基于激光雷達和RTK模塊的無人機橋梁檢測技術(shù)性能優(yōu)化研究

摘" 要：該文研究基于激光雷達和RTK模塊的無人機橋梁檢測定位復拍技術(shù)性能的優(yōu)化，通過激光雷達和RTK模塊的結(jié)合應用實現(xiàn)對橋梁的高精度定位復拍，然而現(xiàn)有技術(shù)在精度和準確性方面仍存在一些不足，因此該文提出一種改善定位復拍精度的方法，通過對激光雷達和RTK模塊的優(yōu)化和融合以及采用先進的數(shù)據(jù)處理算法提高無人機橋梁檢測定位復拍的性能。

關(guān)鍵詞：無人機；橋梁檢測；定位復拍；激光雷達；RTK模塊

中圖分類號：TP274.5" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）09-0147-05

Abstract： This paper studies the optimization of performance for UAV-based bridge inspection and repositioning technology using LiDAR and RTK modules. By integrating LiDAR and RTK modules， high-precision repositioning of bridges is achieved. However， current technologies still have some deficiencies in precision and accuracy. Therefore， this paper propose a method to improve the repositioning accuracy by optimizing and integrating LiDAR and RTK modules， along with employing advanced data processing algorithms to enhance the performance of unmanned air vehicle bridge inspection positioning and repositioning.

Keywords： unmanned air vehicle; bridge detection; repositioning; LiDAR; RTK module

隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機在橋梁檢測領(lǐng)域的應用逐漸成為研究的熱點，然而現(xiàn)有的無人機橋梁檢測定位復拍技術(shù)在精度和準確性方面仍然存在一些挑戰(zhàn)，特別是在細微層面上，目前的技術(shù)仍不能滿足對橋梁定位復拍的高精度要求，為了解決這一問題本研究提出了一種基于激光雷達和RTK模塊的技術(shù)性能優(yōu)化方法，旨在提高無人機橋梁檢測定位復拍的精度和準確性。

1" 激光雷達技術(shù)在橋梁檢測中的應用

激光雷達（LIDAR）技術(shù)在橋梁檢測中的應用是基于其高精度和高分辨率的特點對橋梁結(jié)構(gòu)進行準確、全面的掃描和測量，激光雷達通過發(fā)射激光束并記錄其反射回來的時間和位置信息生成精確的三維點云模型從而實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的幾何形狀、尺寸和表面特征的詳細獲取，在橋梁檢測中激光雷達技術(shù)的應用主要包括以下幾個方面。

1.1" 結(jié)構(gòu)形態(tài)檢測

激光雷達技術(shù)在橋梁檢測中的應用旨在快速、精確地獲取橋梁的結(jié)構(gòu)形態(tài)信息，通過激光雷達對橋梁進行全方位的掃描可以捕獲橋墩、橋面、支撐結(jié)構(gòu)等的幾何形狀和尺寸，這項技術(shù)的優(yōu)勢在于其高精度、高效率以及對復雜結(jié)構(gòu)的適用性，激光雷達工作原理是通過發(fā)射激光脈沖并測量其返回時間來確定目標物體的距離，這使得激光雷達能夠在非常短的時間內(nèi)獲取大量的距離，數(shù)據(jù)從而實現(xiàn)快速掃描。對于橋梁檢測而言，激光雷達可以在幾分鐘內(nèi)完成對整個橋梁的掃描，生成高密度、高精度的三維點云數(shù)據(jù)，這些點云數(shù)據(jù)可以進一步用于構(gòu)建橋梁的三維模型，提供詳細的結(jié)構(gòu)形態(tài)信息。通過對這些模型進行分析，工程師可以了解橋梁的實際幾何形狀、尺寸和布局，這為后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析、評估以及設(shè)計改進提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。

1.2" 缺陷和損傷檢測

激光雷達不僅可以檢測橋梁的整體結(jié)構(gòu)形態(tài)，還可以發(fā)現(xiàn)橋梁表面的缺陷和損傷，如裂縫、腐蝕、變形等，這是通過分析激光雷達獲取的點云數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，在激光雷達掃描過程中可以精確地捕捉橋梁表面的細微變化。通過比較掃描前后的點云數(shù)據(jù)，可以檢測出表面的任何變化從而發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷和損傷，這種自動化的檢測方式不僅能夠提高檢測的準確性還能夠節(jié)省大量的人力資源和時間成本，一旦發(fā)現(xiàn)了橋梁的缺陷和損傷，工程師可以利用激光雷達提供的定量化分析結(jié)果來評估其嚴重程度并制定相應的維修方案。這種基于激光雷達數(shù)據(jù)的缺陷檢測方法不僅可以提高工作效率，還可以提高檢測的精度和可靠性。

1.3" 變形監(jiān)測

除了結(jié)構(gòu)形態(tài)和表面缺陷的檢測外，激光雷達還可以實時監(jiān)測橋梁的變形情況，這包括橋梁的撓度、傾斜等變形參數(shù)。通過定期對橋梁進行激光雷達掃描并對比不同時間點的數(shù)據(jù)，可以及時發(fā)現(xiàn)橋梁的變形趨勢。激光雷達通過測量點云數(shù)據(jù)的位置和距離可以準確地捕捉橋梁的形變，這些數(shù)據(jù)可以用于分析橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題并采取預防措施，例如當激光雷達檢測到橋梁的撓度超出預設(shè)閾值時可以立即發(fā)出警報，以便工程師進行進一步的調(diào)查和評估。通過激光雷達的變形監(jiān)測，工程師可以更好地了解橋梁的結(jié)構(gòu)性能并采取相應的措施來確保其安全性和穩(wěn)定性，這種實時監(jiān)測和分析方法可以幫助延長橋梁的使用壽命并降低維護成本。

盡管激光雷達技術(shù)在橋梁檢測中具有諸多優(yōu)勢但其應用仍然面臨一些挑戰(zhàn)。特別是在復雜環(huán)境下，如橋梁結(jié)構(gòu)復雜、多層次的情況下，激光雷達的定位精度和數(shù)據(jù)處理效率需要進一步提高，此外激光雷達設(shè)備的成本較高，需要專業(yè)技術(shù)人員進行操作和維護，限制了其在實際工程中的廣泛應用。因此，為了充分發(fā)揮激光雷達技術(shù)在橋梁檢測中的潛力，需要進一步研究和優(yōu)化其在復雜環(huán)境下的應用方法和技術(shù)手段[2]。

2" RTK模塊的定位優(yōu)勢

RTK模塊（Real-Time Kinematic，實時動態(tài)定位）采用了差分定位技術(shù)，是一種基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的定位解算方法，與傳統(tǒng)的單點定位相比RTK模塊通過接收多個衛(wèi)星的信號并與參考站進行差分處理能夠提供高精度、實時性強的定位信息，RTK模塊在橋梁檢測中的定位優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1" 高精度定位

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的應用在橋梁檢測中發(fā)揮著重要作用，而差分全球定位系統(tǒng)（DGNSS）中的RTK模塊通過其卓越的性能為橋梁結(jié)構(gòu)的高精度測量和評估提供了不可或缺的支持。RTK模塊最顯著優(yōu)勢之一是其卓越的定位精度，相比于傳統(tǒng)的單點定位系統(tǒng)，RTK能夠?qū)崿F(xiàn)亞厘米級的位置精度，這種高精度是通過與參考站進行差分處理實現(xiàn)的，在橋梁檢測中每個橋梁結(jié)構(gòu)的精確測量是至關(guān)重要的，因為即使小幅度的誤差也可能對結(jié)構(gòu)評估和安全性產(chǎn)生不良影響。通過消除衛(wèi)星與接收器之間的信號傳播誤差，RTK模塊有效地提高了定位的準確性，為工程師提供了可靠的位置數(shù)據(jù)。RTK技術(shù)的工作原理基于差分定位即通過參考站與移動接收器之間的測距差異來校正信號傳播的誤差，這種實時的、動態(tài)的差分校正機制確保了高精度的定位信息，使得橋梁結(jié)構(gòu)的測量更為可靠和準確[3]。利用無人機采集橋梁裂縫的圖像或視頻數(shù)據(jù)具有靈活機動的優(yōu)勢，但是在實際檢測過程中，現(xiàn)場操作易受到GPS信號丟失、風荷載、天氣等的影響，并且因抖動干擾圖像采集的效果[4]。

2.2" 實時性強

RTK模塊具有卓越的實時性能，這是在橋梁檢測過程中至關(guān)重要的特性，實時性強意味著RTK模塊能夠即時獲取定位信息并提供實時的位置更新，實時動態(tài)相對定位示意圖如圖1所示。在無人機橋梁檢測中，這一特性至關(guān)重要，尤其是在飛行過程中需要連續(xù)地獲取和校準位置信息。在無人機橋梁檢測中，飛行器可能受到多種因素的影響，如風速變化、飛行高度變化等，這可能導致位置的變動，RTK模塊通過實時差分修正能夠迅速響應這些變化，提供及時的位置校準和修正，這確保了橋梁檢測的連續(xù)性和準確性。無論是針對整座橋梁的結(jié)構(gòu)形態(tài)檢測，還是針對局部缺陷和損傷的精確定位，都能夠在實時性的支持下進行。實時性強的特性還意味著無人機在飛行過程中能夠更好地適應復雜的環(huán)境和任務需求，提高了橋梁檢測的靈活性和效率，這對于確保檢測結(jié)果的準確性和及時性都至關(guān)重要，特別是在需要快速響應橋梁結(jié)構(gòu)變化的情境下。

盡管RTK模塊具有高精度和實時性強的定位優(yōu)勢，但僅依賴RTK模塊仍不能滿足對定位復拍的高要求，主要有以下原因：一是多路徑效應，RTK模塊在城市環(huán)境或有遮擋物的情況下，容易受到多路徑效應的干擾導致定位不準確，在橋梁檢測中由于復雜的橋梁結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境，多路徑效應對定位的影響更加顯著；二是信號遮擋，在橋梁下方或狹窄的空間，信號遮擋是RTK模塊面臨的另一個挑戰(zhàn)，由于無法接收到足夠的衛(wèi)星信號，RTK模塊可能無法提供高精度的定位信息，從而影響定位復拍的精度和準確性[5]。

因此，為了進一步提高無人機橋梁檢測定位復拍的精度和準確性，需要將RTK模塊與其他定位技術(shù)或傳感器相結(jié)合，例如激光雷達、慣性導航系統(tǒng)（INS）等，以提供更可靠的定位信息并解決RTK模塊單獨應用的局限性。通過融合多種技術(shù)手段可以實現(xiàn)對橋梁的高精度、高準確性的定位復拍。

3" 激光雷達和RTK模塊的融合優(yōu)化

激光雷達和RTK模塊在橋梁檢測中各有其優(yōu)勢和局限性，激光雷達能夠提供高分辨率的三維點云數(shù)據(jù)，但在GPS信號較差或信號被遮擋的情況下可能失效，而RTK模塊則可以提供高精度的定位信息，但在城市環(huán)境或有遮擋物的情況下容易受到干擾，定位精度有限。為了克服各自的局限性，本研究提出了激光雷達和RTK模塊的融合優(yōu)化方法，具體包括以下幾個步驟。

3.1nbsp; 數(shù)據(jù)融合與配準

在橋梁檢測中，數(shù)據(jù)融合與配準是至關(guān)重要的步驟，決定了后續(xù)對橋梁結(jié)構(gòu)的準確評估，為了實現(xiàn)這一目標需要采用激光雷達和RTK模塊的數(shù)據(jù)，確保它們在同一坐標系下具有一致性。首先，考慮時間戳同步的問題，通過同步激光雷達和RTK模塊的數(shù)據(jù)采集確保二者的時間戳是一致的，時間戳同步的數(shù)學表達式可以用以下公式表示

Tsync=TRTK-TLIDAR ，

式中：Tsync是時間戳同步的偏移量，TRTK是RTK模塊的時間戳，TLIDAR是激光雷達的時間戳。通過調(diào)整時間戳同步偏移量，確保2種數(shù)據(jù)按照相同的時間基準進行記錄。

接下來需要考慮數(shù)據(jù)的空間配準，這涉及將激光雷達獲取的三維點云數(shù)據(jù)與RTK模塊提供的位置信息進行配準，配準的過程可以通過以下公式表示

Paligned=PLIDAR+ΔPsync ，

式中：Paligned是配準后的點云數(shù)據(jù)，PLIDAR是激光雷達掃描得到的原始點云數(shù)據(jù)，ΔPsync是由時間戳同步引起的空間偏移。這確保了激光雷達的點云數(shù)據(jù)與RTK模塊提供的位置信息在同一坐標系下?lián)碛幸恢滦浴?/p>

數(shù)據(jù)融合后即便橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生微小變化也能夠正確地映射數(shù)據(jù)到實際位置，這為后續(xù)的橋梁結(jié)構(gòu)分析提供了可靠的基礎(chǔ)。

3.2" 高精度定位校正

高精度的定位校正是確保激光雷達數(shù)據(jù)準確性的關(guān)鍵步驟，利用RTK模塊提供的高精度定位信息對激光雷達數(shù)據(jù)進行校正是實現(xiàn)這一目標的有效手段。通過將激光雷達獲取的點云數(shù)據(jù)與RTK模塊提供的位置信息進行對齊，可以消除激光雷達數(shù)據(jù)中由于信號遮擋或多路徑效應導致的定位誤差，這種校正不僅提高了定位的精度，還有助于排除由于環(huán)境條件變化而引起的測量偏差[6]，精確的位置信息校正為后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析提供了可信的基礎(chǔ)，表1展示了使用RTK模塊進行高精度定位校正的數(shù)據(jù)示例。

3.3" 融合算法設(shè)計

為了充分利用激光雷達和RTK模塊的數(shù)據(jù)信息，需要設(shè)計合適的融合算法，常見的選擇包括卡爾曼濾波器或擴展卡爾曼濾波器等濾波器算法。這些算法可以對2種數(shù)據(jù)進行融合提高定位的穩(wěn)定性和準確性。在設(shè)計融合算法時，需要考慮激光雷達數(shù)據(jù)的高分辨率和RTK模塊數(shù)據(jù)的高精度，具體應用場景可能要求對二者的權(quán)衡以制定合適的融合策略。例如，在需要高精度定位的情況下可以更加側(cè)重于RTK模塊提供的數(shù)據(jù)，而在需要更詳細結(jié)構(gòu)信息的情況下可以更注重激光雷達的高分辨率數(shù)據(jù)。

3.4" 實時校準與反饋

在實際應用中，數(shù)據(jù)融合后需要持續(xù)進行實時校準和反饋。通過利用實時采集到的RTK模塊數(shù)據(jù)對激光雷達數(shù)據(jù)進行動態(tài)調(diào)整，系統(tǒng)可以在不同環(huán)境下及時適應定位需求的變化，這種實時性的調(diào)整確保了整個系統(tǒng)在運行時的魯棒性和準確性。同時，根據(jù)實際情況對融合算法進行調(diào)整和優(yōu)化也是必要的，隨著數(shù)據(jù)的積累和技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)可以根據(jù)反饋信息進行不斷的改進，提高定位的精度和穩(wěn)定性。這種反饋機制保證了系統(tǒng)能夠適應不同橋梁結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件的挑戰(zhàn)，提供可靠的定位數(shù)據(jù)。

通過以上步驟可以充分發(fā)揮激光雷達和RTK模塊的優(yōu)勢，實現(xiàn)對橋梁更高精度的定位復拍，該融合優(yōu)化方法不僅可以提高定位的精度和準確性，還能夠增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，為橋梁檢測等領(lǐng)域的應用提供更可靠的定位解析。

4" 先進數(shù)據(jù)處理算法的應用

本研究在無人機橋梁檢測中引入先進的數(shù)據(jù)處理算法以提升定位復拍的性能，這些先進的數(shù)據(jù)處理算法涵蓋了多個方面。包括數(shù)據(jù)融合、噪聲濾波、特征提取和機器學習等技術(shù)。旨在更精確、更魯棒地處理激光雷達和RTK模塊的數(shù)據(jù)。以下是該研究采用的一些先進數(shù)據(jù)處理算法的關(guān)鍵方面。

4.1" 多傳感器數(shù)據(jù)融合

多傳感器數(shù)據(jù)融合是指將來自多個傳感器的信息整合在一起以獲得更準確、更全面的信息。在橋梁定位應用中采用激光雷達和RTK模塊2種傳感器的數(shù)據(jù)融合，可以更好地利用2種傳感器的優(yōu)勢提高定位的準確性和魯棒性。激光雷達是一種主動傳感器，通過發(fā)射激光束并測量返回的反射光來獲取目標物體的三維位置信息。激光雷達的優(yōu)勢在于其高精度、高分辨率和全天候工作能力[7]，但是激光雷達在雨霧天氣下的性能可能會受到一定影響。

RTK模塊是一種基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）的被動傳感器，通過接收衛(wèi)星信號并計算信號傳播時間來確定其位置，RTK模塊的優(yōu)勢在于其全天候工作能力和較低的成本，但是RTK模塊在天線遮擋或信號干擾的情況下可能會導致定位精度下降。通過將激光雷達和RTK模塊的數(shù)據(jù)融合可以彌補2種傳感器的不足，提高定位的準確性和魯棒性，例如在激光雷達性能受到影響的情況下RTK模塊可以提供額外的位置信息，在RTK模塊性能受到影響的情況下激光雷達可以提供額外的距離信息。

4.2" 噪聲濾波和誤差校正

噪聲濾波是指通過一系列算法和技術(shù)將傳感器數(shù)據(jù)中的隨機噪聲和系統(tǒng)誤差過濾掉，從而提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準確性，噪聲濾波和誤差校正圖如圖2所示，在橋梁定位應用中采用高效的噪聲，濾波算法可以去除激光雷達和RTK模塊數(shù)據(jù)中的系統(tǒng)誤差和隨機噪聲從而提高定位的準確性。誤差校正是指通過一系列校正機制對傳感器產(chǎn)生的誤差進行補償從而確保數(shù)據(jù)的準確性，在橋梁定位應用中通過實時校正機制可以對激光雷達和RTK模塊的數(shù)據(jù)進行校正，確保定位的準確性。

4.3" 特征提取與匹配

特征提取是指從傳感器數(shù)據(jù)中提取出具有代表性的特征點或特征向量以描述目標物體的形狀、大小、顏色等屬性。在橋梁定位應用中，利用先進的特征提取算法可以從激光雷達點云和RTK位置數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵特征點，從而更準確地確定橋梁的位置和結(jié)構(gòu)，特征匹配是指將2種傳感器數(shù)據(jù)之間的對應關(guān)系建立起來，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和整合。在橋梁定位應用中，通過特征匹配技術(shù)可以實現(xiàn)激光雷達點云和RTK位置數(shù)據(jù)之間的對應，從而更準確地確定橋梁的位置和結(jié)構(gòu)。

通過綜合運用這些先進的數(shù)據(jù)處理算法，在復雜環(huán)境中實現(xiàn)對橋梁的高精度、高準確性的定位復拍，這將有助于提高無人機橋梁檢測系統(tǒng)在實際應用中的可靠性和效率。

5" 結(jié)束語

本研究通過對基于激光雷達和RTK模塊的無人機橋梁檢測定位復拍技術(shù)性能的優(yōu)化研究，提出了一種改善定位復拍精度的方法，通過激光雷達和RTK模塊的融合優(yōu)化以及先進的數(shù)據(jù)處理算法的應用，實現(xiàn)了對橋梁的高精度、高準確性的定位復拍，這一技術(shù)性能優(yōu)化方法為無人機在橋梁檢測領(lǐng)域的應用提供了更為可靠的技術(shù)支持，具有廣闊的應用前景。

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