摘要：本文主要从无人飞行器的发展概述以及无人机在桥梁检测领域的应用研究等几方面探讨了主题，旨在与同行共同探讨学习。
关键词：无人机；桥梁检测；应用
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。无人飞行器可分许多类别，其中无人多旋翼飞行器因结构简单、价格相对低廉，可应用于公路桥梁检测、线路巡检等领域。
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。而对于特殊结构桥梁（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。其中局部盲区可采取人工现场察看检查，但效率低、难度大、危险系数高，而应用无人机进行辅助检测，将在很大程度上解决这些难题。
一、无人飞行器的发展概述
无人飞行器概述
无人驾驶飞行器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），通常简称为无人飞行器或无人机。它是一种无驾驶员进行机上操作，仅仅通过自身程序或无线遥控控制飞行的飞行器。无人机的发展历史最早可以追溯到 1914年。当时，英国的 A.M.洛教授等
人计划研制一种无人驾驶。该计划要求仅仅通过无线电信号来遥控的小型飞机，该计划命名为“AT 计划”。世界上第一架无人机是1917年3月英国皇家飞行训练学校研制的“空中靶机”。但因无人机技术不够成熟，其试飞最终失败。与此同时，美国科研人员也察觉到了无人机的重要性，并开始进行无人机研制探索。1917年，为给美国军方研制了一种无人驾驶攻击机，美国的飞机设计师寇蒂斯和陀螺仪发明者斯佩里在无人机研究领域展开了合作。并将研制出的无人攻击机命名为“空中鱼雷”
（图 1.1）。这架无人机顺利进行了试飞，而且还能够搭载重300磅的炸弹进行飞行，最大航程 50 英里。虽然，这架无人机没有真正的用到实战当中去，但却成为了无人驾驶飞行器发展历史上的一个重要的里程碑。不久后，一种名叫“凯特林飞虫”（图1.2）无人机诞生了，它是由通用公司的查尔斯.F.凯特灵也成功研制出来的。“凯特林飞虫”的机翼可以拆卸，可以携带导弹。并且，其可以将导弹连同无人机直接攻击目标。美国军队曾在第二次世界战争期间，使用“凯特林飞虫”作为靶机来训练防空炮手。
第二次世界大战结束后，伴随着世界经济、科学技术的飞速发展，各国加大对无人机技术的研制，促使其技术越来越成熟。无论在飞行高度、速度还是续航能力及机动性能方面都取得了较大的突破。无人飞行器（UAV）同有人驾驶飞机相比，具有尺寸小、重量轻、结构简单、造价低，且因其无人驾驶，所以能完成某些有人驾驶飞机不宜或不能执行的任务。因此，近年来在军事和民用领域中无人飞行器得到了广泛应用。
二、无人机系统在桥梁检测中的优越性
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。
三、无人机在桥梁检测领域的应用研究目前，由于无人飞行器受飞行控制系统、续航能力、抗干扰能力等方面的限制，在桥梁检测领域的应用研究还较少。国内的研究主要集中在飞行控制系统、航迹规划等方面。天津大学鲜斌教授等对无人飞行器飞行控制系统、航迹规划等做了深入的研究：设计了基于视觉的飞行控制方法，取得了较好的全自主飞行控制效果；提出了基于势能函数的航迹规划算法，并根据实验进行了相应的改进。重庆交通大学许登元副教授、王小莉等采用四旋翼无人机进行桥梁检测，且对其飞行控制系统进行了深入研究。提出了包括数序建模、PN码定位算法、姿态估计方法等几种关键技术。湖南科技大学钟新谷教授等通过在八旋翼无人机上加载相机云台，远程控制其进行桥梁外观缺陷、裂缝形状与宽度等的检测（如图4.1所示）
几十年前，无人机就开始进行运用与发展，技术方面的成熟是无可厚非的。运用无人机的成本相对较低，并且它十分灵活容易操纵，可以承载部分重要部件轻松的在空中进行工作，无人机生存能力强、机动性能好、使用方便、安全稳定等特点。这些特点也为无人机的快速发展奠定了坚实的基础。
无人机能够定点悬停观测，实时传输画面，与常规检测相比，具有较多优势：
（1）使用成本低，拥有技术的较为科学先进且成熟，应用的领域比较广泛，像无线电遥控和GPS 导航以及数码影像等领域都应用了该技术，所有设备只需电池供电，没有额外费用，使用成本远低于桥梁检测车和搭架检测。
（2）高精度的空中检测。多轴飞行器运用高分辨率的摄像机的搭载来对很多种桥梁损毁情况进行高精度的拍摄，可以对拍摄的位置随时变更拍摄，并且对其位置的检测可以反复进行。
（3）简单方便的维修保养。无人机的机体结构比较简洁有序，有利于进行运输，都是通过外设搭载部件设备的，其更换与升级都是十分方便的。
（4）广泛的使用范围，灵活的操作。从事户外作业仅靠一台越野车和一台笔记本
电脑再加上一台遥控装置便能对一些大型桥梁进行准确的检测，且不需要专用起降场地，这大大提高了对桥梁的日常检测效率。
四、传统的桥梁检测与现有无人机平台检测应用中的局限性
1.传统的桥梁检测
桥梁结构为土木工程结构，使用期内不可避免地产生损伤累积、抗力衰退而影响结构寿命，甚至导致突然事故。为防止事故的发生，对已建成和正在使用的结构和设施采用有效手段对其安全状况进行检测、评估、识别、控制和修复损伤显得很有必要。通过桥梁检测，①可以确保桥梁的使用安全；②及早发现桥梁病害及异常现象；③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；④考察桥梁是否能满足将来运输量的要求；⑤为桥梁设计、规范修订和完善等提供依据。
2.现有无人机桥梁检测
（1）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。
（2）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。
（3）飞行位置与观察部件的距离无法进行有效地把控。
（4）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。
（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。
结语
无人机桥梁检测系统可弥补传统检测手段不足的同时，也存在诸多不足之处，仍需要不断完善。桥梁检测工作需要管养单位采取多种检测手段、多元化管理，多种检测方法优势互补，才能全面掌握桥梁的健康技术状况。
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论文作者:钟贤
论文发表刊物:《基层建设》2017年4期
论文发表时间:2017/5/23
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