无人机高速公路桥梁检测

l明尼苏达州交通部示范项目

2015 年 7 月，明尼苏达州交通部公布了使用无人机进行桥梁检查的示范项目结果。该报告 《无人机桥梁 检查示范项目》指出：“应考虑在常规检查中使用无人机辅助桥梁检查，通过获取信息和细节来提高检查质量，而这些信息和细节可能没有昂贵的访问方法就无法轻易获得。在可以提高检查人员和旅行公众安全性的地方，也应考虑使用无人机。”

明尼苏达州圣路易斯县桥梁检查团队负责人 Christopher Grahek 首次使用无人机作为辅助工具进行桥梁检查。

通过将无人机定位在距离组件 6 英尺（1.8 米）的位置并利用两倍数码变焦来实现的。视觉图像非常清晰和身临其境，它为检查员提供了相当于 18 英尺（5.5 米）、1080 像素高清电视屏幕的相对图像大小。该技术有可能使检查员能够轻松地目视检查桥梁组件，并且精度足以看到现场的细微裂缝。它提供这些好处而无需使用标准检查技术，例如使用梯子、攀爬设备或桥梁检查车（窥探器），这些技术可能成本高昂且具有潜在危险。

桥梁检查需要无人机

在购买无人机进行桥梁检查测试之前，联邦公路管理局明尼苏达州分部确定了以下成本和能力的必要标准。

l基本成本约 1,000 美元

l最 低 1080p 视频录制

l最 低 600 万像素照片

l相机倾斜以向上观察

l无 GPS 的飞行能力·

l现货供应

l防撞功能有益但不是必需的（此价位的可用性有限）

无人机选择和测试

首先，明尼苏达分部的工作人员研究并确定了一些满足他们大部分演示需求的无人机。在分析了规格后，分部团队选择了一架进行测试。目前市场上有几架具有类似功能的无人机，但审查多架无人机并不是这个项目的一部分。随着技术的不断进步，将会有更多无人机可供评估使用。然而，本文的基础适用于许多不同类型的无人机和制造商。

这张桥墩上方梁端横隔板的高清照片是由无人机拍摄的。

选定的无人机具有以下技术规格：

l4K 视频（高清显示分辨率约为 4,000 像素），每秒 30 帧

l1200 万像素静态照片

l摄像头可倾斜至水平方向以上 30 度（+30 度）

l两种无GPS飞行模式

l可在主要在线零售商和大型商店购买

l前方防撞和向下感应

在组装好无人机和部件后，明尼苏达州团队在该州的两座桥梁上测试了无人机，一座位于圣路易斯县，另一座位于华盛顿县。测试非常简单，目的是验证检查员是否可以在没有 GPS 辅助的情况下在桥面下操作休闲无人机，并获得桥梁部件的高质量视频和照片。由于该项目专注于位于大都市区以外的 LPA，因此明尼苏达州团队在该州的农村地区测试了桥梁。

在项目期间，该团队确定了与县和使用无人机进行常规桥梁检查有关的几个主要问题。

l桥梁工作人员能否根据 FAA 第 107 部分规则操作和驾驶无人机并执行基本检查任务？在桥梁检查中使用无人机时要考虑的主要操作项目是在 G 类空域内操作，最 大高度不得超过地面以上 400 英尺（122 米），并且不得在交通或人群上空进行无人机操作。

在做好良好的飞行前准备的情况下，由拥有遥控飞行员认证的无人机操作员组成的桥梁检查队可以根据第 107 部分的要求进行检查。

l无人机在桥面下没有 GPS 能有效运行吗？ 可以。使用的无人机共有三种飞行模式，其中两种可以在没有 GPS 的情况下使用。

l摄像机拍摄的图像是否足以记录桥梁组件的状况？ 是的。借助拍摄 4K 视频和 12 兆像素静态照片的能力，桥梁检查员可以获取组件的高分辨率记录。

l无人机摄像机的倾斜范围 +30 度是否足以补充对桥梁组件底部的目视检查？ 是的。摄像机倾斜 +30 度足以从下方对桥梁组件进行良好的视觉补充。

总体而言，初步测试表明，价值约 1,000 美元的无人机（全套系统价值 2,300 美元）确实满足了补充常规桥梁检查实践的基本需求。

n启示：FPV 护目镜

如上所述，在对用于桥梁检查的消费级无人机进行初步测试并取得积极结果后，明尼苏达州分部办公室注意到无人机制造商已经发布了一副高清 FPV 护目镜，该护目镜可以无线连接到兼容设备（包括无人机）。明尼苏达州团队同意这项新技术可以彻底改变和改善无人机在桥梁检查中的使用。该团队决定提交第二份 T2 资金申请，以购买护目镜进行测试。联邦公路管理局现场服务总监批准了第二份资金申请。购买 FPV 护目镜是无人机用于补充常规桥梁检查的下一步发展。

无人机上的+30 度摄像头可以清晰地看到甲板底部的景象

这款 FPV 眼镜售价 450 美元，可无线连接到无人机的摄像头，接收 1080 像素、每秒 30 帧的高清视频。视频显示在两个独立的显示器上，分辨率为 1920 x 1080 像素，传输速度为 110 毫秒。

当桥梁检查员使用联网的无人机和护目镜时，制造商称其视觉效果相当于距离约 9 英尺（3 米）的 18 英尺（5.5 米）高清大屏幕电视。护目镜可与高达两倍的数字变焦相结合，使图像相当于站在距离被检查物体 3 英尺（0.9 米）的近距离。

除了高清和沉浸式图像外，护目镜还能让检查员控制摄像机的移动。护目镜可以操作无人机摄像机的俯仰和偏航：上下俯仰 90 度至水平上方 30 度，左右偏航 30 度。通过无人机摄像机的这种无缝操作，检查员可以非常轻松地查看感兴趣的物品。

无人机和 FPV 护目镜是可交互的。护目镜可设置为控制摄像头万向架，从而方便护目镜移动以改变摄像头角度。摄像头万向架是一种设备，它使摄像头能够向任何方向自由旋转或将其悬挂起来，以便在支架倾斜时保持水平。检查员只需转动头部即可轻松调整摄像头视图。例如，当检查员向左看时，无人机的摄像头会随之旋转。然后，当检查员向右看时，摄像头万向架也会跟随。无人机是静止的，但视图会通过护目镜的万向架控制和检查员的头部运动而改变。

当明尼苏达州团队开始测试无人机和护目镜时，他们发现图像非常清晰，第 一人称视角令人难以置信。

联邦公路管理局建筑管理团队负责人 Connie Yew 首次试戴 FPV 护目镜，并观看了检查视频。该视频是在 3 英尺（1 米）的等效视觉距离处拍摄的。她对高清图像的反应不言而喻。她解释说，这种体验非常身临其境，以至于她伸出手臂说：“我觉得我可以伸手触摸光束。”

联邦公路管理局明尼苏达分部的桥梁工程师蒂姆·安德森 (Tim Anderson) 同意 Yew 的观点。他说：“在例行桥梁检查期间，检查员使用无人机的护目镜获得的视觉图像将改变整个格局。”

无人机的高清摄像头与护目镜中的高清显示器相结合，可提供身临其境且清晰的实时图像，使检查员能够识别缺陷，甚至是细微裂纹。

传播信息

在证明 FPV 护目镜与无人机搭配使用时，可以帮助桥梁检查员补充桥梁检查后，明尼苏达州分部启动了一项演示和推广计划。该计划始于与县工程师和桥梁检查人员的一些区域会议。2017 年，分部工作人员在 10 次会议上进行了演示和展示，覆盖了明尼苏达州 87 个县中的约三分之一。这促使他们受邀在 2018 年 1 月的明尼苏达州县工程师协会冬季会议上介绍该主题，在会上，来自该州所有县的 150 多人参加了演示。这些推广工作的结果是，四个县将把无人机与 FPV 护目镜结合使用，作为其 2018 年例行桥梁检查的一部分。

许多人认为 FPV 护目镜只是玩具，但可以轻松连接到消费级无人机，为桥梁检查员打造出一款出色的工具。无人机的可用性、成本效益（约 2,800 美元或更低）和高清质量，加上视频源与护目镜高清显示器的无缝连接，使得该系统可以轻松添加到任何桥梁检查员的工具箱中。

明尼苏达州交通部州援助桥梁工程师 Dave Conkel 表示：“无人机和 FPV 护目镜的简单性和高清功能使这些工具对任何桥梁检查人员（无论规模大小）都非常有用，可以补充桥梁检查实践。”联邦公路管理局明尼苏达分部的现场操作团队负责人 Bill Lohr 对此表示赞同，并补充道：“我们绝 对认为 FPV 护目镜是无人机使用演变的下一步。”