橋梁外觀病害無人機(jī)探測方法

蘇 琦， 韋耀淋， 蔣立軍， 鄒易清

（柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545000）

我國橋梁總體健康狀況越來越受到各方關(guān)注。總體健康評(píng)估分別由橋梁上下部結(jié)構(gòu)、橋面系技術(shù)狀況評(píng)定構(gòu)成，這些復(fù)雜部件的外觀病害探測分析是其技術(shù)評(píng)定的關(guān)鍵組成部分[1]。一直以來，橋檢車、高倍望遠(yuǎn)鏡、搭載攝像設(shè)備的機(jī)器人是獲取橋梁外觀數(shù)據(jù)的常用方法[2]。橋檢車不僅檢測成本較高，還需要限制交通，造成人力、物力的消耗且檢測部位受限。高倍望遠(yuǎn)鏡由于效率低且檢測不全面，一般僅能作為輔助手段。近年來，機(jī)器人結(jié)合相關(guān)傳感設(shè)備的檢測方式逐漸受到橋梁檢測行業(yè)的青睞；但目前還存在一些不足，如爬壁機(jī)器人行走速度慢，只能在單一平面內(nèi)進(jìn)行檢測，不能獲取全部外觀，還需借助其他輔助手段[3]。還有一種旋翼無人機(jī)的檢測設(shè)備[4]，其上搭載超聲探傷儀、前置攝像頭、上置攝像頭，工作過程中，需要手動(dòng)控制前置和上置兩個(gè)攝像頭，待人工發(fā)現(xiàn)病害，再調(diào)整無人機(jī)姿態(tài)接近拍攝，工作人員需要經(jīng)過大量的訓(xùn)練才能達(dá)成，而且一般會(huì)產(chǎn)生大量無效照片，為圖像處理工作增加難度；搭載探傷儀設(shè)備價(jià)格高昂，而且其重量與功耗較大，嚴(yán)重影響檢測系統(tǒng)的單次運(yùn)行時(shí)間。

本文以一座全橋長約1 000 m 的懸索橋?yàn)槔?，探究和開發(fā)了一種自動(dòng)化程度高、適用于橋梁外觀檢測的無人機(jī)檢測技術(shù)，探測錨定室外表面、梁底、橋塔的混凝土裂縫、剝落掉塊、蜂窩麻面以及拉索外護(hù)套是否開裂等情況并給出精確病害位置，為精確檢測和管養(yǎng)提供科學(xué)建議。

1 無人機(jī)探測方法

1.1 探測設(shè)備

外觀病害探測需要確定有無病害并確定病害位置，以便后期精確的管養(yǎng)維護(hù)。由于本次橋梁較長，檢測部位復(fù)雜，快速準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)全橋檢測是關(guān)鍵；因此選擇續(xù)航能力強(qiáng)的無人機(jī)，搭載圖像提取系統(tǒng)和圖像快速分析系統(tǒng)，完成外觀圖像的獲取和分析工作。圖像提取系統(tǒng)包括可自由旋轉(zhuǎn)的云臺(tái)及其上的攝像頭，見表1。

表1 攝像頭主要參數(shù)

由于橋梁存在拉索等高空交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，需特別注意避免飛行過程中的機(jī)身觸碰，飛行設(shè)備應(yīng)該具備合理有效的位置控制和避障功能；同時(shí)，橋梁底部一般信號(hào)較弱，飛行設(shè)備需要在無信號(hào)下可以自主懸?；蚍岛?。本次探測設(shè)備中的位置控制與避障功能設(shè)備選擇了成熟的產(chǎn)品Guidance[5]，其功能強(qiáng)、效率高、配有完整的SDK 文檔，可供使用者靈活使用并開發(fā)相關(guān)的項(xiàng)目。采用五組視覺超聲波組合傳感器，可實(shí)時(shí)探測多個(gè)方向的環(huán)境信息，感知障礙物并顯示與障礙物之間的距離；根據(jù)檢測環(huán)境，設(shè)置障礙物最小允許距離s0，當(dāng)飛行過程中與障礙物距離＜s0時(shí)，無人機(jī)被動(dòng)懸停并發(fā)出警報(bào)聲，使得飛行器即使在高速飛行中也可大概率避免碰撞發(fā)生。見表2。

表2 視覺傳感平臺(tái)主要功能

購買滿足需求的無人機(jī)平臺(tái)，僅搭載圖像提取設(shè)備和Guidance 在空中飛行，整體體積小，重量輕，保證了探測所需的續(xù)航能力，整套設(shè)備不超過6 萬元。無人機(jī)與圖像拍攝的實(shí)時(shí)信息以及Guidance 前后左右下5 個(gè)視角圖像通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊顯示于地面站中，地面站內(nèi)置圖像分析系統(tǒng)，可同時(shí)分析圖像。無人機(jī)自帶的控制端地面站可輔助設(shè)計(jì)飛行參數(shù)，檢測人員也可通過控制遙控器執(zhí)行特殊的飛行指令。見圖1。

圖1 探測設(shè)備組成

1.2 探測工作流程

整個(gè)病害探測包括探測前調(diào)研、作業(yè)流程制定、圖像獲取機(jī)制制定、探測報(bào)告出具。探測前需要調(diào)研飛行當(dāng)天光照、氣象等，應(yīng)選擇風(fēng)速3 級(jí)及以下、光照強(qiáng)度較弱的時(shí)段飛行，利于獲取亮度均勻的圖像，便于后期分析。見圖2。

圖2 探測工作流程

根據(jù)探測目標(biāo)的類型，選擇云臺(tái)的安裝方式：當(dāng)探測對象位于無人機(jī)上方，采用云臺(tái)上置的模式；當(dāng)探測對象位于無人機(jī)下方或拍攝面與無人機(jī)處于水平位置時(shí)，采用云臺(tái)下置的模式。一般梁底飛行時(shí)，視覺傳感平臺(tái)安裝在無人機(jī)上方。

1.3 圖像獲取機(jī)制制定

為了獲取有效圖像，實(shí)現(xiàn)病害定位與圖片拼接，需要在圖像獲取階段進(jìn)行圖像預(yù)處理。預(yù)先計(jì)算出滿足條件下的拍攝距離WD，通過視覺傳感平臺(tái)設(shè)定WD 滿足要求時(shí)即主動(dòng)拍攝，這樣可以獲取滿足精度要求的、大小統(tǒng)一的圖片，以便后期圖像拼接出被測對象的全局圖。根據(jù)成像系統(tǒng)的簡化模型[5]可以計(jì)算滿足要求的拍攝距離，見圖3。

圖3 成像系統(tǒng)的簡化模型

圖3 中：S 為圖像傳感器尺寸（傳感器平面某個(gè)方向上的長度)。視場FOV、圖像工作距離WD 及鏡頭焦距f之間的約束關(guān)系

視場FOV 由傳感器分辨率Rmin、拍攝對象最小特征尺寸lmin、代表最小特征的像素?cái)?shù)Pmin決定，所以，圖像工作距離可有下述約束

根據(jù)選用的圖像設(shè)備，Rmin=3 456，焦距f為60 mm，圖像傳感器尺寸S為4.51。拍攝對象最小特征尺寸按照能夠發(fā)現(xiàn)探測對象寬度＞0.2 mm的裂縫設(shè)置，取lmin=0.2并給出裂縫的位置，方便維修補(bǔ)救。同時(shí)探測精度P要優(yōu)于0.2 mm，按Pmin=0.15 mm/pix，帶入式（2）得WD≈6.13 m?；趫D像拼接原理，去重疊率設(shè)置為50%，則基于拍攝對象的飛行間隔SD=2.304 m，根據(jù)飛行速度0.3 m/s 計(jì)算，需要設(shè)置間隔拍攝時(shí)間為7.68 s。

2 無人機(jī)探測分析

橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要進(jìn)行摸底起飛，最終按照摸底起飛情況設(shè)定飛行路線。見表3。

表3 摸底起飛測試

續(xù)表3

表3 的測試結(jié)果是適合飛行的。測試過程中發(fā)現(xiàn)，4軸的無人機(jī)在風(fēng)速＞3級(jí)后，即使有GPS信號(hào)，機(jī)身依然有較大飄動(dòng)；當(dāng)飛機(jī)位于橋梁正底下飛行時(shí)，衛(wèi)星數(shù)少，只能進(jìn)行Atti模式（為半手動(dòng)模式）飛行，但由于增加了Guidance 平臺(tái)，還可以實(shí)現(xiàn)無GPS 信號(hào)下實(shí)現(xiàn)飛行器的定位，因此可在小于橋沿往內(nèi)5 m 的距離操作無人機(jī)獲取梁底圖片。起飛地點(diǎn)應(yīng)該選擇指南針正常的位置，起飛前進(jìn)行指南針校準(zhǔn)。

以橋塔為例，實(shí)際探測作業(yè)具體步驟如下：

1）橋塔與無人機(jī)為水平相對位置，采用云臺(tái)下置的模式，安裝視覺平臺(tái)Guidance于無人機(jī)上方；

2）根據(jù)探測要求和現(xiàn)場情況，制定圖像獲取機(jī)制，設(shè)置與障礙物最小距離為5 m，當(dāng)飛行器四周接近障礙物≤5 m時(shí)，地面站界面出現(xiàn)扇形警告圖示并發(fā)出警報(bào)聲；

3）根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，在地面站上規(guī)劃路線，啟動(dòng)無人機(jī)抵達(dá)巡檢起點(diǎn)，開啟視覺傳感器，將其投射在待檢目標(biāo)上；

4）通過地面站查看飛行周邊環(huán)境，顯示無人機(jī)的前后左右下5個(gè)視角；飛手控制飛行器進(jìn)入環(huán)境時(shí)，除了可以觀察主攝像頭的視角，也可以隨時(shí)觀察Guidance 傳輸回的任一路圖像，讀取該圖像對應(yīng)的障礙物距離信息；此次飛行路徑關(guān)閉后傳感器模塊，可以節(jié)省功耗；設(shè)置前邊視角為拍攝對象，當(dāng)前障礙物滿足設(shè)定參數(shù)時(shí)，無人機(jī)自動(dòng)懸停，攝像設(shè)備自動(dòng)拍攝下照片，然后無人機(jī)按照既定方向飛行到滿足下一次拍攝的時(shí)間間隔時(shí)，自動(dòng)拍下下一組照片，以此進(jìn)行，直至完成拍攝；內(nèi)置圖像分析系統(tǒng)的地面站可快速初步篩選出可疑病害圖片；

5）巡檢到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，飛機(jī)自主返回起飛點(diǎn)；

6）下載SD 卡中的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入構(gòu)件裂縫圖像檢測軟件進(jìn)行裂縫檢測并輸出檢測結(jié)果；為了避免由于無線傳輸占用飛行信號(hào)和電量，建議待結(jié)束探測任務(wù)后再下載SD卡內(nèi)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

根據(jù)此方法完成最終拍攝目標(biāo)任務(wù)，共獲取有效圖片537張，總共耗時(shí)13 h。在圖像處理后，將拍攝圖像附貼于全景照片上并標(biāo)志病害具體位置。采用其他方法實(shí)行人工觀察并完成拍攝任務(wù)的，共拍攝圖片3 246 張，總共耗時(shí)24 h 且后期需要耗費(fèi)更多的時(shí)間與精力做圖像篩選工作。

3 結(jié)論

相比傳統(tǒng)無人機(jī)盲拍探測法，無人機(jī)外觀探測方法能夠有效避免無效圖片的產(chǎn)生，大大提高病害的檢測精度與圖像的處理效率，特別適用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的外觀探測工作。該方法結(jié)合測距傳感，預(yù)先設(shè)置自動(dòng)拍攝距離與頻率，可以精確定位病害位置，有效拼接圖像，整套設(shè)備不再依賴昂貴的飛行平臺(tái)，靈活簡單、成本更低。