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  • 首战告捷,无人机在美国交通中的应用前景广阔

    2021-08-03 09:35:15 来源:ITS114 作者:ITS114 评论:
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    美国各州交通部 (DOT) 在越来越多的工作中广泛应用无人机系统,桥梁检测便是一个关键案例。美国有大约60万座桥梁,其中43%的桥梁已建成超过50年,对于这些老化的桥梁,使用无人机进行检测可能比与传统方法更简单且成本更低。目前无人机技术仍处在一个高速发展的阶段,有朝一日可能会破茧而出,能自动调整飞行轨迹进行飞行、检测。从2013 年开始,密歇根州交通厅 (MDOT) 与密歇根理工大学 (MTU) 合作,通过三个阶段的实验开发了无人机交通应用功能。第一阶段的实验只是涉及了无人机的不同配置,并于2015 年结束。密歇根州交通厅运营和维护工程师斯蒂芬·库克说,“我们想知道将新的飞行平台和传感技术的结合能否为日常数据收集创造新的潜力。”

    库克回忆,在2015年后,无人机的电池寿命、有效载荷和联邦航空管理局 (FAA)的要求正在发生根本变化。在了解了平台和传感器的运作原理后,二阶段的实验应从摄影测量、红外线和激光雷达三个方面去收集数据。无人机可以进入人力难以到达的桥梁结构进行拍摄检测,相较之下,使用桥梁检测卡车进行检测,则成本昂贵又相对危险。

    MTU首席研究员科林·布鲁克斯表示,“根据无人机拍摄的图像数据,我们可以创建一个 3D 桥梁模型,然后利用它来查找桥梁结构问题的原因和具体位置。图像数据还可以用来创建3D模型,进行维修施工监控,而这仅仅需要一台价值3000美元的摄影机,而不是一台价值 5万美元的激光雷达装置。”

    他强调,红外成像可以揭示物体内部的结构缺陷。因为桥梁内部混凝土脱层会形成空气间隙,使得桥面区域在红外线照射下会迅速升温。无人机收集桥梁的热成像数据与MDOT桥梁检查员使用传统的敲击声音检测的方法进行对比,无人机则会发现热异常的位置更加精准。

    数据的挑战

    激光雷达装置可以发出数百万个光子撞击物体表面并创造出数据点云模型,数据点云模型可以直观的展示物体表面的高程。而无人机可以捕获比车载激光雷达更广区域的数据以用于更全面地设计调查模型。库克介绍,在一个出口匝道的重建实验中,激光雷达提供了高分辨率数据模型直观地展示了不同位置的高程以及需要移动和放置渣土的位置。所以了解无人机收集、存储和处理日常工作数据的模式是非常重要的。

    实验的第三阶段旨在整合无人机系统的数据和相关软件,嵌入相关工作流程。一部无人机一天可以收集 50GB 的图像数据,而实际上用于指导决策和展示桥梁结构隐患的数据可能只有5MB,接下来的挑战就在于数据的筛选。

    视野之外

    布鲁克斯有一个密州拉普莱森斯河大桥的模型,因为联邦航空管理局禁止超出可见视线 (BVLOS) 的检测,所以我们无法使用无人机探测桥梁结构存在空隙的具体位置。但在2020 年,北卡罗来纳州交通厅(NCDOT)首次申请获得联邦航空管理局豁免,允许使用无人机进行桥梁检查。项目负责人本·西班牙说:“我们可以站在桥上,在没有监察的情况下驾驶无人机对桥梁下方进行检测。因为驾驶员控制无人机在靠近桥梁的地方飞行,将飞行路径通常控制在道路水平面或以下的位置,所以不会有撞到客机的风险。”2021 年 2 月,北卡罗来纳州交通部门在巴斯奈特大桥上首次使用无人机进行了桥梁检测。 
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    无人机携带镜头可以轻易捕捉到桥梁支撑柱顶部的混凝土结构状况,如果应用传统检测方法则既费力又昂贵。传统的检测方法是使用桥梁检测卡车,利用机械臂将转载在桶里的检测人员托举到支撑柱顶部的位置。值得注意的是,无人机还飞入了 80 根大桥立柱之一的内部,这意味着工程人员突破了空间限制。在桥上戴着第一人称智能眼镜,就可以看到无人机拍摄到的视角。

    无人机在密闭的空间内就可以自由飞行,将拍摄的4K 视频传送给检查员。目前,无人机仅限于收集视频并标记潜在问题以供仔细检查。本·西班牙介绍到,仅靠无人机系统无法满足严格的法律检查要求,联邦公路管理局的规定桥梁检测中必须人为近距离的接触进行检测。目前无人机虽然还没有搭载锤子敲击桥梁的检测功能,但发展近距离接触检测功能的潜力巨大,这也赋予无人机检测多样化的优势。无人机检测具有以下优势:首先是保障检测人员的人身安全,第二无人机交通不受空间限制,减少了时间成本;第三是数据采集快速高效,最后是优化了成本。 据密歇根州交通部统计,传统公路桥梁的检查成本为 4600 美元,无人机则只需要 1000 美元,而每年需要检测的桥梁大约有11000座。

    更智能的平台

    更智能的无人机平台正在迅速发展。现在,密歇根州交通部和北卡罗来纳州交通部门均采用 Skydio 2 版本的无人机,该版本提升了无人机检测和躲避障碍物的能力。Skydio的顶部和底部分别搭载了三个鱼眼 4K 摄像机,用于观察和感知周围的环境。本·西班牙表示,以前的无人机在感觉到障碍物时就会停下来。但是 Skydio可以自动识别分析别围绕这障碍物继续前进,这使近距离桥梁检查成为可能。本·西班牙说,“桥梁检测环境容易受风力的影响,两年前,我们从没想过可以利用无人机来检测桥梁。”

    “人工智能引擎技术的突破使得无人机能够看到、理解、预测和行动。它通过光学相机将计算机视觉与神经网络算法相结合,并通过其周围环境创建即时的3D模型来了解物体的位置和距离”,Skydio 首席营销官 Alberto Farronato 解释道。这使无人机可以自行规避障碍物,然后恢复原定飞行路线。现在,无人机可以应用在通信、建造、国防和执法等领域。它可以锁定跟踪对象,如汽车,在空间中跟踪并预测它的动向。未来,无人机可能会在无人监督的情况下覆盖在城市道路上以收集交通数据。

    布鲁克斯预测,“在未来,我设想无人机会根据需要自行飞出执行任务,驾驶员只需要在办公室远程输入任务参数即可。理论上,机载智能将会自行创建飞行路径以捕获整个桥梁并带回数据。”

    Skydio正在开发Skydio 2 Dock,一个用于常规操作的无人机盒装充电站。 Farronato 说:“无人机能够按预定时间间隔弹出并执行任务将产生显着的效率。尽管效率很高,但有些人可能认为这些场景有些反乌托邦。民众远没有准备好接受无人机应用场景,在人们接受这种场景之前,我们只能节制无人机自动化的进程。”

    与此同时,随着各州交通部门继续展示无人机的使用案例和公共利益,法规可能会发生变化。事实上,维吉尼亚交通部门(VDOT)已经使用无人机来提升交通:社交媒体上一张倾覆拖车的航拍照片就可以让人们了解到车道关闭的原因,以及交通部门处理事故的进程。麦吉说:“当我们部署了一个有分流需要的立体交叉道时,航拍照片加上模拟操作,确实提高了人们在通行之前的体验。”在这些故事中,无人机显然是他们的朋友。(文/Jack Roper   译/ 卓群  原文/TTI-Traffic Technology international,本文原刊载于《智慧交通》杂志2021年5-6双月刊

  • 关键字: 无人机
  •    责任编辑:zhuoqun
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