無人機高速公路橋梁檢測

l明尼蘇達州交通部示范項目

2015 年 7 月，明尼蘇達州交通部公布了使用無人機進行橋梁檢查的示范項目結果。該報告 《無人機橋梁 檢查示范項目》指出：“應考慮在常規(guī)檢查中使用無人機輔助橋梁檢查，通過獲取信息和細節(jié)來提高檢查質量，而這些信息和細節(jié)可能沒有昂貴的訪問方法就無法輕易獲得。在可以提高檢查人員和旅行公眾安全性的地方，也應考慮使用無人機?！?/span>

明尼蘇達州圣路易斯縣橋梁檢查團隊負責人 Christopher Grahek 首次使用無人機作為輔助工具進行橋梁檢查。

通過將無人機定位在距離組件 6 英尺（1.8 米）的位置并利用兩倍數(shù)碼變焦來實現(xiàn)的。視覺圖像非常清晰和身臨其境，它為檢查員提供了相當于 18 英尺（5.5 米）、1080 像素高清電視屏幕的相對圖像大小。該技術有可能使檢查員能夠輕松地目視檢查橋梁組件，并且精度足以看到現(xiàn)場的細微裂縫。它提供這些好處而無需使用標準檢查技術，例如使用梯子、攀爬設備或橋梁檢查車（窺探器），這些技術可能成本高昂且具有潛在危險。

橋梁檢查需要無人機

在購買無人機進行橋梁檢查測試之前，聯(lián)邦公路管理局明尼蘇達州分部確定了以下成本和能力的必要標準。

l基本成本約 1,000 美元

l最 低 1080p 視頻錄制

l最 低 600 萬像素照片

l相機傾斜以向上觀察

l無 GPS 的飛行能力·

l現(xiàn)貨供應

l防撞功能有益但不是必需的（此價位的可用性有限）

無人機選擇和測試

首先，明尼蘇達分部的工作人員研究并確定了一些滿足他們大部分演示需求的無人機。在分析了規(guī)格后，分部團隊選擇了一架進行測試。目前市場上有幾架具有類似功能的無人機，但審查多架無人機并不是這個項目的一部分。隨著技術的不斷進步，將會有更多無人機可供評估使用。然而，本文的基礎適用于許多不同類型的無人機和制造商。

這張橋墩上方梁端橫隔板的高清照片是由無人機拍攝的。

選定的無人機具有以下技術規(guī)格：

l4K 視頻（高清顯示分辨率約為 4,000 像素），每秒 30 幀

l1200 萬像素靜態(tài)照片

l攝像頭可傾斜至水平方向以上 30 度（+30 度）

l兩種無GPS飛行模式

l可在主要在線零售商和大型商店購買

l前方防撞和向下感應

在組裝好無人機和部件后，明尼蘇達州團隊在該州的兩座橋梁上測試了無人機，一座位于圣路易斯縣，另一座位于華盛頓縣。測試非常簡單，目的是驗證檢查員是否可以在沒有 GPS 輔助的情況下在橋面下操作休閑無人機，并獲得橋梁部件的高質量視頻和照片。由于該項目專注于位于大都市區(qū)以外的 LPA，因此明尼蘇達州團隊在該州的農(nóng)村地區(qū)測試了橋梁。

在項目期間，該團隊確定了與縣和使用無人機進行常規(guī)橋梁檢查有關的幾個主要問題。

l橋梁工作人員能否根據(jù) FAA 第 107 部分規(guī)則操作和駕駛無人機并執(zhí)行基本檢查任務？在橋梁檢查中使用無人機時要考慮的主要操作項目是在 G 類空域內(nèi)操作，最 大高度不得超過地面以上 400 英尺（122 米），并且不得在交通或人群上空進行無人機操作。

在做好良好的飛行前準備的情況下，由擁有遙控飛行員認證的無人機操作員組成的橋梁檢查隊可以根據(jù)第 107 部分的要求進行檢查。

l無人機在橋面下沒有 GPS 能有效運行嗎？ 可以。使用的無人機共有三種飛行模式，其中兩種可以在沒有 GPS 的情況下使用。

l攝像機拍攝的圖像是否足以記錄橋梁組件的狀況？ 是的。借助拍攝 4K 視頻和 12 兆像素靜態(tài)照片的能力，橋梁檢查員可以獲取組件的高分辨率記錄。

l無人機攝像機的傾斜范圍 +30 度是否足以補充對橋梁組件底部的目視檢查？ 是的。攝像機傾斜 +30 度足以從下方對橋梁組件進行良好的視覺補充。

總體而言，初步測試表明，價值約 1,000 美元的無人機（全套系統(tǒng)價值 2,300 美元）確實滿足了補充常規(guī)橋梁檢查實踐的基本需求。

n啟示：FPV 護目鏡

如上所述，在對用于橋梁檢查的消費級無人機進行初步測試并取得積極結果后，明尼蘇達州分部辦公室注意到無人機制造商已經(jīng)發(fā)布了一副高清 FPV 護目鏡，該護目鏡可以無線連接到兼容設備（包括無人機）。明尼蘇達州團隊同意這項新技術可以徹底改變和改善無人機在橋梁檢查中的使用。該團隊決定提交第二份 T2 資金申請，以購買護目鏡進行測試。聯(lián)邦公路管理局現(xiàn)場服務總監(jiān)批準了第二份資金申請。購買 FPV 護目鏡是無人機用于補充常規(guī)橋梁檢查的下一步發(fā)展。

無人機上的+30 度攝像頭可以清晰地看到甲板底部的景象

這款 FPV 眼鏡售價 450 美元，可無線連接到無人機的攝像頭，接收 1080 像素、每秒 30 幀的高清視頻。視頻顯示在兩個獨立的顯示器上，分辨率為 1920 x 1080 像素，傳輸速度為 110 毫秒。

當橋梁檢查員使用聯(lián)網(wǎng)的無人機和護目鏡時，制造商稱其視覺效果相當于距離約 9 英尺（3 米）的 18 英尺（5.5 米）高清大屏幕電視。護目鏡可與高達兩倍的數(shù)字變焦相結合，使圖像相當于站在距離被檢查物體 3 英尺（0.9 米）的近距離。

除了高清和沉浸式圖像外，護目鏡還能讓檢查員控制攝像機的移動。護目鏡可以操作無人機攝像機的俯仰和偏航：上下俯仰 90 度至水平上方 30 度，左右偏航 30 度。通過無人機攝像機的這種無縫操作，檢查員可以非常輕松地查看感興趣的物品。

無人機和 FPV 護目鏡是可交互的。護目鏡可設置為控制攝像頭萬向架，從而方便護目鏡移動以改變攝像頭角度。攝像頭萬向架是一種設備，它使攝像頭能夠向任何方向自由旋轉或將其懸掛起來，以便在支架傾斜時保持水平。檢查員只需轉動頭部即可輕松調(diào)整攝像頭視圖。例如，當檢查員向左看時，無人機的攝像頭會隨之旋轉。然后，當檢查員向右看時，攝像頭萬向架也會跟隨。無人機是靜止的，但視圖會通過護目鏡的萬向架控制和檢查員的頭部運動而改變。

當明尼蘇達州團隊開始測試無人機和護目鏡時，他們發(fā)現(xiàn)圖像非常清晰，第 一人稱視角令人難以置信。

聯(lián)邦公路管理局建筑管理團隊負責人 Connie Yew 首次試戴 FPV 護目鏡，并觀看了檢查視頻。該視頻是在 3 英尺（1 米）的等效視覺距離處拍攝的。她對高清圖像的反應不言而喻。她解釋說，這種體驗非常身臨其境，以至于她伸出手臂說：“我覺得我可以伸手觸摸光束?！?/span>

聯(lián)邦公路管理局明尼蘇達分部的橋梁工程師蒂姆·安德森 (Tim Anderson) 同意 Yew 的觀點。他說：“在例行橋梁檢查期間，檢查員使用無人機的護目鏡獲得的視覺圖像將改變整個格局?！?/span>

無人機的高清攝像頭與護目鏡中的高清顯示器相結合，可提供身臨其境且清晰的實時圖像，使檢查員能夠識別缺陷，甚至是細微裂紋。

傳播信息

在證明 FPV 護目鏡與無人機搭配使用時，可以幫助橋梁檢查員補充橋梁檢查后，明尼蘇達州分部啟動了一項演示和推廣計劃。該計劃始于與縣工程師和橋梁檢查人員的一些區(qū)域會議。2017 年，分部工作人員在 10 次會議上進行了演示和展示，覆蓋了明尼蘇達州 87 個縣中的約三分之一。這促使他們受邀在 2018 年 1 月的明尼蘇達州縣工程師協(xié)會冬季會議上介紹該主題，在會上，來自該州所有縣的 150 多人參加了演示。這些推廣工作的結果是，四個縣將把無人機與 FPV 護目鏡結合使用，作為其 2018 年例行橋梁檢查的一部分。

許多人認為 FPV 護目鏡只是玩具，但可以輕松連接到消費級無人機，為橋梁檢查員打造出一款出色的工具。無人機的可用性、成本效益（約 2,800 美元或更低）和高清質量，加上視頻源與護目鏡高清顯示器的無縫連接，使得該系統(tǒng)可以輕松添加到任何橋梁檢查員的工具箱中。

明尼蘇達州交通部州援助橋梁工程師 Dave Conkel 表示：“無人機和 FPV 護目鏡的簡單性和高清功能使這些工具對任何橋梁檢查人員（無論規(guī)模大?。┒挤浅Ｓ杏?，可以補充橋梁檢查實踐?！甭?lián)邦公路管理局明尼蘇達分部的現(xiàn)場操作團隊負責人 Bill Lohr 對此表示贊同，并補充道：“我們絕 對認為 FPV 護目鏡是無人機使用演變的下一步。”