新型無人機檢測技術在橋梁檢測工程中的應用策略

黃若昀 范昊罡

（1.江蘇高速公路工程養護技術有限公司,江蘇 南京 211106；2.南京華智大為科技有限責任公司,江蘇 南京 211899）

在對橋梁工程進行檢測的過程中，相關單位的工作人員一定要充分意識到新型無人機檢測技術的應用優勢，明確目前所應用的主要新型無人機檢測技術及其應用方法。合理運用新型無人機檢測技術，包括無人機的合理選擇、無人機本身的科學檢測與航線規劃、橋梁外觀檢測、橋梁病害圖像識別、橋梁建模以及檢測結果處理分析等，充分發揮新型無人機檢測技術的應用優勢，從而實現橋梁工程質量檢測結果的科學、全面獲取。

1 項目背景

本次需要檢測的某大橋于2014年建成，其主橋是（35+35+158+40）m形式的獨塔空間素面混合梁斜拉橋，橋面標準寬度是35.5 m，橋塔總高度是111 m，在中分帶布設，朝主跨方向傾斜18°，橋面南北方向總坡度最大值均為4.2%，設計時速為40 km，汽車荷載設計為公路-I級，抗震設防烈度設計為7°。本次橋梁檢測中，主要對該橋梁鋼結構涂層情況、斜拉索螺栓缺失或松動情況以及路面缺陷情況進行檢測，以此來為該橋梁的維修提供參考依據。

2 新型無人機檢測技術的主要優勢

相比傳統無人機，新型無人機的主要優勢包括以下幾點：

第一，質量較輕。有關研究顯示，通常情況下，新型無人機的起飛重量可控制在20 kg以內，飛行更加靈活。

第二，單價較低。通常情況下，新型無人機的單價在1萬～100萬美元，其中有近四分之一的新型無人機單價不超過10萬美元，甚至有些新型無人機的單價不足1萬美元。

第三，機動性高。有關研究顯示，新型無人機的過載量可以超過4 kg，具有更好的機動性。

第四，適應性強。新型無人機的起升和降落都更加簡單，起升和降落的方式更加靈活多樣。新型無人機可通過母機帶動、手挪、滑跑、彈射等方式起升，以消降、傘降、攔截網等方式降落，在各種地形環境下都可以適用[1]。

第五，安全性高。新型無人機在惡劣復雜的環境條件下也能適用，甚至能夠在化學危害區、生物危害區內工作，具有更高的安全性。

3 橋梁檢測中的新型無人機檢測主要技術分析

在通過新型無人機檢測技術對橋梁工程質量進行檢測的過程中，相關單位與技術人員需要對其主要技術及其應用加以明確，包括異形檢測無人機、中繼無人機、多旋翼無人機以及建筑信息化模型地面站系統等。

3.1 異形檢測無人機

異形檢測無人機具有比較特殊的結構，它可以對橋梁外部進行有效檢測。具體應用中，首先需要在無人機前段設置兩個固定臂，使其方向向前，然后將滑輪、舵機置于固定臂上，再將攝像設備安裝到兩個固定臂中間，進而可有效解決傳統無人機拍攝不能覆蓋垂直面的問題。將八軸形式的動力系統作為無人機飛行驅動系統，即使是在強風條件下，也可以實現其飛行方向的有效調整。在異形檢測無人機的旋翼頂端覆蓋防護網，可使其緊貼橋梁底部進行拍攝。另外，將IUM模塊以及GNSS模塊配備在異形檢測無人機中，可通過軟件對其多路導航進行設置。通常情況下，異形檢測無人機的飛行測量精度可達到1 cm以內，且對磁干擾具有很強的抵抗能力，為橋梁工程檢測拍攝奠定良好的技術基礎[2]。

3.2 中繼無人機

中繼無人機的主要功能是實現GPS信號的進一步增強，同時也可以對磁羅盤等進行校準。在橋梁檢測中，中繼無人機的應用可有效防止橋梁底部測量中的信號丟失，并有效抵抗橋梁底部的強烈磁場干擾，確保測量精度。

3.3 多旋翼無人機

多旋翼無人機是新型無人機中最常見的一種類型，就目前的橋梁檢測來看，應用較多的就是四旋翼無人機。此類無人機的電機通常是通過電調來直接驅動，且能夠通過為電調發送PWM信號的形式進行電機轉速控制，其發射信號的高電平寬度越大，電機轉速也就越快。具體工作中，可將第i個信號電機的轉速設為，將所有旋翼的升力總和設為FA，將無人機承受的重力設為FG。在多旋翼無人機起升和降落時，首先需要讓四個旋翼的保持相同，且無人機的橫滾、偏航以及俯仰力矩都需要控制為零，對四個旋翼轉速進行調整，便可改變多旋翼無人機的起升力。如果FA＜FG，多旋翼無人機便會下落；如果FA＞FG，多旋翼無人機便會起升；如果FA＝FG，多旋翼無人機便會懸停[3]。通過這樣的方式，便可對多旋翼無人機的運行狀態、拍攝內容以及拍攝角度進行靈活控制。

3.4 建筑信息化模型地面站系統

建筑信息化模型地面站系統是將BIM技術作為基礎所建立的一種信息化模型。該系統的應用，不僅可以為新型無人機檢測的安全性提供保障，同時也可以將新型無人機航攝獲取到的二維照片轉變為三維模型，從而對橋梁建筑外表面損壞和病害情況達到良好的檢測效果。就目前來看，Pix4D系列建模軟件是新型無人機檢測中常用的建筑信息化模型地面系統軟件，將該軟件與其配套設施加以合理應用，可達到全天候、無限制的橋梁檢測效果。具體應用中，可將信息檢測模型建立在3D模型上，提前將相應的數據信息導入該軟件中，便可實現橋梁工程建筑模型的科學建立；對于需要重新拍攝的內容，在獲取之后，只需要再次導入該模型中，便可在不需要修改其他有效數據的基礎上實現橋梁建筑模型的精確建立，從而實現高精度橋梁檢測數據的獲取[4]。

4 橋梁檢測中的新型無人機檢測技術具體應用策略

在通過新型無人機檢測技術進行橋梁檢測的過程中，相關單位的工作人員一定要將項目概況、檢測任務、檢測技術需求等作為依據，結合現場實際情況，對新型無人機檢測技術加以合理應用。有效發揮出此項技術優勢，實現測量結果的科學準確獲取。以下是本次橋梁檢測中的新型無人機檢測技術應用策略。

4.1 無人機選擇

本次檢測中，選擇的無人機為大疆M200型四旋翼無人機飛行器，搭載Z30型攝像頭進行橋梁檢測。表1是大疆M200型四旋翼無人機的主要技術參數，表2是大疆Z30型攝像頭的主要技術參數。

表1 大疆M200型四旋翼無人機的主要技術參數

表2 大疆Z30型攝像頭主要技術參數

4.2 無人機本身檢測與航線規劃

為確保無人機航攝效果，在起飛之前，首先需要安排2名專業技術人員對無人機的機身及其攝像頭進行檢測，使其整體重量得到科學控制，并確保無人機和攝像頭的狀態滿足實際檢測工作的需求。對于存在問題的參數，應及時做好調試。同時也需要根據橋梁工程的實際情況與特征，對無人機測量航線進行合理規劃。通過這樣的方式，為橋梁工程的無人機檢測奠定良好基礎[5]。圖1為本次橋梁檢測中的新型無人機航線規劃圖。

圖1 本次橋梁檢測中的新型無人機航線規劃圖

4.3 橋梁外觀檢測

在通過新型無人機檢測技術進行橋梁檢測的過程中，不同的航線，其拍攝方式也不同，且照片重疊率需要控制在90%以上。以下是該橋梁各個部位的無人機拍攝方式：

第一，在橋梁上空拍攝中，鏡頭始終朝向橋體，每一個航點都需要拍攝1張照片，其傾斜角度控制為45°，環繞半徑控制在20 m～50 m，環繞高度控制在15 m、45 m、75 m。

第二，在橋梁兩側拍攝中，鏡頭始終朝向橋體，每一個航點需要拍攝3張照片，其傾斜角度分別控制在-30°、0°、30°，航線水平和垂直間距應控制在5m～10 m。

第三，在道路上空拍攝中，鏡頭應始終朝向路面，每一個航點需要拍攝3張照片，其傾斜角度分別控制在30°、60°、90°，無人機與拍攝點之間的距離控制在10 m，航點間距控制在3 m。

第四，在斜桿四周拍攝中，鏡頭需要始終朝向斜桿，每一個航點水平拍攝1張照片，航點間距控制在5 m[6]。

整個檢測過程可在地面控制終端實時查看，當電池電量偏低時，無人機會自動返航，待更換電池之后再繼續從斷點位置續航。本次測量共花費了2.2 h，檢測路徑共8條。檢測中，無人機更換電池次數為6次，拍攝獲取到的有效照片超過1 000張。

4.4 橋梁病害圖像識別

通過新型無人機航攝技術獲取了該橋梁工程的測量圖像之后，無人機會將獲取到的圖像及時上傳到地面終端系統。通過地面終端系統中的計算機軟件，可對橋梁上存在的一些病害進行識別：借助云端智能技術，可對橋梁上的破損、銹蝕、裂縫等病害做出初期篩選。然后將相應的病害標注到圖片和后續建立好的模型中，其識別精度可以達到毫米級別。識別中，對于一些存疑的識別結果，專家需要在圖片上做好人工標記，以便在后續維修中進一步核實[7]。

4.5 橋梁建模

在新型無人機飛行檢測任務結束之后，獲取到的所有圖片都將會上傳到云端服務器，并通過云端服務器對其參數進行設置，包括相應的傳感器尺寸、文件大小、重建精度等。在完成相應參數設置之后，計算機便會自動進行圖片的多視角三維重建，然后將圖片和數據導入Pix4D建模軟件中，便可對橋梁建筑的信息化三維模型進行構建。圖2為本次所檢測橋梁建筑的信息化三維立體模型示意圖。

圖2 本次所檢測橋梁建筑的信息化三維立體模型示意圖

4.6 檢測結果處理和分析

在完成了橋梁工程的信息化模型建立之后，為實現新型無人機檢測精度的科學評定，本次分析中，對幾種主流地圖測量參數和新型無人機檢測結果模型參數進行了對比，包括橋體寬度對比、橋體長度對比以及橋體周長對比。表3為本次橋梁檢測中的新型無人機檢測結果模型參數與幾種主流地圖測量參數的對比結果。

表3 本次橋梁檢測中的新型無人機檢測結果模型參數與幾種主流地圖測量參數的對比結果

通過實際應用發現，在新型無人機檢測技術進行本次橋梁檢測之后，其測量精度可控制在厘米級別。為進一步確保新型無人機檢測技術的測量精度，本次研究中，也對無人機測量結果模型參數和實際測量參數進行了對比。表4為本次橋梁檢測中的新型無人機檢測結果模型參數與實際測量參數的對比結果。

表4 本次橋梁檢測中的新型無人機檢測結果模型參數與實際測量參數的對比結果

通過上述對比可知，在本次橋梁檢測中，通過新型無人機檢測技術獲得的結果與實際測量結果十分接近，其誤差可控制在5 cm以內。由此可見，新型無人機檢測技術在當今的橋梁檢測中具有較高的可靠性與可行性。表5為本次橋梁工程新型無人機檢測獲得的主要病害數量結果。

表5 本次橋梁工程新型無人機檢測獲得的主要病害數量結果

除了以上的橋梁工程病害數量統計之外，在本次通過新型無人機檢測技術對該橋梁工程進行檢測之后，其所有的病害都會明確呈現在橋梁建筑信息化模型中，包括病害的具體位置、大小、形狀、病害嚴重程度等。通過這樣的方式，便可為該橋梁后續的運維養護工作提供科學、準確的數據支撐，從而進一步提升橋梁工程的維修養護工作質量。

5 結語

綜上所述，在橋梁檢測中，新型無人機檢測技術所發揮的作用十分顯著。相比傳統無人機檢測，新型無人機檢測不僅具備更高的檢測效率和檢測精度，同時也更加安全、便捷，花費更少。因此，在橋梁檢測工作中，相關單位的技術人員應加大力度對新型無人機檢測技術及其應用進行研究，通過運行參數、航行路線、拍攝方式等的合理設置，來實現橋梁工程信息的全面、精準獲取，并對獲取到的信息加以充分利用，采用信息化建模軟件來進行橋梁建筑三維模型的建立，使其各類質量問題直觀地顯示在模型中，為后續的病害處理提供科學的參考依據。