民用基础设施无人机检查的兴起

具有更高自主水平的无人机可以使土木工程检查更安全、更快、更准确，而且它们还支持随着时间的推移监测基础设施的变化。

具有更高自主水平的无人机(uav或“无人机”)的不断发展和生产可以减少人为错误，并协助进行更安全、更快和更准确的检查。由于它们能够执行重复检查，即使是在具有挑战性和动态的环境中，它们使随着时间的推移更容易监控基础设施的变化。这将有利于一些潜在的应用，如土木工程检查。

为了确保足够的检查输出，传统无人机任务需要由高技能的飞行员或操作员控制。这个专业人员应该知道检查员需要什么样的信息，并适应任何现场困难，如障碍，一天的时间和天气条件。无人机飞行任务完成后，对大量采集的图像进行处理。无论图像是用于视觉检查还是3D模型生成，这两种情况都需要强大的计算能力和经验。最近的发展是使用配备基于图像或基于激光雷达工具的传统无人机进行自动检查，这当然可以减少人为错误，并帮助进行更安全、更快、更准确的检查，生成在线可访问的数据。此外，无人机甚至可以在具有挑战性和动态的环境中执行重复检查，使得随着时间的推移更容易监控基础设施的变化。

无人机自主级别

人们认识到，自动化可以提高效率，而效率可以提高成功。自动化和自主性之间有很强的相关性。如图1所示，无人机的自主级别可以用与无人驾驶汽车的级别相似的方式定义国家公路交通安全管理局：

0级-无自主:手动飞行，由飞行员控制无人机从起飞到降落的所有飞行功能。今天，很少看到无人机没有一些自动化功能。

1级-低自主性:有些功能是自动执行的，例如自动稳定，尽管飞行员保持对任务的完全控制。

2级-部分自主:多个功能都是自主运行的，但飞行员可以完全控制任务。目前市场上提供的许多无人机都可以归入这一级别。它们使用各种惯性测量单元(imu)和全球导航卫星系统(GNSS)接收器。

3级—条件自治:多数飞行功能可以自主运行，如避碰，而飞行员只选择感兴趣的目标并监控飞行。然而，无人机在这一自主水平上没有决策能力。

4级-高度自治:飞行功能可以自主运行，但飞行员可以在必要时进行干预。这种自主级别的无人机具有使用人工智能(AI)识别和跟踪特征、避免障碍和规划最佳飞行路径的功能。一些开创性的无人机公司目前正在这个水平上188asia备用网址竞争。

5级-完全自治:这是没有飞行员干预的最高水平的自治。预计无人机将独立做出决定，并从它们所做的观察中学习。

综上所述，该技术目前处于3级至4级之间，仍需要相当程度的飞行员控制。小型化处理单元的发展通过增加平台上的数据处理能力，推动了更高的自动化程度。然而，无人机还没有达到5级自主，这与法规、交通条件、安全、安全和隐私等方面的许多讨论和担忧有关。

实现更自主检查的关键技术

近年来，在基于计算机视觉和人工智能的自主检测方面发表了大量的研究成果。这可以分为两个主要的研究方向:a)自主飞行计划的设计，b)自动数据提取。图2显示了推动该开发的技术因素，包括:

• 自动化的路径规划
• 避碰
• 同步定位和绘图(SLAM)
• 机载处理单元能够近乎实时地处理数据
• 深度学习的进步。

因此，在使用无人机进行自主检查时，该软件可以规划最优飞行，然后可以处理数据，识别特定目标物体(如风力涡轮机)的任何问题，并进一步建立这些物体的精确3D模型。

路径规划机器人领域的几种算法已被用于在复杂环境中规划飞行。他们计算最有效的方法来优化飞行计划考虑到一个特定的目标对象或一个目的地要达到。传统的飞行规划算法最近也得到了深度学习解决方案的补充。

避碰一些商用无人机已经采用了更可靠的避碰技术，使它们能够感知和避开静态和动态障碍物。目前，消费级的紧凑型激光雷达、超声波传感器都安装在船上完成这项任务。在一些解决方案中，使用SLAM在船上计算粗略的地图，利用单目、立体相机和激光雷达来探索和导航环境。

人工智能更具体地说，深度学习是快速发展的人工智能话题中的主力。它为卷积神经网络(CNN)的高级应用打开了大门，可以从2D图像或3D点云获得场景的语义理解。如今，许多深度学习算法被嵌入到无人机上，以执行避碰和目标跟踪(例如follow-me选项)。

无人机检查民用基础设施的好处

由于在过去两年中增加了具有更大自主权的无人机，基础设施检查作业取得了重大改进。一些公司甚至更进一步，部署了多架无人机，以减少现场数据收集的时间。通常，使用无人机进行检查可以缩短检查时间、提前评估损坏风险、可重复性和测量可靠性、自动定位潜在损坏以及增强态势感知。主要优点如下：188asia备用网址

• 时间:利用无人机进行检测可以有效地缩短传统检测时间。此外，由于有强大的基于人工智能的检测和识别功能，不需要目视检查被调查结构的损坏或潜在问题。
• 安全: 为了在复杂的环境中检查结构，检查人员经常需要进入一些难以攀登的地点。使用无人机可以帮助检查人员避免暴露在危险环境中，从而提高安全性。
• 成本在风力涡轮机螺旋桨的早期阶段检测和识别结构问题，如裂缝，肯定有助于操作人员避免裂缝扩大，因此从长远来看，可以节省大笔维修费用。随着无人机的使用，机器学习技术将能够在捕获的图像和3D空间中自动指示这类问题，从而减少有经验的人类检查员的工作量和费用。
• 可靠性：无人机检查减少了人为错误因素，提高了检查精度，减少了结构停机时间。此外，它们提供有关感兴趣对象的高质量和可访问的数据。通过半自主飞行计划，无人机可以接近结构体上的关键区域，并在保证全身覆盖的情况下捕获高分辨率图像。
• 可重复性:利用无人机可以反复进行相同的视察，以监测损坏情况随时间的蔓延情况，并编制结构健康和维修记录。因此，可比较的检测数据将支持结构整个生命周期的决策。
• 适应近年来，半自主无人机与传统无人机相比具有重要的优势，即利用先进的路径规划技术，能够智能地在静态复杂环境中飞行，并能适应不同目标的检测。

应用程序

根据美国国家公路与运输协会（AASHTO），基础设施检查是无人机应用的前五名。目前大多数自主无人机都依赖于摄像头传感器和4K视频，但一些新兴解决方案也依赖于激光雷达。各部门目前或打算使用自主无人机检查技术进行监控、检查和维修，包括：

• 石油和天然气:管道泄漏检测，工业储罐
• 工业:船舶和飞机制造
• 能源:风力涡轮机叶片，输电线路，水上基础设施
• 建筑业:检查起重机、塔架、桥梁、道路和铁路。

先进无人机在民用基础设施中的一些应用包括:

• 风力涡轮机的检查风力涡轮机的维护工作，包括所需的维修时间，每年花费很多。目前，世界上有几家公司正在利用先进188asia备用网址的无人机对风力涡轮机叶片进行检测，实时生成叶片的三维模型和缺陷点。数据在云平台上共享。
• 飞机的检查例纵观航空史，人为错误已造成几起飞机事故。因此，技术人员和检查员可能出现的错误——例如遗漏必要的检查或进行不可靠的测量——存在风险。传统的飞机检查是一项耗时且昂贵的程序，需要一群检查人员，其中一些检查人员必须被提升到飞机的上部区域。因此，一些公司将飞机运往成本较188asia备用网址低的地区，以减少检查费用，但这一做法的缺点是飞机停用时间较长。
• 工业储罐检验：如果储罐在未进行维护的情况下老化，最终将导致泄漏，这可能导致昂贵的维修或储罐坍塌。此外，储罐泄漏会造成严重的环境污染和工作场所损坏。因此，常规储罐检查对于识别和防止潜在的灾难性储罐缺陷非常重要。与传统的检查程序不同，无人机目前被不同的公司用于检查船舶的货舱和压载舱、油气舱、水和废水处理厂、发电厂、仓库等（见图3）。188asia备用网址

• 起重机检查:起重机的检查对建筑工地的工人安全至关重要，特别是在建造高层建筑时通常使用的塔式起重机的情况下。在一些国家，法律规定必须定期(每季度或每年)对操作机构、液压系统、挂钩和提升链进行频繁检查。通常，检查由检查员目视执行，所有的控制、机构、操作系统和制动器都要按照规定进行检查。这种常规检查显然是一个漫长的人工过程，存在一些安全问题。一些公司使用188asia备用网址无人机环绕起重机飞行，并在半小时内进行全面扫描，然后将捕获的图像数据上传到云端。这确保了检验员能够安全、快速、准确地完成工作。
• 塔检查：无人机检查可应用于不同类型的塔架，如单极、自支撑格架、拉线或屋顶塔架。在电信领域，蜂窝塔行业的业务在全球范围内持续增长，特别是随着5G网络技术的发展。然而，设计和建造的塔架组件之间的一些无意差异可能是开发公司的一个主要问题。不用说，塔的真实状况和维护状态的准确信息会对财务和运营产生一系列影响。无人机对塔架的检查非常有用，因为它可以应用于任何位置，并快速交付结果。所使用的无人机具有3级自主性，这意味着需要一名技能有限的飞行员在现场执行调查。然后将数据上传到云中，并在云中进行处理，以便与利益相关者共享。深度学习软件可用于自动分析，以收集关于每个塔组件的类型、位置和方向的信息，识别任何缺陷和腐蚀，以便将来维护。
• 桥梁检查:传统的桥梁检查通常使用一辆侦察车(图4)，这是一辆大型且昂贵的卡车，可以携带检查人员，但对他们的生命构成了严重的安全风险。这些传统的桥梁检查成本很高，如果由于桥梁上的车道关闭问题而出现中断，这些成本会显著增加。目前，许多公司和承包商使用无人机进行桥梁检查，因为无人机的操作成本188asia备用网址高达75%，不受交通水平的影响，而且更环保。

自主无人机检测面临的挑战

自主检查面临着几个挑战，包括:

• 天气风速大、雨大等恶劣天气条件仍然是无人机检查任务面临的挑战。此外，基于图像的检查任务在黑暗的地方或夜间很困难。
• 可访问性在偏远地区，缺乏互联网连接可能会限制基于云计算或快速数据流的服务的使用。此外，无线电干扰的存在会造成不安全的飞行条件。
• 重量:构建自主无人机需要各种机载硬件组件，如计算机主板、传感器和GNSS设备。因此，必须仔细设计无人机，并考虑有效载荷重量，以保持电池寿命和最大限度的飞行时间。
• 规定尽管规则一直在变化，但全自动无人机在世界上大多数国家仍然是非法的;必须有合格的飞行员在场。此外，如果计划一个合作的多无人机检查任务，每一架无人机应该有一名飞行员。2020年，无人机法规发生了一些积极的变化，几家全球无人机公司获得了认证。188asia备用网址该认证包括包裹递送和更复杂的操作，如延长视线(EVLOS)，超越视线(BVLOS)，这将推动新的解决方案的开发，并为世界各地的公司打开新的业务案例。188asia备用网址

自主无人机检测的未来

各种趋势正在塑造无人机自主检查的未来。其中一项发展将是使用无人机群执行检查任务，无人机将在飞行过程中进行动态协调以进行交互。此外，我们可以期望看到无人机性能的改善，无人机可以在GNSS拒绝的环境中自主导航。这将为工业领域带来新的机遇。新的商业机会还将来自探索技术的改进和自动化场景理解的发展，这是由车载或云中应用的深度学习技术推动的。另一个潜在的发展将是在自主检查中使用增强和虚拟现实。