無(wú)人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用
更新時(shí)間:2021-04-10 17:51
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隨著航拍技術(shù)、遙感技術(shù)的不斷發(fā)展,無(wú)人機(jī)應(yīng)用更多地滲透到各行各業(yè)。無(wú)人飛行器可分許多類別,其中無(wú)人多旋翼飛行器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格相對(duì)低廉,可應(yīng)用于公路橋梁檢測(cè)、線路巡檢等領(lǐng)域。
管養(yǎng)部門(mén)通常定期對(duì)橋梁進(jìn)行檢查,多采用傳統(tǒng)檢測(cè)手段,依靠肉眼或者輔助工具(如橋檢車、望遠(yuǎn)鏡等)來(lái)檢測(cè)橋梁主要構(gòu)件是否出現(xiàn)裂縫、開(kāi)裂破損、露筋銹蝕、支座脫空等病害。而對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)橋梁(如斜拉橋、懸索橋、鋼管混凝土拱橋等)或者大跨高墩橋梁,在梁底板、塔柱、索纜、斜拉索、塔頂避雷針等可及范圍以外,常規(guī)檢測(cè)手段和方法存在局限性,可操作的難度非常大,存在檢查盲區(qū)。其中局部盲區(qū)可采取人工現(xiàn)場(chǎng)察看檢查,但效率低、難度大、危險(xiǎn)系數(shù)高,而應(yīng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行輔助檢測(cè),將在很大程度上解決這些難題。
一、無(wú)人飛行器的發(fā)展概述
無(wú)人飛行器概述
無(wú)人駕駛飛行器(Unmanned Aerial Vehicle,UAV),通常簡(jiǎn)稱為無(wú)人飛行器或無(wú)人機(jī)。它是一種無(wú)駕駛員進(jìn)行機(jī)上操作,僅僅通過(guò)自身程序或無(wú)線遙控控制飛行的飛行器。無(wú)人機(jī)的發(fā)展歷史最早可以追溯到 1914年。當(dāng)時(shí),英國(guó)的 A.M.洛教授等
人計(jì)劃研制一種無(wú)人駕駛。該計(jì)劃要求僅僅通過(guò)無(wú)線電信號(hào)來(lái)遙控的小型飛機(jī),該計(jì)劃命名為“AT 計(jì)劃”。世界上第一架無(wú)人機(jī)是1917年3月英國(guó)皇家飛行訓(xùn)練學(xué)校研制的“空中靶機(jī)”。但因無(wú)人機(jī)技術(shù)不夠成熟,其試飛最終失敗。與此同時(shí),美國(guó)科研人員也察覺(jué)到了無(wú)人機(jī)的重要性,并開(kāi)始進(jìn)行無(wú)人機(jī)研制探索。1917年,為給美國(guó)軍方研制了一種無(wú)人駕駛攻擊機(jī),美國(guó)的飛機(jī)設(shè)計(jì)師寇蒂斯和陀螺儀發(fā)明者斯佩里在無(wú)人機(jī)研究領(lǐng)域展開(kāi)了合作。并將研制出的無(wú)人攻擊機(jī)命名為“空中魚(yú)雷”
這架無(wú)人機(jī)順利進(jìn)行了試飛,而且還能夠搭載重300磅的炸彈進(jìn)行飛行,最大航程 50 英里。雖然,這架無(wú)人機(jī)沒(méi)有真正的用到實(shí)戰(zhàn)當(dāng)中去,但卻成為了無(wú)人駕駛飛行器發(fā)展歷史上的一個(gè)重要的里程碑。不久后,一種名叫“凱特林飛蟲(chóng)”(圖1.2)無(wú)人機(jī)誕生了,它是由通用公司的查爾斯.F.凱特靈也成功研制出來(lái)的?!皠P特林飛蟲(chóng)”的機(jī)翼可以拆卸,可以攜帶導(dǎo)彈。并且,其可以將導(dǎo)彈連同無(wú)人機(jī)直接攻擊目標(biāo)。美國(guó)軍隊(duì)曾在第二次世界戰(zhàn)爭(zhēng)期間,使用“凱特林飛蟲(chóng)”作為靶機(jī)來(lái)訓(xùn)練防空炮手。
第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后,伴隨著世界經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,各國(guó)加大對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)的研制,促使其技術(shù)越來(lái)越成熟。無(wú)論在飛行高度、速度還是續(xù)航能力及機(jī)動(dòng)性能方面都取得了較大的突破。無(wú)人飛行器(UAV)同有人駕駛飛機(jī)相比,具有尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低,且因其無(wú)人駕駛,所以能完成某些有人駕駛飛機(jī)不宜或不能執(zhí)行的任務(wù)。因此,近年來(lái)在軍事和民用領(lǐng)域中無(wú)人飛行器得到了廣泛應(yīng)用。
二、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在橋梁檢測(cè)中的優(yōu)越性
針對(duì)橋梁的鋼索、橋墩、橋墩支座、橋塔、橋腹等部位及螺栓脫落的檢測(cè),無(wú)人機(jī)具備諸多的優(yōu)勢(shì)。
(1)無(wú)人機(jī)可以直接到達(dá)檢測(cè)部位,無(wú)需其它輔助措施,節(jié)省費(fèi)用;
(2)檢測(cè)橋墩、橋座、橋腹等危險(xiǎn)場(chǎng)所,無(wú)需搭架或者吊籃配合人員檢測(cè),極大地提高了安全性;
(3)對(duì)于部分無(wú)法企及的橋腹、拉索等部位,無(wú)人機(jī)可以抵近觀察了解更多細(xì)節(jié);
(4)在橋梁日常巡查時(shí),尤其是城市橋梁,無(wú)需封閉道路中斷交通;
(5)在天氣情況允許的前提下,實(shí)施檢測(cè)橋梁具備較高的及時(shí)性;
(6)隨著無(wú)人機(jī)本身技術(shù)的日漸成熟,尤其是飛行安全性得到了保障,無(wú)人機(jī)用于橋梁檢測(cè)進(jìn)入實(shí)用階段。
三、無(wú)人機(jī)在橋梁檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究目前,由于無(wú)人飛行器受飛行控制系統(tǒng)、續(xù)航能力、抗干擾能力等方面的限制,在橋梁檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究還較少。國(guó)內(nèi)的研究主要集中在飛行控制系統(tǒng)、航跡規(guī)劃等方面。天津大學(xué)鮮斌教授等對(duì)無(wú)人飛行器飛行控制系統(tǒng)、航跡規(guī)劃等做了深入的研究:設(shè)計(jì)了基于視覺(jué)的飛行控制方法,取得了較好的全自主飛行控制效果;提出了基于勢(shì)能函數(shù)的航跡規(guī)劃算法,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。重慶交通大學(xué)許登元副教授、王小莉等采用四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行橋梁檢測(cè),且對(duì)其飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。提出了包括數(shù)序建模、PN碼定位算法、姿態(tài)估計(jì)方法等幾種關(guān)鍵技術(shù)。湖南科技大學(xué)鐘新谷教授等通過(guò)在八旋翼無(wú)人機(jī)上加載相機(jī)云臺(tái),遠(yuǎn)程控制其進(jìn)行橋梁外觀缺陷、裂縫形狀與寬度等的檢測(cè)
幾十年前,無(wú)人機(jī)就開(kāi)始進(jìn)行運(yùn)用與發(fā)展,技術(shù)方面的成熟是無(wú)可厚非的。運(yùn)用無(wú)人機(jī)的成本相對(duì)較低,并且它十分靈活容易操縱,可以承載部分重要部件輕松的在空中進(jìn)行工作,無(wú)人機(jī)生存能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性能好、使用方便、安全穩(wěn)定等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)也為無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
無(wú)人機(jī)能夠定點(diǎn)懸停觀測(cè),實(shí)時(shí)傳輸畫(huà)面,與常規(guī)檢測(cè)相比,具有較多優(yōu)勢(shì):
(1)使用成本低,擁有技術(shù)的較為科學(xué)先進(jìn)且成熟,應(yīng)用的領(lǐng)域比較廣泛,像無(wú)線電遙控和GPS 導(dǎo)航以及數(shù)碼影像等領(lǐng)域都應(yīng)用了該技術(shù),所有設(shè)備只需電池供電,沒(méi)有額外費(fèi)用,使用成本遠(yuǎn)低于橋梁檢測(cè)車和搭架檢測(cè)。
(2)高精度的空中檢測(cè)。多軸飛行器運(yùn)用高分辨率的攝像機(jī)的搭載來(lái)對(duì)很多種橋梁損毀情況進(jìn)行高精度的拍攝,可以對(duì)拍攝的位置隨時(shí)變更拍攝,并且對(duì)其位置的檢測(cè)可以反復(fù)進(jìn)行。
(3)簡(jiǎn)單方便的維修保養(yǎng)。無(wú)人機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)潔有序,有利于進(jìn)行運(yùn)輸,都是通過(guò)外設(shè)搭載部件設(shè)備的,其更換與升級(jí)都是十分方便的。
(4)廣泛的使用范圍,靈活的操作。從事戶外作業(yè)僅靠一臺(tái)越野車和一臺(tái)筆記本
電腦再加上一臺(tái)遙控裝置便能對(duì)一些大型橋梁進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè),且不需要專用起降場(chǎng)地,這大大提高了對(duì)橋梁的日常檢測(cè)效率。
四、傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)與現(xiàn)有無(wú)人機(jī)平臺(tái)檢測(cè)應(yīng)用中的局限性
1.傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)
橋梁結(jié)構(gòu)為土木工程結(jié)構(gòu),使用期內(nèi)不可避免地產(chǎn)生損傷累積、抗力衰退而影響結(jié)構(gòu)壽命,甚至導(dǎo)致突然事故。為防止事故的發(fā)生,對(duì)已建成和正在使用的結(jié)構(gòu)和設(shè)施采用有效手段對(duì)其安全狀況進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)估、識(shí)別、控制和修復(fù)損傷顯得很有必要。通過(guò)橋梁檢測(cè),①可以確保橋梁的使用安全;②及早發(fā)現(xiàn)橋梁病害及異?,F(xiàn)象;③為橋梁的維修養(yǎng)護(hù)提供科學(xué)依據(jù),以適時(shí)采取合理的維修加固方法,延長(zhǎng)橋梁的使用壽命、提高其承載能力,降低橋梁的維護(hù)費(fèi)用,或拆除重建;④考察橋梁是否能滿足將來(lái)運(yùn)輸量的要求;⑤為橋梁設(shè)計(jì)、規(guī)范修訂和完善等提供依據(jù)。
2.現(xiàn)有無(wú)人機(jī)橋梁檢測(cè)
(1)目前通常的做法是采用人工飛行來(lái)滿足橋梁日常檢測(cè),但是在抵
近觀察的同時(shí),人工控制也存在諸多問(wèn)題,如飛行員近距離長(zhǎng)時(shí)間觀看視頻會(huì)產(chǎn)生眩暈感。
(2)在進(jìn)行特殊橋梁特定部位的檢測(cè)時(shí),無(wú)法進(jìn)行有效的航線規(guī)劃,尤其是規(guī)劃精度無(wú)法達(dá)到橋梁檢測(cè)的需求。
(3)飛行位置與觀察部件的距離無(wú)法進(jìn)行有效地把控。
(4)當(dāng)飛行達(dá)一定高度和遠(yuǎn)度后,易與遠(yuǎn)空背景形成融合,無(wú)法有效的對(duì)飛行狀況進(jìn)行監(jiān)控。
(5)由于橋梁結(jié)構(gòu)的相似性,導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法與橋梁實(shí)體結(jié)構(gòu)具體部位關(guān)聯(lián)。
無(wú)人機(jī)橋梁檢測(cè)系統(tǒng)可彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)手段不足的同時(shí),也存在諸多不足之處,仍需要不斷完善。橋梁檢測(cè)工作需要管養(yǎng)單位采取多種檢測(cè)手段、多元化管理,多種檢測(cè)方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),才能全面掌握橋梁的健康技術(shù)狀況。
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