Sistema inalámbrico de bajo coste con localización automática basada en el tratamiento de imágenes para ensayos dinámicos de infraestructuras que evita la colocación precisa de los sensores basándose en dispositivos inalámbricos dotados de cámaras de bajo coste monitorizadas,

permitiendo mediante el tratamiento de imágenes obtener la posición relativa de los sensores respecto a un punto conocido.

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

Objeto de la invención

La presente invención se encuadra en el campo de la monitorización de estructuras. El sistema inalámbrico de bajo coste desarrollado permite la localización de la posición relativa, respecto de unos puntos de referencia conocidos, de los sensores de monitorización de la estructura mediante cámaras de bajo coste y posterior tratamiento de las imágenes.

Antecedentes de la invención

Con el paso del tiempo, la fluencia de hormigón, la fatiga causada en los ciclos de carga y descarga en las infraestructuras por el tráfico, el clima, las obras de construcción, ampliación o remodelación, la rotura de elementos estructurales como tirantes de pretensado etc. pueden provocar pérdida de rigidez, formación de grietas, corrosión en las uniones y las armaduras resistentes, que también pueden convertirse en un peligro estructural.

En las obras públicas, y en particular los puentes, se hace precisa una inspección regular para efectuar una detección temprana de cualquier defecto susceptible de producir pérdida de rigidez y de este modo evaluar de forma actualizada la seguridad y la fiabilidad de las estructuras.

Las técnicas de monitorización de salud estructural, están ganando aceptación en el sector de las infraestructuras como una forma fiable y económica de alertar a los ingenieros en las fases iniciales de formación de defectos, y de advertirles lo más rápido posible sobre la necesidad de efectuar las oportunas labores de mantenimiento.

La monitorización de salud estructural se ha trabajado desde finales del siglo XIX, cuando los trabajadores de las vías escuchaban las emisiones acústicas de la misma a fin de detectar fallas o grietas. Estas técnicas de reconocimiento visual o auditivo, son las alternativas más utilizadas cuando se carece de la tecnología para realizar un estudio más adecuado. Gracias al avance computacional de los últimos 30 años, se han desarrollado varias técnicas basadas en principios físicos y análisis más profundos, con respecto de los realizados en épocas anteriores.

Con sensores verificando continuamente la aparición de los primeros signos de desgaste, se pueden detectar las pérdidas de rigidez mucho antes que mediante métodos visuales tradicionales, realizar el mantenimiento adecuado en el momento correcto, y posiblemente impedir desperfectos masivos.

Adicionalmente, una detección y localización del daño tempranas permite que los trabajos de mantenimiento y reparación puedan ser programados adecuadamente.

De esta forma se puede minimizar, no solo los costes anuales de reparación, sino evitar también lapsos de tiempo que pueden representar un coste económico mayor (por ejemplo, retrasos del tráfico debido a una reparación importante del puente).

Típicamente en países desarrollados el número de puentes existentes, ya construidos y con un grado de envejecimiento significativo, excede al de nuevos puentes a ser construidos. Por ello, los costes de mantenimiento, reparación y rehabilitación pueden representar un peso excesivo en las economías futuras nacionales. Este hecho exige una gestión integral del mantenimiento de puentes.

Para evitar los elevados costes de reparación, un método de evaluación del estado de deterioro de un puente tiene que ser capaz de evaluar la pérdida de rigidez de la estructura por el paso del tiempo. La inspección mediante ensayos dinámicos de la estructura bajo cargas medioambientales no controladas suministra una herramienta valiosa y de fácil implantación, ya que no perturba las condiciones de servicio de la misma, no siendo necesario cortar el tráfico para la realización del ensayo. La inspección dinámica posee unas ventajas distintivas en comparación con otros métodos, como por ejemplo, los chequeos visuales periódicos, ya que permite detectar daños estructurales no visibles o poco accesibles a la inspección.

Por otra parte, la respuesta dinámica de un puente que se registra en un ensayo dinámico indica de forma global la posible existencia de daño, en el caso de producirse una reducción de rigidez y por consiguiente una modificación de sus características modales (frecuencias y modos de vibración principalmente). Por el contrario en un ensayo estático las medidas localizadas en determinadas secciones no aseguran en general la aparición de un deterioro estructural.

La inspección por vibración de estructuras de ingeniería civil ha ganado un gran interés a lo largo de la pasada década, debido a su relativa facilidad de instrumentación y al desarrollo de nuevas técnicas de identificación muy potentes, capaces de extraer las propiedades modales de la estructura a partir de las medidas de aceleraciones, desplazamientos y/o deformaciones. Se está prestando especial atención a las técnicas que hacen uso de datos operacionales (ensayos bajo cargas de servicio).

Los sistemas típicamente utilizados se basan en sensores cableados que se registran en un equipo de adquisición para posteriormente realizar un análisis de los datos obtenidos, de acuerdo al siguiente esquema:

1. Identificación de los puntos en los que es necesario realizar la medida.

2. Colocación precisa de los sensores.

3. Cableado de los sensores.

4. Realización de la medida.

5. Análisis de los datos.

En los últimos tiempos se está sustituyendo el cableado de los sensores por tecnología inalámbrica para evitar el tiempo de realización del cableado y los costes que esto supone.

En el campo de los ensayos dinámicos de estructuras, existen diversos métodos basados principalmente en el análisis de los datos recogidos por sensores de esfuerzos o de movimientos ya sea de desplazamiento, de velocidad o de aceleración.

Es conocido por la patente US6240783, un sistema de monitorización de estructuras de puentes basado en el empleo del análisis de señales de frecuencia, velocidad y desplazamiento medidas mediante la reflexión de un haz de luz tipo láser en diferentes reflectores situados en la estructura.

El documento US2008/0307025 describe un procedimiento por el cual se calcula la localización relativa de los nodos de una red inalámbrica basándose en la potencia recibida por parte del resto de nodos de la red, utilizando un algoritmo para evitar las reflexiones.

Adicionalmente, la patente US5913820 describe un procedimiento mediante el cual se mide la localización de sensores de campo eléctrico y magnético basándose en la respuesta de bobinas de inducción.

Sin embargo, estos procedimientos no proporcionan la precisión necesaria para la caracterización dinámica en el primer caso o requieren que la distancia entre los sensores sea muy pequeña, con lo que no se puede cubrir el área a caracterizar con un número de sensores razonable para una medida.

Descripción de la invención

La invención tiene por objeto la creación de un sistema inalámbrico de bajo coste con localización automática de la posición relativa de los sensores permitiendo la realización de ensayos dinámicos de infraestructuras basada en el tratamiento de imágenes, resolviendo los inconvenientes anteriormente citados, aportando, además, otras ventajas adicionales que serán evidentes a partir de la descripción que se acompaña a continuación.

Con este sistema se evita la colocación precisa de los sensores de monitorización de estructuras puesto que, debido a la localización automática basada en el tratamiento de imágenes, se conocerá el punto exacto en el que se encuentra cada sensor. Mediante el citado sistema de localización basado en imágenes, los sensores inalámbricos dotados de cámara capturan las imágenes de los sensores vecinos que se encuentran en su campo de visión. Al conocer la distancia real entre los puntos detectados en las imágenes, se puede obtener mediante el tratamiento de las mismas la distancia a la que se encuentran los sensores. Si fuera necesario obtener coordenadas absolutas en lugar de relativas únicamente habría que situar en un punto conocido un sensor inalámbrico, tomando el resto de distancias como referencia desde ese sensor. Todos los datos relacionados con la localización deben incluirse en los datos necesarios para los cálculos del ensayo dinámico, sin estar prefijados de antemano, parte que...

1. Sistema inalámbrico de bajo coste con localización automática basada en el tratamiento de imágenes para ensayos dinámicos de infraestructuras, caracterizado por comprender las siguientes etapas:

a. etapa de adaptación de sensores inalámbricos

b. etapa de adquisición de datos de alta velocidad

c. etapa de radiofrecuencia en banda ISM para sincronización

d. etapa de radiofrecuencia para intercambio de datos

e. etapa de localización basada en el tratamiento de imágenes

f. etapa de procesado e integración de información.

2. Sistema inalámbrico de bajo coste con localización automática basada en el tratamiento de imágenes para ensayos dinámicos de infraestructuras según reivindicación 1, caracterizado porque las etapas de adquisición, adaptación y radiofrecuencia se materializan mediante una pluralidad de sensores inalámbricos distribuidos en la infraestructura a monitorizar de los cuales al menos uno de se constituye como referencia del sistema.

3. Sistema inalámbrico de bajo coste con localización automática basada en el tratamiento de imágenes para ensayos dinámicos de infraestructuras según reivindicación 2, caracterizado porque además de los sensores inalámbricos, comprende: un módulo de adquisición de datos, un módulo inalámbrico de sincronización entre sensores, un módulo inalámbrico de comunicación entre sensores, un microcontrolador principal, tres puntos luminosos (diodos) de diferentes colores en cada sensor, para una localización óptica de los sensores y un sistema de localización basado en imágenes implementado por una cámara monitorizada.

4. Sistema inalámbrico de bajo coste con localización automática basada en el tratamiento de imágenes para ensayos dinámicos de infraestructuras según reivindicación 3, caracterizado porque cada sensor inalámbrico se dispone dentro del campo de visión de al menos un sensor inalámbrico dotado del sistema de localización basado en imágenes.

5. Sistema inalámbrico de bajo coste con localización automática basada en el tratamiento de imágenes para ensayos dinámicos de infraestructuras según reivindicación 4, caracterizado porque la localización de cada sensor inalámbrico respecto al de referencia se realiza por triangulación de las imágenes detectadas consistentes en los tres puntos luminosos de diferentes colores de los que está dotado cada sensor.

6. Sistema inalámbrico de bajo coste con localización automática basada en el tratamiento de imágenes para ensayos dinámicos de infraestructuras según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dispone de un sensor inalámbrico de enlace entre el resto de sensores y un ordenador servidor que conforma la etapa de procesado e integración de información.