Descripción

Sistema inalámbrico de bajo coste con localización automática basada en el tratamiento de imágenes para ensayos dinámicos de infraestructuras.

Objeto de la invención

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.

Antecedentes de la invención

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. Descripción de la invención

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 (di ,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. Breve descripción de los dibujos

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.

Descripción detallada de una forma de realización de la invención 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 acelerometros. 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.