CN110441314A - 基于无人机自动化扫描的桥梁梁板底面巡查系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无人机自动化扫描的桥梁梁板底面巡查系统,包含地面任务制定与控制、应用信息采集、信息分析与处理三个子系统。地面任务制定与控制子系统实现对无人机的规划控制以及各种信息数据的传输；应用信息采集子系统由无人机、稳像平台、高清摄像机、高精度定位模块和激光测距设备组成，实现信息采集点的精确定位以及与桥梁梁板底面高程差测量，完成对桥梁梁板底面的完整图像信息采集；信息分析与处理子系统实现图像的展示、病害检测与分析、报告生成等操作。本系统能够高效率地实现桥梁梁板底面信息的采集、病害检测，并能够迅速生成病害检测结果。

Description

基于无人机自动化扫描的桥梁梁板底面巡查系统
技术领域
本发明涉及一种桥梁梁板底面巡查系统，具体涉及一种基于无人机自动化扫描的桥梁梁板底面巡查系统。
背景技术
现代桥梁工程建设规模与日俱增,它涵盖的内容也非常广泛,例如施工技术、机械设备、路面实施、材料选择与桥梁设计等,复杂的因素这在客观程度上会造成桥梁路基下沉,进而引发裂纹出现,即纵向裂纹与横向裂纹。如果桥头填土与桥台的沉降程度不同,会导致桥台与相邻沥青的路基存在偏差,路基缺乏足够的承载力,水泥路面与沥青板面张裂,甚至是出现伸缩缝，进而导致桥头跳车,尤其是立交桥互通匝道等填方路段发生断裂。城市的许多基础性设施都建设在车道上,例如排水管道安设在车道下面等,极大的削弱了桥梁道路的使用寿命,还威胁着行驶车辆的舒适度与安全。因此，更加高效的检测手段对桥梁病害检测显得尤为重要。其中，利用无人机对桥梁进行检测有着很光明的前景。
根据无人机机翼结构的不同，可将其分为固定翼和旋翼无人机。固定翼无人机是通过滑行来完成起降和飞行的。因其抗风性能好，遥控、程序控制实现较为简单，这种无人机目前应用最为广泛。与固定翼无人机最大的差别是，旋翼无人机利用旋翼旋转产生的动力来克服其自身重力，实现起降和飞行。早期，由于旋翼控制水平的限制，旋翼无人机操作性能、稳定性较差，所以旋翼无人机较固定翼无人机发展缓慢。然而，随着近几十年来微电子技术、空气动力学理论、无人机控制理论等技术的快速发展，掀起了旋翼无人机的研究热潮，并取得了大量的研究成果(郭芳.复杂环境下四旋翼无人机定位研究[D].天津:天津大学,2012)。
目前，常规使用的桥梁安全检测主要通过桥检车(如图1所示)、人工望远镜、预置轨道视频检测，以及远程拍照等常规设备进行检测。现在的桥梁检测方式存在以下问题：
(1)当检查远距离目标时，通过人工望远镜和远程拍照来观测桥梁病害信息(如桥梁裂缝、混凝土脱落)较困难；
(2)桥检车进行桥梁检测时，需机械臂将检测人员传送到桥梁底部，存在成本高、影响正常交通，有可能威胁检测人员的人身安全等问题；
(3)在对悬索桥和斜拉桥或有灯柱的桥梁进行检测时，桥检车需要反复收缩机械臂，使得工作效率降低；另外，由于桥检车机械臂长度、伸展方向的限制，对于人行道较宽的桥梁，桥检车无法正常开展工作；
(4)预置轨道视频检测需在桥梁施工时期将检测轨道预先铺设在桥梁待检区域，其搭建成本高，并且其检查轨道不可在其它地方重复利用，代价较高。
综上所述，现常用的桥梁检测设备，因为其自身缺陷，总存在一些难以克服的问题。
发明内容
发明目的：本发明目的提供一种桥梁梁板底面巡查系统，该系统基于专业的无人机系统，可以高效地自动化扫描桥梁梁板底面病害。
技术方案：本发明所述的一种基于无人机自动化扫描的桥梁梁板底面巡查系统，包括：任务制定与无人机控制子系统、应用信息采集子系统，以及信息分析与处理子系统。
所述任务制定与无人机控制子系统用于完成无人机飞行任务规划、飞行控制、飞行状态显示等，该子系统包括：
无人机地面站：用于规划巡检任务、遥控无人机、提供数据链路；
局部定位基站：用于发射定位信号供综合定位设备接收处理；
所述应用信息采集子系统依据任务规划电子围栏(即规划无人机扫描巡查区域，规划无人机检测矩形区域四角的经纬度，确保无人机在电子围栏内进行信息采集并覆盖电子围栏内全部的有效桥梁梁板底面信息)，确定期望的无人机摄像位置并记录该位置，信息采集设备自主执行梁底数据的采集。该子系统包括：
无人机及稳定云台：无人机及其稳定云台用于安装综合定位设备、病害采集设备、测距设备以及数据链路终端；
综合定位设备：接收局部定位基站发射的信号，经处理给出自身高精度的定位信息；
信息采集设备：获取桥梁梁板底面的高清图像；
测距模块：提供梁底到采集点的高度信息；
数据链路终端：用于与无人机地面站之间的信息交换；
所述信息分析与处理子系统包括：
系统服务器：提供数据处理模块和病害辅助分析模块的应用平台；
数据预处理模块：对病害采集设备获得的图像做预处理；
病害辅助分析模块：对数据预处理模块处理后的图像做病害特征提取，生成病害特征报表。
进一步地，所述无人机地面站安装在桥梁维护专用车辆上，根据桥梁附近路况信息机动布设，包括：数据链路收发设备、图像显示设备、全球定位系统接收器以及无人机控制设备；其中，数据链路收发设备与无人机端的数据链路设备进行信息传递，接收来自无人机的图像信息，并将图像信息发送至图像显示设备进行显示和检查；全球定位系统接收器接收无人机提供的GPS综合定位信息,该设备遵循标准NMEA协议，提供定位精度误差不大于10厘米；无人机控制设备用于控制无人机的起飞及回收。
进一步地，所述局部定位基站固定在桥梁两侧不同位置，局部定位基站个数不少于3个，并且确保同一侧的局部定位基站之间的间距不小于5米、不大于60米。
优选地，所述局部定位基站型号采用GL-200-V。
进一步地，所述综合定位设备初始化获得局部定位基站的全局坐标，接收并处理来自局部定位基站的定位信息，最终将定位信息传送至地面站,实现了在定位卫星遮蔽情况下的全局精确定位；该设备包括：
无线接收器：通过无线信号接收来自局部定位基站提供的待测目标的局部定位信息，将该定位信息传送至解算模块进行处理；
解算模块：接收来自无线接收器发送来的局部定位信息，综合各个局部定位基站提供的局部定位信息，解算模块通过局部定位基站的绝对位置以及综合定位设备与局部定位基站的相对位置，解算出综合定位设备稳定精确的全局定位信息，并将其传送至发送模块；
发送模块：接收来自解算模块的全局GPS信息，通过无人机的数据链路终端将其发送至地面站的数据链路接收设备。
所述无人机及稳定云台包括：多旋翼无人机和三轴增稳云台；其中，所述多旋翼无人机在无人机地面站的控制下，规划电子围栏和期望的信息采集点，自主完成桥梁梁板底面信息采集；所述三轴增稳云台为信息采集设备、综合定位设备以及测距模块提供了稳定性强的载体平台,能够有效降低无人机飞行过程中抖动的影响，从而保证摄像效果。
优选地，所述三轴增稳云台型号采用飞宇A2000。
进一步地，所述测距模块采用激光测距，用于精确测量无人机到桥梁梁板底面高度，协助无人机进行等高飞行。
进一步地，所述信息采集设备由高清晰度可遥控的图像采集设备(如索尼A5100相机)构成，安装在稳定云台上。
进一步地，所述数据预处理模块用于对信息采集设备获取到的图像信息和位置信息进行预处理，包括以下方面：根据桥梁名称、电子围栏编号和检测日期等信息对图像和文件夹进行重命名，根据每张图像实际反馈的GPS经纬度、高度和相关附加信息等信息生成位置信息说明文件。
进一步地，所述病害辅助分析模块可以对信息采集设备采集的图像进行放大、缩小以及平移操作；可以导入经纬度信息、与桥梁梁板底面的距离信息以及坐标信息，用于确定所记录的病害位置；可以对处于图像交界处显示不完整的关键位置以及因为信息采集设备偏移导致的图像显示不对齐的情况，利用采集图像的横向和纵向重叠，提取重叠部分的图像特征信息，进行相邻图像拼接，使图像完整显示。通过上述功能为图像集合提供更加便捷的查看手段，之后，自上而下地对数据预处理模块处理后的图像逐行检测病害点，检测出可疑病害位置，对病害类型、病害程度进行测量，判定其病害等级；对从桥梁底面图像中检测出的病害信息进行统计，所述病害信息包括病害位置、病害类型、病害等级、紧急程度，最终生成病害信息报表。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、综合定位设备接收安装在桥下的高精度全局定位基站发出的信息，实现信息采集点的精确定位，实现了在定位卫星遮蔽情况下的全局精确定位；
2、应用激光测距精确测量信息采集点与桥梁梁板底面高程差，精度高；
3、稳像平台及其上面的高清摄像机完成对桥梁梁板底面的全覆盖、全自主图像信息采集；
4、数据分析与处理子系统接收来自信息采集子系统的相关信息，实现对无人机拍摄照片的展示、病害检测与分析、报告生成等操作，能够高效率地实现桥梁梁板底面信息的采集、病害检测，并能够迅速生成病害检测结果。
附图说明
图1是传统桥检车的检测作业图；
图2是三轴增稳云台图；
图3是基于无人机自动化扫描的桥梁梁板底面巡查系统的结构图；
图4是基于无人机自动化扫描的桥梁梁板底面巡查系统的工作流程图；
图5是桥梁下综合定位系统的示意图；
图6是无人机进行桥梁检测图；
图7是多旋翼无人机图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
一种基于无人机自动化扫描的桥梁梁板底面巡查系统，其结构图如图3所示，该系统包括：任务制定与无人机控制子系统、应用信息采集子系统，以及信息分析与处理子系统。
所述任务制定与无人机控制子系统用于完成无人机飞行任务规划、飞行控制、飞行状态显示等，该子系统包括：
无人机地面站：用于规划巡检任务、遥控无人机、提供数据链路；
局部定位基站：用于发射定位信号供综合定位设备接收处理；
所述应用信息采集子系统依据任务规划电子围栏，确定期望的无人机摄像位置并记录该位置，信息采集设备自主执行梁底数据的采集，该子系统包括：
无人机及稳定云台：无人机及其稳定云台用于安装综合定位设备、病害采集设备、测距设备以及数据链路终端；
综合定位设备：接收局部定位基站发射的信号，经处理给出自身高精度的定位信息；
信息采集设备：获取桥梁梁板底面的高清图像；
测距模块：提供梁底到采集点的高度信息；
数据链路终端：用于与无人机地面站之间的信息交换；
所述信息分析与处理子系统包括：
系统服务器：提供数据处理模块和病害辅助分析模块的应用平台；
数据预处理模块：对病害采集设备获得的图像做预处理；
病害辅助分析模块：对数据预处理模块处理后的图像做病害特征提取，生成病害特征报表。
系统各个子系统依次进行工作，其主要工作流程图如图4所示，具体包括以下构建步骤：
步骤一：地面任务制定与控制子系统搭建。地面任务制定与控制子系统主要由无人机地面站、图像显示设备、数据链路接收端等模块组成。用于完成无人机飞行任务规划、飞行控制、飞行状态显示等,其具体实施步骤如下：
1.1搭建无人机地面站。为方便无人机地面站的搭建，地面站一般安装在桥梁维护专用车辆上，根据桥梁附近路况信息，停靠在合适的公路一侧，开启全球定位系统接收器，接收来自无人机提供的定位信息。
1.2部署局部定位基站。将搭载无人机地面站的桥梁维护车辆在合适位置停靠后，从中取出3组以上的局部定位基站，分别固定在桥梁两侧不同位置，为保证定位效果，尽可能确保同一侧的局部定位基站之间的间距不小于5米、不大于60米，其示意图如图5所示(各部分描述如下：全球定位系统接收器1，局部定位基站连接器2，局部定位基站3、5，局部定位基站固定器4，综合定位设备6，多旋翼无人机7，桥梁路面8)。
1.3确定无人机起飞地点和无人机扫描起点，启动无人机，开启数据链路装置，检查无人机飞行状况和数据链接情况，之后将无人机飞行至桥梁一侧的检查起点，准备进行无人机扫描巡查。
步骤二：无人机图像信息采集，其示意图如图6所示。应用信息采集子系统(主要由无人机及稳定平台、综合定位设备、病害采集设备、测距设备以及数据链路收发设备组成)，在该系统的协助下，应用多旋翼无人机(如图7所示)，依据任务规划电子围栏，确定期望的无人机摄像位置并记录该位置，无人机自主执行梁底数据采集，其具体实施步骤如下：
2.1无人机初始测距。通过激光测距，调整无人机和桥梁梁板底面的距离，让拍摄照片达到如下效果：根据不同桥梁的实际情况，每张照片覆盖桥梁梁板约数平方米的范围。
2.2无人机直线飞行检测。无人机从检查起点开始，通过稳定飞控算法的协助，保持直线和匀速飞行，通过桥下高精度定位技术，利用GPS系统和局部定位基站的协同工作，获取到无人机在桥梁下的精确位置。通过数据链路发送设备将采集到的如下数据发送到无人机地面站的数据链路接收设备：
(1)采集到的图像信息。
(2)该图像的坐标信息，即该图像在所有图像中的相对位置。
(3)该图像的位置信息，包括经度信息、纬度信息以及与桥梁梁板底面的距离信息。
2.3无人机一次直线飞行结束后，无人机在本次直线飞行终点处平移一个扫描宽度并转向，准备开始下一次飞行。
2.4无人机按照“己”字型飞行，自动重复步骤2.2和步骤2.3，直到完成电子围栏内所有的信息采集任务。从电子围栏的一侧边缘开始，到电子围栏的另一侧边缘结束，期间涉及到多次往返式的直线飞行，完成电子围栏内的所有信息采集任务，即通过多次往返飞行完成在所有期望摄像位置的信息采集工作。
2.5所有飞行任务以及数据采集任务完成后，地面站检测是否成功采集并保存到所有桥梁梁板图像及其位置信息，完成后结束此次飞行任务，人工控制无人机飞回地面，进行飞行后检测，检查无人机状态良好后，完成检测，并将相关数据交由病害数据后期处理。
步骤三：病害数据后期处理。在信息分析与处理子系统的协助下完成。用于图像数据处理、病害标记及生成检测报告，其具体实施步骤如下：
3.1后期处理人员获取到检测人员提供的各类信息，进行如下预处理：
3.1.1将图像和存储位置信息的说明文件存放到同一文件夹中，并以<桥梁名称>+<电子围栏编号>+<检测日期>的规则对文件夹进行命名。
3.1.2将图像文件依据其坐标信息，以XXXYYY.jpg(XXX为3位数字，代表横坐标序数；YYY为3位数字，代表纵坐标序数)的命名规则进行命名。
3.1.3将存储位置信息的txt文件命名为config.txt，其中按行存储图像的位置信息，每行包括经纬度信息、与桥梁梁板底面的距离信息以及必要的额外信息。
3.2预处理完成后，应用病害辅助分析模块，将预处理之后图像导入辅助分析模块，从模块界面自上而下，逐行图像检测病害点，期间，可以通过如下功能协助病害检查：
(1)放大、缩小以及平移功能，方便图像查看。
(2)导入经纬度信息、与桥梁梁板底面的距离信息以及坐标信息功能，方便判定和记录病害位置。
(3)图像拼接功能，对处于图像交界处显示不完整的关键位置以及因为摄像位置偏移导致的图像显示不对齐的情况，利用拍摄图像的横向和纵向重叠，提取重叠部分的图像特征信息，进行相邻图像拼接；在拼接完成后，之前显示不完整的位置和不对齐的图像可以进行完整显示，为检测人员的后期检查提供便利。
通过病害辅助分析模块的协助，检测出可疑病害位置，对病害类型、病害程度进行测量，判定其病害等级。
3.3对从桥梁底面图像中检测出的病害信息进行统计，对于病害位置、病害类型、病害等级、紧急程度等信息作详细的记录，最终生成病害信息报表，提交给相关执行部门。
通过地面任务制定与控制、应用信息采集和信息分析与处理三个子系统的协同工作，最终成功构建了集信息采集、信息检测、信息分析、信息处理以及信息的总结整理为一体的桥梁梁板底面无人机自动化扫描巡查系统。该系统能够应用于桥梁检测中，为桥梁检测提供更方便的检测手段以及更高效的病害检查方式，从而提升整个桥梁检测的质量以及效率。

Claims (9)

1.一种基于无人机自动化扫描的桥梁梁板底面巡查系统，其特征在于，该系统包括：任务制定与无人机控制子系统、应用信息采集子系统以及信息分析与处理子系统；
所述任务制定与无人机控制子系统包括：
无人机地面站：用于规划巡检任务、遥控无人机、提供数据链路；
局部定位基站：用于发射定位信号供综合定位设备接收处理；
所述应用信息采集子系统包括：
无人机及稳定云台：无人机及其稳定云台用于安装综合定位设备、病害采集设备、测距设备以及数据链路终端；
综合定位设备：接收局部定位基站发射的信号，经处理给出自身高精度的定位信息；
信息采集设备：获取桥梁梁板底面的高清图像；
测距模块：提供梁底到采集点的高度信息；
数据链路终端：用于与无人机地面站之间的信息交换；
所述信息分析与处理子系统包括：
系统服务器：提供数据处理模块和病害辅助分析模块的应用平台；
数据预处理模块：对信息采集设备获得的信息做预处理；
病害辅助分析模块：对数据预处理模块处理后的图像做病害特征提取，生成病害特征报表。
2.根据权利要求1所述的基于无人机自动化扫描的桥梁梁板底面巡查系统，其特征在于，所述无人机地面站具体包括：数据链路收发设备、图像显示设备、全球定位系统接收器以及无人机控制设备；其中，数据链路收发设备与无人机端的数据链路设备进行信息传递，接收来自无人机的图像信息，并将图像信息发送至图像显示设备进行显示和检查；全球定位系统接收器接收无人机提供的GPS综合定位信息,该设备遵循标准NMEA协议，提供定位精度误差不大于10厘米；无人机控制设备用于控制无人机的起飞及回收。
3.根据权利要求1所述的基于无人机自动化扫描的桥梁梁板底面巡查系统，其特征在于：所述局部定位基站型号采用GL-200-V1；所述局部定位基站固定在桥梁两侧不同位置，局部定位基站个数不少于3个，并且确保同一侧的局部定位基站之间的间距不小于5米、不大于60米。
4.根据权利要求1所述的基于无人机自动化扫描的桥梁梁板底面巡查系统，其特征在于：所述综合定位设备初始化获得局部定位基站的全局坐标，接收并处理来自局部定位基站的定位信息，最终将定位信息传送至地面站；该设备包括：
无线接收器：通过无线信号接收来自局部定位基站提供的待测目标的局部定位信息，将该定位信息传送至解算模块进行处理；
解算模块：接收来自无线接收器发送来的局部定位信息，综合各个局部定位基站提供的局部定位信息，解算模块通过局部定位基站的绝对位置以及综合定位设备与局部定位基站的相对位置，解算出综合定位设备稳定精确的全局定位信息，并将其传送至发送模块；
发送模块：接收来自解算模块的全局GPS信息，通过无人机的数据链路终端将其发送至地面站的数据链路接收设备。
5.根据权利要求1所述的基于无人机自动化扫描的桥梁梁板底面巡查系统，其特征在于：所述无人机及稳定云台包括：多旋翼无人机和三轴增稳云台；其中，所述多旋翼无人机在无人机地面站的控制下，规划电子围栏和期望的信息采集点，自主完成桥梁梁板底面信息采集；所述三轴增稳云台为信息采集设备、综合定位设备以及测距设备提供了稳定性强的载体平台。
6.根据权利要求5所述的基于无人机自动化扫描的桥梁梁板底面巡查系统，其特征在于：所述三轴增稳云台型号采用飞宇A2000。
7.根据权利要求1所述的基于无人机自动化扫描的桥梁梁板底面巡查系统，其特征在于：所述测距模块采用激光测距，用于精确测量无人机到桥梁梁板底面高度，协助无人机进行等高飞行。
8.根据权利要求1所述的基于无人机自动化扫描的桥梁梁板底面巡查系统，其特征在于，所述信息采集设备包括高清晰度可遥控的图像采集设备，安装在稳定云台上。
9.根据权利要求1所述的基于无人机自动化扫描的桥梁梁板底面巡查系统，其特征在于：病害特征报表记载桥梁梁板底面病害信息，包括检查病害位置、病害类型、病害等级以及紧急程度。
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