Digitalización autónoma subterránea. Caso de Uso: túnel Vía Vieja Lezama

(Artículo publicado en la Revista RPAS Drones número 2 – 2024)

El túnel de vía vieja de Lezama, de unos 450 metros de longitud, está situado al norte de la ciudad de Bilbao y era utilizado como vía de tren, quedando sin actividad hace varias décadas. Sin ningún tipo de mantenimiento desde hace años, el túnel cuenta con varios derrumbes y zonas anegadas de agua con varios metros de profundidad, así como otros elementos que suponen un riesgo de cara a realizar una inspección mediante el acceso de personas a su interior.

La necesidad de su inspección y digitalización del escenario surge en el marco del proyecto constructivo del camino ciclo peatonal de la Vía Vieja de Lezama, licitado por la Diputación Foral de Bizkaia a mediados de 2021.

El proceso de digitalización tenía 2 objetivos principales;

  1. Evaluar el estado del túnel (fallas, derrumbes, discontinuidades, etc.) por parte de los geólogos, y
  2. Generar un modelo 3D del mismo que permitiera evaluar la sección transversal disponible en cada punto, y una estimación de los volúmenes de relleno de hormigón para su reparación.

Como alternativa a los métodos de inspección tradicionales (principalmente humanos), surgen los medios robóticos con el principal objetivo de eliminar el riesgo para para las personas durante las inspecciones de este tipo de escenarios.

Problema:

El estado del túnel presenta varias dificultades para el uso de vehículos robotizados convencionales, tales como zonas inundadas o desprendimientos con acumulación de material en la solera de más de 2 metros de altura. Estos dos factores, entre otros, hacen que sea poco factible el uso de vehículos terrestres o sistemas que dependan de un enlace radio (incluidos drones), ya que durante el recorrido existen zonas de sombra radioeléctrica en las que la comunicación radio con el vehículo se pierde, debido a la combinación de larga distancia y presencia de materiales sólidos obstructivos.

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Zona de acumulación de material producida por derrumbe (izquierda). Entrada sur, anegada de agua (derecha)

Solución:

Como solución a los problemas existentes que imposibilitan el uso de sistemas robóticos tradicionales, la Diputación Foral de Bizkaia optó por realizar el proceso de inspección y digitalización utilizando la tecnología aérea autónoma de Hovering Solutions. A día de hoy, existen únicamente 3 empresas a nivel mundial ofreciendo soluciones comerciales basadas en robótica aérea autónoma en espacios subterráneos, de las cuales Hovering Solutions 1 es la única Europea.

Los robots aéreos autónomos tienen como principal ventaja la capacidad de poder llevar a cabo misiones en vuelo sin piloto, sin comunicaciones radio con ningún dispositivo externo, sin señal GNSS y sin luz en el interior de infraestructuras subterráneas (túneles, conducciones, colectores, etc.). Es decir, la capacidad de navegación autónoma radica exclusivamente en los sistemas de a bordo de la aeronave. Esta ventaja competitiva resuelve los problemas que plantea la irregularidad del la supercie del túnel (incluídas inundaciones) como la presencia de zonas de sombra radio a lo largo de la traza.

La principal complejidad técnica del sistema aéreo consiste en suplir la información proporcionada por las señales GNSS (GPS y otros, utilizadas por los drones en operaciones al aire libre) por otro tipo de información procedente de sensores embarcados en la aeronave, lo cual permite al vehículo estimar su posición y velocidad en espacios subterráneos.

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Robot aéreo autónomo capturando datos en el túnel de Lezama

Esta estimación se realiza mediante un sistema hardware y software desarrollado íntegramente por Hovering Solutions. El vehículo está equipado con multitud de sensores de abordo, tales como sistemas de escáner láser (LiDAR2), ultrasonidos, infrarrojos, varios sensores de imagen y varias unidades inerciales (IMU3) redundantes calibradas térmicamente, entre otros. Su procesador de alto rendimiento es capaz de leer en tiempo real toda la información procedente de los sensores, correlacionarla y estimar tanto la orientación como la velocidad del vehículo; es decir, hacia dónde se está moviendo y cómo de rápido. Como complejidad añadida, los mecanismos de estimación de orientación convencionales utilizados en espacios abiertos, basados en magnetómetros (brújulas electrónicas) tampoco son fiables en espacios subterráneos debido a la presencia de campos magnéticos generados por superficies metálicas o minerales. Cabe destacar que las misiones son llevadas a cabo sin necesidad de contar con un plano previo del escenario. El robot es capaz de generar un mapa 3D en tiempo real del entorno, que utiliza internamente para navegar y que además sirve para generar el modelo resultante de la inspección, que se entrega al cliente.

El vehículo cuenta con dos tipos de misiones: ida y vuelta, o recogida en punto alternativo. La misión de ida y vuelta permite que el robot sea lanzado y recogido por un operario en un mismo punto. Sin embargo, la opción de recogida en una localización distinta a la de inicio de misión resulta más atractiva en términos de eficiencia, ya que el robot no realiza un camino de ida y vuelta, duplicando el rango útil (distancia que puede recorrer con una única batería), e incrementando el número de metros inspeccionados por jornada de trabajo. La aeronave utilizada en los trabajos en el túnel de Lezama cuenta con una autonomía de 29 minutos de vuelo, suficiente para digitalizar cientos de metros o incluso unos pocos kilómetros de conducción en un solo vuelo.

La compañía cuenta con otra tipología de vehículo de mayores dimensiones con la que ha conseguido abordar distancias de hasta 7km en un único vuelo, hito a nivel mundial que fue presentado por Hovering Solutions junto a Iberdrola en el evento Hydro 20224 (Estrasburgo, Francia) en Abril del 2022. En el lado opuesto en cuento a tamaño, Hovering Solutions está desarrollando una versión de pequeñas dimensiones (unos 22 cm entre rotores) que estará lista en la segúnda mitad de 2023 y permitirá abordar inspecciones autónomas en conducciones de entre 800mm y 1200mm.

Robot aéreo atravesando una zona de filtraciones durante la misión autónoma (dic 2022)

Resultados:

La tecnología va mucho más allá comparada con una herramienta de inspección al uso. Proporciona información adicional a unas simples fotografías, por lo que sería más conveniente hablar de “herramienta de digitalización” que de inspección.

Los resultados principales que se entregan al clientes son los siguientes:

  • Nubes de puntos 3D georreferenciadas y en color del escenario: Proporcionan información tridimensional geoposicionada con coordenadas absolutas. Es decir, cada uno de los millones de puntos de la nube cuenta con coordenadas en latitud, longitud y altitud, de igual forma que los datos topográficos recogidos por técnicas tradicionales como estaciones totales o escáner láser estáticos.
    Esta información es normalmente utilizada para el cálculo de secciones, volúmenes de relleno, espesores de gunita, detección de deformaciones, dinámica de fluidos, etc., según sector.
  • Imágenes de alta resolución también georreferenciadas: aportan información adicional no visible en las nubes de puntos, principalmente orientada a realizar una evaluación de la superfi-cie. Permiten realizar estudios geológicos o la detección de patologías en superficies de hormigón. Las imágenes se proporcionan el dos formatos; planares y panorámicas (imágenes semi-360º), siendo estas últimas más útiles para realizar una inspección inmersiva mediante herramientas o plataformas de visualización 3D, similares a Google Street View..
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Nube de puntos georreferenciada y coloreada el interior del túnel generada por el robot aéreo
Ejemplo de visualización de resultados en plataforma de visualización online

Los formatos del modelo 3D son estándar, compatibles con las herramientas de análisis o tratamiento de nubes de puntos típicamente utilizadas por topógrafos e ingenierías. Las imágenes tienen también un formato estándar, y pueden verse en cualquier ordenador y sistema operativo.

Hovering Solutions dispone, además, de una plataforma de visualización online que permite visualizar tanto las imágenes y su posición absoluta (sobre el mapa) como la nube de puntos 3D a través de un simple navegador Web. Esta herramienta, también desarrollada por Hovering Solutions, permite visualizar la información de forma ágil y rápida sin necesidad de disponer de un software especial para abrir los archivos de nubes de puntos (normalmente con un tamaño de cientos de MB).

Como resultado de la digitalización del túnel de Lezama, se generó una nube de puntos georreferenciada y coloreada con más de 34 millones de puntos, acompañada de 590 imágenes panorámicas de alta resolución igualmente georreferenciadas, aproximadamente 1 cada metro. Esta información permite evaluar el estado de cada centímetro cuadrado de superficie del túnel y, además, proporciona un modelo geométrico del mismo.

www.hoveringsolutions.com

1 HOVERING SOLUTIONS: www.hoveringsolutions.com
2 LiDAR: Light Detection and Ranging
3 IMU: Inertial Measurement Unit
4 https://www.hydropower-dams.com/articles/inspection-of-the-headrace-at-villarino-spain-with-unmanned-aerial-and-manned-terrestrial-vehicles/

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