何昱佳 遲耀丹 陳 穎 李 來 劉安琪

（吉林建筑大學(xué)，吉林 長春130118）

中國的橋梁事業(yè)早已進入大發(fā)展建設(shè)時期，在我國橋梁成就的同時，不斷出現(xiàn)的橋梁坍塌事故問題不能被忽略。因此，維護橋梁安全、事業(yè)取得舉世矚目的健康、正常運行的工作狀態(tài)就變得尤為重要。當(dāng)混凝土橋梁建成投入使用后，長期受到風(fēng)力、地震等各種自然力量和車輛負(fù)載的作用以及隨著建筑材料的逐漸老化，會產(chǎn)生裂痕、腐蝕、坍塌等現(xiàn)象。隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，橋梁的負(fù)荷越來越重，但人們對其的維護和保養(yǎng)還不夠重視?，F(xiàn)階段對橋梁的檢測方式主要采用傳統(tǒng)人工檢修。相比較傳統(tǒng)的人工檢測方法，無人機能夠輕松便捷的進行橋檢作業(yè)，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(qū)的局限性。為了實現(xiàn)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(tǒng)。

1 系統(tǒng)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(tǒng)?；诙嘈頍o人機的橋梁檢測系統(tǒng)由四旋翼飛行器、圖像位置系統(tǒng)、光學(xué)相機組成，同時裝有圖像處理技術(shù)檢測和橋梁模型預(yù)處理等程序。無人機飛行平臺上搭載飛控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和圖像提取組件在空中作業(yè)。由地面發(fā)出控制信息，飛行平臺上的執(zhí)行控制模塊通過無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)接收到，各執(zhí)行控制模塊依據(jù)控制信號對飛控系統(tǒng)進行控制，以確保無人機按照預(yù)設(shè)軌跡飛行順利完成檢測任務(wù)。要注意的是，手動控制信息發(fā)出控制信息的優(yōu)先級需要大于地面站控制信息，以防意外情況的發(fā)生。

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

2 四旋翼飛行器

四旋翼飛行器穩(wěn)定性高，是良好的橋梁檢系統(tǒng)測搭載云臺。為了檢測的精準(zhǔn)性，飛行器需要確保實現(xiàn)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(wěn)定的飛行。為了保證飛行器穩(wěn)定性，我們需要研究姿態(tài)控制。首先需要采集到姿態(tài)傳感數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行整合，最后根據(jù)整合的數(shù)據(jù)判斷飛行器的運動狀態(tài)，保證飛行的安全性。首先計算出自身姿態(tài)，然后無人機控制電機調(diào)整所需的飛行姿態(tài)，這里主要采用PID控制器設(shè)計電機驅(qū)動方式和電機控制量。

圖1 橋梁檢測系統(tǒng)組成部分

3 圖像采集系統(tǒng)

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

3.1 可見光系統(tǒng)CCD探測器?？梢姽庀到y(tǒng)以CCD探測器為基礎(chǔ)進行研究。要保證圖片質(zhì)量的穩(wěn)定，可見光系統(tǒng)的80m目標(biāo)的最小分辨率βMIN應(yīng)優(yōu)于2mm，即βMIN<2mm。為了使得CCD傳感器上的目標(biāo)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(jù)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(shù)N為

為實現(xiàn)電子去抖和減小曝光時間，要使CCD 光學(xué)系統(tǒng)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(xué)系統(tǒng)的焦距，但這樣的條件卻使得難以減小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的尺寸，并且使器件質(zhì)量的增加，最終將會導(dǎo)致系統(tǒng)控制不穩(wěn)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(tǒng)性能的相機能夠滿足作業(yè)精度的需求。

表1 IGV-B0620C 主要性能指標(biāo)

3.2 紫外光系統(tǒng)CCD探測器。為保證像元角分辨率α 優(yōu)于25μrad，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)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(nèi)紫外圖像信號。像元尺寸A和光學(xué)系統(tǒng)最大焦距f1之間的有

f1為296mm，取其整為300mm。當(dāng)在最大視場工作時，光學(xué)系統(tǒng)有

選用的IGV-B0620C 相機的效成像素區(qū)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(xué)系統(tǒng)具備5倍電動變焦能力。綜合考慮相對孔徑，取光學(xué)系統(tǒng)口徑D為Φ50 mm。因此能夠在80m處分辨3mm最小目標(biāo)。

3.3 紅外光系統(tǒng)CCD 探測器。根據(jù)CCD 數(shù)據(jù)分析，將IGV-B0620C 相機置于飛行器中，其工作原理為：光經(jīng)被探測物體進入光學(xué)系統(tǒng)，通過傳感器，進入到光電探測系統(tǒng)，由探測器形成原始圖片。多光譜成像系統(tǒng)是由可見光、紫外光、紅外光同軸相機對同一目標(biāo)進行拍攝，形成多光譜圖片，再通過多通道圖像融合技術(shù)實現(xiàn)寬光譜成像，接下來將對多通道圖像融合技術(shù)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(gòu)建深度學(xué)習(xí)模型。實驗數(shù)據(jù)顯示，我們發(fā)現(xiàn)在橋梁檢測的圖像系統(tǒng)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(jié)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(xù)性將會被破壞，裂縫的實際情況就無法實際展現(xiàn)出來。為了獲得完整連續(xù)的裂縫，有利于對橋梁破損程度進行更為準(zhǔn)確的判斷，同時也使得后續(xù)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(yù)處理程序、裂縫法向?qū)挾扔嬎惴椒?、?gòu)建裂縫形態(tài)智能提取數(shù)據(jù)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(tǒng)

通過GPS、ISN、LiDAR 混合標(biāo)簽?zāi)Ｊ綔y試異常點位置信息，地理位置信息采集系統(tǒng)是由LiDAR、GPS、激光測距機、INS 組成，其為光學(xué)相機提供空中位置信息。采用LiDAR、GPS、INS混合標(biāo)簽?zāi)Ｊ浇?shù)據(jù)庫表文，完善的圖像空中位置數(shù)據(jù)。

橋梁底部表面病害檢測是橋梁評定技術(shù)狀態(tài)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(xiàn)安全事故。實現(xiàn)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(biāo)系基站自動定位導(dǎo)航、自動避障技術(shù)、增強抗風(fēng)穩(wěn)定性等方面有待進一步進行完善和開發(fā)。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(zhuǎn)化為橋梁三維模型。通過GPS等記錄橋梁及其周圍環(huán)境，建立同步定位構(gòu)圖和電子地圖。無人機將依據(jù)設(shè)定好的飛行路線，做出預(yù)判自動避障，然后自動返回航線，順利完成檢測。即使當(dāng)?shù)乩砦恢眯盘杹G失時，飛機也會繼續(xù)完成預(yù)設(shè)的航線飛行任務(wù)，對無人機做出適當(dāng)?shù)氖Э乇Ｗo處理，不需要進行人為干預(yù)。

5 結(jié)論

基于四旋翼的無人機橋梁檢測實施方案的關(guān)鍵是精準(zhǔn)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(tǒng)人工檢查存在的“盲區(qū)”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(shù)將會是未來橋梁檢測技術(shù)發(fā)展的一個趨勢。