Laser scanner su drone in ambienti confinati e pericolosi: gli approcci tradizionali e le nuove tecnologie di rilievo

Laser scanner su droni per ambienti chiusi e confinati, spesso pericolosi o inaccessibili

Negli ultimi anni, l'abbinamento di droni e laser scanner ha portato a una vera e propria rivoluzione nel campo dell'ispezione e del rilievo. Questi sistemi offrono una serie di vantaggi rispetto ai metodi tradizionali, come la maggiore efficienza, la sicurezza e la precisione, oltreché consentono di realizzare i rilievi e le ispezioni in modo più veloce ed efficiente. Sull’utilizzo del laser scanner su drone e delle sue peculiarità, tra le quali la possibilità del segnale di oltrepassare la vegetazione, abbiamo già scritto in un precedente articolo.

In questo articolo, illustreremo i progressi compiuti dal mondo tecnico-scientifico e applicativo-professionale su una nuova tipologia di laser scanner montati su droni espressamente predisposti per il loro utilizzo in ambienti chiusi e confinati, spesso pericolosi o inaccessibili. Accenneremo anche di una nuova tipologia di drone, frutto di un progetto di ricerca, appositamente pensato per realizzare indagini strutturali in condizioni articolate e/o complesse.

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Tecniche di ispezione/conoscenza in ambienti complessi e scenari pericolosi per tecnici

Gli operatori spesso devono confrontarsi con la necessità di acquisire dati in ambienti complessi, pericolosi o inaccessibili, che definiremo confinati.

Le tecniche di ispezione e di conoscenza sono molteplici come i contesti e gli ambienti di cui si vuole conoscere lo stato dell’arte; tra le tante, il sopralluogo con ispezione visiva diretta da parte dell’operatore rimane lo strumento imprescindibile per la presa d’atto dello stato dei luoghi ed è abitualmente integrato con:

• Misurazioni dimensionali e quantitative con teodoliti o strumentazioni laser;
• Test non distruttivi (NDT): per la valutazione della qualità di materiali senza danneggiare le strutture;
• Campionamento: tramite prelievo, di materiali per analisi chimiche o microbiologiche;
• Esami strutturali: che si concentrano, per mezzo di endoscopia o tomografia computerizzata, sugli elementi degli edifici o impianti non direttamente/immediatamente raggiungibili;
• Monitoraggio continuo attraverso l’utilizzo di sensori o dispositivi che restituiscono in tempo reale parametri identificati come significativi quali ad esempio temperatura, umidità o gas tossici.

Tutte queste tecniche prevedono la presenza diretta degli operatori sul sito da indagare e, in situazioni ordinarie, non comportano particolari criticità per gli operatori che acquisiscono i dati necessari attraverso strumentazioni specifiche.

Diverso è il caso in cui le campagne di acquisizione presentano sfide e rischi specifici che gli operatori devono affrontare con cautela, pensiamo alle lavorazioni in siti inquinati o presso opere dismesse, strutture poco manutenute, infrastrutture degradate se non crollate o sprofondate.

Le condizioni di pericolo specifiche di questi scenari impattano direttamente sull’acquisizione dei dati e comportano procedure di sicurezza molto restrittive e personale formato, nonché competente, al fine di assicurare l’efficacia delle operazioni e limitare al minimo il rischio per gli operatori chiamati a intervenire.

Questi scenari, oltre alle problematiche eccezionali e specifiche del singolo sito, presentano pericolosità generali ben note ai tecnici di settore come:

• Scarso afflusso d’aria: in ambienti ristretti, se la circolazione dell’aria è limitata si va incontro a una ridotta ossigenazione e un aumento della concentrazione di gas tossici o vapori chimici;
• Gas tossici o inquinanti: gas come monossido di carbonio, anidride solforosa o vapori chimici possono essere letali, pertanto gli operatori devono indossare dispositivi di protezione adeguati e monitorare costantemente l’ambiente;
• Spazi angusti e/o difficilmente accessibili: gli spazi ristretti possono causare claustrofobia e aumentare il rischio di incidenti, è necessario che gli operatori siano addestrati a muoversi con cautela e utilizzare attrezzature specifiche;
• Materiali instabili: In ambienti confinati, le strutture possono essere danneggiate o instabili, è alto il rischio di crolli o cadute, risulta imprescindibile una attenta valutazione della stabilità delle superfici su cui si opera;
• Elettricità: gli ispettori devono prestare attenzione ai rischi comportati dalle apparecchiature elettriche o dai cablaggi eventualmente presenti;
• Incendi o esplosioni: in presenza di sostanze infiammabili o gas gli operatori devono essere consapevoli di queste potenziali minacce;
• Emergenze mediche: anche in presenza di tutte le cautele, non è possibile escludere incidenti o problemi di salute improvvisi per cui gli operatori potrebbero non essere in grado di ricevere assistenza immediata. Pertanto la preparazione e l’addestramento nella gestione degli imprevisti risulta di vitale importanza.

È facile intuire che, se una campagna di rilievo efficace è impegnativa di per sé, quando pianificata con l’attenzione agli aspetti indicati acquisisce caratteristiche di complessità del tutto differenti e quindi, per superare le criticità del caso e limitare al minimo il rischio per l’uomo, è essenziale guardare alle strumentazioni dedicate che il progresso tecnologico e la robotica hanno sviluppato negli ultimi anni per ottimizzare il lavoro umano limitando incidenti o danni a terzi.

Le tecniche di laser scanning sono un esempio di avanzamento tecnologico del settore ed è possibile distinguere due macro-categorie di acquisizioni, quella statica e quella dinamica il cui output è sempre una nuvola di punti che restituisce l’oggetto di studio nella sua interezza.

Nel caso di uno scanner statico, lo strumento restituisce, con precisione millimetrica, “porzioni” di ambiente a 360 gradi. Raramente con una sola scansione è possibile rilevare un sito; la campagna quindi si articola su più scansioni (dette anche “stazioni), che saranno montate-registrate ed eventualmente georiferite una volta terminata la battuta di rilievo. Nel caso di uno scanner dinamico lo strumento effettua una acquisizione continua dei dati nel mentre percorre una traiettoria.

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La tecnologia di rilievo LiDAR dinamica: vantaggi e configurazioni

Se nel recente passato la precisione degli strumenti statici risultava nettamente superiore, la tecnologia LiDAR dinamica si è avvicinata alla precisione e all’affidabilità della tecnica laser statica. I risultati sono ormai sostanzialmente comparabili, hardware e software dedicati assicurano precisioni millimetriche delle nuvole di punti anche con sistemi di acquisizione in movimento sia per applicazioni indoor che outdoor.

Due sono i vantaggi che stanno trainando i sistemi cinematici: le tempistiche di rilievo notevolmente ridotte rispetto allo statico e la possibilità di essere accoppiati agli strumenti di movimentazione più innovativi.

Un esempio di sinergia tra tecnologie è quello degli APR - Aeromobile a Pilotaggio Remoto - meglio conosciuti come droni, ovvero apparecchi volanti caratterizzati dall'assenza di un pilota umano a bordo: il pilota in questo caso guida da terra il velivolo attraverso un controller, in totale sicurezza.

Il drone può essere equipaggiato con strumenti di indagine diversi come: fotocamere, videocamere, rilevatori di temperatura, di gas, di radiazioni, termo-camere, allo scopo non solo di ispezionare, ma anche di indagare, attraverso prove indirette, lo stato di conservazione dell’opera.

Alla luce delle pericolosità precedentemente esposte, queste configurazioni presentano innegabili vantaggi in campi d’applicazione quali: ambiti geomorfologicamente critici; ispezioni di siti o quantificazione di radiazioni o gas nocivi correlati a scenari industriali; rilievi di dettaglio per infrastrutture in contesti civili fino ad arrivare ai beni monumentali e archeologici, dal momento che i tempi di esecuzione risultano ridotti, la sicurezza sempre osservata e la supervisione dell’operatore sempre assicurata.

Tra le configurazioni più promettenti è doveroso ricordare i droni con tecnologia SLAM e quelli per la diagnostica strutturale.

Il primo caso prevede il montaggio su drone di un sensore lidar dotato di tecnologia SLAM - Simultaneous Localization and Mapping (Localizzazione e Mappatura Simultanea, anche in assenza di segnale di posizionamento GNSS) unito a sensori di prossimità, fari e gabbie semi-rigide che proteggono le strumentazioni da urti accidentali in ambienti ostili.

La tecnologia SLAM permette all’APR di restituire contestualmente all’ispezione, un modello 3D a nuvola di punti navigabile: il pilota che vede materializzarsi sul proprio schermo la nuvola di punti può effettuare analisi e misurazioni in tempo reale, persino approfondirle con visioni ad infrarossi per evidenziare criticità non visibili ad occhio nudo.

Inoltre questi droni prevedono la funzione Return-To-Signal per cui, quando la connessione video tra drone e pilota si interrompe, il drone visualizza un popup nel Cockpit proponendosi di ritornare lungo la sua traiettoria originaria fino al ripristino della connessione offrendo al pilota la tranquillità di esplorare anche in lontananza e in condizioni esigue di segnale radio.

Il secondo caso prevede di equipaggiare il drone con un payload dedicato (ultrasuoni, georadar, pacometri, etc.) alle indagini non distruttive su infrastrutture sensibili come viadotti o ponti: il drone viene guidato vicino all’opera, sensori di volo particolarmente accurati assicurano la stabilità del velivolo che riesce a discriminare il pericolo di collisione, contrastare il volo fino ad ancorarsi stabilmente sulla parete ed effettuare le prove e misurazioni in sicurezza e autonomia.