ES2893998A1

ES2893998A1 - Sistema y procedimiento de inspeccion de infraestructuras

Info

Publication number: ES2893998A1
Application number: ES202030822A
Authority: ES
Inventors: Gonzalez Carlos José Bernabeu
Original assignee: Arborea Intellbird SL
Current assignee: Arborea Intellbird SL
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2022-02-10
Also published as: US20230350066A1; WO2022023594A1; EP4191284A4; EP4191284A1

Abstract

Sistema y procedimiento de inspección de infraestructuras, comprendiendo medios para generar un modelo tridimensional de una infraestructura específica, tales como un sensor LIDAR o fotogramétrico a bordo de un helicóptero o de un UAV, modelo que sirve de base para crear una secuencia de waypoints conforme a la cual se programará la ruta que seguirán ulteriormente los vehículos dedicados a la inspección de esa infraestructura, siendo estos vehículos preferentemente UAVs multirrotor, que realizarán su inspección mediante la toma de datos sin sensor LIDAR y que al llevar su ruta programada podrán prescindir de equipamiento electrónico de procesado complejo a bordo, todo lo cual redunda en una mayor autonomía de vuelo.

Description

DESCRIPCIÓN

SISTEMA Y PROCEDIMIENTO DE INSPECCION DE INFRAESTRUCTURAS

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención tiene por objeto un procedimiento y un sistema de inspección de infraestructuras, mediante el empleo de un modelo tridimensional de la infraestructura, a partir del cual se obtiene una ruta de inspección conforme a la que se programarán los vehículos de inspección de esa infraestructura.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los fallos en infraestructuras industriales crean situaciones de algo riesgo y pueden derivar en accidentes o en importantes perjuicios para su titular (derrames de combustible, cortes de suministro eléctrico), por lo que es conveniente anticiparse a esos fallos o detectarlos en una fase temprana, mediante inspecciones rutinarias. En determinadas áreas industriales, estas inspecciones son de carácter obligatorio.

En el caso de las infraestructuras lineales, como gasoductos, líneas férreas o tendidos eléctricos, a las que preferentemente se aplica la presente invención, son conocidos procedimientos de inspección que comprenden una etapa de captación de imágenes, las cuales son posteriormente procesadas.

WO 2007/010473 (CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICHERCHE), 25/01/2007, “Sistema y método automáticos para la inspección visual de infraestructuras”, se refiere específicamente a líneas de ferrocarril y está dirigida a detectar la ausencia de determinados componentes de la línea, como piezas de fijación de los raíles. Para ello se captan secuencias de imágenes de porciones de la infraestructura, se determinan sus coordenadas geométricas y con ayuda de ellas, se crean subimágenes correspondientes a la posición que, conforme a información preexistente, ocupan aquellos componentes. Posteriormente, se procesan las subimágenes para determinar la presencia o ausencia de los componentes en cuestión.

EP1548908 (UNION FENOSA DISTRIBUCION, SA), 29/06/2005, “Método y dispositivo para la inspección de infraestructuras lineales”, describe un dispositivo instalado en un teléfono móvil, para la captación de imágenes a bordo de un helicóptero. Los medios de captación de imágenes se orientan hacia la infraestructura de forma automática o semiautomática, basándose en datos de posiciones espaciales de la infraestructura que están almacenados en el sistema.

El uso de helicópteros para la captación de datos en procesos de inspección de infraestructuras lineales es un procedimiento muy extendido actualmente, que sin embargo presenta importantes problemas, por su elevado coste repercutido, especialmente en líneas de media tensión, y porque en todo caso requiere de una tripulación humana que está expuesta a accidentes. Por ello, en la actualidad la tendencia es a usar vehículos no tripulados, que pueden operar mediante pilotaje remoto o conforme a una ruta automática programada. Estos vehículos pueden ser de desplazamiento terrestre (conocidos como UGV, acrónimo de Unmaned Ground Vehicle o vehículo terrestre no tripulado), acuático (ROUV o ROV, Remotedly Operated Underwater Vehicle o vehículo subacuático operado remotamente), o aéreo (UAV, Unmanned Aerial Vehicle o vehículo aéreo no tripulado, comúnmente conocidos como drones).

Los UAV, y concretamente los de tipo multirrotor (dotados de brazos con hélices), por su capacidad de vuelo estacionario, son los vehículos no tripulados en principio más aptos para la captación de datos de infraestructuras, en sustitución de los helicópteros convencionales. Los UAV multirrotor presentan sobre el papel múltiples ventajas frente al empleo de helicópteros tripulados, como su menor coste, reducida logística de operación, capacidad de despliegue rápido y ausencia de riesgos personales.

Sin embargo, la captación de datos en una infraestructura mediante un UAV requiere la localización precisa, sobre un trazado preestablecido (que puede haberse obtenido mediante el escaneado de la infraestructura), del elemento infraestructural sobre el que se realice la captación de datos, y el consiguiente posicionamiento de la aeronave a la distancia adecuada para orientar sus sensores hacia el elemento en cuestión. Esto implica el procesado a bordo, en tiempo real, de los datos aportados por los sensores de reconocimiento del UAV (LIDAR de barrido, dispositivos de procesado de visión a bordo). Los datos adquiridos por el UAV pueden ser, por ejemplo, imágenes de vídeo sobre las que se aplica visión artificial, o bien nubes de puntos obtenidas por un sistema de barrido LIDAR. Tales dispositivos y operaciones consumen mucha energía y reducen sustancialmente la autonomía de vuelo, además de la carga de pago que suponen y que también afecta negativamente a la autonomía. Este es el gran inconveniente que, en la actualidad, está impidiendo que los UAVs compitan favorablemente, especialmente en algunas tareas de inspección de infraestructuras lineales, con los helicópteros, que tienen mayor autonomía y capacidad de carga.

El objeto de la presente patente es un sistema y un procedimiento de inspección de infraestructuras, dirigidos a la optimización de la toma de datos en dichas inspecciones, las cuales se llevan a cabo por un vehículo no tripulado, preferentemente un UAV. Partiendo de un modelo tridimensional de la infraestructura, se configura una ruta de inspección, en la cual se determinarán los puntos precisos (precisión obtenible gracias a que se toma como base una nube de puntos tridimensional) en los que el vehículo debe posicionarse y los datos que debe adquirir en ellos. El posicionado automático y preciso de los UAV a la distancia y ángulo que un experto en la materia pueda considerar óptimos en relación con el elemento objeto de inspección es esencial para poder ejecutar la toma de datos de manera rápida. Cuanto más eficiente y rápida sea la obtención de datos de inspección, menos energía consumirá el UAV y por tanto mayor será su autonomía para extender la inspección a mayores distancias. Además, programando su ruta de inspección con arreglo a dichos puntos de posicionamiento, el vehículo solo necesitará seguir la ruta automáticamente, por lo que no precisará de dispositivos electrónicos para el procesado de datos complejos a bordo, con el consiguiente ahorro de peso, consumo y por tanto incremento de la autonomía.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene por objeto un sistema y un procedimiento de inspección de infraestructuras. Se entiende por infraestructura cualquier construcción humana, sea para uso de la población (edificios de viviendas, puentes, carreteras, líneas férreas) o para fines distintos, tales como la producción de energía (aerogeneradores) o su transporte (oleoductos, gasoductos, tendidos eléctricos, que a estos efectos se denominarán infraestructuras lineales, a las que se aplica preferentemente esta invención).

El procedimiento propuesto por la invención debe implementarse sobre una infraestructura específica, ya que toma en consideración su localización y diseño espacial único. Por ello, el resultado obtenido valdrá únicamente para esa infraestructura, en el bien entendido de que la invención es susceptible de aplicación industrial, pues puede implementarse sobre cualquier infraestructura. Como podrá deducirse de la explicación que sigue, la invención halla su utilidad cuando sobre una infraestructura se pretendan realizar sucesivas operaciones de inspección (por ejemplo, como parte de un programa rutinario de mantenimiento), más que cuando se trate de realizar una primera y única inspección debido a un acaecimiento puntual, como un incendio o derrumbe.

El sistema de inspección de infraestructuras comprende medios para generar un modelo estructural digital de una infraestructura, medios para configurar una ruta de inspección y al menos un vehículo de inspección.

Los medios para generar un modelo estructural digital de una infraestructura darán como resultado una representación tridimensional de la infraestructura y de su área circundante.

En una realización preferente, estos medios comprenden al menos un sensor LIDAR (acrónimo del inglés Light Detection And Ranging). Este tipo de sensores consta de un emisor de rayos láser y permite determinar la distancia desde dicho emisor a un objeto o superficie, usando un haz de láser pulsado. Los sensores LIDAR escanean una superficie, generando una densa nube de puntos, con una exactitud de elevación vertical que actualmente es de 2-3 centímetros. Otros medios conocidos de generar un modelo estructural de una infraestructura son los sensores o cámaras fotogramétricas, cuyo uso implica la toma de fotografías aéreas solapadas y su posterior procesado, obteniéndose también una nube de puntos. Con las nubes de puntos obtenidas por cualquiera de estos medios se pueden generar modelos en tres dimensiones del área escaneada, por ejemplo, puede obtenerse un modelo tridimensional de un gasoducto o un tendido eléctrico.

A fin de escanear la infraestructura, los medios de generación de un modelo estructural normalmente se encontrarán a bordo de un vehículo, sea guiado por un piloto o programado para realizar una ruta automática a lo largo de la extensión de la infraestructura. Este vehículo será preferentemente aéreo, por ejemplo un helicóptero convencional o un UAV. No obstante, los sensores de escaneo pueden operarse de otras formas, incluso siendo portados por una persona y accionados manualmente. Los distintos vehículos o modos de operación mencionados pueden emplearse combinadamente a lo largo del recorrido de la infraestructura.

Una vez escaneada la infraestructura, su modelo estructural digital puede obtenerse por cualquiera de los medios convencionales. Dicho escaneo de la infraestructura, especialmente si se trata de una infraestructura lineal, previsiblemente requerirá de un esfuerzo considerable, con la ventaja de que, en virtud de los componentes adicionales del sistema y del procedimiento objeto de la patente, ese esfuerzo se aprovechará para la realización de un número indefinido de inspecciones automáticas posteriores sobre esa misma infraestructura.

La invención parte de la constatación de un hecho obvio: la localización espacial de una infraestructura específica es siempre la misma. Por ello, un modelo tridimensional de esa infraestructura, a base de nubes de puntos, puede tomarse como base para configurar una ruta de inspección, la cual será siempre la misma porque el objeto que se toma como referencia para configurarla es siempre el mismo, de modo que los puntos críticos para posicionamiento del vehículo y los obstáculos que habrá de salvar serán siempre los mismos.

En segundo lugar, el sistema comprende medios para configurar al menos una ruta de inspección. Dichos medios comprenden un programa informático para la obtención de una secuencia de puntos espaciales de posicionamiento. Los puntos espaciales de posicionamiento son conocidos en la técnica como waypoints. Un waypoint consiste en un conjunto de coordenadas que identifican un punto específico en el espacio mediante las tres dimensiones (longitud, latitud, altitud). El estado de la técnica permite programar waypoints a partir de imágenes georeferenciadas, incluyendo entre estas imágenes una nube de puntos, por ejemplo una nube de puntos obtenida mediante el escaneo digital de una infraestructura. El tomar como base una nube de puntos permite programar los waypoints con una precisión centrimétrica entre puntos ubicados en un espacio tridimensional.

Finalmente, el sistema de inspección de infraestructuras comprende al menos un vehículo de inspección. Son aptos para este fin cualesquiera de los vehículos de control remoto conocidos en el estado de la técnica (UGV, ROV UAV) o que puedan desarrollarse. En una tarea de inspección de una infraestructura pueden emplearse, conforme a la invención, varios vehículos simultánea o sucesivamente, por ejemplo, un enjambre de UAVs, cada uno programado para cubrir una parte de la extensión de la infraestructura.

El al menos un vehículo de inspección no tiene instalado un sensor LIDAR, ya que su cometido no es escanear la infraestructura objeto de inspección. Asimismo, al seguir una ruta preconfigurada, con programación de los puntos específicos donde se hayan de adquirir datos (por ejemplo, tomar fotografías en puntos críticos de la infraestructura), y al procesarse estos datos en tierra, el vehículo de inspección no requiere ni sistema de procesado de vision a bordo, ni de sensor LIDAR de barrido, lo que ahorra energía y redunda en una mayor autonomía operativa. El vehículo de inspección está dotado de un sensor básico de detección de obstáculos, que permita variar el rumbo para evitar el obstáculo y volver a la ruta programada, para el supuesto hipotético de que, entre el momento en que se realizaron las operaciones de escaneado y el momento en que se realiza un trabajo de inspección, se haya interpuesto en algún punto un obstáculo imprevisto, por ejemplo, hayan crecido las ramas de un árbol. Este último sensor no requiere de componentes asociados para el procesamiento complejo a bordo de la información, con el consiguiente ahorro de energía.

En un segundo aspecto, la invención tiene por objeto un procedimiento de inspección de infraestructuras implementado por el sistema descrito.

El procedimiento comprende en una primera etapa generar un modelo estructural de una infraestructura específica, lo que se realiza mediante el empleo de los medios que han sido precedentemente descritos.

En una segunda etapa, el procedimiento comprende configurar una ruta de inspección.

En una tercera etapa, el método comprende programar al menos un vehículo de inspección para que siga una ruta de inspección a lo largo de todo o parte de la infraestructura. Este recorrido de inspección podrá repetirse siempre que sea necesario, a partir de la ruta obtenida en la segunda etapa.

En una cuarta etapa, se procesan los datos adquiridos por el al menos un vehículo de inspección en su ruta.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

En un primer aspecto, la presente invención tiene por objeto un sistema de inspección de infraestructuras, referido a una infraestructura específica, con una localización física única. En un modo preferente de realización, la invención se aplica a una infraestructura lineal, como pueda ser un tendido eléctrico. La infraestructura tiene puntos que, a efectos de las tareas de inspección, se consideran críticos por ser más probable que en ellos se produzcan defectos o fallos estructurales.

El sistema comprende medios para generar un modelo estructural digital de dicha infraestructura. En un modo de realización preferente, estos medios primeramente comprenden un sensor LiDAR. En otro modo de realización, dichos medios comprenden un sensor fotogramétrico, o una agrupación de dichos sensores. Los sensores de uno u otro tipo están preferentemente instalados a bordo de una aeronave, que puede ser un helicóptero convencional o un UAV, a ambos, cubriendo cada uno porciones distintas de la infraestructura lineal, para su escaneo. El resultado de dicho escaneo con cualquiera de estos medios será una nube de puntos de alta densidad.

Los medios para generar un modelo estructural digital de una infraestructura en segundo lugar comprenden un programa informático para el tratamiento de la nube de puntos obtenida mediante el escaneo físico de la infraestructura, a fin de generar dicho modelo estructural, concretamente una representación tridimensional. Cualquiera de los programas conocidos en la técnica puede usarse para este fin.

El sistema de inspección de infraestructuras asimismo comprende medios para la configuración de una ruta de inspección. En un modo de realización preferente, dichos medios comprenden un programa informático que se emplea en relación con las siguientes funciones: la detección de la infraestructura escaneada, a partir de la mencionada nube de puntos; el cálculo de puntos de parada del vehículo de inspección en los elementos críticos de la infraestructura, la conversión de los puntos de parada en una secuencia de puntos espaciales de posicionamiento o waypoints, el establecimiento de acciones específicas de captación de datos asociadas a dichos waypoints y la unión de dichos waypoints en una ruta programable en un vehículo de inspección.

Finalmente, el sistema de inspección de infraestructuras comprende un vehículo de inspección, preferentemente una aeronave no tripulada UAV multirrotor. El UAV está equipado con un sistema de posicionamiento por satélite capaz de conectarse a varias redes satélites, como GPS, GLONASS, BeiDou o GALILEO. Asimismo, el UAV está dotado de un sensor básico de detección y evitación de obstáculos. Adicionalmente, el UAV está dotado de un sistema de posicionamiento de alta precisión, por ejemplo, un sistema del tipo RTK (Real-Time Kinematics).

El procedimiento comprende, en una primera etapa, generar un modelo estructural digital de una infraestructura específica, que preferentemente consiste en generar un modelo tridimensional de dicha infraestructura.

Esta primera etapa comprende una primera subetapa consistente en escanear la infraestructura; una segunda subetapa consistente en generar una nube de puntos y una tercera subetapa consistente en procesar informáticamente la nube de puntos, a fin de obtener el mencionado modelo estructural digital de la infraestructura.

En una segunda etapa, el procedimiento comprende configurar una ruta de inspección. Esta etapa se realiza preferentemente con la intervención personal de un operador, que utiliza el programa informático comprendido en los medios para configurar una ruta de inspección, anteriormente mencionado.

Esta segunda etapa comprende una primera subetapa consistente en detectar la infraestructura a partir de la nube de puntos obtenida en la etapa anterior. Una segunda subetapa consistente en calcular unos puntos de parada del vehículo de inspección en puntos de la nube de puntos asociados a elementos crítricos de la infraestructura, una tercera subetapa consistente en convertir los puntos de parada en una secuencia de puntos espaciales de posicionamiento o waypoints, una cuarta subetapa consistente en programar al menos una acción de captación de datos (por ejemplo, toma de fotografías) en cada punto de parada del vehículo de inspección y una quinta subetapa consistente en unir los waypoints para configurar una ruta programable en un vehículo de inspección.

En una tercera etapa, el método comprende programar al menos un vehículo de inspección con la ruta programable obtenida como resultado de la etapa anterior. Se trata del procedimiento convencional de transmitir al piloto automático de la aeronave la ruta programada, lo que puede realizarse por cualquiera de los medios conocidos: conectando el vehículo al ordenador donde está programada la ruta, empleando un dispositivo USB, o transmitiendo el programa inalámbricamente por conexión wifi o bluetooth. El piloto automático del vehículo ejecutará la ruta programada.

En una cuarta etapa, el método comprende procesar los datos captados por al menos un vehículo de inspección tras seguir la ruta de inspección, a fin de detectar fallos estructurales. Preferentemente, esta etapa se realiza en un sistema informático en tierra y en gabinete, de manera diferida a la toma de datos.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Sistema de inspección de infraestructuras caracterizado porque comprende medios de generación de un modelo estructural digital de una infraestructura, medios para configurar una ruta de inspección y al menos un vehículo de inspección.

2. Sistema de inspección de infraestructuras según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de generación de un modelo estructural de una infraestructura comprenden un sensor LIDAR.

3. Sistema de inspección de infraestructuras según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de generación de un modelo estructural de una infraestructura comprenden al menos un sensor fotogramétrico.

4. Sistema de inspección de infraestructuras según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios para configurar una ruta de inspección comprenden al menos un programa informático para la obtención de al menos una secuencia de puntos espaciales de posicionamiento.

5. Sistema de inspección de infraestructuras según la reivindicación 4, caracterizado porque el al menos un vehículo de inspección sigue una ruta programada conforme a la al menos una secuencia de puntos espaciales de posicionamiento.

6. Sistema de inspección de infraestructuras según la reivindicación 1, caracterizado porque el al menos un vehículo de inspección es una aeronave no tripulada UAV multirrotor.

7. Procedimiento de inspección de infraestructuras caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

a) Generar un modelo estructural digital de una infraestructura.

b) Configurar una ruta de inspeccion.

c) Programar la ruta de inspección en al menos un vehículo de inspección.

d) Procesar los datos adquiridos por el al menos un vehículo de inspección.

8. Procedimiento de inspección de infraestructuras según la reivindicación 7, caracterizado porque la etapa a) comprende una primera subetapa de escaneo de la infraestructura, una segunda subetapa de generación de una nube de puntos y una tercera subetapa de procesamiento de la nube de puntos.

9. Procedimiento de inspección de infraestructuras según la reivindicación 7, caracterizado porque la etapa b) comprende una subetapa de detección de la infraestructura a partir de la nube de puntos.

10. Procedimiento de inspección de infraestructuras según la reivindicación 9, caracterizado porque la etapa b) comprende una subetapa de cálculo de unos puntos de parada de al menos un vehículo de inspección en puntos de la nube de puntos asociados a elementos críticos de la infraestructura.

11. Procedimiento de inspección de infraestructuras según la reivindicación 10, caracterizado porque la etapa b) comprende una subetapa de conversión de los puntos de parada en una secuencia de puntos espaciales de posicionamiento.

12. Procedimiento de inspección de infraestructuras según la reivindicación 10, caracterizado porque la etapa b) comprende una subetapa de programación de al menos una acción de captación de datos en cada punto de parada del al menos un vehículo de inspección.

13. Procedimiento de inspección de infraestructuras según la reivindicación 11, caracterizado porque la etapa b) comprende una subetapa de configuración de una ruta de inspección mediante la unión de la secuencia de puntos espaciales de posicionamiento.