無人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

林震寰

(華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引 言

我國(guó)公路橋梁正處于建設(shè)與維護(hù)并重時(shí)期。鋼結(jié)構(gòu)橋梁由于自身材料特性、橋梁所處環(huán)境以及國(guó)內(nèi)橋梁維護(hù)體系尚不完善等原因，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)易發(fā)生腐蝕與疲勞損傷。為應(yīng)對(duì)未來鋼結(jié)構(gòu)橋梁維護(hù)需求的快速增長(zhǎng)，保證橋梁的行車安全，研究出可以替代人工檢測(cè)的方法，實(shí)現(xiàn)更標(biāo)準(zhǔn)、更準(zhǔn)確的橋梁健康狀況評(píng)估，成為當(dāng)前橋梁維護(hù)工作的一個(gè)主要難點(diǎn)。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究，介紹無人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)的組成與技術(shù)原理，探討無人機(jī)橋梁檢測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)方法，為無人機(jī)檢測(cè)技術(shù)在橋梁維護(hù)中的應(yīng)用提供參考。

1 無人機(jī)橋梁檢測(cè)系統(tǒng)組成

無人機(jī)橋梁檢測(cè)系統(tǒng)大致可以包括：無人機(jī)飛行平臺(tái)、飛行控制系統(tǒng)、影像拍攝及顯示系統(tǒng)和多功能控制終端。整個(gè)系統(tǒng)中，無人機(jī)飛行平臺(tái)與影像拍攝及顯示系統(tǒng)，構(gòu)成橋梁劣化信息采集工具。根據(jù)構(gòu)型不同，飛行平臺(tái)可分為：固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)、無人飛艇、傘翼無人機(jī)等。其中，旋翼無人機(jī)操作簡(jiǎn)單、飛行穩(wěn)定且對(duì)場(chǎng)地要求低，被廣泛運(yùn)用于橋梁檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。影像拍攝及顯示系統(tǒng)由三軸增穩(wěn)云臺(tái)、高清相機(jī)、圖像傳輸系統(tǒng)和顯示器組成。三軸增穩(wěn)云臺(tái)和高清攝像機(jī)安裝于橋梁檢測(cè)無人機(jī)的上方，檢測(cè)時(shí)飛手通過飛行控制系統(tǒng)控制無人機(jī)完成飛行、避障并觸發(fā)高清攝像機(jī)的拍照與攝像功能等任務(wù)。檢測(cè)人員可通過多功能控制終端實(shí)時(shí)觀察橋梁健康情況，方便檢測(cè)人員分析、診斷和量化病害程度，并且還可以通過終端記錄病害信息，為橋梁健康最終評(píng)估提供依據(jù)。

2 無人機(jī)橋梁檢測(cè)健康評(píng)估方法

無人機(jī)通過飛行控制系統(tǒng)控制或預(yù)先設(shè)定的飛行航線，拍攝記錄得到大量的橋梁照片進(jìn)行橋梁的健康評(píng)估。然而，由于高清攝像機(jī)受到戶外拍攝環(huán)境的干擾，導(dǎo)致采集到的圖像出現(xiàn)光照不均、灰度集中病害與背景對(duì)比度不足，噪聲污染，圖像細(xì)節(jié)不清晰，清晰度低等問題[1]。為快速、準(zhǔn)確地對(duì)橋梁健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)照片進(jìn)行進(jìn)一步處理提取裂縫、腐蝕與油漆脫落等病害信息。但是，無人機(jī)在對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量圖片，大多數(shù)檢測(cè)人員沒有足夠的圖像處理和分析能力，無法通過圖像處理軟件快速地處理大批量的橋梁損傷圖片。

目前，對(duì)圖像處理方法主要可以分類為基于顏色信息、特征信息兩種方法。這兩種方法主要是根據(jù)裂紋、腐蝕等損傷部分與健康橋梁表面的顏色以及形狀特征的不同，對(duì)損傷進(jìn)行分類使之能夠?qū)崿F(xiàn)損傷的自動(dòng)識(shí)別[2，3]。近年來，隨著計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)的發(fā)展，基于無人機(jī)視覺缺陷自動(dòng)識(shí)別識(shí)別系統(tǒng)被陸續(xù)開發(fā)，該技術(shù)在圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并利用篩選出來的橋梁病害信息對(duì)機(jī)器進(jìn)行訓(xùn)練，使圖像采集裝置實(shí)現(xiàn)損傷的自動(dòng)識(shí)別、分類與信息傳送。我國(guó)學(xué)者提出了一種改進(jìn)的融合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，用于識(shí)別在復(fù)雜干擾背景下鋼箱梁的裂紋，裂紋識(shí)別精度可達(dá)95.38%[4]。韓國(guó)學(xué)者開發(fā)了一套圖像捕捉和地理標(biāo)記(ICGT)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將GPS、IMU和激光雷達(dá)與安裝在無人機(jī)上的攝像頭同步，生成橋梁的地理參考圖像并使用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)、自動(dòng)地?fù)p傷檢測(cè)和定位，并通過圖像拼接將提取的損傷投影到全景損傷圖中[5]。

3 無人機(jī)橋梁檢測(cè)工程中的應(yīng)用分析

3.1 傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)方法

傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)主要是通過目視及手動(dòng)檢測(cè)，將檢測(cè)人員送到被觀測(cè)目標(biāo)前，通過人眼以及其他輔助設(shè)備進(jìn)行檢查，獲取結(jié)構(gòu)劣化的關(guān)鍵信息以便后續(xù)分析和診斷，如圖1。

圖1 人工橋梁檢測(cè)

然而，不同檢測(cè)人員目視檢查受到主觀與客觀等因素的影響導(dǎo)致檢查結(jié)果存在差異，無法準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)健康狀況。同時(shí)，維護(hù)期間使用的大型橋下裝置、大型卡車、特殊升降平臺(tái)等大型設(shè)備會(huì)干擾橋梁的正常運(yùn)營(yíng)，因此傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)技術(shù)無法作為日常的檢測(cè)手段應(yīng)用于橋梁的維護(hù)中。

3.2 無人機(jī)橋梁檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

隨著無人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)研究的不斷深入，無人機(jī)橋梁檢測(cè)逐漸開始應(yīng)用。以位于意大利拉奎拉工業(yè)中心的立交橋?yàn)槔齕6]。

該橋采用地面及無人機(jī)聯(lián)合攝影方式采集橋梁損傷劣化信息，并通過基于無人機(jī)視覺的橋梁損傷捕捉與評(píng)估，表1為不同損傷的分類判定方法。

表1 缺陷分類

圖3為無人機(jī)橋梁檢測(cè)與人工檢測(cè)對(duì)損傷的判定對(duì)比。

圖3 不同檢測(cè)方法的缺陷判定

通過兩種方法對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)橋梁檢測(cè)能很好完成對(duì)混凝土露筋、剝落、裂縫的識(shí)別，與人工檢測(cè)相比三者分別相差0.17%、0.03%、0.36%。相比與傳統(tǒng)的人工檢測(cè)，無人機(jī)橋梁檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)[7]。

(1)無人機(jī)檢測(cè)更加靈活，機(jī)動(dòng)性能夠更好地檢測(cè)到人工無法到達(dá)的死角。

(2)無人機(jī)檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修與運(yùn)輸方便，綜合成本遠(yuǎn)低于橋梁檢測(cè)車。

(3)無人機(jī)檢測(cè)操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快、精度高，大大增加工作效率。

(4)無人機(jī)檢測(cè)設(shè)備場(chǎng)地環(huán)境要求小，保證作業(yè)時(shí)的通車順暢，不影響車輛通行。

(5)無人機(jī)代替檢測(cè)人員進(jìn)行高空作業(yè)，無人身安全隱患。

無人機(jī)視覺橋梁檢測(cè)可應(yīng)用在橋梁的經(jīng)常性檢測(cè)、定期檢查與特殊檢查。對(duì)于橋梁的經(jīng)常性檢查，可通過無人機(jī)幫助檢測(cè)人員在保證安全性的同時(shí)，對(duì)橋梁進(jìn)行全方位、高效率的檢查，便于檢測(cè)人員完成日常巡檢，為橋梁的養(yǎng)護(hù)工作提供可靠性依據(jù)。對(duì)于橋梁的定期檢查及特殊檢查，可通過無人機(jī)對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)損壞做前期的快速評(píng)估，再通過必要的檢測(cè)設(shè)備對(duì)橋梁進(jìn)行全面查看，提升檢測(cè)工作的效率，降低檢測(cè)成本。

3.3 無人機(jī)橋梁檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用的不足

以滬渝高速四渡河大橋?yàn)槔?，該橋采用八旋翼無人機(jī)對(duì)橋梁混凝土及鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)[8]。

通過對(duì)該工程實(shí)例的分析以及現(xiàn)有資料整理發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)橋梁檢測(cè)在實(shí)際工程中的應(yīng)用目前仍然存在以下幾點(diǎn)不足[9-11]。

(1)橋下定位抗干擾能力不足。無人機(jī)定位采用的是用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)聯(lián)合技術(shù)(GPS/INS組合制導(dǎo))，當(dāng)無人機(jī)在橋下檢測(cè)時(shí)，由于橋下遮擋以及鋼筋網(wǎng)架產(chǎn)生的磁場(chǎng)，使得無人機(jī)信號(hào)受到干擾，導(dǎo)致無人機(jī)定位不準(zhǔn)確。

(2)巡航時(shí)間短，受天氣影響大。通過對(duì)無人機(jī)巡航的能源是通過搭載的鋰電池組提供的。在遇到風(fēng)雪天氣時(shí)，理論上可通過提高氣動(dòng)功率抵消天氣干擾，但受到鋰電池能效的影響，無人機(jī)的巡航時(shí)間將大大縮短。

(3)狹小空間處的避障能力不足。滬渝高速四渡河大橋目前無人機(jī)主要是通過搭載在其上的全方位超聲波傳感器，測(cè)量無人機(jī)與周圍構(gòu)件的距離進(jìn)行避障，但這類技術(shù)在狹小的空間測(cè)量誤差仍無法滿足要求。

為彌補(bǔ)無人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)的不足，越來越多的學(xué)者研究其他自動(dòng)化或半自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行輔助檢測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了一系列自動(dòng)化檢測(cè)機(jī)器人，如磁輪式機(jī)器人、坦克式機(jī)器人、蜘蛛機(jī)器人等爬壁機(jī)器人，其檢測(cè)原理與無人機(jī)檢測(cè)技術(shù)相似。不同于無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式，檢測(cè)機(jī)器人主要是通過在內(nèi)部裝置永磁體或電磁鐵使其吸附在橋梁上，實(shí)現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)上的滑動(dòng)與攀爬等運(yùn)動(dòng)，可在狹小空間內(nèi)檢測(cè)[12，13]。

4 結(jié) 論

基于無人機(jī)視覺系統(tǒng)的橋梁檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁缺陷的自動(dòng)化識(shí)別、分類與記錄，使得無人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)很好的解決了傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)存在的檢測(cè)效率低、費(fèi)用高以及高空作業(yè)給檢測(cè)人員帶來的安全隱患等問題。但是，無人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)還存在明顯不足，無人機(jī)無法對(duì)橋梁的箱體等狹小的空間進(jìn)行檢測(cè)，并且受到天氣的影響較大，定位的抗干擾能力較差，需要結(jié)合其他類型的檢測(cè)機(jī)器人。隨著橋梁檢測(cè)設(shè)備的不段改進(jìn)，無人機(jī)橋梁檢測(cè)的使用性也將提升，其檢測(cè)技術(shù)具有廣闊的前景。