四旋翼飞行器在桥梁检测中的预处理

2020-08-12迟耀丹何昱佳刘安琪

科学技术创新 2020年24期

李来迟耀丹何昱佳陈颖刘安琪

（吉林建筑大学，吉林长春130118）

无人机已应用于农业，交通，电力和其他领域。在农业领域，飞行器已用于作物风险评估，自然灾害评估，作物病虫害检测和预警等。在环境治理方面，利用携带了气象探测设备和催化剂无人机在空中进行喷撒。在电力领域，飞行器沿着电网自动巡检检查电网运行状态。

在桥梁检测领域，传统的桥梁检测方式主要使用人工进行检测。然而，当面对具有特殊结构的桥梁（例如悬索桥或大跨度高墩桥梁）时，常规的桥梁检查方法很难在范围之外的区域中操作。检测工具基本无法使用。飞行器可以实现全自动巡检，从而保证人员安全性和检测效率，同时大大降低了支出费用。

本文介绍了飞行器应用于桥梁检测，并讨论了飞行器在对桥梁检测前进行的预处理过程。

1 飞行器检测桥梁的特点

为了及时发现桥梁问题并进行维护，需对桥梁及其辅助设施的技术状况进行日常检查。传统检测的检查项目和检查内容如表1所示，对于此类检查，飞行器的主要优点可归纳如下：（1）在检测桥墩、桥腹等高空危险场所时，需要悬挂在高空进行作业，无人机检测则可以保证了工作人员的安全性；（2）对于部分人员难以到达的“盲区”，可以操作飞行器到达；（3）无人机的灵活性高，可以被操纵后迅速到指定地点，检测效率较高；（4）在定期检查桥梁时，可以在不影响道路的情况下进行检查，以确保交通的正常运行。

传统检测的检查项目和检查内容如表1 所示。

表1 传统检测的检查项目和检查内容

桥梁检测“盲区”示意图如图1 所示。

图1 桥梁检测“盲区”示意图

2 硬件设备要求

桥梁巡检系统由飞行器、云台摄像机、GPS、红外测距模块组成。

2.1 飞行器。桥梁底部的结构，特别是轴承附近的结构更为复杂。为了避免自然风等不可抗力因素造成的碰撞事故，飞机机翼必须配备安全保护装置。同时，当飞行器收集数据时，必须进行稳定安全的拍摄。因此飞机上使用的材料的密度和强度也需得到保障。

2.2 云台摄像机。为了保证检测精度和安全性，无人机需使用云台相机拍摄实体桥梁，构建完整的BIM模型。BIM需要从多个方向对桥梁进行拍摄，而且无人机在桥下拍摄时，容易通常存在曝光度不足的问题，需要保证相机拍摄稳定，不受干扰。在桥梁的维护后检查中，需要使用变焦镜头进行详细拍摄。这就要求飞行器配备云台装置，以确保获得高分辨率照片。

2.3 地理信息。由于飞行器在桥下飞行时信号较弱甚至丢失信号，极易容易发生事故。在拥有GPS精确的条件下，还必须运用惯性导航来确保飞行器在丢失信号时可以稳定飞行，即便在丢失信号的情况下也可以进行自动巡检。此过程需要借助到BIM技术得到的桥梁模型对飞行轨迹做出预判。

2.4 红外测距模块。因为桥下的环境比较复杂，就算设定好飞行轨迹。无人机在实际飞行中也会遇到诸如自然风、树木等意外情况的发生。所以飞行器的避障技术也需提高。用于桥梁检查的飞行器应当配备红外测距模块，以哥哥方向上与物体存在举例限制，以提高飞行操作的安全性。

2.5 电池。飞行器电池的耐用可以极大地减少往返时间，提高检测效率。在相同质量下，高能量密度电池具有更高的电池容量，但需要在负载重量以及飞行时间中找到平衡点，使其效率最大化。桥梁检测系统框架图如图2 所示。

图2 桥梁检测系统框架图

3 检测桥梁前的预处理

为确保飞行器能够安全、准确的检测桥梁，需要事先对桥梁进行预处理。检测桥梁前的预处理可分为建立桥梁BIM模型以及数据可视化和管理两大部分。

3.1 桥梁3D BIM模型。在日常桥梁检测中，需要做出贴合实际桥梁的BIM模型。在使用飞行器对桥梁进行检测时，可以更精准的辨别桥梁疾病状况。

在实际应用中，底部的光照条件较差，通常存在对比度不高的问题。而且目标物体表面的各类污染，水渍，都会使图像识别材料成像的质量变得不稳定，影响识别。所以我们通常需要使用各种算法对处理进行全面应用。首先需要收集大量桥梁疾病的样本图片，建立一个数据库，使计算机神经网络对其大量学习训练，自动提取疾病特征模型。随着学习完样本数量的增加，识别疾病的精度也将提升，以在实际应用中对图像进行精确地疾病识别。

3.2 数据可视化和管理。结合早期建造的三维BIM模型，可以准确地标记和关联疾病的位置。即在检测完桥梁后，对数据进行保存，根据后台数据库中存储的历史检测数据，对桥梁疾病的详细分布信息进行后续的跟踪和复查，以改善桥梁状况。