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)用策略

黃若昀 范昊罡

（1.江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司,江蘇 南京 211106；2.南京華智大為科技有限責(zé)任公司,江蘇 南京 211899）

在對(duì)橋梁工程進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，相關(guān)單位的工作人員一定要充分意識(shí)到新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，明確目前所應(yīng)用的主要新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用方法。合理運(yùn)用新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)，包括無(wú)人機(jī)的合理選擇、無(wú)人機(jī)本身的科學(xué)檢測(cè)與航線規(guī)劃、橋梁外觀檢測(cè)、橋梁病害圖像識(shí)別、橋梁建模以及檢測(cè)結(jié)果處理分析等，充分發(fā)揮新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)橋梁工程質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果的科學(xué)、全面獲取。

1 項(xiàng)目背景

本次需要檢測(cè)的某大橋于2014年建成，其主橋是（35+35+158+40）m形式的獨(dú)塔空間素面混合梁斜拉橋，橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度是35.5 m，橋塔總高度是111 m，在中分帶布設(shè)，朝主跨方向傾斜18°，橋面南北方向總坡度最大值均為4.2%，設(shè)計(jì)時(shí)速為40 km，汽車荷載設(shè)計(jì)為公路-I級(jí)，抗震設(shè)防烈度設(shè)計(jì)為7°。本次橋梁檢測(cè)中，主要對(duì)該橋梁鋼結(jié)構(gòu)涂層情況、斜拉索螺栓缺失或松動(dòng)情況以及路面缺陷情況進(jìn)行檢測(cè)，以此來(lái)為該橋梁的維修提供參考依據(jù)。

2 新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)

相比傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)，新型無(wú)人機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)包括以下幾點(diǎn)：

第一，質(zhì)量較輕。有關(guān)研究顯示，通常情況下，新型無(wú)人機(jī)的起飛重量可控制在20 kg以內(nèi)，飛行更加靈活。

第二，單價(jià)較低。通常情況下，新型無(wú)人機(jī)的單價(jià)在1萬(wàn)～100萬(wàn)美元，其中有近四分之一的新型無(wú)人機(jī)單價(jià)不超過(guò)10萬(wàn)美元，甚至有些新型無(wú)人機(jī)的單價(jià)不足1萬(wàn)美元。

第三，機(jī)動(dòng)性高。有關(guān)研究顯示，新型無(wú)人機(jī)的過(guò)載量可以超過(guò)4 kg，具有更好的機(jī)動(dòng)性。

第四，適應(yīng)性強(qiáng)。新型無(wú)人機(jī)的起升和降落都更加簡(jiǎn)單，起升和降落的方式更加靈活多樣。新型無(wú)人機(jī)可通過(guò)母機(jī)帶動(dòng)、手挪、滑跑、彈射等方式起升，以消降、傘降、攔截網(wǎng)等方式降落，在各種地形環(huán)境下都可以適用[1]。

第五，安全性高。新型無(wú)人機(jī)在惡劣復(fù)雜的環(huán)境條件下也能適用，甚至能夠在化學(xué)危害區(qū)、生物危害區(qū)內(nèi)工作，具有更高的安全性。

3 橋梁檢測(cè)中的新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)主要技術(shù)分析

在通過(guò)新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)對(duì)橋梁工程質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，相關(guān)單位與技術(shù)人員需要對(duì)其主要技術(shù)及其應(yīng)用加以明確，包括異形檢測(cè)無(wú)人機(jī)、中繼無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)以及建筑信息化模型地面站系統(tǒng)等。

3.1 異形檢測(cè)無(wú)人機(jī)

異形檢測(cè)無(wú)人機(jī)具有比較特殊的結(jié)構(gòu)，它可以對(duì)橋梁外部進(jìn)行有效檢測(cè)。具體應(yīng)用中，首先需要在無(wú)人機(jī)前段設(shè)置兩個(gè)固定臂，使其方向向前，然后將滑輪、舵機(jī)置于固定臂上，再將攝像設(shè)備安裝到兩個(gè)固定臂中間，進(jìn)而可有效解決傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)拍攝不能覆蓋垂直面的問(wèn)題。將八軸形式的動(dòng)力系統(tǒng)作為無(wú)人機(jī)飛行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，即使是在強(qiáng)風(fēng)條件下，也可以實(shí)現(xiàn)其飛行方向的有效調(diào)整。在異形檢測(cè)無(wú)人機(jī)的旋翼頂端覆蓋防護(hù)網(wǎng)，可使其緊貼橋梁底部進(jìn)行拍攝。另外，將IUM模塊以及GNSS模塊配備在異形檢測(cè)無(wú)人機(jī)中，可通過(guò)軟件對(duì)其多路導(dǎo)航進(jìn)行設(shè)置。通常情況下，異形檢測(cè)無(wú)人機(jī)的飛行測(cè)量精度可達(dá)到1 cm以內(nèi)，且對(duì)磁干擾具有很強(qiáng)的抵抗能力，為橋梁工程檢測(cè)拍攝奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)[2]。

3.2 中繼無(wú)人機(jī)

中繼無(wú)人機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)的進(jìn)一步增強(qiáng)，同時(shí)也可以對(duì)磁羅盤等進(jìn)行校準(zhǔn)。在橋梁檢測(cè)中，中繼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用可有效防止橋梁底部測(cè)量中的信號(hào)丟失，并有效抵抗橋梁底部的強(qiáng)烈磁場(chǎng)干擾，確保測(cè)量精度。

3.3 多旋翼無(wú)人機(jī)

多旋翼無(wú)人機(jī)是新型無(wú)人機(jī)中最常見的一種類型，就目前的橋梁檢測(cè)來(lái)看，應(yīng)用較多的就是四旋翼無(wú)人機(jī)。此類無(wú)人機(jī)的電機(jī)通常是通過(guò)電調(diào)來(lái)直接驅(qū)動(dòng)，且能夠通過(guò)為電調(diào)發(fā)送PWM信號(hào)的形式進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，其發(fā)射信號(hào)的高電平寬度越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速也就越快。具體工作中，可將第i個(gè)信號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)為，將所有旋翼的升力總和設(shè)為FA，將無(wú)人機(jī)承受的重力設(shè)為FG。在多旋翼無(wú)人機(jī)起升和降落時(shí)，首先需要讓四個(gè)旋翼的保持相同，且無(wú)人機(jī)的橫滾、偏航以及俯仰力矩都需要控制為零，對(duì)四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，便可改變多旋翼無(wú)人機(jī)的起升力。如果FA＜FG，多旋翼無(wú)人機(jī)便會(huì)下落；如果FA＞FG，多旋翼無(wú)人機(jī)便會(huì)起升；如果FA＝FG，多旋翼無(wú)人機(jī)便會(huì)懸停[3]。通過(guò)這樣的方式，便可對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、拍攝內(nèi)容以及拍攝角度進(jìn)行靈活控制。

3.4 建筑信息化模型地面站系統(tǒng)

建筑信息化模型地面站系統(tǒng)是將BIM技術(shù)作為基礎(chǔ)所建立的一種信息化模型。該系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅可以為新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)的安全性提供保障，同時(shí)也可以將新型無(wú)人機(jī)航攝獲取到的二維照片轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模型，從而對(duì)橋梁建筑外表面損壞和病害情況達(dá)到良好的檢測(cè)效果。就目前來(lái)看，Pix4D系列建模軟件是新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)中常用的建筑信息化模型地面系統(tǒng)軟件，將該軟件與其配套設(shè)施加以合理應(yīng)用，可達(dá)到全天候、無(wú)限制的橋梁檢測(cè)效果。具體應(yīng)用中，可將信息檢測(cè)模型建立在3D模型上，提前將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入該軟件中，便可實(shí)現(xiàn)橋梁工程建筑模型的科學(xué)建立；對(duì)于需要重新拍攝的內(nèi)容，在獲取之后，只需要再次導(dǎo)入該模型中，便可在不需要修改其他有效數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)橋梁建筑模型的精確建立，從而實(shí)現(xiàn)高精度橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)的獲取[4]。

4 橋梁檢測(cè)中的新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)具體應(yīng)用策略

在通過(guò)新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行橋梁檢測(cè)的過(guò)程中，相關(guān)單位的工作人員一定要將項(xiàng)目概況、檢測(cè)任務(wù)、檢測(cè)技術(shù)需求等作為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)加以合理應(yīng)用。有效發(fā)揮出此項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的科學(xué)準(zhǔn)確獲取。以下是本次橋梁檢測(cè)中的新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用策略。

4.1 無(wú)人機(jī)選擇

本次檢測(cè)中，選擇的無(wú)人機(jī)為大疆M200型四旋翼無(wú)人機(jī)飛行器，搭載Z30型攝像頭進(jìn)行橋梁檢測(cè)。表1是大疆M200型四旋翼無(wú)人機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，表2是大疆Z30型攝像頭的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 大疆M200型四旋翼無(wú)人機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

表2 大疆Z30型攝像頭主要技術(shù)參數(shù)

4.2 無(wú)人機(jī)本身檢測(cè)與航線規(guī)劃

為確保無(wú)人機(jī)航攝效果，在起飛之前，首先需要安排2名專業(yè)技術(shù)人員對(duì)無(wú)人機(jī)的機(jī)身及其攝像頭進(jìn)行檢測(cè)，使其整體重量得到科學(xué)控制，并確保無(wú)人機(jī)和攝像頭的狀態(tài)滿足實(shí)際檢測(cè)工作的需求。對(duì)于存在問(wèn)題的參數(shù)，應(yīng)及時(shí)做好調(diào)試。同時(shí)也需要根據(jù)橋梁工程的實(shí)際情況與特征，對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)量航線進(jìn)行合理規(guī)劃。通過(guò)這樣的方式，為橋梁工程的無(wú)人機(jī)檢測(cè)奠定良好基礎(chǔ)[5]。圖1為本次橋梁檢測(cè)中的新型無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃圖。

圖1 本次橋梁檢測(cè)中的新型無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃圖

4.3 橋梁外觀檢測(cè)

在通過(guò)新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行橋梁檢測(cè)的過(guò)程中，不同的航線，其拍攝方式也不同，且照片重疊率需要控制在90%以上。以下是該橋梁各個(gè)部位的無(wú)人機(jī)拍攝方式：

第一，在橋梁上空拍攝中，鏡頭始終朝向橋體，每一個(gè)航點(diǎn)都需要拍攝1張照片，其傾斜角度控制為45°，環(huán)繞半徑控制在20 m～50 m，環(huán)繞高度控制在15 m、45 m、75 m。

第二，在橋梁兩側(cè)拍攝中，鏡頭始終朝向橋體，每一個(gè)航點(diǎn)需要拍攝3張照片，其傾斜角度分別控制在-30°、0°、30°，航線水平和垂直間距應(yīng)控制在5m～10 m。

第三，在道路上空拍攝中，鏡頭應(yīng)始終朝向路面，每一個(gè)航點(diǎn)需要拍攝3張照片，其傾斜角度分別控制在30°、60°、90°，無(wú)人機(jī)與拍攝點(diǎn)之間的距離控制在10 m，航點(diǎn)間距控制在3 m。

第四，在斜桿四周拍攝中，鏡頭需要始終朝向斜桿，每一個(gè)航點(diǎn)水平拍攝1張照片，航點(diǎn)間距控制在5 m[6]。

整個(gè)檢測(cè)過(guò)程可在地面控制終端實(shí)時(shí)查看，當(dāng)電池電量偏低時(shí)，無(wú)人機(jī)會(huì)自動(dòng)返航，待更換電池之后再繼續(xù)從斷點(diǎn)位置續(xù)航。本次測(cè)量共花費(fèi)了2.2 h，檢測(cè)路徑共8條。檢測(cè)中，無(wú)人機(jī)更換電池次數(shù)為6次，拍攝獲取到的有效照片超過(guò)1 000張。

4.4 橋梁病害圖像識(shí)別

通過(guò)新型無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)獲取了該橋梁工程的測(cè)量圖像之后，無(wú)人機(jī)會(huì)將獲取到的圖像及時(shí)上傳到地面終端系統(tǒng)。通過(guò)地面終端系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)軟件，可對(duì)橋梁上存在的一些病害進(jìn)行識(shí)別：借助云端智能技術(shù)，可對(duì)橋梁上的破損、銹蝕、裂縫等病害做出初期篩選。然后將相應(yīng)的病害標(biāo)注到圖片和后續(xù)建立好的模型中，其識(shí)別精度可以達(dá)到毫米級(jí)別。識(shí)別中，對(duì)于一些存疑的識(shí)別結(jié)果，專家需要在圖片上做好人工標(biāo)記，以便在后續(xù)維修中進(jìn)一步核實(shí)[7]。

4.5 橋梁建模

在新型無(wú)人機(jī)飛行檢測(cè)任務(wù)結(jié)束之后，獲取到的所有圖片都將會(huì)上傳到云端服務(wù)器，并通過(guò)云端服務(wù)器對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括相應(yīng)的傳感器尺寸、文件大小、重建精度等。在完成相應(yīng)參數(shù)設(shè)置之后，計(jì)算機(jī)便會(huì)自動(dòng)進(jìn)行圖片的多視角三維重建，然后將圖片和數(shù)據(jù)導(dǎo)入Pix4D建模軟件中，便可對(duì)橋梁建筑的信息化三維模型進(jìn)行構(gòu)建。圖2為本次所檢測(cè)橋梁建筑的信息化三維立體模型示意圖。

圖2 本次所檢測(cè)橋梁建筑的信息化三維立體模型示意圖

4.6 檢測(cè)結(jié)果處理和分析

在完成了橋梁工程的信息化模型建立之后，為實(shí)現(xiàn)新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)精度的科學(xué)評(píng)定，本次分析中，對(duì)幾種主流地圖測(cè)量參數(shù)和新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)結(jié)果模型參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，包括橋體寬度對(duì)比、橋體長(zhǎng)度對(duì)比以及橋體周長(zhǎng)對(duì)比。表3為本次橋梁檢測(cè)中的新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)結(jié)果模型參數(shù)與幾種主流地圖測(cè)量參數(shù)的對(duì)比結(jié)果。

表3 本次橋梁檢測(cè)中的新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)結(jié)果模型參數(shù)與幾種主流地圖測(cè)量參數(shù)的對(duì)比結(jié)果

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，在新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行本次橋梁檢測(cè)之后，其測(cè)量精度可控制在厘米級(jí)別。為進(jìn)一步確保新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)的測(cè)量精度，本次研究中，也對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)量結(jié)果模型參數(shù)和實(shí)際測(cè)量參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。表4為本次橋梁檢測(cè)中的新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)結(jié)果模型參數(shù)與實(shí)際測(cè)量參數(shù)的對(duì)比結(jié)果。

表4 本次橋梁檢測(cè)中的新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)結(jié)果模型參數(shù)與實(shí)際測(cè)量參數(shù)的對(duì)比結(jié)果

通過(guò)上述對(duì)比可知，在本次橋梁檢測(cè)中，通過(guò)新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)獲得的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果十分接近，其誤差可控制在5 cm以內(nèi)。由此可見，新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)在當(dāng)今的橋梁檢測(cè)中具有較高的可靠性與可行性。表5為本次橋梁工程新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)獲得的主要病害數(shù)量結(jié)果。

表5 本次橋梁工程新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)獲得的主要病害數(shù)量結(jié)果

除了以上的橋梁工程病害數(shù)量統(tǒng)計(jì)之外，在本次通過(guò)新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)對(duì)該橋梁工程進(jìn)行檢測(cè)之后，其所有的病害都會(huì)明確呈現(xiàn)在橋梁建筑信息化模型中，包括病害的具體位置、大小、形狀、病害嚴(yán)重程度等。通過(guò)這樣的方式，便可為該橋梁后續(xù)的運(yùn)維養(yǎng)護(hù)工作提供科學(xué)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，從而進(jìn)一步提升橋梁工程的維修養(yǎng)護(hù)工作質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在橋梁檢測(cè)中，新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)所發(fā)揮的作用十分顯著。相比傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)檢測(cè)，新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)不僅具備更高的檢測(cè)效率和檢測(cè)精度，同時(shí)也更加安全、便捷，花費(fèi)更少。因此，在橋梁檢測(cè)工作中，相關(guān)單位的技術(shù)人員應(yīng)加大力度對(duì)新型無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行研究，通過(guò)運(yùn)行參數(shù)、航行路線、拍攝方式等的合理設(shè)置，來(lái)實(shí)現(xiàn)橋梁工程信息的全面、精準(zhǔn)獲取，并對(duì)獲取到的信息加以充分利用，采用信息化建模軟件來(lái)進(jìn)行橋梁建筑三維模型的建立，使其各類質(zhì)量問(wèn)題直觀地顯示在模型中，為后續(xù)的病害處理提供科學(xué)的參考依據(jù)。