新型無人機檢測技術在橋梁檢測工程中的應用

摘要：智能化監測技術的快速發展也在促進無人機技術的快速發展，目前在各個行業無人機檢測技術都得到廣泛應用，但是隨著各個行業融合發展的趨勢，也有著限制無人機發展的問題。在目前我國橋梁建設中，結合各項橋梁項目的增多，檢測效果和檢測方式也需不斷變化和提升。因此本文基于此背景，對傳統橋梁檢測方式進行分析和研究，隨后分析傳統與現代新型無人機檢測技術，最后提出無人機檢測技術在橋梁檢測工程中的實際應用，以案例分析為背景，希望本文所提出的相關應用能夠為后續同種類型工程建設奠定重要技術基礎。

關鍵詞：無人機檢測技術;橋梁工程;檢測應用

中圖分類號：U446

引言

在航拍和遙感技術不斷發展的前提下，無人機檢測技術滲透到我國各個行業的發展過程中，而目前所熟知的無人機飛行器可分為很多類型，而無人多旋翼飛行器是目前使用最為廣泛的無人機類型，該類型的飛行器具有結構簡單和價格低廉的特點，在橋梁檢測、線路巡檢等方面有著十分廣泛的應用。在橋梁工程建設中，并不是所有前期勘測和質量檢測都可以實地進行，有些區域因為地勢原因需要進行航拍檢測，因此無人機在此過程中則發揮著重要的作用，本文以此為背景，對無人機檢測技術在橋梁工程檢測中的實際應用進行探討，為后續相關工程建設與發展提供一些技術意見。

1. 傳統橋梁檢測方式介紹

1.1懸臂檢測車

截止到目前為止，在大型或者特大型橋梁底面檢測過程中，大約占據60%以上的橋梁都需要檢測車來完成作業，而這種檢測車一般都是以折疊比或者桁架式懸臂為主，但是其屬于一種高風險作業形式;同時懸臂的架設會受到燈桿上部結構的影響^[1]。

1.2橋底檢測通道

在實施橋底檢測通道建設期間，一般都是一懸掛的形式緊貼在橋梁的底面，便于后續檢測工作，但是其具有的缺點也不可忽視。檢測通道受到年限影響較大，一般在設計年限以內該通道就失去其應有的作用。另外檢測通道一般都是建設在距離地面十幾米的高空，這屬于高空危險作業。同時由于檢測通道位置不可改變，因此其檢測的范圍相對較為固定^[2]。

1.3綜合檢測車

該方法主要是利用汽車的設備搭載，在橋梁上行走期間結合超聲波和振動等方法來檢測橋梁和橋面，看其是否存在故障，其具有的缺點在于，設備總體的穿透能力有限，并且在遇到一些厚度較大的橋梁時期檢測的精度會受到影響。并且這種檢測車難以檢測橋墩或者橋柱等位置。

1. 無人機檢測方法分析

基于上述傳統橋梁檢測技術的分析得知，在一定程度上這些檢測技術都存在一定的局限性，而隨著遙感和無人機技術的發展與應用，這種技術以其獨特的特點在現階段有著十分廣泛的應用效果，其檢測橋梁的實際流程如圖1所示。

2.1傳統無人機檢測技術

在無人機檢測技術最開始進入到建筑外部檢過程中，主要是還是由國外開始，初期也被理解為是一種外行介入的模式，在此背景下，不僅會提升橋梁檢測工作的困難程度，同時傳統無人機檢測都是先由一些航模愛好者進行操作，再將這些所拍攝的照片交給工程建設方或者工程養護團隊作為后續工程建設的基礎，但是傳統的無人機檢測其具有的缺點是，整體系統的效率較低，并且沒有較強的抗風能力，難以應對一些復雜或者惡劣的天氣情況。并且在技術缺陷的影響，這些攝影設備難以結合云平臺的輔助作用來進行檢測，檢測精準度難以提升。并且在早期的無人機檢測設備試用期間其操作難度相對較高。

2.2新型無人機檢測技術

目前我們所使用的無人機檢測技術，其系統整體包含無人機、地面站、數據傳輸和任務荷載、攝影攝像系統和其他一些設備組合而成的一種綜合系統形式，更加有利于數據的檢測和收集。而隨著無人機技術的不斷發展，目前所使用的無人機都是結合橋梁檢測的實際需求選擇的針對于性技術形式，這在我國的橋梁檢測工程方面有著十分重要的應用，其具體包含三個系統，如下所示^[4]。

1. 異形檢測無人機。這種無人機結構比較特殊，檢測的部分為橋梁的外部結構。在異形檢測無人機的使用中，主要由以下幾點進行使用。首先需要將2只固定臂放在無人機的前段，方向向前，隨后在固定臂裝置上舵機或者滑輪，隨后在所搭載的兩只固定臂中間安裝影像設備而，解決傳統無人機難以實施垂直面覆蓋拍攝的問題。再次需要采用八軸的飛行動力系統形式，這樣可以在一些強風天氣下對無人機飛行方向進行無障礙調整^[5]。同時需要注意的是，需要將防護網覆蓋在旋翼的頂端，這樣就可以緊貼在橋底進行拍攝。本文所提出的飛行器形勢是大疆A3飛控，并且為其配備了三套GNSS與IMU模塊，可以根據軟件設備來實現6路導航，飛行精度縮小到1cm以下，并且有著十分強力的抗磁干擾能力，為實時有效拍攝奠定技術基礎。。
2. 中繼無人機。中繼無人機是為了避免在橋底檢測過程中信號丟失或者受到強烈磁場干擾期間，拍攝精度受損，因此其可以增強GPS信號，并且可以精準提供磁羅盤校準作業^[6]。

（3）建筑信息化模型地面站系統。該系統是根據BIM技術所建立的信息化模型演變而來的，其在提供安全檢查的同時也可在二維采集的照片來形成三維立體模型，再實施建筑外部表面損壞情況的檢測作業。本文主要采用PLX4D系列的軟件，在軟件的使用過程中，其結合本身所具有的各種形式配套設備，可以實現全天候、無限制的建筑檢測工作。并且在目前所使用的新版系統中，其可以在3D模型上建立信息檢測模型，提前導入有關的信息數據，最后將需要進行重復拍攝的內容再次融入到信息化模型中實現高精度拍攝效果^[7]。具體內容如表1所示。

（4）四旋翼飛行器工作原理分析。目前所使用的多旋翼無人機大多數都是四旋翼模式，而四旋翼無人機的電機主要是由電調直接進行驅動，并且結合發送給電調的PWM信號控制電機的轉速，信號高電的平寬度越大，電機的轉速（）就會越高，在此期間為了了解其工作原理，可以設為第i個信號電機轉速，為旋翼產生的升力和，表示飛行器所受到的重力。在飛行器進行升降運動時，首先需要保障四個旋翼的相同，并且此時的偏航、橫滾和俯仰力矩都為零，這時可以經過調整四個旋翼轉速來改變合升力。當小于時，飛行器會下落;當大于時，飛行器會飛起;當等于時，飛行器懸停，由此可以結合其各個旋翼與升力的關系自由控制速度來控制其拍攝的角度和內容。

1. 新型無人機檢測技術在橋梁工程檢測中的應用

3.1案例背景

本文以某大型橋梁檢測為例，該大橋形式為單跨雙腳鋼桁架加勁橋梁形式，主跨900，橋梁橋面的總長度為1365m，橋梁整體桁梁采取的整體節點技術，結合高強度的螺栓拼接技術形式進行安裝，橋梁到谷底的距離為560m，塔頂到谷底的差度為650m。

3.2無人機檢測技術的應用

針對于該橋梁的檢測，主要的檢測內容包含橋梁的桁梁、高橋墩和一些常規檢查盲區，在常規檢查過程中也包含一些容易被忽視的點，來全面評估橋梁的健康狀況。

1. 檢測方法。首先派出兩名專業人員控制機身和攝像頭，明確與控制無人機在進行數據采集過程中整體機身的重量，無人機需要平穩放置，將各個系統進行調試，保證開機正常運行，在同一至指令調度下進行飛行，在飛行期間結合所檢測的對象不同以及各個檢測對象的差異性，控制不同的安全距離，根據現場工程的實際情況進行分析。對于無人機的空間位置信息要求，需要將現場拍攝的實施畫面顯示在系統監控屏幕上，根據監控對橋梁檢測的部位進行初步分析，觀測其是否存在病害問題，然后由檢測人員控制無人機的位置，在一些需要和檢測的局部位置進行懸停，高清拍攝后繼續前進。在無人機所采集的數據存儲中，一般都需要存儲在無人機的本身上，避免飛行距離過程，無線傳輸期間的數據損失。

因為無人機上升較慢，下降速度較快，因此需要在上升期間將速度控制在每分鐘5-20m左右，并且需要結合檢測對象的病害情況、周圍風向和風速以及環境等因素來進行速度調整。在氣候、風速和日照等方面的影響下，檢測過程中一般選擇迎光面實施拍攝和檢測，這樣里可以提升圖片的清晰度和數據采集的成功率，進而降低檢測過程的安全風險。

1. 實施方案。在無人機開始檢測之前，將飛機坐標的位置和所需要飛行的高度數據輸入到PIX4D收集終端，將需要拍攝的間隔時間和光圈等數據進行全面設計，隨后結合所設計的數據，由專業人員將無人機放飛到檢測和拍攝區域，對于需要檢測的橋梁底面或者一些橋墩等位置，需要在開闊的地區利用中繼無人機向拍攝的異形無人機投放全球定位信號和磁羅盤信號等，增強異形無人機的無線信號，提升檢測精度和準確性，以便對異型無人機完成有效控制。在拍攝任務完畢之后，將所拍攝的圖像及時導入到移動終端，利用PIX4D軟件對所導入的圖面進行分析和計算，結合計算的數據建立檢測目標的信息化模型，實現對檢測數據與圖像的科學分析。而在檢測橋墩過程中，可以在無人機的固定臂上搭載超聲波檢測儀等檢測設備，在保障拍攝精度和穩定性的同時，避免無人機發生仰俯等動作，穩定無人機拍攝過程，為系統終端提供更加真實和清晰的圖像照片。而當檢測到橋底面位置時，需要將檢測設備和相關的照明燈懸掛在無人機機體上面，促進無人機靠近到橋墩和橋底的銜接位置，再將無人機前臂端深入到縫隙中結合舵機的作用施加縫隙壓力，這樣就可以在橋墩位置將無人機進行懸空固定。
2. 結果的處理與分析。在現場檢測數據采集完畢之后，結合BIM模型處理軟件對數據進行分析，并確定橋梁病害的具體位置，根據相關技術要求來對檢測的位置進行評估和評級。

結語：

綜上所述，本文以某工程案例為主，分析了目前所使用的新型異形無人機檢測技術的特點和實際使用方法，并且對橋底一些特殊部位和結構做出一些優化措施，同時在BIM建筑信息模型的輔助下，不僅可以有效的減少橋梁檢測過程中所支出的人力和時間成本，同時可以在高尖端技術的幫助下提升檢測效率、質量和檢測的效果，降低橋梁檢測工作人員的要求程度，為我國相關工程的檢測技術應用提供重要的技術支持。

參考文獻：

[1]屈東虎. 面向橋梁檢測的無人機遙感圖像拼接技術研究[D].長安大學，2019.

[2]呂福瑞.新型無人機檢測技術在橋梁檢測工程中的應用[J].工程建設與設計，2018（20）：156-157.

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[4]許超. 基于無人飛機橋梁病害識別穩定成像安全飛行距離實驗研究[D].湖南科技大學，2018.

[5]隨何虎. 巡檢四旋翼無人機的自主飛行研究及應用[D].武漢理工大學，2018.

[6]曲賀. 橋梁檢測無人機路徑規劃算法研究[D].哈爾濱工程大學，2018.

[7]屈利偉. 橋梁檢測無人機控制技術研究[D].哈爾濱工程大學，2018.

作者簡介：包琦（1988-），男，甘肅平涼人，漢族，工程師，本科學歷，工程管理專業，主要從事橋梁檢測工作。