ES2382293A1 - Sistema inalámbrico de bajo coste con localización automática basada en el tratamiento de imágenes para ensayos dinámicos de infraestructuras. - Google Patents
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Abstract
Sistema inalámbrico de bajo coste con localización automática basada en el tratamiento de imágenes para ensayos dinámicos de infraestructuras que evita la colocación precisa de los sensores basándose en dispositivos inalámbricos dotados de cámaras de bajo coste monitorizadas, permitiendo mediante el tratamiento de imágenes obtener la posición relativa de los sensores respecto a un punto conocido.
Description
Sistema inalámbrico de bajo coste con
localización automática basada en el tratamiento de imágenes para
ensayos dinámicos de infraestructuras.
La presente invención se encuadra en el campo de
la monitorización de estructuras. El sistema inalámbrico de bajo
coste desarrollado permite la localización de la posición relativa,
respecto de unos puntos de referencia conocidos, de los sensores de
monitorización de la estructura mediante cámaras de bajo coste y
posterior tratamiento de las imágenes.
Con el paso del tiempo, la fluencia de hormigón,
la fatiga causada en los ciclos de carga y descarga en las
infraestructuras por el tráfico, el clima, las obras de
construcción, ampliación o remodelación, la rotura de elementos
estructurales como tirantes de pretensado etc. pueden provocar
pérdida de rigidez, formación de grietas, corrosión en las uniones y
las armaduras resistentes, que también pueden convertirse en un
peligro estructural.
En las obras públicas, y en particular los
puentes, se hace precisa una inspección regular para efectuar una
detección temprana de cualquier defecto susceptible de producir
pérdida de rigidez y de este modo evaluar de forma actualizada la
seguridad y la fiabilidad de las estructuras.
Las técnicas de monitorización de salud
estructural, están ganando aceptación en el sector de las
infraestructuras como una forma fiable y económica de alertar a los
ingenieros en las fases iniciales de formación de defectos, y de
advertirles lo más rápido posible sobre la necesidad de efectuar las
oportunas labores de mantenimiento.
La monitorización de salud estructural se ha
trabajado desde finales del siglo XIX, cuando los trabajadores de
las vías escuchaban las emisiones acústicas de la misma a fin de
detectar fallas o grietas. Estas técnicas de reconocimiento visual o
auditivo, son las alternativas más utilizadas cuando se carece de la
tecnología para realizar un estudio más adecuado. Gracias al avance
computacional de los últimos 30 años, se han desarrollado varias
técnicas basadas en principios físicos y análisis más profundos, con
respecto de los realizados en épocas anteriores.
Con sensores verificando continuamente la
aparición de los primeros signos de desgaste, se pueden detectar las
pérdidas de rigidez mucho antes que mediante métodos visuales
tradicionales, realizar el mantenimiento adecuado en el momento
correcto, y posiblemente impedir desperfectos masivos.
Adicionalmente, una detección y localización del
daño tempranas permite que los trabajos de mantenimiento y
reparación puedan ser programados adecuadamente.
De esta forma se puede minimizar, no solo los
costes anuales de reparación, sino evitar también lapsos de tiempo
que pueden representar un coste económico mayor (por ejemplo,
retrasos del tráfico debido a una reparación importante del
puente).
Típicamente en países desarrollados el número de
puentes existentes, ya construidos y con un grado de envejecimiento
significativo, excede al de nuevos puentes a ser construidos. Por
ello, los costes de mantenimiento, reparación y rehabilitación
pueden representar un peso excesivo en las economías futuras
nacionales. Este hecho exige una gestión integral del mantenimiento
de puentes.
Para evitar los elevados costes de reparación,
un método de evaluación del estado de deterioro de un puente tiene
que ser capaz de evaluar la pérdida de rigidez de la estructura por
el paso del tiempo. La inspección mediante ensayos dinámicos de la
estructura bajo cargas medioambientales no controladas suministra
una herramienta valiosa y de fácil implantación, ya que no perturba
las condiciones de servicio de la misma, no siendo necesario cortar
el tráfico para la realización del ensayo. La inspección dinámica
posee unas ventajas distintivas en comparación con otros métodos,
como por ejemplo, los chequeos visuales periódicos, ya que permite
detectar daños estructurales no visibles o poco accesibles a la
inspección.
Por otra parte, la respuesta dinámica de un
puente que se registra en un ensayo dinámico indica de forma global
la posible existencia de daño, en el caso de producirse una
reducción de rigidez y por consiguiente una modificación de sus
características modales (frecuencias y modos de vibración
principalmente). Por el contrario en un ensayo estático las medidas
localizadas en determinadas secciones no aseguran en general la
aparición de un deterioro estructural.
La inspección por vibración de estructuras de
ingeniería civil ha ganado un gran interés a lo largo de la pasada
década, debido a su relativa facilidad de instrumentación y al
desarrollo de nuevas técnicas de identificación muy potentes,
capaces de extraer las propiedades modales de la estructura a partir
de las medidas de aceleraciones, desplazamientos y/o deformaciones.
Se está prestando especial atención a las técnicas que hacen uso de
datos operacionales (ensayos bajo cargas de servicio).
Los sistemas típicamente utilizados se basan en
sensores cableados que se registran en un equipo de adquisición para
posteriormente realizar un análisis de los datos obtenidos, de
acuerdo al siguiente esquema:
- 1.
- Identificación de los puntos en los que es necesario realizar la medida.
- 2.
- Colocación precisa de los sensores.
- 3.
- Cableado de los sensores.
- 4.
- Realización de la medida.
- 5.
- Análisis de los datos.
En los últimos tiempos se está sustituyendo el
cableado de los sensores por tecnología inalámbrica para evitar el
tiempo de realización del cableado y los costes que esto supone.
En el campo de los ensayos dinámicos de
estructuras, existen diversos métodos basados principalmente en el
análisis de los datos recogidos por sensores de esfuerzos o de
movimientos ya sea de desplazamiento, de velocidad o de
aceleración.
Es conocido por la patente US6240783, un sistema
de monitorización de estructuras de puentes basado en el empleo del
análisis de señales de frecuencia, velocidad y desplazamiento
medidas mediante la reflexión de un haz de luz tipo láser en
diferentes reflectores situados en la estructura.
El documento US2008/0307025 describe un
procedimiento por el cual se calcula la localización relativa de los
nodos de una red inalámbrica basándose en la potencia recibida por
parte del resto de nodos de la red, utilizando un algoritmo para
evitar las reflexiones.
Adicionalmente, la patente US5913820 describe un
procedimiento mediante el cual se mide la localización de sensores
de campo eléctrico y magnético basándose en la respuesta de bobinas
de inducción.
Sin embargo, estos procedimientos no
proporcionan la precisión necesaria para la caracterización dinámica
en el primer caso o requieren que la distancia entre los sensores
sea muy pequeña, con lo que no se puede cubrir el área a
caracterizar con un número de sensores razonable para una
medida.
La invención tiene por objeto la creación de un
sistema inalámbrico de bajo coste con localización automática de la
posición relativa de los sensores permitiendo la realización de
ensayos dinámicos de infraestructuras basada en el tratamiento de
imágenes, resolviendo los inconvenientes anteriormente citados,
aportando, además, otras ventajas adicionales que serán evidentes a
partir de la descripción que se acompaña a continuación.
Con este sistema se evita la colocación precisa
de los sensores de monitorización de estructuras puesto que, debido
a la localización automática basada en el tratamiento de imágenes,
se conocerá el punto exacto en el que se encuentra cada sensor.
Mediante el citado sistema de localización basado en imágenes, los
sensores inalámbricos dotados de cámara capturan las imágenes de los
sensores vecinos que se encuentran en su campo de visión. Al conocer
la distancia real entre los puntos detectados en las imágenes, se
puede obtener mediante el tratamiento de las mismas la distancia a
la que se encuentran los sensores. Si fuera necesario obtener
coordenadas absolutas en lugar de relativas únicamente habría que
situar en un punto conocido un sensor inalámbrico, tomando el resto
de distancias como referencia desde ese sensor. Todos los datos
relacionados con la localización deben incluirse en los datos
necesarios para los cálculos del ensayo dinámico, sin estar
prefijados de antemano, parte que conlleva un gran esfuerzo y que no
se ha resuelto hasta ahora.
El sistema consiste en una serie de sensores
inalámbricos conectados a un módulo de adquisición de datos, un
módulo inalámbrico encargado de la sincronización entre sensores, un
módulo inalámbrico encargado de la comunicación entre sensores, un
microcontrolador principal que gestiona la medida y la comunicación
con el resto del sistema y tres diodos de diferentes colores que
permiten la localización óptica del sensor. También se incluye un
sistema de localización basado en imágenes implementado por una
cámara motorizada que permite, mediante el tratamiento de imágenes,
obtener la posición relativa de los sensores respecto a un sistema
de referencia conocido.
El tratamiento de imágenes se basa en la
detección de tres puntos de los módulos que, siendo de diferente
color, permiten mediante algoritmos de tratamiento de imágenes
basados en triangulación, detectar la posición relativa con una
resolución suficiente para el propósito que se persigue.
Cada uno de los sensores inalámbricos provistos
del sistema de localización basado en imágenes captura las imágenes
del resto de sensores inalámbricos en su campo de visión. En esas
imágenes se detectan los tres puntos luminosos (diodos) de
diferentes colores (negro, blanco y gris en la figura). Puesto que
la distancia relativa entre los puntos luminosos de cada sensor
inalámbrico es conocida (d_{1}, d_{2}, d_{3}), mediante
triangulación es posible obtener la distancia relativa del
dispositivo que está capturando las imágenes respecto al sensor que
está analizando. Con la información completa de las posiciones
relativas de todos los sensores inalámbricos se puede obtener un
esquema completo de la monitorización de la estructura a
realizar.
De este modo, entre otras mejoras al sistema, la
que puede considerarse con mayor aporte científico es la
incorporación de un sistema de posicionamiento al equipo de
adquisición, de esta manera, además de los datos de aceleración de
cada punto de medida en el que se posiciona un sensor inalámbrico,
la invención permite conocer también la posición relativa de cada
uno de los sensores con respecto a un sistema de referencia.
Este sistema ha surgido al estudiar los actuales
sistemas de medida, que requieren de un posicionamiento previo de
las coordenadas de cada sensor sobre las estructuras mediante la
utilización de una cinta métrica. De acuerdo con el estado actual de
la técnica, el proceso requiere de un estudio previo del puente y la
posterior localización de los puntos. Además estos deben ser
incorporados manualmente en un fichero como paso previo a la
realización de la identificación estructural.
La introducción de un sistema automático de
posicionamiento permite aumentar el número de sensores utilizados
evitando de esta manera la realización del estudio previo, al
sustituir posicionamiento óptimo, por posicionamiento con criterio
en un mayor número de puntos. Adicionalmente, la invención evita la
engorrosa tarea de marcar previamente las coordenadas con tiza ya
que el posicionamiento con criterio puede realizarse a simple vista
por un operario experimentado. Con el sistema de localización
automática basada en el tratamiento de imágenes, el fichero de
coordenadas de los sensores se obtiene de forma automatizada durante
el ensayo lo que permite realizar la identificación estructural
in situ, además de evitar el posible error humano en la
escritura de los datos del fichero de localización. Todo ello
constituye una mejora notable a la hora de llevar a cabo el ensayo,
con una importante reducción de coste, principalmente en tiempo y
mano de obra necesaria.
Para complementar la descripción que antecede y
con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características
de la invención, se va a realizar una descripción detallada de una
realización preferida, en base a un juego de dibujos que se
acompañan a esta memoria descriptiva y en donde con carácter
meramente orientativo y no limitativo se ha representado lo
siguiente:
La Figura 1.- Muestra un diagrama del sistema
inalámbrico simple para ensayos dinámicos de infraestructuras de
acuerdo con la presente invención.
La Figura 2.- Muestra un diagrama de una
disposición típica de una medida.
La Figura 3.- Representa un esquema de la
obtención de imagen mediante la que se permite obtener la
localización relativa de los sensores.
A la vista de las comentadas figuras y de
acuerdo con la numeración adoptada, se puede observar en las mismos
una realización preferente aunque no limitativa de la invención la
cual consta de una pluralidad de sensores inalámbricos simples (1) y
una serie de sensores inalámbricos dotados de sistema de
localización basado en imágenes (2) todos ellos distribuidos a lo
largo de la estructura a monitorizar, de tal modo que cada sensor
inalámbrico (1) se encuentra dentro del campo de visión de al menos
un sensor inalámbrico dotado de sistema de localización basado en
imágenes (2).
Basándose en el hecho de que, de acuerdo con la
presente invención, se permite la localización relativa de los
sensores inalámbricos dentro del sistema, a la hora de despliegue de
la red de sensores inalámbricos no se requiere su localización en
posiciones concretas, sino repartidos, con criterio según la
patología a analizar, por la zona en la que se desee hacer el
ensayo.
Asimismo, se dispone de al menos un sensor
inalámbrico de referencia (3) cuya posición es prefijada en el
sistema e invariable en caso de precisarse más de una medida con el
resto de los sensores inalámbricos (1 y 2) dispuestos en diferentes
localizaciones para un mismo ensayo, que se distribuirán según las
necesidades de la estructura, aumentando la densidad en caso de
requerirse mayor precisión en la monitorización.
Uno de los sensores inalámbricos (4) servirá de
enlace inalámbrico entre el resto de sensores inalámbricos del
sistema y un ordenador servidor (5) que permitirá almacenar y
visualizar los resultados del ensayo nada más concluir el mismo,
evaluando la necesidad de repetir otro tipo de ensayo.
De este modo, una vez los sensores inalámbricos
(1, 2, 3 y 4) están distribuidos sobre la infraestructura a
monitorizar desde el ordenador servidor (5) se emite la orden de
comienzo de realización del ensayo y a través del sensor inalámbrico
de enlace (4) se envía un mensaje de sincronización a todos los
sensores inalámbricos de la red (1, 2, 3) mediante un transceptor
inalámbrico diseñado para este fin. Este mensaje es recibido por el
subsistema local de procesamiento de cada sensor inalámbrico,
iniciando la medida, a través de los módulos de adquisición que
reciben las señales generadas por sus acelerómetros. Todo ello, de
acuerdo con los parámetros que se hayan configurado en el ordenador
servidor (duración de la medida, frecuencia de muestreo, número de
muestras, etc).
En paralelo a la toma de muestras, los sensores
inalámbricos dotados de sistema de localización basado en imágenes
analizan todas las imágenes que obtienen de los sensores
inalámbricos que tienen a su alrededor, procesándolas parcialmente
en el subsistema local de procesamiento y obteniendo las posiciones
relativas de los mismos. Para la obtención de estas posiciones el
sistema analiza las imágenes obtenidas de los sensores inalámbricos
en su campo de visión a través de los tres diodos luminosos (6, 7,
8) de diferentes colores, dispuestos en cada uno de ellos y teniendo
en cuenta que se conocen las distancia reales (d1, d2, d3) entre
esos puntos y la resolución de la cámara, lo que permite obtener,
mediante tratamiento de imágenes y triangulación, la disposición
relativa de cada sensor inalámbrico respecto al que está capturando
las imágenes.
Una vez realizado el ensayo, cada uno de los
sensores inalámbricos (1, 2, 3) envía mediante su transceptor
inalámbrico para intercambio de datos, al ordenador servidor (5) a
través del sensor de enlace inalámbrico (4) toda la información de
las muestras obtenidas y del procesamiento local de las imágenes,
permitiendo mediante el análisis de dicha información (muestras de
señales y localización) de los diferentes sensores inalámbricos,
interpretar el resultado del mismo.
Claims (6)
1. Sistema inalámbrico de bajo coste con
localización automática basada en el tratamiento de imágenes para
ensayos dinámicos de infraestructuras, caracterizado por
comprender las siguientes etapas:
- a.
- etapa de adaptación de sensores inalámbricos
- b.
- etapa de adquisición de datos de alta velocidad
- c.
- etapa de radiofrecuencia en banda ISM para sincronización
- d.
- etapa de radiofrecuencia para intercambio de datos
- e.
- etapa de localización basada en el tratamiento de imágenes
- f.
- etapa de procesado e integración de información.
2. Sistema inalámbrico de bajo coste con
localización automática basada en el tratamiento de imágenes para
ensayos dinámicos de infraestructuras según reivindicación 1,
caracterizado porque las etapas de adquisición, adaptación y
radiofrecuencia se materializan mediante una pluralidad de sensores
inalámbricos distribuidos en la infraestructura a monitorizar de los
cuales al menos uno de se constituye como referencia del
sistema.
3. Sistema inalámbrico de bajo coste con
localización automática basada en el tratamiento de imágenes para
ensayos dinámicos de infraestructuras según reivindicación 2,
caracterizado porque además de los sensores inalámbricos,
comprende: un módulo de adquisición de datos, un módulo inalámbrico
de sincronización entre sensores, un módulo inalámbrico de
comunicación entre sensores, un microcontrolador principal, tres
puntos luminosos (diodos) de diferentes colores en cada sensor, para
una localización óptica de los sensores y un sistema de localización
basado en imágenes implementado por una cámara monitorizada.
4. Sistema inalámbrico de bajo coste con
localización automática basada en el tratamiento de imágenes para
ensayos dinámicos de infraestructuras según reivindicación 3,
caracterizado porque cada sensor inalámbrico se dispone
dentro del campo de visión de al menos un sensor inalámbrico dotado
del sistema de localización basado en imágenes.
5. Sistema inalámbrico de bajo coste con
localización automática basada en el tratamiento de imágenes para
ensayos dinámicos de infraestructuras según reivindicación 4,
caracterizado porque la localización de cada sensor
inalámbrico respecto al de referencia se realiza por triangulación
de las imágenes detectadas consistentes en los tres puntos luminosos
de diferentes colores de los que está dotado cada
sensor.
sensor.
6. Sistema inalámbrico de bajo coste con
localización automática basada en el tratamiento de imágenes para
ensayos dinámicos de infraestructuras según reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque dispone de un sensor
inalámbrico de enlace entre el resto de sensores y un ordenador
servidor que conforma la etapa de procesado e integración de
información.
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Also Published As
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| WO2012098279A1 (es) | 2012-07-26 |
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