[發明專利]基于強化學習的橋梁檢測無人機自主導航與穩定控制方法

在審

• 申請號: 202110760963.1
• 申請日: 2021-07-06
• 公開（公告）號: CN113821044A
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 黃攀峰;方國濤;張夷齋;張帆;常海濤
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 西安維賽恩專利代理事務所(普通合伙) 61257
• 代理人: 劉春

本發明公開了一種基于強化學習的橋梁檢測無人機自主導航與穩定控制方法，包括：步驟一、基于牛頓?歐拉法對檢測橋梁的四旋翼無人機進行動力學建模；步驟二、考慮待檢橋梁周圍環境信息和檢測約束條件，提出基于神經網絡強化學習實現無人機自主避障飛行；步驟三、采用橋梁建筑信息模型輔助下的雙目視覺與IMU組合自主導航；步驟四、系統內環控制采用自抗擾算法進行姿態控制，外環控制采用PID控制進行位置控制，實現橋梁檢測無人機在強風干擾下的穩定控制。解決了針對無人機橋梁檢測技術存在的橋下定位信號缺失、強風干擾下無法穩定飛行控制的問題。

技術領域

本發明屬于橋梁檢測技術領域，具體涉及基于強化學習的橋梁檢測無人機自 主導航與穩定控制方法。

背景技術

我國交通基礎設施建設飛速發展，橋梁建設以平均每年2萬座的速度快速地 增長，截止2018年底，我國已建成大跨度橋梁9萬余座，特大跨度橋梁5千余 座，其中主跨超過400米的特大跨度橋梁105座。既有橋梁安全問題成為關系國 民經濟、國家安全的核心問題。

當前，我國橋梁檢測作業多數仍采用3種傳統的技術方式：

(1)橋梁檢測車：是當前橋梁檢測的主題手段，該類方法借助于橋梁檢測車， 登高車或搭設支架，將檢測人員送到被觀測對象附近，進行抵近檢查和 測量，缺點是費時費力，對正常交通干擾較大。

(2)橋底檢測通道：與橋梁同期建設，檢測工作對交通影響小，但檢測范圍 有限。同時受年限限制，檢測通常在設計年限內發生老化，失去作用。

(3)橋梁綜合檢測車：主要依靠汽車搭載的檢測設備，以超聲波、振動等手 段穿透橋面檢測橋梁，優點是對交通干擾小，但其檢測波穿透能力有限， 準確性難以保證，無法實現對橋梁、橋柱的檢測。在檢測效率方面。

總之，上述傳統橋梁檢測方式存在費用高、專業性強等特點，不適合管養部 門作為日常檢測技術手段加以應用。此外，采用上述方式的檢測人員通常處于數 十米的高空中，受風力、橋梁振動影響大，屬高危作業，安全隱患高。

橋梁檢測無人機以其機動性強、體積小、效率高、使用成本較低、模塊化維 修保養方便、安全風險低等優勢，近年來受到橋梁養護業界的廣泛關注。具體來 說，相比于傳統檢測手段，無人機橋梁檢測優勢如下：

(1)技術層面：無人機掛載測量設備在空中進行工作，機動性能好，可到達 傳統設備難以抵達的盲區，彌補常規檢查死角與短板；

(2)操作層面：由于無人機的構造比較簡單，質量輕、體積小，運輸和維護 比較容易，同時無人機可實現快速拆裝，操作方便；

(3)經濟層面：無人機檢測設備相比于傳統專業檢測設備成本低，，同時其 檢測過程中無需封閉交通，不影響現有行車秩序；

(4)安全層面：無人機可替代檢測人員進行高空作業，檢測人員在安全位置 操控無人機即可，無人身安全隱患。

完整的無人機橋梁檢測系統由無人機、數據傳輸系統、任務載荷系統、地面 站系統、分析處理系統等組成。橋梁檢測無人機可掛載各類檢測設備，如全球定 位系統模塊(GPS)、慣性測量單元(IMU)、距離傳感器(TOF)、高清攝像裝置 等，數據傳輸系統用于系統控制信號、檢測數據的傳輸。地面站系統用于實時監 控無人機飛行、分析處理系統負責對采集數據進行分析、診斷和量化病害程度， 對橋梁實施評估。

橋梁檢測無人機，彌補了傳統橋梁檢測存在盲區、費用高、檢測人員安全風 險大的弊端，以其良好的機動性、安全性和經濟性廣受業界關注，但其也存在 技術瓶頸，主要包括：

(1)橋下定位信號缺失：對于橋梁檢測無人機，由于橋梁結構的遮擋，特別 是當無人機在大跨度、寬幅橋下檢測時，易導致無人機GPS設備在檢 測中通信失聯，無法收到信號，導致系統癱瘓；再者，橋梁多采用鋼筋 混凝土結構或鋼結構，結構內鋼筋網產生的強磁場嚴重影響無人機磁羅 盤性能，也會導致系統的準確性及魯棒性降低；