Uso de drones especializados en la inspección de espacios confinados para la modelación numérica

El uso de drones especializados para realizar trabajos de inspección o levantamientos topográficos de espacios confinados, como pueden ser sistemas de drenaje, túneles, minas, cavernas, tuberías de gas, etc., está volviéndose una práctica común en el ámbito de la ingeniería, principalmente por ser un medio autónomo que permite mitigar los riesgos o accidentes de trabajo asociados a la integridad del personal que realiza dicha inspección.

Actualmente, en el medio ingenieril existen diversos diseños de drones especializados; por lo general, este tipo de drones cuenta con los siguientes rasgos en común:

• Autonomía de vuelo, es decir, no requieren un sistema de navegación satelital (GPS) para realizar la estabilización y orientación del vuelo en el interior del espacio confinado por inspeccionar. La comunicación entre el dron y el operador se realiza directamente con el control de mando.

• Diseñado para volar en interiores. En muchos de los casos, el diseño geométrico de un dron especializado considera la incorporación de carcasas de fibra de vidrio o de un material ligero que permite resguardar el sistema de hélices y la cámara fotográfica ante cualquier colisión que pueda tener el dron en el espacio inspeccionado.

• Iluminación propia. Este tipo de equipos cuenta con un sistema de iluminación propia regulable de 10,000 lúmenes, lo cual hace posible alumbrar cualquier espacio por inspeccionar. La iluminación regulable permite tomar fotografías de alta calidad o, en su caso, video de alta definición.

• Sistema de adquisición de datos. Este tipo de drones está equipado con cámara fotográfica y de video de alta calidad –cámara térmica y sistema lidar, especializado en topografía– que permiten realizar la toma y levantamiento de la sección con un ángulo de 180°.

• Adicionalmente, cuenta con un sistema de reducción de humedad y polvo, lo cual brinda la oportunidad de tomar fotografías y video nítidos, sin partículas extrañas.

Los riesgos asociados a la inspección de un espacio confinado pueden ser diversos; los que se busca mitigar con el uso de un equipo de inspección autónomo son aquellos orientados a resguardar y asegurar la integridad del personal que realiza dichas tareas.

Realizando con un dron la inspección de un espacio confinado se puede asegurar el acceso a lugares complicados y reducidos en dimensiones; a sitios contaminados con algún gas nocivo para la salud; a minas o cavernas con riesgo alto de inestabilidad.

Con el uso de drones es posible obtener videos de alta calidad transmitidos en tiempo real a la superficie y registrarlos en la memoria interna del dron desde que éste se enciende; se pueden tomar fotografías de alta calidad de zonas de interés o tomar detalles que pueden ser procesados mediante el software especializado para realizar mediciones en 2D y 3D y obtener longitudes o volúmenes de los sitios inspeccionados. Para la generación de modelos tridimensionales a partir de la técnica de fotogrametría, es importante señalar que la precisión y sensibilidad de estos equipos de inspección está ligada a las especificaciones del instrumento topográfico que se emplee para colocar los puntos de control topográfico con los cuales se referencie el modelo tridimensional. Un parámetro de referencia de la precisión de este tipo de equipos es igual a 3 cm horizontal / 5 cm vertical.

Otro ámbito importante donde los drones especializados hacen una aportación fundamental es en la definición de la configuración geométrica de cavernas, túneles, etc. Mediante el uso de una plataforma de dibujo, por ejemplo dwg, se pueden migrar los datos obtenidos a una plataforma con software de elemento finito, para así considerar la configuración geométrica real del caso de estudio.

Los modelos que se observan en las figuras 3 y 4 fueron definidos con la técnica de fotogrametría, mediante los videos o fotografías adquiridos por un dron especializado. Por ejemplo, para el desarrollo del modelo de la caverna de la figura 3 se requirieron varias etapas:

• Generación de información para modelo, a partir de los videos de alta definición obtenidos con los vuelos de inspección.

• Puntos de control topográfico.

• Elaboración de modelo fotogramétrico.

• Obtención de modelos CAD.

De forma general, un modelo fotogramétrico es la reconstrucción de un elemento tridimensional a partir de imágenes fotográficas de éste, para lo cual se requieren numerosas fotografías del elemento en cuestión, tomadas desde diferentes ángulos. De acuerdo con lo anterior, para la generación del modelo fotogramétrico de la caverna en estudio fueron necesarias numerosas fotografías, y dado que la oquedad es un elemento con geometría compleja, el número de imágenes necesarias se incrementa respecto a elementos de geometría más simple. Por ejemplo: para el modelo que se muestra en la figura 3 se obtuvieron alrededor de 2,564 fotografías, a partir del video registrado. Una vez generada la nube de puntos mediante el programa de fotogrametría, esta debe ser procesada para su uso en diferentes aplicaciones de CAD.

Aplicando la técnica de fotogrametría a partir de la inspección realizada en una caverna de origen kárstico localizada en el estado de Yucatán, México, fue posible obtener la nube de puntos que se muestra en la figura 4. Posteriormente, con esta nube de puntos que se procesa en una plataforma dwg, fue posible migrar el modelo geométrico a una plataforma del programa de elemento finito midas GTS (véase figura 5).

Una vez definida la configuración geométrica del espacio confinado, en este caso una caverna, es posible cargar la configuración en un software de elemento finito para realizar su análisis de estabilidad (figura 6).

Comentarios Finales

El uso de la tecnología de inspección autónoma en espacios confinados es una herramienta útil, eficiente y práctica que permite realizar el análisis de estabilidad de túneles, microtúneles, cavernas, minas, etc.

Es necesario considerar la existencia de casos en los que la geometría de la estructura geológica por analizar presenta irregularidades cuya configuración con una topografía convencional muchas veces no es posible obtener. Por ello, el uso de drones especializados y la técnica de fotogrametría –o avances en su caso el uso de equipos lidar– permiten definir su configuración con gran precisión. Por otro lado, una vez lograda la configuración geométrica, se puede emplear la nube de puntos en una plataforma dwg para posteriormente migrarla a un programa de elemento finito con el fin de realizar el análisis de estabilidad correspondiente. Con tecnológicos, cabe plantearse si el tuneleo sigue siendo un arte o una ciencia, o en su caso una combinación de ambas

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Harry G. Poulos