基于四旋翼飛行器的橋梁檢測系統研究

何昱佳 遲耀丹 陳 穎 李 來 劉安琪

（吉林建筑大學，吉林 長春130118）

中國的橋梁事業早已進入大發展建設時期，在我國橋梁成就的同時，不斷出現的橋梁坍塌事故問題不能被忽略。因此，維護橋梁安全、事業取得舉世矚目的健康、正常運行的工作狀態就變得尤為重要。當混凝土橋梁建成投入使用后，長期受到風力、地震等各種自然力量和車輛負載的作用以及隨著建筑材料的逐漸老化，會產生裂痕、腐蝕、坍塌等現象。隨著國民經濟的高速發展，橋梁的負荷越來越重，但人們對其的維護和保養還不夠重視。現階段對橋梁的檢測方式主要采用傳統人工檢修。相比較傳統的人工檢測方法，無人機能夠輕松便捷的進行橋檢作業，減輕了檢測人員的工作強度，安全性高、效率高，特別解決了人工檢測盲區的局限性。為了實現橋梁檢測的高效、高精度，本項目致力研究一種基于四旋翼飛行器的橋梁檢測系統。

1 系統組成以及工作原理

為提高橋梁檢測和維護的工作效率以及能夠迅速、精確、有效率的找到橋梁病害和異常，本項目提出一種基于四旋翼飛行器的橋梁檢測系統。基于多旋翼無人機的橋梁檢測系統由四旋翼飛行器、圖像位置系統、光學相機組成，同時裝有圖像處理技術檢測和橋梁模型預處理等程序。無人機飛行平臺上搭載飛控系統、光學系統和圖像提取組件在空中作業。由地面發出控制信息，飛行平臺上的執行控制模塊通過無線數據傳輸系統接收到，各執行控制模塊依據控制信號對飛控系統進行控制，以確保無人機按照預設軌跡飛行順利完成檢測任務。要注意的是，手動控制信息發出控制信息的優先級需要大于地面站控制信息，以防意外情況的發生。

如圖1 所示，橋梁檢測系統主要是由四旋翼飛行器、圖像采集系統及位置采集系統三部分組成的。

2 四旋翼飛行器

四旋翼飛行器穩定性高，是良好的橋梁檢系統測搭載云臺。為了檢測的精準性，飛行器需要確保實現飛行器在無線控制條件的同時，還能接收到解碼處理和控制飛行器，從而安全又穩定的飛行。為了保證飛行器穩定性，我們需要研究姿態控制。首先需要采集到姿態傳感數據，然后對數據進行整合，最后根據整合的數據判斷飛行器的運動狀態，保證飛行的安全性。首先計算出自身姿態，然后無人機控制電機調整所需的飛行姿態，這里主要采用PID控制器設計電機驅動方式和電機控制量。

圖1 橋梁檢測系統組成部分

3 圖像采集系統

圖像采集系統主要由可見光系統CCD 探測器、紫外光系統CCD探測器、紅外光系統CCD探測器三部分組成。

3.1 可見光系統CCD探測器。可見光系統以CCD探測器為基礎進行研究。要保證圖片質量的穩定，可見光系統的80m目標的最小分辨率βMIN應優于2mm，即βMIN<2mm。為了使得CCD傳感器上的目標成像須占1 個像元以上，即CCD 像元分辨率ΔL 須達到

2 mm。根據觀測距離L要求，得出像元角分辨率α 為

式（1）是最小視場分辨率，求得相機最小像元數N為

為實現電子去抖和減小曝光時間，要使CCD 光學系統具備高靈敏度，所以要求CCD傳感器的像元尺寸盡可能大。另一方面，要保證瞬時視場角固定的前提，需要大尺寸像素CCD 來增加光學系統的焦距，但這樣的條件卻使得難以減小系統結構的尺寸，并且使器件質量的增加，最終將會導致系統控制不穩定。綜合以上因素，選擇美國Imperx 公司的IGV-B0620C 相機，其主要性能如表1 所示，該系統性能的相機能夠滿足作業精度的需求。

表1 IGV-B0620C 主要性能指標

3.2 紫外光系統CCD探測器。為保證像元角分辨率α 優于25μrad，根據系統參數和高分辨率CCD 傳感器，去除紫外濾光片，添加可見光濾光片（帶通截止濾光片）后，相機可獲得280nm-470nm 范圍內紫外圖像信號。像元尺寸A和光學系統最大焦距f1之間的有

f1為296mm，取其整為300mm。當在最大視場工作時，光學系統有

選用的IGV-B0620C 相機的效成像素區域的對角線長度為14.8mm，由此求得f2為74 mm。由f1和f2可知，該光學系統具備5倍電動變焦能力。綜合考慮相對孔徑，取光學系統口徑D為Φ50 mm。因此能夠在80m處分辨3mm最小目標。

3.3 紅外光系統CCD 探測器。根據CCD 數據分析，將IGV-B0620C 相機置于飛行器中，其工作原理為：光經被探測物體進入光學系統，通過傳感器，進入到光電探測系統，由探測器形成原始圖片。多光譜成像系統是由可見光、紫外光、紅外光同軸相機對同一目標進行拍攝，形成多光譜圖片，再通過多通道圖像融合技術實現寬光譜成像，接下來將對多通道圖像融合技術與圖片處理方法進行詳細說明。

橋梁的檢測要求進行快速識別分類，所以要對裂縫、混凝土剝落、露筋等病害構建深度學習模型。實驗數據顯示，我們發現在橋梁檢測的圖像系統中，橋梁裂縫的主要特征就在于其線性的邊緣。因此，我們首先需要檢測圖像的邊緣，然后對檢測結果進行圖像分割以使其從圖像中分離出裂縫。然而，如果只使用邊緣檢測法，裂縫的連續性將會被破壞，裂縫的實際情況就無法實際展現出來。為了獲得完整連續的裂縫，有利于對橋梁破損程度進行更為準確的判斷，同時也使得后續程序處理更為方便精確，需要讓使裂縫連接。通過研究適于無人機成像的圖像預處理程序、裂縫法向寬度計算方法、構建裂縫形態智能提取數據模型，以獲得滿足橋梁裂縫寬度識別精度要求的裂縫圖。

4 位置信息采集系統

通過GPS、ISN、LiDAR 混合標簽模式測試異常點位置信息，地理位置信息采集系統是由LiDAR、GPS、激光測距機、INS 組成，其為光學相機提供空中位置信息。采用LiDAR、GPS、INS混合標簽模式建立數據庫表文，完善的圖像空中位置數據。

橋梁底部表面病害檢測是橋梁評定技術狀態重要元素，但橋下GPS 信號極易被阻擋，無人飛機飛行或懸停時，采用手動定位，極易出現安全事故。實現無人飛機橋下凈空飛行在硬件方面尚需要從建立局部坐標系基站自動定位導航、自動避障技術、增強抗風穩定性等方面有待進一步進行完善和開發。所以檢測橋梁之前需要制定一套巡檢方案，首先由無人機對橋梁拍攝，再由無人機三維映像轉化為橋梁三維模型。通過GPS等記錄橋梁及其周圍環境，建立同步定位構圖和電子地圖。無人機將依據設定好的飛行路線，做出預判自動避障，然后自動返回航線，順利完成檢測。即使當地理位置信號丟失時，飛機也會繼續完成預設的航線飛行任務，對無人機做出適當的失控保護處理，不需要進行人為干預。

5 結論

基于四旋翼的無人機橋梁檢測實施方案的關鍵是精準分離出破損信號以及3D 模型的建立，采用四旋翼飛行器對橋梁進行檢測，不僅解決了傳統人工檢查存在的“盲區”問題，而且大大的提高了檢測的效率。相信基于四旋翼飛行器的橋梁檢測技術將會是未來橋梁檢測技術發展的一個趨勢。