模型，再實(shí)施建筑外部表面損壞情況的檢測(cè)作業(yè)。本文主要采用PLX4D系列的軟件，在軟件的使用過(guò)程中，其結(jié)合本身所具有的各種形式配套設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)全天候、無(wú)限制的建筑檢測(cè)工作。并且在目前所使用的新版系統(tǒng)中，其可以在3D模型上建立信息檢測(cè)模型，提前導(dǎo)入有關(guān)的信息數(shù)據(jù)，最后將需要進(jìn)行重復(fù)拍攝的內(nèi)容再次融入到信息化模型中實(shí)現(xiàn)高精度拍攝效果^[7]。具體內(nèi)容如表1所示。

（4）四旋翼飛行器工作原理分析。目前所使用的多旋翼無(wú)人機(jī)大多數(shù)都是四旋翼模式，而四旋翼無(wú)人機(jī)的電機(jī)主要是由電調(diào)直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并且結(jié)合發(fā)送給電調(diào)的PWM信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，信號(hào)高電的平寬度越大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速（）就會(huì)越高，在此期間為了了解其工作原理，可以設(shè)為第i個(gè)信號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速，為旋翼產(chǎn)生的升力和，表示飛行器所受到的重力。在飛行器進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先需要保障四個(gè)旋翼的相同，并且此時(shí)的偏航、橫滾和俯仰力矩都為零，這時(shí)可以經(jīng)過(guò)調(diào)整四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速來(lái)改變合升力。當(dāng)小于時(shí)，飛行器會(huì)下落;當(dāng)大于時(shí)，飛行器會(huì)飛起;當(dāng)等于時(shí)，飛行器懸停，由此可以結(jié)合其各個(gè)旋翼與升力的關(guān)系自由控制速度來(lái)控制其拍攝的角度和內(nèi)容。

1. 新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)在橋梁工程檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1案例背景

本文以某大型橋梁檢測(cè)為例，該大橋形式為單跨雙腳鋼桁架加勁橋梁形式，主跨900，橋梁橋面的總長(zhǎng)度為1365m，橋梁整體桁梁采取的整體節(jié)點(diǎn)技術(shù)，結(jié)合高強(qiáng)度的螺栓拼接技術(shù)形式進(jìn)行安裝，橋梁到谷底的距離為560m，塔頂?shù)焦鹊椎牟疃葹?50m。

3.2無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

針對(duì)于該橋梁的檢測(cè)，主要的檢測(cè)內(nèi)容包含橋梁的桁梁、高橋墩和一些常規(guī)檢查盲區(qū)，在常規(guī)檢查過(guò)程中也包含一些容易被忽視的點(diǎn)，來(lái)全面評(píng)估橋梁的健康狀況。

1. 檢測(cè)方法。首先派出兩名專(zhuān)業(yè)人員控制機(jī)身和攝像頭，明確與控制無(wú)人機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過(guò)程中整體機(jī)身的重量，無(wú)人機(jī)需要平穩(wěn)放置，將各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，保證開(kāi)機(jī)正常運(yùn)行，在同一至指令調(diào)度下進(jìn)行飛行，在飛行期間結(jié)合所檢測(cè)的對(duì)象不同以及各個(gè)檢測(cè)對(duì)象的差異性，控制不同的安全距離，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程的實(shí)際情況進(jìn)行分析。對(duì)于無(wú)人機(jī)的空間位置信息要求，需要將現(xiàn)場(chǎng)拍攝的實(shí)施畫(huà)面顯示在系統(tǒng)監(jiān)控屏幕上，根據(jù)監(jiān)控對(duì)橋梁檢測(cè)的部位進(jìn)行初步分析，觀測(cè)其是否存在病害問(wèn)題，然后由檢測(cè)人員控制無(wú)人機(jī)的位置，在一些需要和檢測(cè)的局部位置進(jìn)行懸停，高清拍攝后繼續(xù)前進(jìn)。在無(wú)人機(jī)所采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，一般都需要存儲(chǔ)在無(wú)人機(jī)的本身上，避免飛行距離過(guò)程，無(wú)線傳輸期間的數(shù)據(jù)損失。

因?yàn)闊o(wú)人機(jī)上升較慢，下降速度較快，因此需要在上升期間將速度控制在每分鐘5-20m左右，并且需要結(jié)合檢測(cè)對(duì)象的病害情況、周?chē)L(fēng)向和風(fēng)速以及環(huán)境等因素來(lái)進(jìn)行速度調(diào)整。在氣候、風(fēng)速和日照等方面的影響下，檢測(cè)過(guò)程中一般選擇迎光面實(shí)施拍攝和檢測(cè)，這樣里可以提升圖片的清晰度和數(shù)據(jù)采集的成功率，進(jìn)而降低檢測(cè)過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1. 實(shí)施方案。在無(wú)人機(jī)開(kāi)始檢測(cè)之前，將飛機(jī)坐標(biāo)的位置和所需要飛行的高度數(shù)據(jù)輸入到PIX4D收集終端，將需要拍攝的間隔時(shí)間和光圈等數(shù)據(jù)進(jìn)行全面設(shè)計(jì)，隨后結(jié)合所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，由專(zhuān)業(yè)人員將無(wú)人機(jī)放飛到檢測(cè)和拍攝區(qū)域，對(duì)于需要檢測(cè)的橋梁底面或者一些橋墩等位置，需要在開(kāi)闊的地區(qū)利用中繼無(wú)人機(jī)向拍攝的異形無(wú)人機(jī)投放全球定位信號(hào)和磁羅盤(pán)信號(hào)等，增強(qiáng)異形無(wú)人機(jī)的無(wú)線信號(hào)，提升檢測(cè)精度和準(zhǔn)確性，以便對(duì)異型無(wú)人機(jī)完成有效控制。在拍攝任務(wù)完畢之后，將所拍攝的圖像及時(shí)導(dǎo)入到移動(dòng)終端，利用PIX4D軟件對(duì)所導(dǎo)入的圖面進(jìn)行分析和計(jì)算，結(jié)合計(jì)算的數(shù)據(jù)建立檢測(cè)目標(biāo)的信息化模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)與圖像的科學(xué)分析。而在檢測(cè)橋墩過(guò)程中，可以在無(wú)人機(jī)的固定臂上搭載超聲波檢測(cè)儀等檢測(cè)設(shè)備，在保障拍攝精度和穩(wěn)定性的同時(shí)，避免無(wú)人機(jī)發(fā)生仰俯等動(dòng)作，穩(wěn)定無(wú)人機(jī)拍攝過(guò)程，為系統(tǒng)終端提供更加真實(shí)和清晰的圖像照片。而當(dāng)檢測(cè)到橋底面位置時(shí)，需要將檢測(cè)設(shè)備和相關(guān)的照明燈懸掛在無(wú)人機(jī)機(jī)體上面，促進(jìn)無(wú)人機(jī)靠近到橋墩和橋底的銜接位置，再將無(wú)人機(jī)前臂端深入到縫隙中結(jié)合舵機(jī)的作用施加縫隙壓力，這樣就可以在橋墩位置將無(wú)人機(jī)進(jìn)行懸空固定。
2. 結(jié)果的處理與分析。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)采集完畢之后，結(jié)合BIM模型處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并確定橋梁病害的具體位置，根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求來(lái)對(duì)檢測(cè)的位置進(jìn)行評(píng)估和評(píng)級(jí)。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，本文以某工程案例為主，分析了目前所使用的新型異形無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)和實(shí)際使用方法，并且對(duì)橋底一些特殊部位和結(jié)構(gòu)做出一些優(yōu)化措施，同時(shí)在BIM建筑信息模型的輔助下，不僅可以有效的減少橋梁檢測(cè)過(guò)程中所支出的人力和時(shí)間成本，同時(shí)可以在高尖端技術(shù)的幫助下提升檢測(cè)效率、質(zhì)量和檢測(cè)的效果，降低橋梁檢測(cè)工作人員的要求程度，為我國(guó)相關(guān)工程的檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用提供重要的技術(shù)支持。

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作者簡(jiǎn)介：包琦（1988-），男，甘肅平?jīng)鋈?，漢族，工程師，本科學(xué)歷，工程管理專(zhuān)業(yè)，主要從事橋梁檢測(cè)工作。