无人机桥梁检测解决方案

　　我国共有公路桥梁近100万座，此外2.2万公里的高速铁路中，高铁桥梁的累积长度超过线路总长的50%。目前中国40%的桥梁已经进入使用超过25年的老龄期，存在一定的安全隐患需要进行检测。桥梁作为国民经济的重要枢纽，为保障安全，结构质量良好的桥梁也至少每三年检测一次。然而桥梁的检测仍存在诸多问题，如检测范围不够全面细致、阻塞交通、作业效率低下、成本高昂、检测人员存在人身安全隐患等等。如何及时有针对性地进行路桥检测是路桥相关部门面临的现实问题。

　　传统的“ 体检” 方式是，将桥梁检测车开到桥面上，通过伸展出的支架，工作人员爬上工作平台，然后缓缓降到桥面下，对桥梁进行检测。动辄就要占用几股车道， 检查速度慢，工人的安全也面临风险。此外，采用人工望远镜或高倍望远镜对桥梁进行远距离观测的方式也在桥梁检测中有所应用。这种方式成本低，易于实施，无安全隐患，且基本不影响正常交通。但由于距离检测目标较远，不易发现桥梁裂缝、结构件脱落等病害，且病害不易准确定位和描述，也存在检测盲区，导致检测人员工作量巨大。

　　传统方法的弊端：

　　管养部门通常定期对桥梁进行检查，多采用传统检测手段，依靠肉眼或者辅助工具（如桥检车、望远镜等）来检测桥梁主要构件是否出现裂缝、开裂破损、露筋锈蚀、支座脱空等病害。

　　对于特殊结构桥梁（如斜拉桥、悬索桥、钢管混凝土拱桥等）或者大跨高墩桥梁，在梁底板、塔柱、索缆、斜拉索、塔顶避雷针等可及范围以外，常规检测手段和方法存在局限性，可操作的难度非常大，存在检查盲区，其中局部盲区采取人工现场察看检查，但效率低、难度大、危险系数高。

　　随着航拍技术、遥感技术的不断发展，无人机应用更多地渗透到各行各业。以无人机为载体、人工智能为核心的桥梁智能检测方案，首先解决无人机在桥梁底部的精确定位问题，然后通过航线规划使无人机在桥梁底部自主飞行，对采集的数据进行病害自动识别和模型三维重建， 将桥梁的各种病害标记在桥梁模型中。

　　通过桥梁检测，我们可以确保桥梁的使用安全；及早发现桥梁病害及异常现象；为桥梁的维修养护提供科学依据，以适时采取合理的维修加固方法，延长桥梁的使用寿命、提高其承载能力，降低桥梁的维护费用，或拆除重建；考察桥梁是否能满足将来运输量的要求；为桥梁设计、规范修订和完善等提供依据。

　　无人机检测的优势：

　　无人机能够定点悬停观测，实时传输画面，且能自控飞行，与常规检测相比，具有较多优势。

　　1、使用成本低。所用的技术均为比较成熟的技术，在各领域都已大规模应用，如GNSS导航技术、数码影像技术、无线电遥控等技术等，所有设备只需电池供电，没有额外费用，使用成本远低于搭架检测和桥梁检测车。

　　2、检测精度高。多轴飞行器可以搭载高分辨率摄像机对各种桥梁病害进行细致拍摄，能随时操控拍摄位置，可进行多次，反复检测。

　　3、使用灵活，适应范围广。外业只需一台越野车、一台笔记本电脑及一台遥控装置就可以对大型桥梁进行检测，且不需要专用起降场地，有利于桥梁检测的日常化进行。

　　4、维修保养方便。机体为模块化结构，便于运输，所搭载的的设备均为外设，可方便灵活进行升级或更换。

　　无人机桥梁快速检测系统主要由无人机、数据传输系统、任务荷载系统、地面站系统、其他设备等组成。

　　检测内容：

　　针对桥梁的钢索、桥墩、桥墩支座、桥塔、桥腹等部位及螺栓脱落的检测，无人机具备诸多的优势。

　　1）无人机可以直接到达检测部位，无需其它辅助措施,节省费用；

　　2）检测桥墩、桥座、桥腹等危险场所，无需搭架或者吊篮配合人员检测，极大地提高了安全性；

　　3）对于部分无法企及的桥腹、拉索等部位，无人机可以抵近观察了解更多细节；

　　4）在桥梁日常巡查时，尤其是城市桥梁,无需封闭道路中断交通；

　　5）在天气情况允许的前提下，实施检测桥梁具备较高的及时性；

　　6）随着无人机本身技术的日渐成熟,尤其是飞行安全性得到了保障,无人机用于桥梁检测进入实用阶段。

　　无人机在桥梁检测中的应用现状

　　检测过程通常由两名技术人员（一人掌控飞行控制系统，另外一人控制云台控制系统拍摄照片）配合完成无人机的飞行和拍摄，然后将获取到的数据回传至后台系统中加以处理。目前应用无人机开展桥梁检测的机构主要是各大科研院所，检测内容主要包括以下几个方面。

　　一、无人机沿桥梁被检测面飞行，通过手机或遥控器等控制设备完成桥梁底面、柱面及横梁等结构面的拍摄取证，将采集到的数据回传，为专业人员分析桥梁裂缝状态提供依据，及时发现险情，极大减轻桥梁维护人员的工作强度，提高桥梁检测维护效率。裂缝识别精度能达到亚毫米级，即使0.1毫米的缝隙也可以被识别出来。

　　二、无人机和传感器配合完成桥梁数据采集。其方法是在桥墩和接合处上安放无线传感器，收集车辆往来时的结构振动等数据。无人机定期在传感器上方盘旋获取数据，并且航拍桥梁的细节照片，上传到中央计算机完成数据分析。

　　三、无人机在桥梁管理中起到非常重要的补充作用。主要是借助无人机的空中优势，通过搭载高清照相机或夜视传感器设备，可以有效监控桥梁路面病害、堵车、载荷等诸多情况。

　　现有无人机平台在桥梁检测应用中的局限性

　　1)在进行特殊桥梁特定部位的检测时，无法进行有效的航线规划，尤其是规划精度无法达到桥梁检测的需求；

　　2)目前通常的做法是采用人工飞行来满足桥梁日常检测，但是在抵近观察的同时，人工控制也存在诸多问题，如飞行员近距离长时间观看视频会产生眩晕感；

　　3)当飞行达一定高度和远度后，易与远空背景形成融合，无法有效的对飞行状况进行监控；

　　4)飞行位置与观察部件的距离无法进行有效地把控；

　　5)由于桥梁结构的相似性，导致检测数据无法与桥梁实体结构具体部位关联。

　　2无人机桥梁检测系统方案

　　无人机桥梁检测系统主要功能

　　自动防撞、返航、告警、防风平衡。

　　与桥梁三维模型相结合形成良好的操控界面,实现自动航线规划。

　　数据智能分析，为桥梁病害评估提供依据。

　　高清摄像机：多种类型和分辨率的高清、夜视摄像机可供选择。

　　具备可扩展性,可与其它微型检测设备结合,丰富检测功能.

　　自主飞行与人工遥控相结合。

　　无线数据传输。

　　无人机桥梁检测系统架构图

　　选用稳定的无人机系统,具有高耐久性、高稳健性等特点，结合桥梁检测的特殊性，进行针对性的研发改进，使无人机检测平台适用于桥梁的专业性检测，整个操作过程更加便捷有效。

　　无人机系统主要由无人机飞行平台、避障系统、高清摄像机、遥控设备、地面站系统以及报告处理服务器几大关键部分组。

　　无人机平台、避障系统结合高清摄像机在实现安全飞行的同时可以获取高清的图像数据。

　　地面站系统与摇控设备组合可以实现飞行航线的规划、处理以及各种飞行类、检测类数据的展示与处理。

　　报告处理服务器可以根据客户需求定制各类检测报告。

　　无人机桥梁检测系统介绍

　　地面站系统。整个地面站系统基于客户端/服务器模式(C/S)，客户端完成数据采集、控制和接入功能，服务器端完成数据管理、分析的核心功能。同时支持系统的在线、离线显示。

　　与无人机通讯功能。地面站随时保证与无人机平台系统的通讯，具备信息的收、发功能，在整个飞行过程中畅通无阻，实时、可靠地传输所有数据。

　　遇险自动返航/一键返航。智能判断非正常的控制信号丢失情况，做出适当的失控保护处理。当飞机全自动执行飞行任务时，即使无线信号丢失，飞机也会继续完成预设的航线飞行任务；当飞机处于使用者手动控制下，而发生丢失控制信号的情况后，飞机会保持原地自主悬停，并在超过10秒后信号仍未恢复情况下，精确找到起飞点，以最安全的路线和高度，自动返回起飞点上空悬停，给飞行系统设备提供一个强大的安全保障。除此以外，用户也可以随时点击返航按钮，系统将立即中断当前的飞行任务，命令飞机开始返航。

　　桥梁三维模型(3D) 导入。基于桥梁检测的实际应用，支持将桥梁结构设计的3D图导入到地面站系统中，并且在导入的3D图中可以实现对桥梁检测点的自助构件编号。

　　基于3D模型图进行路径规划。在系统中导入的3D坐标可以直接转换为无人机接入的坐标，无人机在飞行和航线定制时，可以直接参考该坐标，完成路径规划、自主飞行功能。

　　视频回传。在无人机飞行过程中，系统可以实时将无人机拍摄的图像数据回传到地面站系统，客户可以将应用软件安装在移动端，如手机或者平板电脑，然后通过手机或平板电脑在线查看图像数据。

　　微定位。在无人机飞行过程中，通过系统指定3D坐标结合飞行数据，如飞行高度、距离、速度等综合数据计算出无人机当前的飞行位置，完成微坐标定位。在得到自动定位后根据部件指定的拍摄点自动开启图像采集功能。

　　告警及处置。可实时接收显示空中视频图像和详尽的飞行器遥测数据，对信号不良、电池电量不足、空中风力变化等重要问题自动报警提示和处理。

　　自动避障系统。采用全新的视觉传感导航系统，可感知附近障碍物，让飞行器主动躲避。内置功能强大的处理核心，配备五组视觉超声波组合传感器，辅以先进的视觉算法，保证整个检测航线的安全飞行。

　　高精度视觉定位。系统提供高精度立体视觉算法，近地面定位精度可达厘米级。在复杂地形和高速飞行条件下均可提供定位信息。视觉定位系统的有效高度高达20米。

　　多方向感知障碍物。将飞控系统与自动避障系统结合，让自动飞行更加安全可靠，使飞行平台具备自动躲避障碍能力的同时，通过视觉和超声波传感器，能实 时监测周边环境信息。视觉传感器可以远距离、高精度感测多种障碍物，而超声波传感器作为补充，可识别玻璃、树叶等难以感测的障碍物。避障系统将数据反馈回飞行控制系统后，飞行平台停止往障碍物方向飞行。

　　多传感器融合带来更高可靠性。避障系统的五个视觉传感模块的数据被自动融合，并且自动选择单目或者双目视觉算法以达到出色的定位效果。因此某个方向的感应信息缺失不会对整个系统造成影响，给飞行平台带来了强大的避障可靠性。

　　桥梁检测航线规划。在系统输入桥梁结构参数，结合包含地理信息数据的3D结构图，针对需要检测的部位对飞行航线进行规划。

　　1)根据实际检测需要，系统可以定点标注航点，线路规划支持设置多个航点，航点间设置航向，完成整个自动检测线路的规划。

　　2)飞行选择设置自适应协调模式，在自适应协调转弯模式下，飞行器会为不偏离航线而自动减速，完成最优桥梁外侧检查点检测及图像获取。

　　3)无人机通过地面站控制，完成定点拍照功能，通过定点拍照可以更加精确的获取指定部位的静态照片，得到更加清晰的图像数据。

　　4)支持飞行任务导出功能，在完成整个复杂的航线任务规划后，系统支持将当前所有的航线参数导出并保存为文件。

　　5)支持飞行任务导入功能，根据飞行轨迹,形成完整的检测航线记录。作为下次检测航线。

　　模拟航点及指定拍摄点设置示意图如下：

　　桥梁模拟航线及拍摄点逻辑示意图

　　全自动与人工控制：

　　1)可沿自动设置的线路飞行。

　　自动飞行及数据采集处理示意图

　　2)手动飞行。

　　人工摇控无人机桥梁飞行现场

　　自动病害识别。通过对视频图像数据进行自动分析处理，确定所检测对象是否达标，各关键节点是否出现病害等。

　　自动生成检测报告。

　　对所有检测数据进行综合对比之后，得出检测的初步结果，并对所有的结果按格式录入报告系统。报告系统主要集成如下几个功能。

　　（1）桥梁健康状况评估。根据检测结果与参考结果进行比较，结合BCIm计算模型进行判定。II~IV得出桥梁健康状况A~E级，I类为合格或者不合格。

　　（2）报告模板编辑功能。可定义桥梁常规或定期检测报告。基本模板包括如下几部分

　　（a）工程概况；

　　（b）检测目的、内容及依据；

　　（c）仪器设备及参加人员；

　　（d）桥梁部件、构件划分及编号；

　　（e）检查结果；

　　（f）无损检测；

　　（g）桥梁技术状况评定；

　　（h）病害汇总及成因分析；

　　（i）结论与建议；

　　（j）详细检测结果附录等。

　　（3）数据调用及报告成生。完成报告模板建立后，系统自动检索数据库中对应项目数据并填充至报告中，自动完成报告。

　　（4）历史定期检测数据展示。建立桥梁测量数据档案，对在案的桥梁数据进行统计分析，将桥梁日常变迁及所有参数变化轨迹进行记录和展示。

　　应用实例

　　螺栓脱落检测

　　通过视频处理将脱落的螺栓点进行对比后，结合桥梁结构，发现对应的脱落点。采用原始图像数据对脱落点进行展示并形成最终报告。

　　螺栓脱落病害视频帧截图

　　桥体裂缝检测

　　通过高清摄像头拍摄对应裂缝，经过图片分析后，生成检测，对于裂缝长度、宽度可进行集中标注，使审阅者在审查桥梁结构时，可以针对索搭、桥塔、桥腹、支座等特殊部位进行有效分析，评估裂缝对整个桥梁结构造成的病害更加直观、清晰。

　　桥梁裂缝病害

　　缆索PE护层破损检测

　　对PE护层进行实时图像抓取，可以及早有效的发现PE防护层的开裂及脱落情况，及时有针对性的对受损部位进行修复处理，预防内部受力件受侵蚀而失效或者损坏。

　　缆索PE护层脱落病害

　　支座滑移检测

　　通过无人机对构件进行多角度拍摄，由软件自动生成支座的三维立体图形，通过对图形结构数据进行分析，可以对支座滑移病害进行有效分析及展示。

　　桥梁支座滑移病害

　　桥梁三维轮廓生成

　　通过对桥梁构件多角度拍摄，根据图像由软件自动生成三维立体图形，将三维图形导出后可形成高精度的桥梁三维模型，桥梁三维模型可作为公路桥梁档案保存，以便将来为维修工作提供技术参考。

　　注意事项：

　　1、无人机检测一般由２名专业技术人员分别控制机身运动、检测摄像２部分进行飞行和数据采集。起飞前，无人机需放置平稳，调试各系统确保开机运行正常后，统一指令调度起飞。在飞行过程中，根据检测对象的差异控制不同的安全距离。桥墩和塔柱一般控制在５米左右，缆索和钢构件等地形复杂部位一般控制在10米左右，具体安全距离需结合现场情况确定。

　　2、无人机空间位置信息、摄录画面实时显示在地面站系统的监控屏幕上，检测人员根据监控初步判断检测对象是否存在病害。若存在，检测人员根据病害程度，选择无人机悬停进行局部高清拍照或继续前进。无人机飞行控制、摄像系统采用无线传输信号进行控制，检测系统采集数据存储在无人机机身，有效避免长距离无线传输引起的数据衰减或干扰。

　　3、检测过程受日照方向、风速、天气状况等影响较大，一般应选择检测对象迎光面，采集图像数据较为清晰，避免出现逆光，提高数据采集成功率。一般选择在晴天无风环境下进行检测，尽量减少环境因素影响，降低检测过程的安全风险。

　　4、通过现场无人机数据采集后，将图像等数据下载，利用视频和图像处理软件，分析并确定发现病害的具体位置和病害尺寸等，然后根据《公路技术状况评定标准》（ＪＴＧ／Ｔ Ｈ２１－ ２０１１）等相关规范，对检测对象的构件进行评定。