民用基础设施无人机检查的增加

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。

无人机自主性水平

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–无自主性：手动飞行，由飞行员控制从起飞到着陆的所有无人机飞行功能。今天，很少看到无人机没有一些自动化功能。

1级–自主性低：一些功能是自主应用的，例如自主稳定，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- 有条件的自主权：大多数飞行功能可以自动运行，例如碰撞避免，而飞行员只选择感兴趣的对象并监视飞行。但是，无人机在这种自主水平上没有决策能力。

4级- 高自治：飞行功能自动运行，但试点可以在必要时进行干预。在这种自主水平的无人机中具有使用人工智能（AI）来识别和跟踪特征的功能，避免障碍并计划最佳的飞行路径。一些开创性的UAV公司目前正在竞争这一级188asia备用网址别。

5级- 完全自治：这是最高级别的自主权，没有导频干预。预计无人机将独立做出决策，并从他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。

实现更自主检测的关键技术

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:

• 自动化路径规划
• 避碰
• 同步定位和绘图(SLAM)
• 板载处理单元能够在近实时处理数据
• 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：已采用来自机器人域的几种算法来计划复杂环境中的航班。他们计算最有效的方法来优化考虑要调查的特定目标对象或要达到目的地的飞行计划。传统的飞行计划算法最近也被深入学习解决方案补充了。

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，深度学习是在AI的快速发展课题内的主题。它正在为卷积神经网络（CNN）的高级应用打开门，以获得从2D图像或3D点云对场景的语义理解。如今，许多深度学习算法嵌入了静止上以执行碰撞避免和对象跟踪（例如，Wexing-Me选项）。

无人机检查对民用基础设施的好处

在过去两年中，由于增加了具有更多自主权的无人机，基础设施检查操作取得了显著改善。一些公司甚188asia备用网址至更进一步，部署了多架无人机，以减少现场数据收集的时间。一般来说，使用无人机进行检查可以减少检查时间、提前评估损伤风险、可重复性和测量可靠性、自动定位潜在损伤并提高态势感知能力。主要优点如下:

• 时间：使用无人机检查可有效缩短传统检查时间。此外，由于具有强大的基于AI的检测和识别功能，因此无需目视检查所调查结构的损坏或潜在问题。
• 安全:  为了在复杂环境中检查结构，检查员通常需要进入一些难以攀爬的位置。使用无人机可以帮助检查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:无人机巡检降低人为误差因素，便于巡检精度，减少结构停机时间。此外，它们提供有关感兴趣对象的高质量和可访问的数据。采用半自主飞行计划，无人机可以更接近结构体上的关键区域，并在保证全身覆盖的情况下捕捉高分辨率图像。
• 重复性：无人机可以反复进行相同的检查，以便监控损坏的传播，并准备结构健康和维修的记录。因此，可比较的检查数据将支持结构的寿命的决策。
• 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

根据美国国家公路和运输协会(AASHTO)的数据，基础设施检查是排名前五的无人机应用。目前大多数自主无人机都依赖于摄像头传感器和4K视频，但一些新兴的解决方案也依赖于激光雷达。各个部门目前或打算使用自主无人机检查技术进行监测、检查和维修，包括:

• 石油和天然气:管道泄漏检测，工业储罐
• 所属行业：船舶和飞机制造业
• 能源:风力涡轮机叶片，输电线路，水上基础设施
• 施工：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:

• 风力涡轮机检查：风力涡轮机的维护工作，包括所需的维修时间，每年都要花很多钱。目前，世界上有几家公司正在使用先进的无人机对风力涡轮机叶片进行检查，以生成叶片的三维模型并实时发现缺陷。数据在基于云的平台上共享。188asia备用网址
• 飞机的检查：纵观航空史，人为失误导致了几起飞机事故。因此，技术人员和检查员可能出现的错误——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，需要一组检查人员，其中一些人必须升高才能进入飞机的上部区域。因此，一些公司将飞机运送到成本较低的地区，以减少检查费用，但这样做的缺点是飞机停止使用的时间更长。188asia备用网址
• 工业舱检查如果储罐老化而不进行维护，就会导致泄漏，这可能会导致昂贵的维修或储罐倒塌。此外，储罐泄漏会造成严重的环境污染和工作场所损害。因此，常规油罐检查对于识别和预防潜在的灾难性油罐缺陷非常重要。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：起重机检查对施工现场的工人安全至关重要，尤其是在建造高层建筑时常用的塔式起重机。在一些国家，必须定期（每季度或每年）对操作机构、液压系统、吊钩和起重链条进行频繁检查。按照惯例，检查由检查员目视执行，所有控制装置、机构、操作系统和制动器均按照规定进行检查。这种常规检查显然是一个漫长的手动过程，存在一些安全问题。一些公司正在使用无人机在起重机周围飞行，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。这确保了检查员能够安全、快速、准确地完成工作。188asia备用网址
• 塔检查:无人机检测可应用于单极塔、自支撑格架塔、拉索塔、屋顶塔等不同类型的塔。在电信领域，随着5G网络技术的发展，全球手机发射塔行业的业务不断增长。然而，在设计和建造的塔组件之间的一些无意的分歧可能是开发公司的一个主要问题。不用说，准确地了解塔的真实状况和维护状况会带来一系列的财务和运营后果。无人机对塔的检查是非常有用的，因为它可以应用在任何位置，并迅速提供结果。使用的无人机是3级自主无人机，这意味着现场需要一名技能有限的飞行员来执行调查。然后将数据上传并在云中进行处理，并与利益相关方共享。深度学习软件可以用于自动分析，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，以便未来维护。
• 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。

自主无人机检查挑战

自治检查受到几个挑战，包括：

• 天气：高风速或降雨等恶劣天气条件仍然是无人机检查任务的挑战。此外，基于图像的检查任务很难在黑暗的地方或夜间执行。
• 可访问性：在偏远地区，缺乏互联网连接可以基于云计算或快速流的数据来限制用户服务的使用。此外，无线电干扰的存在可以产生不安全的飞行条件。
• 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：虽然规则一直在改变，但在世界大多数国家都有完全自主的无人机仍然是非法的;必须始终存在认证的飞行员。此外，如果计划合作多UAV检查任务，则每个无人机都应该有一个导频。在2020年，无人机规定存在一些积极的变化，并授予认证到几家不同的全球无人机公司。188asia备用网址该认证包括包交付和更复杂的操作，如扩展视线（EVLOS），以及超越视野（BVLOS），这将推动新解决方案的开发，并为全球公司开辟新的商业案例。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测的未来。一项发展将是无人机群用于检查任务，其中无人机将在飞行过程中进行动态协调以进行交互。此外，我们可以期待看到无人机在拒绝gnss环境下的自主导航性能的改善。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场景理解的发展，这是由机载或云端应用的深度学习技术驱动的。另一个潜在的发展将由增强现实和虚拟现实在自动检查中的应用推动。