无人机在废弃隧道检查应用

l 背景

这条古老的莱萨马隧道长 450 米，由石头雕刻而成，位于毕尔巴鄂北侧。它是连接巴斯克首府和莱萨马镇的一条已停用的铁路线的一部分，穿过美丽的山丘，山丘上覆盖着森林和绿色草地。自 1970 年代以来，这条隧道一直停用，现在部分被洪水淹没，并有几处坍塌，因此进入隧道非常危险。

确实有必要对其进行检查和数字化，因为地区政府已经批准了一项恢复旧线并将其改造成行人和自行车绿色通道的计划，以再次连接两座城市。

数字化过程有两个主要目标：

1. 评估隧道整体状况：裂缝、塌陷和地质不连续性，由地质学家执行。

2. 制作一个 3D 模型来估计整个修复的横截面和混凝土体积。

l 问题

尽管几年前有一群勇敢的洞穴学家曾试图穿越这条隧道，但遇到了从天花板上掉下来的岩石和大面积坍塌的情况，派人去扫描隧道是不可能的。

其他无人检查中使用的传统地面机器人缺乏穿越深水和越过高达 2 米的障碍物的能力，因此空中机器人（无人机）成为唯 一的替代方案。

然而，无人机并不是一个可行的选择，因为由于距离太远以及岩石堆积，沿途会出现多处阴影区，从而导致无线电连接中断。

因此，自主无人机是唯 一能够确保安全、完整地绘制隧道地图的解决方案。

l 解决方案

当地实体比斯开省议会 ( Diputación Foral de Bizkaia ) 决定使用 Hovering Solution 的自主空中机器人，该机器人是全球三家在 GPS 受限区域提供自主无人机功能的公司之一。

使用自主无人机进行此类检查的优势在于，它们可以在没有飞行员、与任何设备进行外部通信以及在没有 GPS信号或环境光的情况下执行任务。也就是说，自主能力嵌入在飞机本身中，它能够解决飞行路径上的洪水区域、障碍物和不规则情况，从而提供竞争优势。

主要的技术难点在于需要取代卫星提供的宝贵信息，传统无人机可以利用这些信息随时高精度地确定位置和速度。

相比之下，Hovering Solution 的技术已经开发出专有的硬件和软件。它依赖于多个机载传感器，如激光雷达[1]、超声波、红外、图像和惯性单元 (IMU [2] )，这些传感器具有冗余性和热校准性。高速处理器能够实时读取和关联所有信息，并提供速度和位置的估计值；也就是说，无人机的位置和移动速度。矿物和金属产生的磁场代表着额外的挑战，不允许使用电子罗盘，否则在户外飞行中很有用。

飞行过程中无需任何地图或基础设施知识。机器人在飞行过程中会生成地图，用于导航，也是飞行后交付给客户的 3D 模型的基础。

该飞机可执行两种类型的任务：单程和往返。单程飞行效率更高，因为整个电池寿命都用于捕获数据，但需要两个接入点来发射和回收设备。往返飞行适合只有一个入口开放的任务，或者需要覆盖非常长的距离，从两侧进入，飞到中心，然后返回。在莱萨马使用的飞机续航时间为 29 分钟，足以在一次飞行中数字化几公里的范围。

Hovering Solutions 还拥有一个更大的版本，其航程为 7 公里，据称创造了地下飞行的世界纪录，该版本于 2022 年 4 月与 Iberdrola 一起在法国斯特拉斯堡举行的 Hydro 2022 大会上亮相[3]。另一方面，Hovering Solutions 也在研发该机器人的较小版本，旨在在小直径管道中飞行。这款紧凑型无人机的转子间距仅为 22 厘米，到 2023 年下半年将准备好沿着 80-120 厘米的管道飞行。

l 结果

其结果超出了替代方案的预期，它应该被标记为数字化工具而不是检查方法。它包括：

Ø 地理参考彩色点云：它们以绝 对坐标提供三维数据。数百万个点中的每一个都有纬度、经度和海拔单位，与激光站收集的其他地形数据类似。此类信息与估计横截面、体积、变形和流体动力学计算相关。

Ø 高分辨率全景图像：同样带有地理参考，可提供点云中无法获得的关键信息，可用于评估表面状况、进行地质研究或识别混凝土或钢材的损坏情况。图像既简单又全景（180º），后者更适合在可视化工具中进行沉浸式检查，类似于在 Google 街景中穿过隧道。

数据格式是标准的，可以使用测量员和工程师通常使用的标准点云软件导出和访问。图像也具有标准格式，可以在任何笔记本电脑或平板电脑上查看。

Hovering Solutions 还提供了一个在线可视化平台，可显示图像和点云以及它们在地图上的绝 对位置。此工具可通过任何设备或操作系统访问，是可视化数据的最灵活方式，无需使用特定软件打开笨重的点云文件（通常有数百 MB）。

Lezama 隧道扫描结果显示，3400 万个彩色点云连同每米拍摄的 590 张全景图像一起被传送到比斯开省议会。整个 3D 模型使人们能够了解隧道每平方厘米的状况，并获得隧道的几何模型，这在修复项目中发挥了关键作用。