徐 丹 林建茂

(福建省交通科學技術(shù)研究所 福建福州 350004)

0 引言

隨著交通量的急劇增長，超重、重中型車輛日益增多，使得社會對橋梁的正常使用功能要求越來越高，橋梁的檢測與加固維修工作顯得愈發(fā)重要，而準確、高效的橋梁檢測是結(jié)構(gòu)加固維修的先行條件。然而，傳統(tǒng)的橋梁檢查設備較為單一，主要依靠肉眼或者輔助工具(望遠鏡、橋檢車等)來檢查結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)各類病害。而且，現(xiàn)有的特大橋、大橋、特殊橋梁結(jié)構(gòu)(斜拉橋、懸索橋等)數(shù)量逐年增多，若仍采用傳統(tǒng)的方法檢測，其操作難度大、并有盲區(qū)存在，無法為管養(yǎng)部門提供一份可靠的檢測結(jié)論作為決策依據(jù)。如何高效、準確反映各類橋梁結(jié)構(gòu)真實狀態(tài)已成為橋梁檢測界亟待解決的問題。

無人駕駛飛機簡稱“無人機”(英文：UAV)，是一種憑借無線電設備遙控或者按照自身的控制程序飛行的不載人飛行器[1]。經(jīng)過一個世紀的科學技術(shù)發(fā)展，無人機由最初的軍事專用領(lǐng)域逐步發(fā)展到為民所用，如軍用無人機進行情報搜集、空中偵察等，民用無人機進行農(nóng)作物播種或噴灑農(nóng)藥、地形圖測繪、電力巡線、道路交通路況監(jiān)測、應急救災等，各個領(lǐng)域均可見到無人機的蹤跡。如何高效地將無人機技術(shù)運用到各個行業(yè)，為人類謀福祉，已成為國內(nèi)外一個熱門的研究課題。

近年來，國內(nèi)已有不少學者開展無人機橋梁檢測技術(shù)研究，主要有上海交通大學、華南理工大學、重慶大學等一些高等院校及科研機構(gòu)，并取得了一定成果。如王學義[2]進行無人機搭載高清攝像頭技術(shù)試驗，同時在橋底下設立臨時基站以解決信號和飛行路線規(guī)劃技術(shù)問題，并借用OPENCV軟件編寫裂縫識別與測量計算程序。對比結(jié)果表明，采用該方法測量裂縫精確較高。王鵬[3]提出了在無人機上攜帶激光測距儀、可變焦攝像頭、GPS定位器檢測方案，并對關(guān)鍵技術(shù)展開論述。結(jié)果表明，該技術(shù)下裂縫識別率達到90%以上。方留楊[4]等提出了一種基于無人機三維建模技術(shù)的橋梁檢測方案，詳細介紹了該方法的操作流程，并對3座實橋進行驗證，證明了該方法的可行性。朱普茂[5]提出了一種基于橋梁點云模型的無人機導航方案，可較為精準確定無人機的具體位置。該方法可為無人機的線路規(guī)劃導航提供借鑒參考技術(shù)意義。

綜上文獻歸納可知，運用無人機進行橋梁檢測要經(jīng)歷：航跡規(guī)劃→圖像獲取→圖像識別與處理→結(jié)果分析4個步驟。該研究是一個復雜的多學科耦合系統(tǒng)領(lǐng)域，科學技術(shù)水平高、需要全方位統(tǒng)籌考慮設計。盡管當前已有不少學者展開相關(guān)技術(shù)研究，但都是進行局部探討分析，并沒有形成一整套完善的研究體系，若將該技術(shù)盲目推廣運用，其可行性與結(jié)果可信度有待進一步商榷。

基于此，本文在查閱大量文獻的基礎上，分別從研究現(xiàn)狀、相關(guān)硬件裝備技術(shù)性要求，以及應用特點三方面展開闡述。研究發(fā)現(xiàn)，無人機飛行器的定位信號、安全性、結(jié)構(gòu)設計以及圖像識別問題是影響其廣泛應用的技術(shù)“瓶頸”。本文藉此對其改善措施進行探討。

1 無人機在橋梁檢測中硬件裝備要求

無人機在不同的行業(yè)運用中，有不同的硬件裝備技術(shù)指標要求。在橋梁檢測領(lǐng)域，對相應的檢測硬件裝備要求較高，可分為物理結(jié)構(gòu)硬件和電子硬件兩部分。

1.1 物理結(jié)構(gòu)硬件

無人機橋梁檢測物理硬件裝備組成如圖1所示[6]，主要由飛行器、高分辨率相機模塊、定位模塊、激光測距儀、圖像傳輸器和電池六大部分組成。

圖1 物理硬件裝備組成

(1)飛行器主體

考慮到橋梁結(jié)構(gòu)類型多、構(gòu)造復雜，且對結(jié)構(gòu)病害進行圖像采集時，需要在相對穩(wěn)定的懸停條件下操作，宜采用多旋翼小型無人機作為飛行器載體。為了保障飛行器的正常使用功能，應配備安全保護罩，避免外界因素導致飛行器發(fā)生碰撞墜毀事故。

(2)相機模塊

橋梁結(jié)構(gòu)的病害出現(xiàn)位置無章可循，有的病害出現(xiàn)在陰暗處且很微小，不易被察覺(如：裂縫)。因此，搭載在飛行器上的相機，要具備質(zhì)量輕、高分辨率、陰暗環(huán)境下具有自動調(diào)整變焦功能，能夠清晰識別結(jié)構(gòu)病害，并將其記錄下，便于后期病害處置。

(3)定位模塊

采用無人機進行橋梁檢測技術(shù)，要在高、穩(wěn)定信號環(huán)境下進行。然而現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造復雜、材料品種多樣，尤其是鋼材等材料會產(chǎn)生局部磁干擾效應，影響信號功能，導致無人機無法按預設軌跡正常巡檢。因此，有必要配備慣性測量單元導航、超聲波等定位功能裝置。

(4)測距模塊

橋梁構(gòu)造復雜，為了提高飛行器的避障功能，有必要在飛行器上搭載紅外線測距儀，保證飛行器6個方面都與梁體保持一定的安全距離。

(5)無線圖像傳輸模塊

對于大型、特大型橋梁結(jié)構(gòu)檢測，為了確保拍攝圖片數(shù)據(jù)的有效性、精準性等因素，操作人員應全程實時跟蹤捕捉攝像頭畫面，需要有穩(wěn)定的圖像傳輸保障技術(shù)，以達到檢測數(shù)據(jù)的有效、可行。

(6)電池模塊

飛行器和搭載設備質(zhì)量較重，使得無人機處于超負荷工作；另一方面，對于特大橋等結(jié)構(gòu)檢測巡航，為了保障工作連貫性與數(shù)據(jù)可靠性，對無人機的續(xù)航能力提出較高要求。在相同的質(zhì)量下，宜采用高能量密度鋰電池。

1.2 電子硬件

電子硬件系統(tǒng)組成如圖2所示[7]，主要是指無人機飛行控制中心(通訊樞紐)以及遙控系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和供電系統(tǒng)5個子系統(tǒng)組合而成的飛行控制系統(tǒng)。

圖2 電子硬件系統(tǒng)組成

(1)遙控系統(tǒng)

地面操控人員通過發(fā)射機發(fā)送PWM信號至接收機，接收機通過信號簡單轉(zhuǎn)換并將其傳輸給飛控中心。一般而言，發(fā)射機至少需要4通道(升降、副翼、方向以及油門)才能保證飛行器較為穩(wěn)定飛行。

(2)傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)，是由加速度計、陀螺儀、電子羅盤、氣壓計和GPS等組成，是保證無人機按指定軌跡飛行、姿態(tài)調(diào)整以及保障安全飛行、避免碰撞的感應系統(tǒng)。

(3)動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)，是指電機和電子調(diào)速器。飛控中心收到地面信號指令，將信號傳遞給電子調(diào)速器，電子調(diào)速器生成高頻交流電輸出至電機，從而發(fā)揮調(diào)控電機作用。

(4)通訊系統(tǒng)

飛行器控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳遞模塊連接，保證地面操作人員實時監(jiān)控操作。

(5)供電系統(tǒng)

飛行器控制系統(tǒng)與電池通過電源連接控制，以實現(xiàn)電源能夠提供穩(wěn)定電壓、持續(xù)供電能力。

2 無人機在橋梁檢測應用中優(yōu)缺點分析

橋梁檢測可分為經(jīng)常性檢查、定期檢測和特殊檢測3種形式。經(jīng)常性檢查，指對橋梁表觀是否產(chǎn)生病害的日常巡檢，以便及時發(fā)現(xiàn)問題并修理，是保證結(jié)構(gòu)正常安全使用的形式之一[8]。運用無人機進行橋梁經(jīng)常性巡檢，具有輕巧方便、效率高等優(yōu)勢，可為管養(yǎng)部分、檢測單位提供便捷。經(jīng)常性檢測主要內(nèi)容如表1所示[9]。

表1 橋梁經(jīng)常性檢查基本內(nèi)容(混凝土路面)

2.1 無人機檢測優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的橋梁檢測相比，運用無人機技術(shù)進行橋梁表觀檢測，具有以下幾點優(yōu)勢：

(1)對特殊的橋梁結(jié)構(gòu)(斜拉橋、懸索橋、拱橋)檢測時，高塔柱頂、梁板底部等目所能及范圍之外的區(qū)域，采用肉眼觀察方式無法完成，且難度大、危險性高，若借助無人機可有效解決一系列難題。

(2)無人機進行橋梁檢測過程中不占用車道，對橋面上的交通不造成任何影響。

(3)從長遠角度考慮，無人機設備綜合單價遠低于購買橋梁檢測車或者租賃臺班費用，可有效降低成本。

(4)無人機檢測效率高、結(jié)構(gòu)病害主要以計算機識別判斷為主，降低人為干擾因素，結(jié)果更為客觀、可靠。

(5)操作人員經(jīng)過短期培訓即可上崗，無需較強的專業(yè)功底，而且人員配備數(shù)量相對較少，工作強度較低。

采用無人機橋梁檢測，最能發(fā)揮其優(yōu)越性能的檢測部位及內(nèi)容，如表2所示。

表2 無人機檢測部位及內(nèi)容

2.2 無人機檢測缺點

運用無人機進行橋梁檢測無疑是未來的發(fā)展方向，但目前綜合水平僅處于初步階段，仍存在以下幾點不足：

(1)目前無人機還沒有較為完善的避障技術(shù)，無法保證飛行器與結(jié)構(gòu)保持必要的安全距離，導致撞擊墜毀。

(2)現(xiàn)有的多翼無人機結(jié)構(gòu)設計存在一定的缺陷，如：質(zhì)量重、續(xù)航能力短、機身穩(wěn)定性能較差等。

(3)對搭載的照相機性能要求較高，要具備像素高、質(zhì)量輕、自動調(diào)校位置、變焦能力等。

(4)受自然環(huán)境影響大，當氣候較為惡劣時就無法展開工作，僅在晴空無風狀態(tài)下才能進行。

(5)圖像裂縫識別精度有待提高，當光線較暗或結(jié)構(gòu)表面有一些污物時，識別率較差，只能人工輔助識別。

3 關(guān)鍵技術(shù)問題探討

無人機在橋梁檢測中的應用研究是一個復雜多學科耦合領(lǐng)域。盡管隨著無人機橋梁檢測技術(shù)水平的不斷提高，在較為理想狀態(tài)下具備可行性，但若將其直接應用在橋梁檢測中，還有諸多關(guān)鍵技術(shù)問題亟需解決。

3.1 定位GPS信號問題

當飛行器距地表較近時，地面障礙物對飛行器的信號干擾不可忽視。為了保證按預定軌跡飛行，可啟動飛行器姿態(tài)飛行模式。飛行器姿態(tài)飛行模式主要原理，即發(fā)揮飛行器內(nèi)部慣性測量單元，自動識別當前飛行姿態(tài)進行平衡調(diào)整；自動計算當前位置坐標值，從而鎖定無人機的具體位置，較為理想解決信號不穩(wěn)定問題[10]。

3.2 圖像識別問題

根據(jù)橋梁外觀檢測要求，橋梁表觀裂縫識別精度需要達到0.2mm以上，而現(xiàn)有的試驗僅在理想環(huán)境下才勉強滿足要求。一般情況下，采用無人機進行橋梁外觀檢測，構(gòu)件表面的亮度與懸停狀態(tài)下機身抖動幅度，是影響拍攝照片的清晰度主要兩個因素。針對這種狀況，可在無人機上安裝補光照明設備，并在相機與飛行器結(jié)合處安裝避震裝置，可有效提高拍攝圖片的清晰度與識別度。

3.3 飛行器的安全性問題

無人機進行橋梁檢測，是一個近距離環(huán)繞構(gòu)件飛行的過程，如操作不當?shù)仁д`，均有可能造成撞擊墜毀。因此，如何保證飛行器的安全飛行已成為一個關(guān)鍵問題。當前最為先進的無人機，可實現(xiàn)左、右、前、后、下5個方向的避障功能，但上部方向沒有預防措施。因此，可在飛行器頂部增設一套防護支架，以發(fā)揮全方位保護作用。

3.4 結(jié)構(gòu)設計問題

現(xiàn)有橋梁檢測中應用的無人機，一般都是從市面上直接購買，沒有專業(yè)的橋梁檢測專用機，具有較大的結(jié)構(gòu)改進空間。與此同時，若將高性能復合材料(指樹脂、纖維等預浸料)運用于無人機結(jié)構(gòu)中并進行優(yōu)化設計，可有效改善當前飛行器自身的一些缺陷與力學性能，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，延長續(xù)航能力和安全穩(wěn)定性能。

4 結(jié)論

盡管當前運用無人機進行橋梁檢測技術(shù)還不夠成熟，存在較多的局限性，但其給國家管養(yǎng)部門或檢測單位帶來的便捷不言而喻。相信隨著科技的不斷發(fā)展，當前存在的一些技術(shù)“瓶頸”將迎刃而解，且在未來橋梁檢測市場中發(fā)揮主導、引領(lǐng)作用。