ES2841304T3

ES2841304T3 - Estimación de cantidades electromecánicas por medio de imágenes digitales y técnicas de filtrado basadas en modelo

Info

Publication number: ES2841304T3
Application number: ES17721624T
Authority: ES
Inventors: Tommaso Tamarozzi; Francesco Cosco; Frank Naets; Bert Pluymers; Wim Desmet
Original assignee: Katholieke Universiteit Leuven
Current assignee: Katholieke Universiteit Leuven
Priority date: 2016-05-02
Filing date: 2017-05-02
Publication date: 2021-07-08
Anticipated expiration: 2037-05-02
Also published as: EP3452312B1; KR20190003593A; EP3452312A1; WO2017191146A1; SI3452312T1; JP2019518942A; CA3022768A1; US20190139241A1; DK3452312T3; GB201607639D0; HRP20201999T1; JP7051111B2; BR112018072597A2; RU2739711C1; US10885647B2; KR102403297B1

Abstract

Procedimiento de detección de un objeto físico, comprendiendo el procedimiento - la provisión de un objeto virtual fotorrealista del objeto físico; - la realización de una etapa de medición, comprendiendo la etapa de medición la grabación del objeto físico y la adquisición de mediciones (808) de campo físicas del objeto físico que comprenden al menos una imagen dimensional; - la realización de una etapa de estimación, comprendiendo la etapa de estimación la aplicación de excitaciones externas al objeto virtual fotorrealista para crear mediciones (813) de campo virtuales fotorrealistas y la comparación de las mediciones (813) de campo virtuales fotorrealistas con las mediciones (808) de campo físicas y, por lo tanto, la detección del objeto físico, caracterizado por que el objeto virtual fotorrealista reproduce las intensidades de los píxeles de una imagen del objeto físico y la al menos una imagen dimensional es al menos una imagen bidimensional para proporcionar las intensidades de píxeles de la imagen, y en el que dicha comparación comprende comparar las intensidades de los píxeles de las mediciones (813) de campo virtuales fotorrealistas con las intensidades de píxeles correspondientes de las mediciones (808) de campo físicas.

Description

DESCRIPCIÓN

Estimación de cantidades electromecánicas por medio de imágenes digitales y técnicas de filtrado basadas en modelo Campo de la invención

La presente invención se refiere en general al campo de la estimación basada en modelo de cantidades electromecánicas. Más específicamente, la presente invención se refiere a la estimación de cantidades electromecánicas por medio de imágenes digitales y técnicas de filtrado basadas en modelo gracias a la ayuda de un modelo numérico electromecánico fotorrealista.

Antecedentes de la invención

En los últimos años, se han propuesto diversos procedimientos para combinar las mediciones experimentales con representaciones numéricas ('modelos') de las máquinas y/o componentes electromecánicos o mecatrónicos con el fin de inferir (estimar) información que es difícil de medir o que no puede medirse directamente.

Los diferentes procedimientos se presentaron y se ajustaron para aumentar los niveles de complejidad desde un único cuerpo no deformable (por ejemplo, para la estimación de posicionamiento) a modelos de sistemas de parámetros concentrados a modelos de elementos finitos lineales y no lineales (reducidos) y multicuerpo flexible. Estas técnicas se han aplicado con éxito en entornos tanto académicos como industriales. Todas ellas comparten una funcionalidad central fundamental: aprovechan el conocimiento incorporado en el modelo con el fin de estimar un conjunto de variables de modelo (estados, entradas, parámetros del modelo o cualquier combinación de los mismos) mientras minimizan en cierto sentido (de manera ponderada) la diferencia entre las cantidades medidas (mediante un sensor físico en un objeto/sistema físico) y las cantidades predichas (obtenidas a partir de la evaluación del modelo numérico).

La conexión entre el modelo y las mediciones se consigue mediante algoritmos inversos o de estimación. Los algoritmos de optimización generales pueden usarse para ajustar una determinada variable del modelo con el fin de que el modelo coincida mejor con las mediciones. Pueden usarse técnicas específicas, tales como filtrado de Kalman y estimación de horizonte de movimiento para obtener un equilibrio óptimo entre el modelo numérico y la precisión de la medición para la estimación resultante.

Se usan mediciones diferentes para aplicaciones diferentes. Frecuentemente, se usan sensores discretos (acelerómetros, medidores de deformación, micrófonos, etc.) que puede estar vinculados directamente a una o más variables del modelo. Recientemente, existe un interés creciente en el uso de mediciones de campo (tales como fotogramas de vídeo digital, vídeos e imágenes de cámaras), debido a su capacidad única para recopilar datos espaciales de alta densidad a partir de una escena de interés.

El estado actual de los procedimientos de la técnica apenas aprovecha toda la gama de información capturada a partir de los sensores de campo completo (por ejemplo, sensores de cámaras). Los procedimientos se han centrado en la extracción de información solo para la estimación de posición rígida, lo que requiere un procesamiento y una información de modelo mucho menos precisos. Esto último se describe por ejemplo en la solicitud de patente internacional WO2014/055355, en la solicitud de patente US US2009/0297020 y en la solicitud de patente GB GB2504822. Su uso como herramientas de medición visual se ha complementado normalmente con algún tipo de lógica de intercambio de información entre aplicaciones ("middle-ware") con el fin de obtener un número relativamente más pequeño de puntos de datos que pueden usarse como puntos de medición discretos (por ejemplo, la generación de nube de puntos para la estimación de posicionamiento, seguimiento de característica para una medición de ubicación, tal como se describe por ejemplo en la solicitud de patente internacional WO 2012/0407009 y en la patente US 9412040); o para recuperar las cantidades medidas indirectas (un ejemplo específico de esto es la correlación de imágenes digitales, donde la información de imagen se convierte en una medición de deformación estimada en una estructura). Como consecuencia, la medición de campo a partir de la cámara nunca se ha aprovechado plena y directamente en un entorno de estimación. Esto conduce a varias limitaciones de los enfoques existentes descritos anteriormente:

• Cuando se depende de sensores discretos:

° se requieren diferentes tipos de sensores para la estimación de diferentes cantidades;

° podrían requerirse un gran número de sensores, poco factible, con el fin de proporcionar una precisión suficiente; ° los sensores discretos tienden a ser intrusivos (la presencia de los sensores perturba la cantidad objeto de investigación);

• Cuando se depende de sensores de campo:

° frecuentemente, la información se manipula para generar puntos de medición discretos. De esta manera, la mayoría de los datos disponibles se pierde debido a que la información disponible del modelo no se corresponde de manera óptima a la información disponible desde los sensores.

° Frecuentemente, la información se procesa con el fin de extraer cantidades de campo completo por medio de otras metodologías (por ejemplo, DIC), donde un conocimiento valioso acerca del sistema/objeto físico no puede aprovecharse con el fin de mejorar la precisión.

° Los enfoques de medición de campo pura pueden requerir cierta preparación de la estructura bajo consideración.

° En el caso de una máquina y/o componentes electromecánicos 3D, los procedimientos disponibles requieren al menos una plataforma estéreo para cada lado de la máquina y/o componente electromecánico objeto de

° investigación, lo que conduce rápidamente a requisitos costosos para estructuras realistas. Además, estos procedimientos sólo proporcionan información acerca de las partes visibles de la estructura, pero no proporcionan ninguna información relacionada con las cantidades invisibles (por ejemplo, tensiones internas).

° Pueden usarse procedimientos que emplean técnicas de obtención de imágenes más caras (obtención de imágenes mediante tomografía computarizada CTI, obtención de imágenes mediante resonancia magnética MRI, tomografía computarizada por emisión de fotón único SPECT, tomografía por emisión de positrones PET, etc.), pero necesitan un entorno controlado y no pueden aplicarse directamente a máquinas y componentes electromecánicos durante, por ejemplo, su funcionamiento normal. Además, las técnicas indican proporcionan imágenes 3D del sistema, que incluyen partes internas no visibles, lo cual no es necesario en aplicaciones electromecánicas e incrementa dramáticamente el coste del procedimiento. Además, la mayoría de estos procedimientos pueden usarse sólo para adquisiciones de imágenes estáticas o cuasi-estáticas, y su uso para aplicaciones electromecánicas es difícil, si no imposible, debido a la perturbación de los campos magnéticos introducida por el aparato de medición.

Sermesant et al. describen en IEEE Transactions on Medical Imaging 25 N° 5 (2006) pp 612-625 un modelo electromecánico del corazón para el análisis de imagen y la simulación. Syilagyi et al. describen en Computer Methods and Progras in Biomedicine 101 (2011) pp 183-200 un modelo electromecánico del corazón específico de paciente.

En la solicitud de patente Internacional WO2014/127321, se usan Imágenes procedentes de dispositivos médicos costosos e invasivos, tales como CTI, MRI, SPECT o PET para evaluar la posición de los órganos de un cuerpo humano durante la cirugía y para ayudar al cirujano a entender la ubicación exacta de las partes delicadas que son difíciles, si no imposible, de ver con medios intraoperatorios menos precisos. Aprovecha dichas imágenes médicas en 3D en combinación con un modelo numérico para resolver un problema de optimización que finalmente permite crear un modelo 3D de los órganos del cuerpo humano deformados durante las operaciones y lo superpone sobre las imágenes intraoperatorias menos precisas. Esto permite al médico ver un modelo numérico creado y más detallado de los órganos del paciente. Si bien este enfoque es muy interesante, carece de la capacidad para alcanzar el nivel de precisión y de intervalo dinámico sobre las cantidades estimadas en combinación con la eficiencia computacional que es necesaria en aplicaciones electromecánicas. Además, no es aplicable, como tal, a máquinas y/o componentes electromecánicos que trabajan en su entorno operativo.

Para ello existe una necesidad de un modelo novedoso y mejorado basado en procedimientos de detección.

Sumario de la invención

Un objeto de las realizaciones de la presente invención es proporcionar una estimación de las cantidades electromecánicas por medio de imágenes digitales y técnicas de filtrado basadas en modelo. El objetivo anterior se consigue mediante un procedimiento y un dispositivo según la presente invención.

Una ventaja de las realizaciones de la presente invención reside en que estas pueden hacer uso de imágenes de bajo coste, es decir, derivadas a partir de técnicas de imagen de bajo coste, tales como imágenes de cámaras de vídeo y/o de fotos. Una ventaja de las realizaciones de la presente invención es que pueden usarse imágenes 2D de partes visibles. De esta manera, una ventaja es que las realizaciones no requieren imágenes internas o imágenes que son grandes o caras, por ejemplo, como las obtenidas a partir de dispositivos 3D, tales como CTI, MRI, SPECT o PET. Una ventaja de las realizaciones de la presente invención es que hacen uso de filtrado basado en modelo con el fin de inferir no solo cantidades superficiales sino también cantidades internas de los sistemas electromecánicos, tales como por ejemplo máquinas.

Una ventaja de las realizaciones según la presente invención es que se aprovecha el historial temporal de las cantidades estimadas y/o de la información de la imagen. Esto último permite cubrir el movimiento dinámico transitorio, lo cual es clave en aplicaciones electromagnéticas. Una ventaja de las realizaciones de la presente invención es que un enfoque basado en visión se acopla con estimadores dinámicos, tales como por ejemplo filtros basados en Kalman y/o estimadores de horizonte de movimiento.

Una ventaja de las realizaciones según la presente invención es que se usan modelos de alta fidelidad, lo que permite obtener el nivel de precisión requerido. Se evitan las grandes cargas computacionales mediante la adopción de esquemas avanzados de reducción de orden de modelo, cuando se requiera.

En un primer aspecto, la presente invención proporciona un procedimiento de detección de un objeto físico, comprendiendo el procedimiento la provisión de un objeto virtual fotorrealista del objeto físico, la realización de una etapa de medición, comprendiendo la etapa de medición la grabación del objeto físico y la adquisición de las mediciones de campo físicas del objeto físico que comprenden al menos una imagen bidimensional y la realización de una etapa de estimación, comprendiendo la etapa de estimación la aplicación de excitaciones externas al objeto virtual fotorrealista para crear medidas de campo virtuales fotorrealistas y la comparación de las mediciones de campo virtuales fotorrealistas con las mediciones de campo físicas y, por lo tanto, la detección del objeto físico.

El procedimiento puede comprender el uso de un historial temporal de la al menos una imagen bidimensional.

La detección de un objeto físico puede comprender la estimación de una o más de las siguientes cantidades del objeto físico, por ejemplo, una o más de las siguientes cantidades electromecánicas de una máquina o componente electromecánico:

• Estados: incluyendo, pero sin limitarse a, posiciones, velocidades, aceleraciones, esfuerzos, tasas de esfuerzo, corrientes;

• Entrada: incluyendo, pero sin limitarse a, fuerzas mecánicas, pares mecánicos, presiones mecánicas, voltajes;

• Parámetros: incluyendo, pero sin limitarse a, densidad, módulos de Young, relaciones de Poisson, parámetros de los materiales, dimensiones físicas, resistencia, capacitancia.

El procedimiento puede comprender proporcionar un historial temporal de la estimación de dichas cantidades del objeto físico.

El objeto físico puede ser una máquina y/o un componente electromecánico.

La provisión de un objeto virtual fotorrealista puede comprender la creación de un modelo numérico fotorrealista del objeto físico.

La realización de una etapa de medición puede comprender la combinación de salidas de sensores físicos, de entre los cuales al menos uno es un dispositivo de obtención de imágenes para la visualización de la superficie externa del objeto físico en al menos una imagen bidimensional.

La realización de una etapa de estimación puede comprender la combinación de las mediciones de campo virtuales fotorrealistas con las mediciones de campo físicas para proporcionar una estimación de la cantidad o las cantidades deseadas y en el que la etapa de estimación se basa al menos en el uso de una métrica de similitud entre la al menos una imagen bidimensional del objeto físico o partes del mismo y las imágenes generadas por el objeto virtual fotorrealista.

La realización de una etapa de estimación puede comprender la combinación del modelo numérico fotorrealista y la etapa de medición para proporcionar una estimación de las cantidades electromecánicas deseadas y en el que la etapa de estimación se basa al menos en el uso de una métrica de similitud entre la al menos una imagen bidimensional de la máquina electromecánica o partes de la misma y las imágenes generadas por el modelo numérico fotorrealista.

El comportamiento físico del objeto virtual fotorrealista del objeto físico puede ser descrito mediante un modelo estático o dinámico obtenido como una aproximación discretizada de un sistema.

Una ventaja de las realizaciones de la presente invención es que las imágenes o los sensores que generalmente capturan imágenes 2D de una máquina y/o un componente electromecánico, se combinan con modelos numéricos que son capaces de representar campos localizados y distribuidos. Se proporciona una manera más eficaz de combinar imágenes y vídeos obtenidos con cámaras en un marco de estimación, aprovechando todo el potencial de la información medida.

En realizaciones preferidas, el comportamiento físico del modelo numérico electromecánico fotorrealista es descrito por un modelo estático o dinámico obtenido como una aproximación discretizada de un sistema descrito por ecuaciones diferenciales ordinarias, diferenciales parciales o diferenciales-algebraicas, tales como, pero sin limitarse a: modelos con parámetros agrupados, modelos de elementos finitos, modelos computacionales de dinámica de fluidos, modelos multicuerpo flexibles o combinaciones de los mismos.

En realizaciones preferidas, el modelo numérico electromecánico fotorrealista se hace que sea computacionalmente eficiente mediante el uso de una o más técnicas de reducción de orden del modelo, lineales y no lineales. La elevada precisión puede garantizarse mediante una descripción de dimensión elevada del modelo electromecánico o al menos de las partes del mismo que se compara con imágenes y/o vídeos obtenidos con cámaras. La elevada precisión es necesaria con el fin de obtener resultados cuantitativos, mientras que la reducción de orden del modelo es necesaria para mantener la precisión de cálculo de dichos modelos computacionalmente exigentes. Debido a que el modelo se resuelve en el dominio del tiempo, se requiere alcanzar cargas computacionales aceptables. Las una o más técnicas de reducción de orden del modelo, lineales o no lineales, pueden ser uno o más de entre síntesis de modos de componentes, procedimientos basados en Krylov, descomposición ortogonal apropiada, descomposición de modo dinámico, truncamiento equilibrado, procedimiento de interpolación empírica discreta, muestreo y ponderación con conservación de energía.

Estas técnicas permiten intrínsecamente el tratamiento de efectos dinámicos y el historial temporal de las cantidades electromecánicas estimadas proporcionando un equilibrio óptimo (en cierto sentido definido) entre la precisión de la imagen y la precisión del modelo. En realizaciones preferidas, la estimación se obtiene a partir de técnicas de filtrado dinámico que combinan tanto imágenes digitales como el modelo numérico electromecánico fotorrealista. Estas técnicas incluyen, pero no se limitan a: técnicas basadas en filtros de Kalman, técnicas de estimación de horizonte de movimiento, observador de Luenberger, etc.

En realizaciones preferidas, el estimador permite la evaluación de los límites de error estocásticos de las cantidades electromecánicas estimadas.

El modelo puede resolverse en el dominio del tiempo;

La estimación puede obtenerse a partir de técnicas de filtrado dinámico que combinan vídeos, imágenes y el modelo numérico fotorrealista.

La etapa de estimación puede permitir la evaluación de los límites de error estocásticos de las cantidades estimadas del objeto físico.

El procedimiento puede comprender la medición y el uso de un subconjunto de las cantidades del objeto físico como una entrada conocida para el objeto virtual fotorrealista.

El procedimiento puede comprender la medición y el uso de cantidades electromecánicas adicionales, además de vídeos e imágenes obtenidos con cámaras durante la etapa de estimación.

En realizaciones preferidas, se conoce un subconjunto de las cantidades electromecánicas. Estas cantidades conocidas se usan para mejorar la precisión de las cantidades estimadas restantes dentro del algoritmo de estimación.

En realizaciones preferidas, se mide un subconjunto de las cantidades electromecánicas. Estas cantidades medidas se usan para mejorar la precisión de las cantidades estimadas dentro del algoritmo de estimación. Dichas mediciones incluyen, pero no se limitan a: galgas extensométricas, acelerómetros, sensores de deformación de fibra óptica basado en rejilla de bragg, giroscopios, sensores de voltaje, sensores de corriente, sensores de temperatura, micrófonos, etc.

En realizaciones preferidas, la provisión de un modelo numérico electromecánico fotorrealista comprende la creación de un modelo numérico de la máquina y/o del componente electromecánico físico y la texturización de la geometría del modelo con al menos una imagen.

En realizaciones preferidas, las mediciones de campo físicas de la máquina electromecánica son campos físicos deformados.

En un segundo aspecto, la presente invención proporciona dispositivos que comprenden un sistema de procesamiento, estando el sistema de procesamiento adaptado para realizar un procedimiento según las realizaciones de la presente invención. En un tercer aspecto, la presente invención se refiere a un sistema para la caracterización de un objeto físico, comprendiendo el sistema al menos unos medios para medir cantidades del objeto físico y un procesador adaptado para recibir la salida de los al menos unos medios para la medición de campos del objeto físico y adaptado para realizar el procedimiento según se ha descrito anteriormente.

En un aspecto, la presente invención proporciona también un sistema para estimar las cantidades electromecánicas, comprendiendo el sistema:

• al menos unos medios de adquisición de imágenes digitales de la máquina electromecánica física;

• un procesador adaptado para recibir la salida de al menos unos medios de obtención de imágenes y vídeos del sistema electromecánico físico y adaptado para realizar el procedimiento presentado en las realizaciones preferidas.

Una ventaja de las realizaciones es que se crea un modelo numérico electromecánico fotorrealista, de manera que puede visualizarse desde uno o más puntos de vista y configuraciones diferentes y es visualmente similar a la máquina y/o al componente electromecánico físico: en una palabra, es fotoconsistente con la máquina y/o el componente electromecánico físico.

El modelo numérico electromecánico puede representarse en cualquier pantalla o dispositivo que permita su visualización.

Un procedimiento según la realización de la presente invención comprende varias etapas que implican diferentes tecnologías. Una ventaja de las realizaciones de la presente invención es que se proporciona un procedimiento óptimo con una elevada precisión y gran eficiencia computacional.

La eficiencia computacional puede conseguirse de la siguiente manera: mediante el uso de la eficiencia del modelo numérico tal como se detalla adicionalmente en la descripción de la invención, los modelos 2D o 3D podrían usarse para crear el modelo numérico electromecánico fotorrealista. Las técnicas dedicadas a la obtención de dichos modelos numéricos son (pero no se limitan a): elementos finitos lineales y no lineales, volúmenes finitos, diferencias finitas, modelos multicuerpo y multicuerpo flexibles, modelos isogeométricos, o cualquier procedimiento de modelado que permita discretizar sistemas de ecuaciones algebraicas, diferenciales ordinarias, diferenciales parciales y diferencialesalgebraicas. Las técnicas descritas conducen a una descripción numérica precisa de la máquina electromecánica física, pero frecuentemente resultan en un elevadísimo número de grados de libertad (de hasta varios millones) y ecuaciones a resolver para obtener una representación de los campos distribuidos 2D y 3D (posiciones, aceleraciones, deformaciones, etc.). La carga computacional requerida para la solución de este conjunto de ecuaciones (por ejemplo, ecuaciones de movimiento, ecuaciones de estimación, etc.) puede llegar a ser prohibitiva. En las últimas décadas, se han desarrollado diversas técnicas que permiten una solución más rápida, y aun así exacta, conocidas con el nombre de reducción de orden del modelo (Model Order Reduction, MOR) lineal y no lineal. La aplicación de estas técnicas es un campo de estudio en sí misma y representa una etapa no trivial que puede adoptarse durante la preparación del modelo. Las técnicas MOR pueden usarse en la presente invención para alcanzar una reducción considerable de la carga computacional, lo que conduce a un tiempo de cálculo factible durante la etapa de estimación de la invención. Las técnicas MOR no son necesarias para una implementación exitosa de la presente invención, pero representan una manera de conseguir un procedimiento escalable en el que la precisión y la velocidad de computación representan un compromiso a elegir por el modelador. En técnicas particulares, tales como (pero sin limitarse a): truncamiento modal, síntesis de modos de componentes, reducción de espacio de Krylov, truncamiento equilibrado, descomposición ortogonal apropiada, muestreo y ponderación con conservación de energía, procedimiento de interpolación empírico y empírico discreto, parametrización modal global, síntesis generalizada de modos de componentes, reducción de modelo lineal con interpolación lineal de trayectoria, ManiMor, descomposición generalizada apropiada, técnicas de reducción de orden del modelo paramétrico, técnicas de hiper-reducción, o cualquier otro procedimiento que sea adecuado para reducir la carga computacional impuesta por los modelos numéricos mediante la reducción del número original de grados de libertad y/o de las ecuaciones. Estas técnicas no sólo tienen la ventaja de reducir el número de grados de libertad, sino que pueden tener algunos beneficios valiosos adicionales, tales como la reducción de la rigidez numérica del problema en cuestión con las consiguientes ventajas desde un punto de vista de los mecanismos matemáticos de resolución (se permiten incrementos de tiempo más grandes, estabilidad mejorada, etc.). Si se usa una técnica MOR, la selección del procedimiento apropiado según un problema específico es de suma importancia; MOR es un arte en sí misma y se requiere un fuerte conocimiento de ingeniería para obtener rendimientos computacionales óptimos sin comprometer drásticamente la precisión.

En la presente invención, podría aprovecharse también una representación eficiente, pero no es una etapa obligatoria. Puede conseguirse mediante medio de técnicas de representación eficientes (como el procedimiento de obtención de imágenes de los modelos numéricos electromecánicos fotorrealistas) mediante el uso de arquitecturas GPU modernas, con su canalización programable. La combinación con modelos de orden reducido beneficia a la invención, permitiendo la generación rápida de imágenes digitales del modelo numérico electromecánico fotorrealista. Más generalmente, el uso de aceleradores masivamente paralelos para calcular de manera eficiente las cantidades de campo simuladas, dentro de un esquema MOR es una etapa técnica no trivial, que amplía los potenciales campos de aplicación industrial de la invención presentada en oposición a otros procedimientos, tales como, por ejemplo, en la solicitud de patente internacional WO2014/127321 cuyo su éxito se basa en un entorno (médico) controlado.

La estimación de las cantidades electromecánicas podría conseguirse mediante una o más técnicas de estimación. Una ventaja de la presente invención es permitir el uso de estimadores en el dominio del tiempo, tales como (pero sin limitarse a) filtrado basado en Kalman, estimación de horizonte de movimiento y/u observador de Luenberger, etc. Los estimadores podrían permitir el uso de modelos numéricos transitorios dinámicos de las máquinas y/o los componentes electromecánicos que incorporan información acerca del historial temporal completo de las cantidades estimadas, incluyendo vídeos e imágenes medidos con una cámara y/o creados con el modelo numérico electromecánico fotorrealista.

En algunas realizaciones, los estimadores podrían permitir recuperar una medida de error estocástico de la discrepancia entre las cantidades electromecánicas físicas y las cantidades electromecánicas estimadas.

La calidad de los vídeos o imágenes de cámara de fotos adquiridos junto con el enfoque de estimación y las medidas de similitud podría permitir alcanzar una precisión comprendida entre uno y tres órdenes de magnitud más pequeña que un tamaño de píxel.

En un aspecto, la presente invención proporciona también un procedimiento para la estimación de una o más de las siguientes cantidades electromecánicas a partir de una máquina o componente electromecánico:

• Parámetros: incluyendo, pero sin limitarse a, densidad, módulos de Young, relaciones de Poisson, parámetros de los materiales, dimensiones físicas, resistencia, capacitancia ...

comprendiendo el procedimiento:

• la creación de un modelo numérico fotorrealista de la máquina electromecánica o parte de la misma;

• una etapa de medición que permite combinar sensores físicos, de entre los cuales al menos uno es un dispositivo de obtención de imágenes que permite capturar el aspecto de la superficie exterior de la máquina electromecánica física o partes de la misma en una o más imágenes 2D,

• una etapa de estimación que combina el modelo numérico fotorrealista y una etapa de medición para proporcionar una estimación de las cantidades electromecánicas deseadas,

• La etapa de estimación se basa principalmente, pero no exclusivamente, en el uso de una métrica de similitud entre al menos dichas una o más imágenes 2D de la máquina electromecánica o partes de la misma y las imágenes generadas gracias al modelo numérico fotorrealista.

En un aspecto, la presente invención se refiere un procedimiento de detección de un objeto físico, comprendiendo el procedimiento la provisión de un objeto virtual fotorrealista de un objeto físico, y la realización de una etapa operativa, comprendiendo la etapa operativa una etapa de medición, comprendiendo la etapa de medición la grabación del objeto físico y la adquisición de las mediciones de campo físicas del objeto físico, y una etapa de estimación, comprendiendo la etapa de estimación la aplicación de excitaciones externas al objeto virtual fotorrealista para crear medidas de campo virtuales fotorrealistas y la comparación de las mediciones de campo virtuales fotorrealistas con las mediciones de campo físicas y, por lo tanto, la detección del objeto físico.

La comparación de las mediciones de campo virtuales fotorrealistas con las mediciones de campo físicas puede comprender hacer coincidir las mediciones de campo virtuales fotorrealistas con las mediciones de campo físicas y recuperar la excitación resultante de dicha coincidencia.

La comparación de las mediciones de campo virtuales fotorrealistas con las mediciones de campo físicas puede comprender la minimización de una función de coste que representa una medida de similitud de las mediciones de campo virtuales fotorrealistas con las mediciones de campo físicas.

Las excitaciones externas pueden ser conocidas o pueden estimarse.

La provisión de un objeto virtual fotorrealista de un objeto físico puede comprender la creación de un modelo u objeto virtual del objeto físico y la texturización del modelo con al menos una imagen del objeto físico.

La creación de un modelo del objeto físico puede comprender una etapa de creación de modelo y una etapa de registro de modelo.

La etapa de registro de modelo puede comprender el posicionamiento y la orientación del objeto físico y del modelo. El modelo puede ser un modelo numérico.

El modelo puede ser un modelo de dos o tres dimensiones.

La texturización del modelo con al menos una imagen puede comprender el uso de un procedimiento de representación basado en imágenes, de manera que el modelo o el objeto virtual del objeto físico sea consistente con la al menos una imagen del objeto físico.

La al menos una imagen puede obtenerse durante la grabación durante la etapa de medición.

En el que la al menos una imagen puede obtenerse mediante unos medios de obtención de fotografías o imágenes de vídeo, medios de obtención de imágenes basados en magnetismo, medios de obtención de imágenes radiográficas, medios de obtención de imágenes de estado sólido o mediante detección de luz de barrido y/o medios de obtención de imágenes termográficas.

Las mediciones de campo físicas del objeto físico pueden obtenerse mediante la medición del objeto físico bajo excitación estática o dinámica.

Las mediciones de campo físicas del objeto físico pueden ser campos físicos distribuidos y/o deformados.

La presente invención se refiere también a un dispositivo que comprende un sistema de procesamiento, estando el sistema de procesamiento adaptado para realizar el procedimiento según se ha descrito anteriormente.

La presente invención se refiere además a un sistema para detectar un objeto físico, comprendiendo el sistema - al menos unos medios para la medición de los campos del objeto físico;

- un procesamiento adaptado para recibir la salida de los al menos unos medios para medir los campos del objeto físico y adaptado para realizar el procedimiento según se ha descrito anteriormente.

Los aspectos particulares y preferidos de la invención se exponen en las reivindicaciones independientes y dependientes adjuntas. Las características de las reivindicaciones dependientes pueden combinarse con las características de las reivindicaciones independientes y con las características de otras reivindicaciones dependientes según sea apropiado y no solo tal como se expone de manera explícita en las reivindicaciones. De manera similar, las características opcionales y/o estándar de los diferentes aspectos pueden combinarse según sea apropiado y no simplemente tal como se exponen explícitamente en las reivindicaciones. Estos y otros aspectos de la invención serán evidentes a partir de las realizaciones descritas a continuación, y se aclararán con referencia a las mismas.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 ilustra un procedimiento según las realizaciones de la presente invención.

La Figura 2 ilustra un procedimiento según las realizaciones de la presente invención.

Las Figuras 3A-3C ilustran la creación de un modelo según las realizaciones de la presente invención.

Las Figuras 4A-4C ilustran una etapa de registro de modelo según las realizaciones de la presente invención.

Las Figuras 5A-5C ilustran la creación de un modelo numérico (electro)mecánico fotorrealista según las realizaciones de la presente invención.

La Figura 6 ilustra imágenes de medición de la máquina y/o del componente (electro)mecánico físico según las realizaciones de la presente invención.

Las Figuras 7A-7D ilustran una etapa o fase de estimación según las realizaciones de la presente invención.

La Figura 8 ilustra un posible diagrama de flujo de trabajo según realizaciones específicas de la presente invención. La Figura 9 ilustra posibles sistemas de hardware-software según las realizaciones de la presente invención.

La Figura 10 ilustra un sumario de un procedimiento según las realizaciones de la presente invención.

Los dibujos son sólo esquemáticos y son no limitativos. En los dibujos, los tamaños de algunos de los elementos pueden estar exagerados y no dibujados a escala con propósitos ilustrativos. Ningún signo de referencia en las reivindicaciones debería interpretarse como limitativo del alcance.

En los diferentes dibujos, los mismos signos de referencia se refieren a los mismos elementos o a elementos análogos.

Descripción detallada de realizaciones ilustrativas

La presente invención se describirá con respecto a realizaciones particulares y con referencia a ciertos dibujos, pero la invención no está limitada a los mismos, sino únicamente por las reivindicaciones. Los dibujos son sólo esquemáticos y no son limitativos. En los dibujos, los tamaños de algunos de los elementos pueden estar exagerados y no dibujados a escala con propósitos ilustrativos. Las dimensiones y las dimensiones relativas no corresponden a las reducciones reales para llevar a la práctica la invención.

Además, los términos primero, segundo y similares en la descripción y en las reivindicaciones se usan para distinguir entre elementos similares y no necesariamente para describir una secuencia, ya sea temporalmente, espacialmente, en una clasificación o de cualquier otra manera. Debe entenderse que los términos usados de esta manera son intercambiables bajo circunstancias apropiadas y que las realizaciones de la invención descritas en la presente memoria pueden funcionar en otras secuencias distintas a las descritas o ilustradas en la presente memoria. Además, los términos sobre, debajo y similares en la descripción y en las reivindicaciones se usan con propósitos descriptivos y no necesariamente para describir las posiciones relativas. Debe entenderse que los términos usados de esta manera son intercambiables bajo circunstancias apropiadas y que las realizaciones de la invención descritas en la presente memoria pueden funcionar en otras orientaciones distintas a las descritas o ilustradas en la presente memoria.

Cabe señalar que la expresión "que comprende", usada en las reivindicaciones, no debería interpretarse como restringida a los medios enumerados a continuación; no excluye otros elementos o etapas. De esta manera, debe interpretarse como que especifica la presencia de las características, números enteros, etapas o componentes enumerados a los que se hace referencia, pero no excluye la presencia o adición de una o más de otras características, números enteros, etapas o componentes, o grupos de los mismos. De esta manera, el alcance de la expresión "un dispositivo que comprende medios A y B" no debería limitarse a dispositivos que consisten solo en los componentes A y B. Significa que, con respecto a la presente invención, los únicos componentes relevantes del dispositivo son A y B. La referencia a lo largo de la presente memoria descriptiva a "una realización" o "forma de realización" significa que un rasgo, una estructura o una característica particular descrita en conexión con la realización está incluida en al menos una realización de la presente invención. De esta manera, las apariciones de las frases "en una realización" o "en una forma de realización" en diversos lugares a lo largo de la presente memoria descriptiva no se refieren necesariamente todas ellas a la misma realización, pero podrían hacerlo. Además, los rasgos, estructuras o características particulares pueden combinarse de cualquier manera adecuada, tal como será evidente para una persona experta en la materia a partir de la presente descripción, en una o más realizaciones.

De manera similar, debería apreciarse que, en la descripción de las realizaciones ejemplares de la invención, en ocasiones diversas características de la invención se agrupan entre sí en una única realización, figura o descripción de las mismas con el propósito de optimizar la descripción y ayudar a la comprensión de uno o más de los diversos aspectos de la invención. Sin embargo, este procedimiento de descripción no debe interpretarse como que refleja una intención de que la invención reivindicada requiere más características que las citadas expresamente en cada reivindicación. En cambio, tal como reflejan las siguientes reivindicaciones, los aspectos de la invención recaen en menos de todas las características de una única realización descrita anteriormente. De esta manera, las reivindicaciones que siguen a la descripción detallada se incorporan expresamente a esta descripción detallada, representando cada reivindicación una realización separada de esta invención.

Además, aunque algunas realizaciones descritas en la presente memoria incluyen algunas, pero no todas, las características incluidas en otras realizaciones, se pretende que las combinaciones de características de las diferentes realizaciones estén incluidas dentro del alcance de la invención y forman realizaciones diferentes, tal como entenderán las personas expertas en la materia. Por ejemplo, en las reivindicaciones siguientes, puede utilizarse cualquiera de las realizaciones reivindicadas en cualquier combinación. En la descripción proporcionada en la presente memoria, se establecen numerosos detalles específicos. Sin embargo, se entiende que las realizaciones de la invención pueden llevarse a la práctica sin estos detalles específicos. En otros casos, los procedimientos, estructuras y técnicas bien conocidas no se han mostrado a detalle con el fin de no oscurecer una comprensión de la presente descripción.

En un primer aspecto, tal como se evidencia en la Figura 1, la presente invención proporciona procedimientos de detección de una máquina y/o un componente electromecánico físico, comprendiendo el procedimiento la provisión de un modelo numérico electromecánico fotorrealista de la máquina y/o el componente electromecánico físico y la realización de una etapa de estimación. La etapa de estimación comprende una etapa de medición y de estimación, comprendiendo la etapa de medición la grabación de la máquina y/o del componente electromecánico físico y la adquisición de una o más imágenes o vídeos de la máquina y/o del componente electromecánico físico y la etapa de estimación comprende la realización de una simulación en el tiempo del modelo numérico electromecánico fotorrealista para crear imágenes fotorrealistas simuladas del modelo numérico electromecánico y la comparación de las imágenes y/o vídeos simulados con las imágenes y/o los vídeos de la máquina electromecánica física y, por lo tanto, la "detección" de la máquina y/o del componente electromecánico físico dentro de un algoritmo de estimación. En realizaciones adicionales, tal como se evidencia en la Figura 2, la provisión de un modelo numérico electromecánico fotorrealista de la máquina y/o del componente electromecánico físico puede conseguirse en una etapa de calibración, mediante la creación de un modelo numérico de la máquina y/o del componente electromecánico físico y la texturización del modelo numérico con al menos una imagen de la máquina y/o el componente electromecánico físico. Como resultado, las realizaciones de la presente invención describen un flujo de trabajo y una metodología para mejorar los modelos numéricos de los sistemas y/u objetos físicos. Más específicamente, para mejorar los modelos numéricos con las mediciones de campo, por ejemplo, imágenes y/o vídeos de la máquina y/o del componente electromecánico físico. Esta mejora puede obtenerse mediante la texturización del modelo numérico mediante el uso de imágenes y/o vídeos de la máquina y/o del componente electromecánico físico.

Las imágenes o vídeos de la máquina y/o del componente electromecánico físico pueden obtenerse mediante cualquier hardware de adquisición dedicado a la captura de imágenes, por ejemplo, cámaras de foto/vídeo digitales.

Según las realizaciones de la presente invención, las imágenes o vídeos son imágenes o vídeos bidimensionales. En realizaciones de la presente invención, el modelo numérico electromecánico fotorrealista se crea de manera que el mismo (o partes del mismo) sea similar a la apariencia de la máquina y/o del componente electromecánico a partir del que se ha obtenido la imagen gracias al hardware y software de adquisición (por ejemplo, cámaras fotográficas y de vídeo). Se hace referencia a esta similitud como "fotoconsistencia". El modelo numérico electromecánico fotorrealista creado permite su visualización fotorrealista bajo diferentes condiciones (por ejemplo, en reposo, en movimiento, estado deformado, temperatura) para ser usado posteriormente para obtener imágenes y/o vídeos de dicho modelo numérico electromecánico fotorrealista.

El modelo numérico electromecánico fotorrealista podría mejorarse con una visualización de (partes de) las cantidades electromecánicas estimadas que son de interés para el usuario de las realizaciones de la presente invención.

En los enfoques de estimación de la técnica actual, los datos obtenidos desde los sensores de campo se transforman en variables que pueden encontrarse directamente en el objeto virtual (por ejemplo, las imágenes de las cámaras se transforman en el movimiento de un número limitado de puntos que, a continuación, pueden compararse con el movimiento de los mismos puntos en un modelo mecánico). Sin embargo, en realizaciones de la presente invención, el modelo numérico electromecánico fotorrealista se crea de manera que se comporte visualmente como la máquina y/o el componente electromecánico físico. De esta manera, las imágenes del modelo numérico electromecánico fotorrealista pueden compararse directamente con las imágenes de la máquina y/o del componente electromecánico, por ejemplo, en su entorno de trabajo.

La comparación puede basarse en procedimientos relacionados con el campo de la correlación de imágenes digitales (Digital Image Correlation, DIC), la comparación de las intensidades de los píxeles, por medio de una estimación de movimiento, gracias a la extracción de características o mediante cualquier otro medio adecuado. Las técnicas de estimación pueden aplicarse posteriormente, por ejemplo, mediante un filtro de Kalman, estimación de horizonte de movimiento (MHE) u observadores de Luenberger. Esta etapa es preferible para conseguir estimaciones de cantidades electromecánicas desconocidas, tales como "campos distribuidos" (por ejemplo, desplazamientos, velocidades, tensiones, deformaciones, aceleraciones, temperaturas, etc.), "mediciones localizadas" (por ejemplo desplazamientos, velocidades, tensiones/deformaciones mecánicas y térmicas, aceleraciones, temperaturas, etc.), "estados del sistema", cargas de entrada o cargas internas desconocidas o cualquier tipo de "entrada" (por ejemplo, fuerzas, pares de torsión, fuentes térmicas, voltaje, etc.) y/o "parámetros" (dimensiones geométricas, rigidez, masa, densidad, propiedades de los materiales, etc.), posiblemente variables en el tiempo. Se hace referencia a los campos distribuidos, las excitaciones desconocidas, los estados del sistema mediciones localizadas y los parámetros, tanto anteriormente como posteriormente, como cantidades electromecánicas estimadas.

La consecución de estimaciones precisas de las variables definidas anteriormente está vinculada a una o más de diversas etapas.

Las realizaciones de la presente invención proporcionan un procedimiento numérico/experimental que comprende una o más de las siguientes etapas o aspectos: una etapa de preparación y una etapa de estimación. De manera que la etapa de preparación puede comprender una etapa de definición y de creación de modelo y una "mejora" fotorrealista del modelo numérico electromecánico. La etapa de estimación puede comprender una fase de medición y una fase de estimación y, más específicamente, una estimación basada en un modelo fotorrealista.

Tal como se indica en general, el procedimiento según las realizaciones de la presente invención puede dividirse en dos fases principales. Una fase de preparación puede comprender las siguientes: etapas en las que el modelo numérico electromecánico se prepara, se registra y se convierte en un modelo numérico electromecánico fotorrealista según las realizaciones de la presente invención. Sin embargo, pueden usarse también otras técnicas alternativas conocidas en la técnica, que conducen al mismo resultado que la fase de preparación, tales como, por ejemplo, un modelo numérico electromecánico fotorrealista, directamente como una entrada a la fase de estimación cuando estén disponibles por otros medios. Según algunas realizaciones de la presente invención, la carga computacional de la simulación del modelo numérico electromecánico fotorrealista se reduce mediante técnicas de reducción de orden del modelo.

La fase de estimación según las realizaciones comprende una fase de medición en la que las imágenes digitales o los vídeos de la máquina y/o del componente electromecánico se adquieren junto con series temporales de otros sensores opcionales y una fase de estimación apropiada en la que se evalúan los valores de las variables deseadas. De manera ventajosa, la fase de estimación usa un modelo numérico electromecánico fotorrealista en el contexto de la estimación. Las imágenes o los vídeos según las realizaciones de la presente invención comprenden imágenes o vídeos bidimensionales.

En realizaciones de la presente invención, puede proporcionarse una fase o etapa de preparación. Dicha fase o etapa de calibración puede comprender (1) una etapa de definición de modelo, (2) una etapa de registro de modelo y (3) una creación de modelo fotorrealista.

Una etapa de creación de modelo según las realizaciones de la presente invención puede comprender una etapa de creación, en la que se usa un procedimiento numérico para crear una representación numérica de una máquina y/o un componente electromecánico físico cuyas variables deben estimarse. En particular, se usan procedimientos que permiten una representación 2D o 3D de la máquina y/o del componente electromecánico físico (por ejemplo, una visualización realista o fotoconsistencia). Las Figuras 3A-3C ilustran la definición y la creación de un modelo según las realizaciones de la presente invención. Como una primera etapa, se crea la geometría del modelo, tal como por ejemplo mediante una nube de puntos, CAD, etc. A continuación, se realiza una discretización del modelo, tal como, por ejemplo, mediante un modelo de elementos finitos (FEM), un modelo multicuerpo flexible, etc.

Como ilustración, las Figuras 3A y 3B ilustran FEMs estructurales de un componente (electro)mecánico, por ejemplo, estructuras de viga simples. Más específicamente, la Figura 3A ilustra una vista superior de un modelo FEM de una viga, mientras que la Figura 3B ilustra un modelo FEM de una viga con forma de L. La Figura 3C ilustra un modelo multicuerpo flexible detallado de la suspensión de un vehículo. En realizaciones, la reconstrucción de forma total o parcial de la máquina y/o del componente electromecánico se refleja en el modelo. Es preferible, aunque la invención no está limitada en este sentido, que el procedimiento elegido sea capaz de representar variables distribuidas, tales como posiciones, aceleraciones, velocidades, tensiones mecánicas y térmicas, tensiones, temperaturas, etc. Los modelos numéricos y los procedimientos de modelado pueden ser, pero no están limitados a: (a) elementos finitos (lineales y no lineales), volúmenes finitos, diferencias finitas, modelos multicuerpo y multicuerpo flexibles, modelos isogeométricos, etc.; (2) una posible opción son procedimientos de modelado que permiten la discretización de sistemas de ecuaciones algebraicas, diferenciales ordinarias, diferenciales parciales y algebraicas-diferenciales; y (3) también es posible una opción adicional de procedimientos de modelado que permiten una representación continua de la máquina y/o del componente electromecánico.

Los ejemplos típicos son modelos de elementos finitos estructurales y térmicos de componentes mecánicos y sistemas multicuerpo flexibles de mecanismos, tal como se encuentran en todos los mecanismos, vehículos, producción de energía, modelos electromecánicos, etc. Estos modelos 3D pueden basarse en los dibujos de diseño CAD o en exploraciones 3D de la máquina y/o del componente electromecánico. En términos generales, los modelos numéricos 2D y 3D que son capaces de representar campos distribuidos son computacionalmente exigentes. En este caso, las técnicas tales como reducción de orden del modelo ("MOR"), lineales y no lineales, son la opción preferida para aumentar la velocidad de cálculo con pérdidas menores de precisión.

Hay disponibles diversas herramientas de investigación y comerciales para realizar la definición y la creación del modelo. Idealmente, el modelo numérico electromecánico debería actualizarse cuidadosamente para adaptarse al comportamiento de la máquina y/o del componente electromecánico físico, por ejemplo, con respecto a las características estáticas y dinámicas o a cualquier otra característica y al comportamiento de interés.

Tras crear el modelo numérico electromecánico fotorrealista, en una etapa siguiente según las realizaciones de la presente invención, podría realizarse un registro de modelo. El registro de modelo puede comprender al menos una de las siguientes etapas: una etapa de reconstrucción de forma, una actualización de la geometría del modelo y del posicionamiento y del cambio de la orientación de la máquina y/o del componente virtual y electromecánico según uno de entre diversos procedimientos conocidos en la técnica.

Pueden usarse diferentes procedimientos con el fin de aumentar la precisión de la comparación entre las imágenes de la máquina y/o del componente electromecánico físico y las imágenes del modelo numérico electromecánico fotorrealista mediante la adición de una mayor "granularidad" o "contraste" a la máquina y/o al componente electromecánico físico. Los procedimientos pueden ser (pero no están limitados a): aplicación de marcadores o patrones de alto contraste, por ejemplo, mediante pintura en aerosol, pegatinas o cualquier medio que pueda usarse para realizar un seguimiento preciso de su geometría. Esta última etapa no es necesaria y la máquina y/o las características naturales (superficie) del componente electromecánico físico pueden usarse cuando la precisión lo permite.

En realizaciones adicionales de la presente invención, la etapa de registro de modelo puede comprender la modificación de la geometría, la ubicación, la orientación en el espacio del objeto virtual con el fin de hacer coincidir estrechamente las mismas características (geométricas) de la máquina y/o del componente electromecánico con respecto a un marco de referencia común elegido. Esta etapa puede conseguirse mediante rutinas de optimización que permiten una alineación y un posicionamiento precisos en el espacio. En particular, pueden usarse dos o más puntos en una configuración de referencia para crear una correspondencia directa entre la geometría del modelo numérico y el sistema físico/la geometría del componente en el espacio. Estos puntos se denominan puntos de control y se usan para orientar el modelo numérico con la mayor precisión posible y alinearlo con el sistema/el componente físico. Este último enfoque es sólo una posibilidad que puede ser usada y la estructura general no está limitada en este sentido. Puede usarse cualquier procedimiento que permita una alineación apropiada y una correspondencia geométrica entre la geometría del modelo numérico y el sistema/componente físico.

Las Figuras 4A-C ilustran el registro de modelo según las realizaciones de la presente invención, en las que la Figura 4A ilustra una imagen de una máquina y/o un componente (electro)mecánico que está sujeto y más específicamente una viga en voladizo mejorada con un patrón moteado. La Figura 4B ilustra la reconstrucción del modelo y más específicamente las reconstrucciones de nube de puntos de la máquina y/o del componente (electro)mecánico. Se proporciona el resultado de una reconstrucción de forma 3D en la que se obtiene una nube de puntos. Finalmente, la Figura 4C ilustra un modelo de elementos finitos (FE) actualizado de la viga en voladizo, donde el modelo numérico se actualiza y su orientación se cambia de manera que sea un modelo FE orientado y posicionado de manera similar a la máquina y/o el componente (electro)mecánico físico. Más específicamente, la superficie del modelo numérico de FE coincide con la nube de puntos y está orientada como el objeto proporcionado en la Figura 4A. Para permitir lo indicado anteriormente, puede usarse un software de adquisición de imágenes con seguimiento de movimiento: por ejemplo, adquisición de imagen y vídeo, seguimiento de blobs, detección de características, etc.

Puede usarse al menos un dispositivo de medición de campo, de manera que estos dispositivos podrían ser, pero no se limitan a (en la presente invención, es preferible el uso de cámaras fotográficas y de vídeo, pero todavía podrían usarse otros medios en el marco de la presente invención, estos otros medios podrían incrementar o disminuir el precio de la instalación, restringir o extender su aplicabilidad industrial y aumentar o reducir su precisión): (a) cámaras fotográficas o de vídeo, en las que la calidad de las imágenes es preferiblemente relativamente alta y libre de ruidos, pueden usarse además imágenes estáticas, el promediado de múltiples imágenes puede mejorar el uso de cámaras de bajo coste y, dependiendo de la precisión deseada, las cámaras pueden ser desde medios de baja fidelidad, tales como webcams, a cámaras de megapíxeles de alta fidelidad y alta velocidad. Según las realizaciones de la presente invención, se usan al menos imágenes o vídeos 2D. Las imágenes y vídeos pueden adquirirse en escala de grises y/o en color (por ejemplo, 8 bits y superiores), (b) unos medios de obtención de imágenes basados en magnetismo, tales como, por ejemplo, un escáner MRI, en el que estos escáneres realizan la obtención de imágenes en base a la respuesta magnética del objeto bajo estudio. Estos escáneres se combinan frecuentemente con procedimientos de tomografía con el fin de construir una información 3D completa. Sin embargo, esta última etapa no es necesaria para los propósitos de estimación descritos en este trabajo; (c) unos medios de obtención de imágenes radiográficas, tales como, por ejemplo, obtención de imágenes de rayos X, de manera que estos dispositivos realizan la obtención de imágenes de campo de un objeto en base a principios radiográficos y son particularmente adecuados para obtener información en el interior de un objeto; (d) un dispositivo de estado sólido o de detección de luz y de exploración, tal como, por ejemplo, Lidar, que proporcionan un campo de información de la distancia de un gran número de puntos con respecto al sensor, y (e) medios o cámaras de obtención de imágenes termográficas, que, mediante la captura de luz en la gama de infrarrojos (en lugar de en rango visible como una cámara de fotos), pueden usarse para detectar temperaturas y pueden usarse también en ausencia de fuentes de luz.

En realizaciones adicionales, la transferencia de datos desde la cámara al PC de destino puede realizarse con cualquier tipo de protocolo dependiendo de la velocidad y de la cantidad de datos a ser transferidos por ejemplo CameraLink, USB3, Gige, CoaXPress, etc. Esta transferencia de datos puede ocurrir en tiempo real, en línea o fuera de línea dependiendo de la aplicación. En realizaciones adicionales pueden usarse dispositivos de captura de imágenes: dada la potencialmente gran cantidad de datos adquiridos, podría necesitarse un dispositivo de captura de fotogramas para permitir una conexión suficientemente rápida entre las cámaras y podrían usarse unos medios de almacenamiento, tales como una memoria RAM, un disco duro o un SSD o cualquier tipo de memoria para este propósito;

En realizaciones adicionales de la presente invención, la etapa de preparación puede comprender además la creación y la visualización de un modelo numérico electromecánico fotorrealista. El procedimiento permite crear una imagen representada del modelo numérico de manera que el campo de medición virtual coincida/se parezca al campo medido (o a parte del mismo) en la máquina y/o el componente electromecánico (o, en otras palabras, el modelo numérico se convierte en fotoconsistente). Puede hacerse referencia al modelo creado resultante como un "modelo numérico electromecánico fotorrealista". Este aspecto puede realizarse mediante cualquier procedimiento de representación basado en imágenes (por ejemplo, mapeo de texturas dependiente del punto de vista) o cualquier procedimiento que permita alcanzar el mismo resultado.

Por ejemplo, pueden usarse las imágenes de la máquina y/o del componente electromecánico físico almacenadas en cualquier etapa anterior y a cada parte de la superficie reconstruida del modelo numérico electromecánico fotorrealista (por ejemplo, compuesto de triángulos y cuadriláteros) se le asigna una textura específica mediante la combinación de la totalidad o parte de las imágenes que cubren visualmente esa parte de superficie específica. La combinación puede obtenerse por ejemplo mediante la aplicación de técnicas de interpolación. La interpolación puede realizarse por ejemplo mediante la selección de pesos proporcionales a una métrica de la distancia entre la superficie seleccionada y la de la cámara. Pueden aplicarse otros procedimientos para combinar texturas o interpolar texturas. La interpolación podría respetar la regla de partición de la unidad. Finalmente, se crea un modelo numérico electromecánico fotorrealista de manera que pueda visualizarse desde uno o más puntos de vista y configuraciones diferentes y es visualmente similar a la máquina y/o al componente electromecánico físico: en una palabra, es fotoconsistente con la máquina y/o el componente electromecánico físico. Las imágenes fotoconsistentes del modelo numérico electromecánico u objeto virtual pueden obtenerse con técnicas tales como representación-a-textura o cualquier otra técnica que permita el almacenamiento de las imágenes reproducidas en las pantallas o dispositivos en general. La etapa de creación de modelo numérico electromecánico fotorrealista puede ser realizada mediante cualquier técnica disponible en el estado de la técnica, en el campo del modelado y de la representación basadas en imágenes.

Las Figuras 5A-5C ilustran la etapa de creación del modelo numérico electromecánico fotorrealista o del objeto virtual según las realizaciones de la presente invención. Mediante el modelado y la representación basados en imágenes (por ejemplo, mediante mapeo de textura dependiente del punto de vista) se crea un modelo numérico electromecánico fotorrealista o un objeto virtual. La Figura 5A ilustra una imagen de una máquina y/o un componente electromecánico físico, por ejemplo, una viga de sujeción, en la que la máquina y/o el componente electromecánico físico se ha mejorado con un patrón moteado. Esta imagen se usa a continuación para crear un objeto virtual texturizado. La Figura 5B ilustra una parte ampliada de la superficie del modelo de FE (que comprende triángulos) en el que la viga está discretizada y superpuesta con los patrones moteados proporcionados por la imagen (la viga moteada en la imagen de la Figura 5A). En la Figura 5B, la textura se asigna a los triángulos de la malla de FE. Finalmente, la Figura 5C ilustra un modelo numérico electromecánico fotorrealista o un objeto virtual según las realizaciones de la presente invención, más específicamente, esta figura ilustra un modelo FE representado de la viga que es similar a o es fotoconsistente con la máquina y/o el componente electromecánico físico representado en la Figura 5A. Las realizaciones de la presente invención comprenden una etapa operativa, en la que la etapa operativa comprende una etapa de medición y de estimación. En realizaciones preferidas, la fase o la etapa de medición comprende la grabación de la máquina y/o el componente electromecánico físico en un único o en una serie de vídeos, instantáneas o imágenes. Estos pueden ser, pero no están limitados a, (a) la máquina y/o el componente electromecánico físico en reposo en su entorno físico; (b) la máquina y/o el componente electromecánico físico sometido a cualquier tipo de excitación interna o externa que es estática, de estado estacionario, transitoria, etc. La máquina y/o el componente electromecánico físico pueden posicionarse en un banco de ensayos y podrían someterse a una excitación interna o externa (incluyendo una excitación nula) que conduce a "campos distribuidos deformados". Estos pueden ser diferentes de los campos distribuidos (deformados o no deformados) capturados en los puntos (a) y (b). En realizaciones preferidas, la máquina y/o el componente electromecánico físico se somete a cualquier tipo de excitación interna o externa que es estática, de estado estacionario, transitoria, etc. La máquina y/o el componente electromecánico físico pueden posicionarse en su entorno de trabajo y podrían someterse a una excitación interna o externa (incluyendo una excitación nula) que conduce a "campos distribuidos deformados". Estos pueden ser diferentes de los campos distribuidos (deformados o no deformados) capturados en los puntos (a) y (b).

En realizaciones preferidas, cualquier situación en la que se crean campos distribuidos o deformados y son adecuados para la grabación y/o pueden tomarse imágenes (por ejemplo, la máquina y/o el componente electromecánico físico es visible).

Siguiendo uno de los escenarios mencionados, se capturan una serie de grabaciones de vídeo o imágenes (una o más).

El potencial hardware y/o software que puede usarse para permitir la etapa de medición puede ser el siguiente:

• Software de seguimiento de movimiento y de adquisición de imágenes: por ejemplo, adquisición de imagen y de vídeo, seguimiento de blobs, detección de características, etc. Estos pueden ser códigos tanto de investigación como comerciales.

• Cámaras fotográficas y de vídeo: Dependiendo de la precisión deseada, las cámaras pueden ser desde medios de baja fidelidad, tales como webcams, hasta cámaras de megapíxeles de alta fidelidad y alta velocidad. Las imágenes y los vídeos pueden adquirirse en escala de grises y en color.

• Sistema de adquisición de sensor: en la fase de medición, pueden adquirirse otras mediciones además de las mediciones visuales para complementar las mediciones visuales, por ejemplo, aceleraciones, velocidades, posiciones, esfuerzos, temperaturas, etc. Pueden usarse sistemas de adquisición de datos dedicados (Dedicated data Acquisition Systems, DAQs) para este propósito siguiendo procedimientos de medición estándar.

• La transferencia de datos desde la cámara al PC de destino puede realizarse con cualquier tipo de protocolo dependiendo de la velocidad y de la cantidad de datos a ser transferidos, por ejemplo, CameraLink, USB3, Gige, CoaXPress, etc.

• Dispositivos de captura de imágenes: dada la potencialmente gran cantidad de datos adquiridos, podría necesitarse un dispositivo de captura de fotogramas para permitir una conexión suficientemente rápida entre las cámaras y pueden usarse unos medios de almacenamiento, tales como una memoria RAM, un disco duro o un SSD o cualquier tipo de memoria para este propósito;

Las imágenes proporcionadas colectivamente como la Figura 6 ilustran varios ejemplos de mediciones de campo físicas (imágenes) de la viga en voladizo adquiridas bajo diferentes condiciones de carga (por ejemplo, excitación externa (estática)) y vistas.

En realizaciones de la presente invención, el procedimiento comprende una etapa de estimación, más específicamente una estimación basada en un modelo numérico electromecánico fotorrealista. En realizaciones adicionales, se usa un modelo numérico electromecánico fotorrealista para crear imágenes o vídeos o instantáneas fotoconsistentes que resultan en "mediciones de campo fotorrealistas" o imágenes del modelo numérico electromecánico fotoconsistente. En la práctica, los campos distribuidos o distribuidos deformados causarán una variación (local y o globalmente) de las mediciones de campo distribuidas (o mediciones virtuales fotorrealistas, por ejemplo, imágenes del modelo numérico electromecánico fotoconsistente), por ejemplo (pero sin limitarse a) las intensidades de los pixeles, lo que conduce a diferencias entre las imágenes de la máquina y/o del componente electromecánico físico y las imágenes del modelo numérico electromecánico fotorrealista. Las imágenes del modelo numérico electromecánico fotorrealista pueden compararse mediante diferentes medios con las imágenes de la máquina y/o del componente electromecánico físico. Si estas imágenes presentan una falta de coincidencia, el modelo numérico electromecánico fotorrealista puede actualizarse o modificarse mediante una de las técnicas descritas a continuación (o cualquier otra técnica que consiga el mismo objetivo) hasta que la falta de coincidencia se minimice en algún sentido. La actualización puede conseguirse variando o perturbando la excitación, los parámetros o los estados de sistema del modelo numérico electromecánico fotorrealista. En términos más simples, cuando la falta de coincidencia entre las imágenes del modelo numérico electromecánico fotorrealista y las imágenes de la máquina y/o del componente electromecánico físico se elimina o se minimiza completamente, entonces la excitación, los parámetros o los estados del objeto virtual se acercarán a la excitación, a los parámetros o a los estados de la máquina y/o del componente electromecánico físico y proporcionan una estimación de los anteriores. Preferiblemente, pero no necesariamente, el enfoque de coincidencia usa un compromiso óptimo entre la incertidumbre de la medición de campo virtual en el modelo numérico y la incertidumbre de la medición de campo en la máquina y/o el componente electromecánico físico, esto puede conseguirse mediante técnicas relacionadas, por ejemplo, con un filtro basado en Kalman y/o estimadores de horizonte de movimiento.

En particular, durante la actualización, se crean campos distribuidos o campos distribuidos deformados mediante la excitación del modelo numérico electromecánico fotorrealista, resultando en vídeos o imágenes fotoconsistentes de una manera similar que para la máquina y/o el componente electromecánico físico. Las imágenes obtenidas a partir del modelo numérico electromecánico fotorrealista se aprovechan para inferir información acerca de la máquina y/o del componente electromecánico físico. Las realizaciones de la presente invención superan de manera ventajosa los procedimientos existentes conocidos en la técnica realizando esta etapa de manera eficiente en lo que se refiere al tiempo y de manera precisa mediante el uso de imágenes de campos distribuidos y distribuidos deformados incluyendo principalmente variaciones de la medición de campo distribuido, por ejemplo (pero sin limitarse a) las intensidades de los píxeles. El uso de dispositivos de medición de campo (por ejemplo, cámaras de fotos y de vídeo) es, de manera ventajosa, menos invasiva que el montaje de sensores discretos populares, tales como células de fuerza, acelerómetros, galgas extensométricas, etc. Además, realización de la presente invención permite, de manera ventajosa, el uso de imágenes (2D) capturadas potencialmente por un único sensor de campo para inferir información acerca de los campos 3D completos de interés. Este es un claro diferenciador con respecto a cualquier otra técnica disponible y resuelve los problemas relacionados con el coste, la calibración, la facilidad de uso y la portabilidad, permitiendo una productividad mucho mayor.

En realizaciones de la presente invención, la estimación (durante la etapa de estimación) puede realizarse en línea o fuera de línea. En este caso, on-line significa que la estimación se realiza como una tarea en paralelo, pero no necesariamente sincronizada con la adquisición de imágenes como un procedimiento recursivo sin interrupciones mientras la máquina y/o el componente electromecánico físico está siendo analizado. En este caso, fuera de línea se refiere al hecho de que un conjunto limitado de imágenes puede ser almacenado, y, potencialmente, puede ser transportado a otra ubicación física en etapas posteriores en el tiempo, para un procesamiento de estimación adicional. En este caso, el procedimiento de estimación se convierte en una etapa de post-procesamiento.

Las siguientes son aplicaciones previstas típicamente (pero de manera no limitativa) del procedimiento según las realizaciones de la presente invención:

• Actualización del modelo: En esta aplicación, se realizan algunos ensayos específicos en la máquina y/o el componente electromecánico físico y se capturan imágenes desde uno o múltiples puntos de vista y/o sensores. Durante el ensayo, una de excitación conocida (o potencialmente desconocida) causa que la máquina y/o el componente electromecánico físico varíe su estado físico con respecto al estado de referencia, por ejemplo, utilizado para la calibración del modelo y crea campos distribuidos o campos distribuidos deformados que, a su vez, resultarán en variaciones de las mediciones de campo físicas capturadas (o imágenes/vídeos). Como ejemplo, puede pensarse en componentes mecánicos que son sometidos a movimiento y/o deformación. Estos movimientos y deformaciones causarán una variación (potencialmente nula) de las intensidades de los píxeles de las imágenes capturadas con respecto a cualquier otra configuración de referencia. El modelo numérico electromecánico fotorrealista puede ser excitado con la misma excitación conocida que se ha aplicado a la máquina y/o al componente electromecánico físico con el fin de crear aproximaciones de los campos distribuidos o distribuidos deformados experimentados por la máquina y/o el componente electromecánico físico. Las mediciones de campo fotorrealistas se simulan en el modelo numérico (por ejemplo, imágenes del modelo numérico electromecánico fotorrealista). Si las mediciones de campo fotorrealistas a partir del modelo numérico y las mediciones de campo físicas no coinciden a un nivel de precisión deseado, entonces los parámetros del modelo numérico fotorrealista pueden actualizarse hasta que se consigue una coincidencia. La coincidencia puede obtenerse gracias (aunque no sólo) a una combinación de técnicas de optimización, técnicas DIC, extracción de características, etc. En una realización las intensidades de los píxeles se usan para crear una correlación o métrica de similitud que se usa como función objetivo a ser minimizada por medio de cualquier estrategia de optimización adecuada. Como ejemplo, se considera una máquina y/o un componente electromecánico físico que experimenta movimiento y/o deformación. El modelo numérico electromecánico fotorrealista se deforma y la textura aplicada que es similar a la apariencia de la máquina y/o el componente electromecánico físico se deforma con el mismo. A continuación, las mediciones de campo fotorrealistas en el modelo numérico pueden simularse gracias a técnicas conocidas, tales como representación-a-textura. Los cálculos pueden realizarse, por ejemplo, tanto en una CPU como en una GPU. Los parámetros del modelo numérico electromecánico fotorrealista pueden actualizarse hasta que la coincidencia entre las mediciones de campo fotorrealistas en el modelo numérico y las mediciones de campo físicas sea satisfactoria (por ejemplo, presenten una distribución de intensidades de píxeles lo más similar posible entre las mismas, lo que significa que las imágenes del modelo numérico electromecánico fotorrealista son similares a las imágenes de la máquina y/o el componente electromecánico físico). Puede conseguirse una coincidencia satisfactoria, por ejemplo, variando los parámetros. Estos pueden ser, pero no están limitados a, los parámetros del material, la rigidez de conexión, la amortiguación, etc. Las técnicas DIC permiten realizar un seguimiento de las variaciones de intensidad de los píxeles con una precisión a nivel de subpíxel de manera que potencialmente pueda detectarse un movimiento o una deformación que normalmente no es visible para el ojo humano. Los posibles casos de aplicación son (pero no están limitados a): (A) actualización de las características cinemáticas del mecanismo (industrial) (por ejemplo, manipuladores robóticos, máquinas industriales implicadas en la producción en serie y en la automatización, tal como por ejemplo telares, cortadoras láser, cadenas de producción de automóviles, etc.), sistemas de suspensión, etc.; (b) actualización de parámetros de los materiales de los componentes en su entorno operativo (por ejemplo, grúas, edificios, vehículos, componentes de vehículos, manipuladores robóticos, máquinas industriales implicadas en la producción en serie y la automatización, aerogeneradores, etc.)

• Estimación de entradas-estados-parámetros: Un campo particularmente activo de investigación está relacionado con la estimación de entradas, estados y parámetros de sistemas mecatrónicos, mecánicos y en general multi-físicos. En particular, el campo del filtrado basado en Kalman y la estimación de horizonte de movimiento (MHE) se usan frecuentemente como marco para combinar mediciones localizadas tomadas, por ejemplo, de posición, velocidades, aceleraciones, esfuerzos, temperaturas, etc. Si un modelo numérico electromecánico fotorrealista actualizado está disponible, pueden capturarse varias mediciones de campo de la máquina y/o del componente electromecánico físico durante las condiciones operativas reales o en un ensayo, por ejemplo, en un banco de ensayos dedicado. Pueden aplicarse excitaciones al modelo numérico electromecánico fotorrealista hasta que las mediciones de campo virtuales (por ejemplo, imágenes y/o vídeos) en el modelo numérico coincidan estrechamente con las imágenes y/o vídeos en la máquina y/o el componente electromecánico físico. En particular, el modelo numérico electromecánico fotorrealista se deforma y la textura aplicada se deformará con el mismo, a continuación, pueden simularse imágenes gracias a técnicas conocidas, tales como representación-a-textura realizadas, por ejemplo, en una CPU o una GPU.

En una realización, las excitaciones estáticas aplicadas son conocidas y se desea una estimación de los estados de la máquina y/o del componente electromecánico físico y/o una estimación de la evolución temporal de los parámetros de la máquina y/o del componente electromecánico físico. Estas pueden obtenerse con la ayuda de cualquier estrategia de optimización local o global disponible adecuada para el propósito (por ejemplo, optimizadores de mínimos cuadrados no lineales, Leuvenberq Marquardt, punto interior, estrategia genética o evolutiva, etc.). Como un subproducto secundario, pero relevante, de la estimación, el modelo numérico electromecánico fotorrealista permite recuperar campos distribuidos deformados 2D y/o 3D estimados precisos del objeto. En una segunda realización, las excitaciones dinámicas aplicadas son conocidas y se desea una estimación de los estados de la máquina y/o del componente electromecánico físico y/o una estimación de la evolución temporal de los parámetros de la máquina y/o del componente electromecánico físico. Estas pueden obtenerse con la ayuda de una de las siguientes técnicas (pero sin limitarse a las mismas): (1) mediante el uso de un enfoque basado en Kalman (lineal o no lineal) en el que las imágenes se incluyen como mediciones y las mediciones de campo fotorrealistas representan las ecuaciones de las mediciones. Las mediciones de campo fotorrealistas en el modelo numérico pueden combinarse potencialmente con uno o más tipos de sensores alternativos, tales como, por ejemplo, acelerómetros, sensores de posición, galgas extensométricas, etc. Las técnicas basadas en Kalman incluyen (pero no están limitadas a) filtros/suavizadores/predictores Kalman lineales, filtro Kalman extendido o sigma-punto no lineal, filtros de varianza mínima, etc.; (2) mediante el uso de un enfoque basado en Kalman (lineal o no lineal) en el que uno o más sensores, tales como, por ejemplo, acelerómetros, sensores de posición, galgas extensométricas, etc., se usan como en una configuración tradicional. Tras la actualización de los estados/parámetros estimados, las mediciones visuales pueden usarse para obtener una coincidencia mejorada de las mediciones de campo fotorrealistas con las mediciones de campo físicas. Este enfoque de dos etapas puede realizarse de manera iterativa hasta que se consiga simultáneamente una coincidencia de la predicción Kalman y las mediciones visuales (por ejemplo, imágenes y/o vídeos) (véase el punto 1 para una lista no exhaustiva de las técnicas basadas en Kalman); (3) técnicas basadas en la estimación de horizonte de movimiento (MHE) en las que las mediciones de campo fotorrealistas se usan como ecuaciones de mediciones; y/o (4) cualquier otro procedimiento (por ejemplo, basado en optimización o basado en filtros) que permita combinar las mediciones y los modelos numéricos para obtener una estimación mejorada de los estados y/o los parámetros (por ejemplo, filtros basados en gradientes, filtros no basados en gradientes, filtros de partículas y procedimientos estocásticos).

Como un subproducto secundario, pero relevante, de la estimación, el modelo numérico electromecánico fotorrealista permite recuperar campos distribuidos deformados estimados precisos, tales como, por ejemplo, campos de posición y de esfuerzo.

En una tercera realización, las excitaciones aplicadas no son conocidas y se desea una estimación de las propias excitaciones y, potencialmente, de los estados y los parámetros del objeto bajo análisis. Estas pueden obtenerse con la ayuda de una de las siguientes técnicas (pero sin limitarse a las mismas): (1) Mediante el uso de un enfoque basado en Kalman (lineal o no lineal) en el que las imágenes se incluyen como mediciones y las mediciones de campo fotorrealistas en el modelo numérico representan las ecuaciones de las mediciones. Las mediciones de campo visuales pueden combinarse potencialmente con uno o más tipos de sensores alternativos, tales como, por ejemplo, acelerómetros, sensores de posición, galgas extensométricas, etc. Las técnicas basadas en Kalman incluyen (pero no están limitadas a) filtros/suavizadores/predictores Kalman lineales, filtro Kalman extendido o sigma-punto no lineal, filtros de varianza mínima, etc.; (2) Mediante el uso de un enfoque basado en Kalman (lineal o no lineal) en el que uno o más sensores, tales como, por ejemplo, acelerómetros, sensores de posición, galgas extensométricas, etc., se usan como en una configuración tradicional. Tras la actualización de los estados/parámetros estimados, las mediciones visuales pueden usarse para obtener una coincidencia mejorada de las mediciones de campo fotorrealistas en el modelo numérico con las mediciones de campo visual en el objeto físico. Este enfoque de dos etapas puede realizarse de manera iterativa hasta que se consiga simultáneamente una coincidencia de la predicción Kalman y las mediciones visuales (véase el punto anterior para una lista no exhaustiva de las técnicas basadas en Kalman); (3) Técnicas basadas en la estimación de horizonte de movimiento (MHE) en las que las mediciones de campo fotorrealistas en el modelo numérico se usan como ecuaciones de mediciones; y/o (4) Cualquier otro procedimiento (por ejemplo, basado en optimización o basado en filtros) que permita combinar las mediciones y los modelos numéricos para obtener una estimación mejorada de las excitaciones y/o los estados y/o los parámetros (por ejemplo, filtros basados en gradientes, filtros no basados en gradientes, filtros de partículas y procedimientos estocásticos). Como un subproducto secundario, pero relevante, de la estimación, el modelo numérico electromecánico fotorrealista permite recuperar campos distribuidos deformados estimados precisos.

El potencial hardware y/o software que puede usarse en la fase de estimación puede ser el siguiente:

• Entorno de modelado: Puede usarse un software de Investigación o comercial para realizar las simulaciones estáticas y dinámicas (por ejemplo, elementos finitos, volúmenes finitos, software de diferencias finitas, software multicuerpo (flexible))

• Software de cálculo de coincidencia de imágenes/campos: El cálculo de coincidencia de imágenes puede realizarse con software ad-hoc dedicado (de investigación o comercial si está disponible) que permita realizar cualquiera o alguna forma de correlación y de cálculo de coincidencia de imágenes (por ejemplo, un software que se usa para realizar el cálculo de coincidencia de imágenes entre el modelo fotorrealista y el sistema/componente físico mediante el uso de las intensidades de píxeles en píxeles individuales o en subconjuntos de píxeles, software DIC, etc.).

• Software de optimización y de estimación: La estimación de estados-entradas y parámetros puede realizarse gracias a (adaptaciones de) bibliotecas basadas en filtros de Kalman, bibliotecas basadas en MHE, bibliotecas de observadores de Luenberger y algoritmos de optimización, tales como, pero sin limitarse a, procedimiento de punto interior, de Levenberg-Marquardt, mínimos cuadrados lineales y no lineales, etc.). Estos pueden ser códigos tanto de investigación como comerciales.

Las Figuras 7A-7D resumen la etapa de estimación según las realizaciones de la presente invención. La Figura 7A ilustra una imagen fotorrealista realizada mediante la aplicación de excitaciones externas al modelo numérico electromecánico fotorrealista (viga fotorrealista). Más específicamente, proporciona evidencia de una medición de campo fotorrealista deformada en el modelo numérico usado en realizaciones de la presente invención. La Figura 7B proporciona tres imágenes que representan la resta entre la medición de campo física (imagen de la viga física) y la medición de campo fotorrealista en el modelo numérico (imagen creada usando el modelo de viga fotorrealista). Cada figura representa una excitación diferente aplicada al modelo numérico electromecánico fotorrealista. Es evidente que la figura más a la derecha muestra un mayor grado de similitud (siendo en su mayoría negra, lo que muestra que la diferencia entre las dos imágenes es pequeña). Aquí, se ilustra la coincidencia de la medición de campo física y la medición de campo fotorrealista, mostrando la figura de la derecha una mejor similitud en comparación con las dos primeras, lo cual es una indicación de que la excitación está bien capturada. La Figura 7C muestra un gráfico en el que el eje horizontal representa la carga aplicada al modelo numérico electromecánico fotorrealista y una función de coste que representa una medida de la similitud entre las mediciones de campo físicas (imagen física) y la medición de campo fotorrealista (obtenida a partir del modelo numérico electromecánico fotorrealista). De esta manera, se proporciona la función de coste (medida de similitud de coincidencia de imágenes) en función de una única excitación externa. Claramente, se encuentra un mínimo alrededor de la ubicación de la carga exacta que se aplicó a la viga física en voladizo. La Figura 7D muestra un gráfico en el que el plano horizontal representa la amplitud de las dos cargas externas aplicadas al modelo numérico electromecánico fotorrealista y una función de coste que representa una medida de la similitud entre las mediciones de campo físicas (imagen física) y la medición de campo fotorrealista en el numérico (obtenida a partir del modelo numérico electromecánico fotorrealista). De esta manera, se proporciona la función de coste (medida de similitud de coincidencia de imágenes) en función de múltiples excitaciones externas. Claramente, se encuentra un mínimo alrededor de la ubicación de la carga exacta que se aplicó a la viga física en voladizo. Una dirección es claramente más "rígida" que la otra, ya que existe el mínimo, pero es menos pronunciado. La Figura 8 ilustra una representación detallada de un flujo de trabajo en la que se representan y se combina la fase operativa, que comprende una etapa de medición y de estimación. Las diferentes etapas/funciones se muestran en la siguiente tabla. La parte izquierda de la gráfica ilustra la fase de medición que puede iniciarse antes o al mismo tiempo con respecto a la fase de estimación (proporcionada en la parte derecha de la gráfica). El diagrama de flujo muestra una potencial combinación con los flujos de trabajo de estimación más estándar, que incluyen sensores discretos. Los bloques destacados en negrita resaltan las partes novedosas propuestas en las realizaciones de la presente invención. La Figura 9 muestra un sistema de hardware-software según las realizaciones de la presente invención que pueden usarse para implementar las realizaciones de un procedimiento según la presente invención. La Figura 10 ilustra un sumario de un procedimiento según las realizaciones de la presente invención. La descripción anterior detalla ciertas realizaciones de la presente invención. Sin embargo, se apreciará que independientemente de lo detallado del texto anterior, la presente invención puede practicarse de muchas maneras. Cabe señalar que el uso de terminología particular, cuando se describen ciertas características o aspectos de la descripción, no debería considerarse que implica que la terminología se esté re-definiendo en la presente memoria de manera que se restrinja para incluir cualquier característica específica de las características o aspectos de la descripción con la que está asociada esa terminología. Aunque la descripción detallada anterior ha mostrado, descrito y señalado características novedosas de la invención, tal como se aplican a varias realizaciones, se entenderá que las personas expertas en la tecnología pueden realizar diversas omisiones, sustituciones y cambios en la forma y en los detalles del dispositivo o del procedimiento ilustrado, sin apartarse del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de detección de un objeto físico, comprendiendo el procedimiento

- la provisión de un objeto virtual fotorrealista del objeto físico;

- la realización de una etapa de medición, comprendiendo la etapa de medición la grabación del objeto físico y la adquisición de mediciones (808) de campo físicas del objeto físico que comprenden al menos una imagen dimensional;

- la realización de una etapa de estimación, comprendiendo la etapa de estimación la aplicación de excitaciones externas al objeto virtual fotorrealista para crear mediciones (813) de campo virtuales fotorrealistas y la comparación de las mediciones (813) de campo virtuales fotorrealistas con las mediciones (808) de campo físicas y, por lo tanto, la detección del objeto físico,

caracterizado por que

el objeto virtual fotorrealista reproduce las intensidades de los píxeles de una imagen del objeto físico y la al menos una imagen dimensional es al menos una imagen bidimensional para proporcionar las intensidades de píxeles de la imagen, y

en el que dicha comparación comprende comparar las intensidades de los píxeles de las mediciones (813) de campo virtuales fotorrealistas con las intensidades de píxeles correspondientes de las mediciones (808) de campo físicas.

2. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la detección de un objeto físico comprende la estimación de una o más de las siguientes cantidades (807) del objeto físico:

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el objeto físico es una máquina y/o un componente electromecánico.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la provisión de un objeto virtual fotorrealista comprende la creación de un modelo (826) numérico fotorrealista del objeto físico.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la realización de una etapa de medición comprende combinar las salidas de sensores físicos, de entre los cuales al menos uno es un dispositivo de obtención de imágenes para la visualización de la superficie externa del objeto físico en al menos una imagen bidimensional.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la medida en que dependen de las reivindicaciones 3 y 4, en el que la realización de una etapa de estimación comprende combinar el modelo (826) numérico fotorrealista y la etapa de medición para proporcionar una estimación de las cantidades electromecánicas deseadas y en el que la etapa de estimación se basa al menos en el uso de una métrica de similitud entre la al menos una imagen bidimensional de la máquina electromecánica o partes de la misma y las imágenes generadas por el modelo numérico fotorrealista.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el comportamiento físico del objeto virtual fotorrealista del objeto físico se describe mediante un modelo (826) estático o dinámico obtenido como una aproximación discretizada de un sistema, en el que la aproximación discretizada del sistema se describe mediante una o una combinación de ecuaciones diferenciales ordinarias, diferenciales parciales o algebraicas diferenciales, modelo de elementos finitos, modelo de computación de dinámica de fluidos, modelo multicuerpo flexible.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el objeto virtual fotorrealista del objeto físico usa una o más técnicas de reducción de orden del modelo, lineales o no lineales, en el que las una o más técnicas de reducción de orden del modelo, lineales o no lineales, son uno o más de entre síntesis de modos de componentes, procedimientos basados en Krylov, descomposición ortogonal apropiada, descomposición de modo dinámico, truncamiento equilibrado, procedimiento de interpolación empírica discreta, muestreo y ponderación con conservación de energía.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el modelo se resuelve en el dominio del tiempo.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la estimación se obtiene a partir de técnicas de filtrado dinámico, tales como técnicas basadas en Kalman, técnicas de estimación de horizonte de movimiento u observador de Luenberger, combinando vídeos, imágenes y el modelo numérico fotorrealista.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la medida que dependen de la reivindicación 2, en el que la etapa de estimación permite la evaluación de los límites de error estocásticos de las cantidades (809) estimadas del objeto físico.

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la medida que dependen de la reivindicación 2, en el que el procedimiento comprende medir y usar un subconjunto de las cantidades (807) del objeto 3 físico como una entrada conocida para el objeto virtual fotorrealista.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el procedimiento comprende medir y usar cantidades (807) electromecánicas adicionales, además de vídeos e imágenes obtenidos con cámaras durante la etapa de estimación.

14. Dispositivo que comprende un sistema de procesamiento, estando el sistema de procesamiento programado para realizar un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.

15. Sistema para caracterizar un objeto físico, comprendiendo el sistema:

• al menos unos medios para la medición de cantidades (807) del objeto físico;

• un procesador adaptado para recibir la salida de los al menos unos medios para medir los campos del objeto físico y adaptado para realizar el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.