В недавней публикации в журнале Nature Communications описывается использование камер на парящих дронах для обнаружения субмиллиметровых смещений пролетов мостов.
Старение гражданской инфраструктуры является проблемой для общества. Возрастная деградация и выход из строя мостов, туннелей и дорог имеют серьезные социальные и экономические последствия. Чтобы смягчить эти риски и обеспечить бесперебойное обслуживание, срочно необходимы экономически эффективные и неразрушающие методы мониторинга.
Измерение вертикального отклонения мостов, вызванного ветром или транспортной нагрузкой, является важным компонентом оценки структурной целостности. Существующие процедуры часто полагаются на устанавливаемые устройства, такие как акселерометры или лазерные датчики. Но эти решения имеют связанные с установкой, трудозатратами и ограничениями по расположению: на мостах есть определенные труднодоступные места, где невозможно установить такие датчики. Чтобы преодолеть это ограничение, в последнее время большой интерес вызывают методы измерения смещения на основе изображений. Несмотря на многообещающую производительность, они также ограничены ограничениями по расположению камеры, особенно когда мост проходит над водоемами.
Теперь группа исследователей из Национального института передовых промышленных наук и технологий в Цукубе, Япония, разработала систему контроля и продемонстрировала ее субмиллиметровую точность смещения с помощью методов, основанных на зрении, на уровне, подходящем для мониторинга гражданской инфраструктуры. Чтобы добиться этого, Шиен Ри и его коллеги использовали эффект муара. Глядя через две перекрывающиеся слегка смещенные и частично прозрачные решетки, например, два куска тюля или заборы по обе стороны дороги, ваш глаз может заметить темные участки на полупрозрачной поверхности. Это эффект муара. Муаровая бахрома может быть нежелательна. Например, это снижает качество печати или изображения. Однако в метрологии эффект муара может оказаться полезным. Например, в одном подходе, известном как метод дискретизации муара 1 , высококонтрастное изображение, созданное за счет небольшого смещения между перекрывающимися узорами, обеспечивает более высокую точность измерения смещения.
Чтобы использовать этот метод для мониторинга моста, исследователи использовали камеру, установленную на дроне. Этот трюк позволяет избежать ограничений позиционирования: дрон может летать практически где угодно. Другой важной частью настройки мониторинга было размещение маркеров по краям и в середине моста, см. рис. 1 . Измерив относительное смещение маркеров и используя перекрывающиеся фазовые портреты маркеров с помощью муарового метода, исследователи смогли измерить малейшую разницу в расположении (то есть смещении), достигнув желаемой субмиллиметровой точности.
Mk-A, -B и -C — маркеры позиционирования, их структура показана на вставке. БПЛА – это беспилотный летательный аппарат. P — размер шага. Адаптировано из Nature Communications
Выбор дронов ставит еще одну задачу. Поскольку дрон должен продолжать двигаться во время съемки, это неизбежно приводит к размытию изображения, влияющему на стабильность изображения. Чтобы отличить движение дрона от движения моста, исследователи черпали вдохновение из структуры вестибулярных датчиков. Зная фактическое положение дрона, исследователи применили стратегию компенсации активной балансировки, чтобы оценить и компенсировать размытость изображения.
Ри и его коллеги проверили эффективность своей техники путем измерения смещения на 110-метровом бетонном мосту через реку. Они доказали, что для такой сложной задачи достаточно стандартного дрона, а всю тяжелую работу выполняет алгоритм обработки видео. Исследователи протестировали производительность на разных расстояниях до моста и разной длине пролетов. Они признают, что размер шага маркеров ограничивает разрешение, поэтому выход за пределы 1/100 пикселя в их настройке невозможен. Они также ожидают, что тяжелые погодные условия снизят достижимую точность.
Тем не менее, с помощью этого метода мониторинг гражданской инфраструктуры может выполняться автономным летающим инспектором, что снижает затраты, риски и рабочую силу. Помимо проверки мостов, исследователи подчеркнули потенциальную ценность этой методологии для проверки предприятий тяжелой промышленности и строительных площадок, где мониторинг будет опасен для людей.
Оригинал статьи: Ри, С., Йе, Дж., Тояма, Н. и др. Измерение смещения инфраструктур с помощью дронов с использованием фазовой информации. Нат. Коммун. 15 , 395 (2024)