无人机在桥梁检测应用中的若干问题探讨

2019-09-06林建茂

福建建筑 2019年8期

徐丹林建茂

(福建省交通科学技术研究所福建福州 350004)

0 引言

随着交通量的急剧增长，超重、重中型车辆日益增多，使得社会对桥梁的正常使用功能要求越来越高，桥梁的检测与加固维修工作显得愈发重要，而准确、高效的桥梁检测是结构加固维修的先行条件。然而，传统的桥梁检查设备较为单一，主要依靠肉眼或者辅助工具(望远镜、桥检车等)来检查结构是否出现各类病害。而且，现有的特大桥、大桥、特殊桥梁结构(斜拉桥、悬索桥等)数量逐年增多，若仍采用传统的方法检测，其操作难度大、并有盲区存在，无法为管养部门提供一份可靠的检测结论作为决策依据。如何高效、准确反映各类桥梁结构真实状态已成为桥梁检测界亟待解决的问题。

无人驾驶飞机简称“无人机”(英文：UAV)，是一种凭借无线电设备遥控或者按照自身的控制程序飞行的不载人飞行器[1]。经过一个世纪的科学技术发展，无人机由最初的军事专用领域逐步发展到为民所用，如军用无人机进行情报搜集、空中侦察等，民用无人机进行农作物播种或喷洒农药、地形图测绘、电力巡线、道路交通路况监测、应急救灾等，各个领域均可见到无人机的踪迹。如何高效地将无人机技术运用到各个行业，为人类谋福祉，已成为国内外一个热门的研究课题。

近年来，国内已有不少学者开展无人机桥梁检测技术研究，主要有上海交通大学、华南理工大学、重庆大学等一些高等院校及科研机构，并取得了一定成果。如王学义[2]进行无人机搭载高清摄像头技术试验，同时在桥底下设立临时基站以解决信号和飞行路线规划技术问题，并借用OPENCV软件编写裂缝识别与测量计算程序。对比结果表明，采用该方法测量裂缝精确较高。王鹏[3]提出了在无人机上携带激光测距仪、可变焦摄像头、GPS定位器检测方案，并对关键技术展开论述。结果表明，该技术下裂缝识别率达到90%以上。方留杨[4]等提出了一种基于无人机三维建模技术的桥梁检测方案，详细介绍了该方法的操作流程，并对3座实桥进行验证，证明了该方法的可行性。朱普茂[5]提出了一种基于桥梁点云模型的无人机导航方案，可较为精准确定无人机的具体位置。该方法可为无人机的线路规划导航提供借鉴参考技术意义。

综上文献归纳可知，运用无人机进行桥梁检测要经历：航迹规划→图像获取→图像识别与处理→结果分析4个步骤。该研究是一个复杂的多学科耦合系统领域，科学技术水平高、需要全方位统筹考虑设计。尽管当前已有不少学者展开相关技术研究，但都是进行局部探讨分析，并没有形成一整套完善的研究体系，若将该技术盲目推广运用，其可行性与结果可信度有待进一步商榷。

基于此，本文在查阅大量文献的基础上，分别从研究现状、相关硬件装备技术性要求，以及应用特点三方面展开阐述。研究发现，无人机飞行器的定位信号、安全性、结构设计以及图像识别问题是影响其广泛应用的技术“瓶颈”。本文藉此对其改善措施进行探讨。

1 无人机在桥梁检测中硬件装备要求

无人机在不同的行业运用中，有不同的硬件装备技术指标要求。在桥梁检测领域，对相应的检测硬件装备要求较高，可分为物理结构硬件和电子硬件两部分。

1.1 物理结构硬件

无人机桥梁检测物理硬件装备组成如图1所示[6]，主要由飞行器、高分辨率相机模块、定位模块、激光测距仪、图像传输器和电池六大部分组成。

图1 物理硬件装备组成

(1)飞行器主体

考虑到桥梁结构类型多、构造复杂，且对结构病害进行图像采集时，需要在相对稳定的悬停条件下操作，宜采用多旋翼小型无人机作为飞行器载体。为了保障飞行器的正常使用功能，应配备安全保护罩，避免外界因素导致飞行器发生碰撞坠毁事故。

(2)相机模块

桥梁结构的病害出现位置无章可循，有的病害出现在阴暗处且很微小，不易被察觉(如：裂缝)。因此，搭载在飞行器上的相机，要具备质量轻、高分辨率、阴暗环境下具有自动调整变焦功能，能够清晰识别结构病害，并将其记录下，便于后期病害处置。

(3)定位模块

采用无人机进行桥梁检测技术，要在高、稳定信号环境下进行。然而现有的桥梁结构构造复杂、材料品种多样，尤其是钢材等材料会产生局部磁干扰效应，影响信号功能，导致无人机无法按预设轨迹正常巡检。因此，有必要配备惯性测量单元导航、超声波等定位功能装置。

(4)测距模块

桥梁构造复杂，为了提高飞行器的避障功能，有必要在飞行器上搭载红外线测距仪，保证飞行器6个方面都与梁体保持一定的安全距离。

(5)无线图像传输模块

对于大型、特大型桥梁结构检测，为了确保拍摄图片数据的有效性、精准性等因素，操作人员应全程实时跟踪捕捉摄像头画面，需要有稳定的图像传输保障技术，以达到检测数据的有效、可行。

(6)电池模块

飞行器和搭载设备质量较重，使得无人机处于超负荷工作；另一方面，对于特大桥等结构检测巡航，为了保障工作连贯性与数据可靠性，对无人机的续航能力提出较高要求。在相同的质量下，宜采用高能量密度锂电池。

1.2 电子硬件

电子硬件系统组成如图2所示[7]，主要是指无人机飞行控制中心(通讯枢纽)以及遥控系统、传感器系统、动力系统、通讯系统和供电系统5个子系统组合而成的飞行控制系统。

图2 电子硬件系统组成

(1)遥控系统

地面操控人员通过发射机发送PWM信号至接收机，接收机通过信号简单转换并将其传输给飞控中心。一般而言，发射机至少需要4通道(升降、副翼、方向以及油门)才能保证飞行器较为稳定飞行。

(2)传感器系统

传感器系统，是由加速度计、陀螺仪、电子罗盘、气压计和GPS等组成，是保证无人机按指定轨迹飞行、姿态调整以及保障安全飞行、避免碰撞的感应系统。

(3)动力系统

动力系统，是指电机和电子调速器。飞控中心收到地面信号指令，将信号传递给电子调速器，电子调速器生成高频交流电输出至电机，从而发挥调控电机作用。

(4)通讯系统

飞行器控制系统和数据传递模块连接，保证地面操作人员实时监控操作。

(5)供电系统

飞行器控制系统与电池通过电源连接控制，以实现电源能够提供稳定电压、持续供电能力。

2 无人机在桥梁检测应用中优缺点分析

桥梁检测可分为经常性检查、定期检测和特殊检测3种形式。经常性检查，指对桥梁表观是否产生病害的日常巡检，以便及时发现问题并修理，是保证结构正常安全使用的形式之一[8]。运用无人机进行桥梁经常性巡检，具有轻巧方便、效率高等优势，可为管养部分、检测单位提供便捷。经常性检测主要内容如表1所示[9]。

表1 桥梁经常性检查基本内容(混凝土路面)

2.1 无人机检测优势

与传统的桥梁检测相比，运用无人机技术进行桥梁表观检测，具有以下几点优势：

(1)对特殊的桥梁结构(斜拉桥、悬索桥、拱桥)检测时，高塔柱顶、梁板底部等目所能及范围之外的区域，采用肉眼观察方式无法完成，且难度大、危险性高，若借助无人机可有效解决一系列难题。

(2)无人机进行桥梁检测过程中不占用车道，对桥面上的交通不造成任何影响。

(3)从长远角度考虑，无人机设备综合单价远低于购买桥梁检测车或者租赁台班费用，可有效降低成本。

(4)无人机检测效率高、结构病害主要以计算机识别判断为主，降低人为干扰因素，结果更为客观、可靠。

(5)操作人员经过短期培训即可上岗，无需较强的专业功底，而且人员配备数量相对较少，工作强度较低。

采用无人机桥梁检测，最能发挥其优越性能的检测部位及内容，如表2所示。

表2 无人机检测部位及内容

2.2 无人机检测缺点

运用无人机进行桥梁检测无疑是未来的发展方向，但目前综合水平仅处于初步阶段，仍存在以下几点不足：

(1)目前无人机还没有较为完善的避障技术，无法保证飞行器与结构保持必要的安全距离，导致撞击坠毁。

(2)现有的多翼无人机结构设计存在一定的缺陷，如：质量重、续航能力短、机身稳定性能较差等。

(3)对搭载的照相机性能要求较高，要具备像素高、质量轻、自动调校位置、变焦能力等。

(4)受自然环境影响大，当气候较为恶劣时就无法展开工作，仅在晴空无风状态下才能进行。

(5)图像裂缝识别精度有待提高，当光线较暗或结构表面有一些污物时，识别率较差，只能人工辅助识别。

3 关键技术问题探讨

无人机在桥梁检测中的应用研究是一个复杂多学科耦合领域。尽管随着无人机桥梁检测技术水平的不断提高，在较为理想状态下具备可行性，但若将其直接应用在桥梁检测中，还有诸多关键技术问题亟需解决。

3.1 定位GPS信号问题

当飞行器距地表较近时，地面障碍物对飞行器的信号干扰不可忽视。为了保证按预定轨迹飞行，可启动飞行器姿态飞行模式。飞行器姿态飞行模式主要原理，即发挥飞行器内部惯性测量单元，自动识别当前飞行姿态进行平衡调整；自动计算当前位置坐标值，从而锁定无人机的具体位置，较为理想解决信号不稳定问题[10]。

3.2 图像识别问题

根据桥梁外观检测要求，桥梁表观裂缝识别精度需要达到0.2mm以上，而现有的试验仅在理想环境下才勉强满足要求。一般情况下，采用无人机进行桥梁外观检测，构件表面的亮度与悬停状态下机身抖动幅度，是影响拍摄照片的清晰度主要两个因素。针对这种状况，可在无人机上安装补光照明设备，并在相机与飞行器结合处安装避震装置，可有效提高拍摄图片的清晰度与识别度。