橋梁外觀病害無人機探測方法

蘇 琦， 韋耀淋， 蔣立軍， 鄒易清

（柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西 柳州 545000）

我國橋梁總體健康狀況越來越受到各方關注。總體健康評估分別由橋梁上下部結構、橋面系技術狀況評定構成，這些復雜部件的外觀病害探測分析是其技術評定的關鍵組成部分[1]。一直以來，橋檢車、高倍望遠鏡、搭載攝像設備的機器人是獲取橋梁外觀數據的常用方法[2]。橋檢車不僅檢測成本較高，還需要限制交通，造成人力、物力的消耗且檢測部位受限。高倍望遠鏡由于效率低且檢測不全面，一般僅能作為輔助手段。近年來，機器人結合相關傳感設備的檢測方式逐漸受到橋梁檢測行業的青睞；但目前還存在一些不足，如爬壁機器人行走速度慢，只能在單一平面內進行檢測，不能獲取全部外觀，還需借助其他輔助手段[3]。還有一種旋翼無人機的檢測設備[4]，其上搭載超聲探傷儀、前置攝像頭、上置攝像頭，工作過程中，需要手動控制前置和上置兩個攝像頭，待人工發現病害，再調整無人機姿態接近拍攝，工作人員需要經過大量的訓練才能達成，而且一般會產生大量無效照片，為圖像處理工作增加難度；搭載探傷儀設備價格高昂，而且其重量與功耗較大，嚴重影響檢測系統的單次運行時間。

本文以一座全橋長約1 000 m 的懸索橋為例，探究和開發了一種自動化程度高、適用于橋梁外觀檢測的無人機檢測技術，探測錨定室外表面、梁底、橋塔的混凝土裂縫、剝落掉塊、蜂窩麻面以及拉索外護套是否開裂等情況并給出精確病害位置，為精確檢測和管養提供科學建議。

1 無人機探測方法

1.1 探測設備

外觀病害探測需要確定有無病害并確定病害位置，以便后期精確的管養維護。由于本次橋梁較長，檢測部位復雜，快速準確實現全橋檢測是關鍵；因此選擇續航能力強的無人機，搭載圖像提取系統和圖像快速分析系統，完成外觀圖像的獲取和分析工作。圖像提取系統包括可自由旋轉的云臺及其上的攝像頭，見表1。

表1 攝像頭主要參數

由于橋梁存在拉索等高空交錯結構，需特別注意避免飛行過程中的機身觸碰，飛行設備應該具備合理有效的位置控制和避障功能；同時，橋梁底部一般信號較弱，飛行設備需要在無信號下可以自主懸停或返航。本次探測設備中的位置控制與避障功能設備選擇了成熟的產品Guidance[5]，其功能強、效率高、配有完整的SDK 文檔，可供使用者靈活使用并開發相關的項目。采用五組視覺超聲波組合傳感器，可實時探測多個方向的環境信息，感知障礙物并顯示與障礙物之間的距離；根據檢測環境，設置障礙物最小允許距離s0，當飛行過程中與障礙物距離＜s0時，無人機被動懸停并發出警報聲，使得飛行器即使在高速飛行中也可大概率避免碰撞發生。見表2。

表2 視覺傳感平臺主要功能

購買滿足需求的無人機平臺，僅搭載圖像提取設備和Guidance 在空中飛行，整體體積小，重量輕，保證了探測所需的續航能力，整套設備不超過6 萬元。無人機與圖像拍攝的實時信息以及Guidance 前后左右下5 個視角圖像通過無線網絡模塊顯示于地面站中，地面站內置圖像分析系統，可同時分析圖像。無人機自帶的控制端地面站可輔助設計飛行參數，檢測人員也可通過控制遙控器執行特殊的飛行指令。見圖1。

圖1 探測設備組成

1.2 探測工作流程

整個病害探測包括探測前調研、作業流程制定、圖像獲取機制制定、探測報告出具。探測前需要調研飛行當天光照、氣象等，應選擇風速3 級及以下、光照強度較弱的時段飛行，利于獲取亮度均勻的圖像，便于后期分析。見圖2。

圖2 探測工作流程

根據探測目標的類型，選擇云臺的安裝方式：當探測對象位于無人機上方，采用云臺上置的模式；當探測對象位于無人機下方或拍攝面與無人機處于水平位置時，采用云臺下置的模式。一般梁底飛行時，視覺傳感平臺安裝在無人機上方。

1.3 圖像獲取機制制定

為了獲取有效圖像，實現病害定位與圖片拼接，需要在圖像獲取階段進行圖像預處理。預先計算出滿足條件下的拍攝距離WD，通過視覺傳感平臺設定WD 滿足要求時即主動拍攝，這樣可以獲取滿足精度要求的、大小統一的圖片，以便后期圖像拼接出被測對象的全局圖。根據成像系統的簡化模型[5]可以計算滿足要求的拍攝距離，見圖3。

圖3 成像系統的簡化模型

圖3 中：S 為圖像傳感器尺寸（傳感器平面某個方向上的長度)。視場FOV、圖像工作距離WD 及鏡頭焦距f之間的約束關系

視場FOV 由傳感器分辨率Rmin、拍攝對象最小特征尺寸lmin、代表最小特征的像素數Pmin決定，所以，圖像工作距離可有下述約束

根據選用的圖像設備，Rmin=3 456，焦距f為60 mm，圖像傳感器尺寸S為4.51。拍攝對象最小特征尺寸按照能夠發現探測對象寬度＞0.2 mm的裂縫設置，取lmin=0.2并給出裂縫的位置，方便維修補救。同時探測精度P要優于0.2 mm，按Pmin=0.15 mm/pix，帶入式（2）得WD≈6.13 m。基于圖像拼接原理，去重疊率設置為50%，則基于拍攝對象的飛行間隔SD=2.304 m，根據飛行速度0.3 m/s 計算，需要設置間隔拍攝時間為7.68 s。

2 無人機探測分析

橋梁結構復雜，需要進行摸底起飛，最終按照摸底起飛情況設定飛行路線。見表3。

表3 摸底起飛測試

續表3

表3 的測試結果是適合飛行的。測試過程中發現，4軸的無人機在風速＞3級后，即使有GPS信號，機身依然有較大飄動；當飛機位于橋梁正底下飛行時，衛星數少，只能進行Atti模式（為半手動模式）飛行，但由于增加了Guidance 平臺，還可以實現無GPS 信號下實現飛行器的定位，因此可在小于橋沿往內5 m 的距離操作無人機獲取梁底圖片。起飛地點應該選擇指南針正常的位置，起飛前進行指南針校準。

以橋塔為例，實際探測作業具體步驟如下：

1）橋塔與無人機為水平相對位置，采用云臺下置的模式，安裝視覺平臺Guidance于無人機上方；

2）根據探測要求和現場情況，制定圖像獲取機制，設置與障礙物最小距離為5 m，當飛行器四周接近障礙物≤5 m時，地面站界面出現扇形警告圖示并發出警報聲；

3）根據現場環境，在地面站上規劃路線，啟動無人機抵達巡檢起點，開啟視覺傳感器，將其投射在待檢目標上；

4）通過地面站查看飛行周邊環境，顯示無人機的前后左右下5個視角；飛手控制飛行器進入環境時，除了可以觀察主攝像頭的視角，也可以隨時觀察Guidance 傳輸回的任一路圖像，讀取該圖像對應的障礙物距離信息；此次飛行路徑關閉后傳感器模塊，可以節省功耗；設置前邊視角為拍攝對象，當前障礙物滿足設定參數時，無人機自動懸停，攝像設備自動拍攝下照片，然后無人機按照既定方向飛行到滿足下一次拍攝的時間間隔時，自動拍下下一組照片，以此進行，直至完成拍攝；內置圖像分析系統的地面站可快速初步篩選出可疑病害圖片；

5）巡檢到達終點時，飛機自主返回起飛點；

6）下載SD 卡中的數據，導入構件裂縫圖像檢測軟件進行裂縫檢測并輸出檢測結果；為了避免由于無線傳輸占用飛行信號和電量，建議待結束探測任務后再下載SD卡內圖像數據進行進一步分析。

根據此方法完成最終拍攝目標任務，共獲取有效圖片537張，總共耗時13 h。在圖像處理后，將拍攝圖像附貼于全景照片上并標志病害具體位置。采用其他方法實行人工觀察并完成拍攝任務的，共拍攝圖片3 246 張，總共耗時24 h 且后期需要耗費更多的時間與精力做圖像篩選工作。

3 結論

相比傳統無人機盲拍探測法，無人機外觀探測方法能夠有效避免無效圖片的產生，大大提高病害的檢測精度與圖像的處理效率，特別適用于大型復雜結構的外觀探測工作。該方法結合測距傳感，預先設置自動拍攝距離與頻率，可以精確定位病害位置，有效拼接圖像，整套設備不再依賴昂貴的飛行平臺，靈活簡單、成本更低。