無人機橋梁檢測技術(shù)應(yīng)用
更新時間：2021-04-10 17:51
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隨著航拍技術(shù)、遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機應(yīng)用更多地滲透到各行各業(yè)。無人飛行器可分許多類別，其中無人多旋翼飛行器因結(jié)構(gòu)簡單、價格相對低廉，可應(yīng)用于公路橋梁檢測、線路巡檢等領(lǐng)域。
管養(yǎng)部門通常定期對橋梁進行檢查，多采用傳統(tǒng)檢測手段，依靠肉眼或者輔助工具（如橋檢車、望遠鏡等）來檢測橋梁主要構(gòu)件是否出現(xiàn)裂縫、開裂破損、露筋銹蝕、支座脫空等病害。而對于特殊結(jié)構(gòu)橋梁（如斜拉橋、懸索橋、鋼管混凝土拱橋等）或者大跨高墩橋梁，在梁底板、塔柱、索纜、斜拉索、塔頂避雷針等可及范圍以外，常規(guī)檢測手段和方法存在局限性，可操作的難度非常大，存在檢查盲區(qū)。其中局部盲區(qū)可采取人工現(xiàn)場察看檢查，但效率低、難度大、危險系數(shù)高，而應(yīng)用無人機進行輔助檢測，將在很大程度上解決這些難題。
一、無人飛行器的發(fā)展概述
無人飛行器概述
無人駕駛飛行器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），通常簡稱為無人飛行器或無人機。它是一種無駕駛員進行機上操作，僅僅通過自身程序或無線遙控控制飛行的飛行器。無人機的發(fā)展歷史最早可以追溯到 1914年。當時，英國的 A.M.洛教授等
人計劃研制一種無人駕駛。該計劃要求僅僅通過無線電信號來遙控的小型飛機，該計劃命名為“AT 計劃”。世界上第一架無人機是1917年3月英國皇家飛行訓(xùn)練學(xué)校研制的“空中靶機”。但因無人機技術(shù)不夠成熟，其試飛最終失敗。與此同時，美國科研人員也察覺到了無人機的重要性，并開始進行無人機研制探索。1917年，為給美國軍方研制了一種無人駕駛攻擊機，美國的飛機設(shè)計師寇蒂斯和陀螺儀發(fā)明者斯佩里在無人機研究領(lǐng)域展開了合作。并將研制出的無人攻擊機命名為“空中魚雷”
這架無人機順利進行了試飛，而且還能夠搭載重300磅的炸彈進行飛行，最大航程 50 英里。雖然，這架無人機沒有真正的用到實戰(zhàn)當中去，但卻成為了無人駕駛飛行器發(fā)展歷史上的一個重要的里程碑。不久后，一種名叫“凱特林飛蟲”（圖1.2）無人機誕生了，它是由通用公司的查爾斯.F.凱特靈也成功研制出來的?！皠P特林飛蟲”的機翼可以拆卸，可以攜帶導(dǎo)彈。并且，其可以將導(dǎo)彈連同無人機直接攻擊目標。美國軍隊曾在第二次世界戰(zhàn)爭期間，使用“凱特林飛蟲”作為靶機來訓(xùn)練防空炮手。
第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，伴隨著世界經(jīng)濟、科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各國加大對無人機技術(shù)的研制，促使其技術(shù)越來越成熟。無論在飛行高度、速度還是續(xù)航能力及機動性能方面都取得了較大的突破。無人飛行器（UAV）同有人駕駛飛機相比，具有尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、造價低，且因其無人駕駛，所以能完成某些有人駕駛飛機不宜或不能執(zhí)行的任務(wù)。因此，近年來在軍事和民用領(lǐng)域中無人飛行器得到了廣泛應(yīng)用。
二、無人機系統(tǒng)在橋梁檢測中的優(yōu)越性
針對橋梁的鋼索、橋墩、橋墩支座、橋塔、橋腹等部位及螺栓脫落的檢測，無人機具備諸多的優(yōu)勢。
（1）無人機可以直接到達檢測部位，無需其它輔助措施，節(jié)省費用；
（2）檢測橋墩、橋座、橋腹等危險場所，無需搭架或者吊籃配合人員檢測，極大地提高了安全性；
（3）對于部分無法企及的橋腹、拉索等部位，無人機可以抵近觀察了解更多細節(jié)；
（4）在橋梁日常巡查時，尤其是城市橋梁，無需封閉道路中斷交通；
（5）在天氣情況允許的前提下，實施檢測橋梁具備較高的及時性；
（6）隨著無人機本身技術(shù)的日漸成熟，尤其是飛行安全性得到了保障，無人機用于橋梁檢測進入實用階段。
三、無人機在橋梁檢測領(lǐng)域的應(yīng)用研究目前，由于無人飛行器受飛行控制系統(tǒng)、續(xù)航能力、抗干擾能力等方面的限制，在橋梁檢測領(lǐng)域的應(yīng)用研究還較少。國內(nèi)的研究主要集中在飛行控制系統(tǒng)、航跡規(guī)劃等方面。天津大學(xué)鮮斌教授等對無人飛行器飛行控制系統(tǒng)、航跡規(guī)劃等做了深入的研究：設(shè)計了基于視覺的飛行控制方法，取得了較好的全自主飛行控制效果；提出了基于勢能函數(shù)的航跡規(guī)劃算法，并根據(jù)實驗進行了相應(yīng)的改進。重慶交通大學(xué)許登元副教授、王小莉等采用四旋翼無人機進行橋梁檢測，且對其飛行控制系統(tǒng)進行了深入研究。提出了包括數(shù)序建模、PN碼定位算法、姿態(tài)估計方法等幾種關(guān)鍵技術(shù)。湖南科技大學(xué)鐘新谷教授等通過在八旋翼無人機上加載相機云臺，遠程控制其進行橋梁外觀缺陷、裂縫形狀與寬度等的檢測
幾十年前，無人機就開始進行運用與發(fā)展，技術(shù)方面的成熟是無可厚非的。運用無人機的成本相對較低，并且它十分靈活容易操縱，可以承載部分重要部件輕松的在空中進行工作，無人機生存能力強、機動性能好、使用方便、安全穩(wěn)定等特點。這些特點也為無人機的快速發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。
無人機能夠定點懸停觀測，實時傳輸畫面，與常規(guī)檢測相比，具有較多優(yōu)勢：
（1）使用成本低，擁有技術(shù)的較為科學(xué)先進且成熟，應(yīng)用的領(lǐng)域比較廣泛，像無線電遙控和GPS 導(dǎo)航以及數(shù)碼影像等領(lǐng)域都應(yīng)用了該技術(shù)，所有設(shè)備只需電池供電，沒有額外費用，使用成本遠低于橋梁檢測車和搭架檢測。
（2）高精度的空中檢測。多軸飛行器運用高分辨率的攝像機的搭載來對很多種橋梁損毀情況進行高精度的拍攝，可以對拍攝的位置隨時變更拍攝，并且對其位置的檢測可以反復(fù)進行。
（3）簡單方便的維修保養(yǎng)。無人機的機體結(jié)構(gòu)比較簡潔有序，有利于進行運輸，都是通過外設(shè)搭載部件設(shè)備的，其更換與升級都是十分方便的。
（4）廣泛的使用范圍，靈活的操作。從事戶外作業(yè)僅靠一臺越野車和一臺筆記本
電腦再加上一臺遙控裝置便能對一些大型橋梁進行準確的檢測，且不需要專用起降場地，這大大提高了對橋梁的日常檢測效率。
四、傳統(tǒng)的橋梁檢測與現(xiàn)有無人機平臺檢測應(yīng)用中的局限性
1.傳統(tǒng)的橋梁檢測
橋梁結(jié)構(gòu)為土木工程結(jié)構(gòu)，使用期內(nèi)不可避免地產(chǎn)生損傷累積、抗力衰退而影響結(jié)構(gòu)壽命，甚至導(dǎo)致突然事故。為防止事故的發(fā)生，對已建成和正在使用的結(jié)構(gòu)和設(shè)施采用有效手段對其安全狀況進行檢測、評估、識別、控制和修復(fù)損傷顯得很有必要。通過橋梁檢測，①可以確保橋梁的使用安全；②及早發(fā)現(xiàn)橋梁病害及異常現(xiàn)象；③為橋梁的維修養(yǎng)護提供科學(xué)依據(jù)，以適時采取合理的維修加固方法，延長橋梁的使用壽命、提高其承載能力，降低橋梁的維護費用，或拆除重建；④考察橋梁是否能滿足將來運輸量的要求；⑤為橋梁設(shè)計、規(guī)范修訂和完善等提供依據(jù)。
2.現(xiàn)有無人機橋梁檢測
（1）目前通常的做法是采用人工飛行來滿足橋梁日常檢測，但是在抵
近觀察的同時，人工控制也存在諸多問題，如飛行員近距離長時間觀看視頻會產(chǎn)生眩暈感。
（2）在進行特殊橋梁特定部位的檢測時，無法進行有效的航線規(guī)劃，尤其是規(guī)劃精度無法達到橋梁檢測的需求。
（3）飛行位置與觀察部件的距離無法進行有效地把控。
（4）當飛行達一定高度和遠度后，易與遠空背景形成融合，無法有效的對飛行狀況進行監(jiān)控。
（5）由于橋梁結(jié)構(gòu)的相似性，導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)無法與橋梁實體結(jié)構(gòu)具體部位關(guān)聯(lián)。
無人機橋梁檢測系統(tǒng)可彌補傳統(tǒng)檢測手段不足的同時，也存在諸多不足之處，仍需要不斷完善。橋梁檢測工作需要管養(yǎng)單位采取多種檢測手段、多元化管理，多種檢測方法優(yōu)勢互補，才能全面掌握橋梁的健康技術(shù)狀況。
