Dúmper autónomo para el desescombro de túneles

Alejar a los trabajadores de las zonas de peligro es un objetivo recurrente en las obras de construcción. En el caso de los túneles, los riesgos son múltiples (atropellos, inhalación de gases, desprendimientos, enfermedades profesionales…)  y en ocasiones letales.

La innovación de este proyecto se ha centrado en la robotización de un dúmper convencional para la fase de desescombro durante la construcción de túneles, convirtiendo en un vehículo autónomo (sin operario) capaz de planificar sus trayectorias, desplazarse y localizarse de forma autónoma y asegurando la seguridad total ante posibles atropellos.

El principal desafío para este dúmper autónomo ha sido el desarrollo de técnicas de planificación y navegación adaptadas a las características kinodinámicas especiales del vehículo y una localización continua precisa que supere las dificultades de heterogeneidad de los escenarios (terreno, iluminación, obstáculos…).

Socios del proyecto: VÍAS Y CONSTRUCCIONES, ANMOPYC, UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA e INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ARAGÓN.

Periodo de desarrollo: 2015 – 2017

[youtubevideo url=»https://www.youtube.com/embed/H76oz3yb6bA»]

Durante Construyes 2019, la II Jornada de Innovación Tecnológica en Maquinaria para Construcción y Minería, mostramos cómo funciona el dúmper autónomo. Puedes ver el vídeo directamente en youtube.

SITUACIÓN INICIAL

Prevención de accidentes en la construcción de infraestructuras

La construcción de infraestructuras (carreteras, líneas férreas, infraestructuras hidráulicas etc.) se enfrenta al reto de salvar múltiples accidentes orográficos, siendo la ejecución de túneles, una solución frecuente en muchos de estos casos.

La utilización de dúmpers autónomos puede ser de gran ayuda en la construcción subterránea en general, y la ejecución de túneles en particular que está sometida a un riesgo inherente a su propia actividad. Aunque este tipo de obras se llevan a cabo con intensas campañas y estudios geológicos,  medidas de sostenimiento bien dimensionadas y elevadas precauciones y protocolos de seguridad, esto no impide que en ocasiones puntuales ocurran accidentes tanto por desplomes, como por atropellos derivados del trasiego de maquinaria de gran tonelaje y personas en el interior del túnel. A pesar de que la frecuencia de dichos accidentes es realmente baja, las consecuencias por desgracia suelen ser mortales, y vehículos autónomos como los dúmpers pueden ayudar en la prevención de estos accidentes. 

La ejecución de un túnel mediante el “método austriaco” implica una serie de secuencias cíclicas que se denomina “pase” y que comprende principalmente las fases de excavación y la de sostenimiento.

Antes de iniciar cada nuevo pase en la secuencia constructiva, es necesario despejar la zona de escombros, de modo que se puede ejecutar el correspondiente sostenimiento. El actual procedimiento de desescombro del frente de excavación se realiza con una pala cargadora que descarga el material en dúmpers para su traslado al exterior. Durante toda esta etapa de desescombro, el tránsito de maquinaria y equipos a lo largo del túnel es intenso y conlleva considerables riesgos de seguridad. Dicho tránsito de maquinaria, las condiciones de trabajo de una obra subterránea (falta de luz natural y problemas de visibilidad, ambiente polvoriento, suelo irregular y con presencia ocasional de agua etcétera.) y la posibilidad de que se produzca un derrumbe dentro del túnel tras realizar la voladura, implican una serie de riesgos que por más medidas preventivas, que se implementen no dejan de estar presentes.

Diseño, desarrollo, fabricación y validación

Con la meta de contribuir a incrementar la seguridad en la etapa de desescombro de un túnel en construcción, reduciendo el número de trabajadores expuestos a uno solo (el de la pala cargadora), el objetivo general del proyecto era el diseño, desarrollo, fabricación y validación de un kit de robotización que permitiese transformar un dúmper convencional en un dúmper autónomo (robot móvil autopropulsado), que fuera capaz de alcanzar el frente de excavación donde está la pala, esperase a ser cargado y a continuación transportase los escombros generados en el frente de excavación hasta el exterior del túnel, todo ello sin intervención humana.

Adicionalmente, el dúmper autónomo usa sistemas avanzados de localización y reconocimiento del terreno que permitirían reducir los riesgos derivados de la falta de visibilidad que en ocasiones se puede sufrir en el interior de una obra subterránea, al eliminar el “ojo humano” por sistemas tecnológicos que no se ven afectados por dicha falta de luz. El dúmper autónomo permitiría igualmente impulsar el incremento de productividad del proceso por una doble vía, mayor eficiencia en la operación y menores costes al automatizar buena parte de la misma.

Desarrollos para el dúmper autónomo

Para la consecución del objetivo planteado se desarrollaron los siguientes subsistemas integrándose todos ellos en un sistema completo y operativo:

• se ha robotizado un dúmper convencional, desarrollando un kit de robotización específico para este tipo de vehículos, que proporciona la capacidad de conducción autónoma mediante la automatización del control de la dirección y de la velocidad.
• se han desarrollado técnicas novedosas de autolocalización a partir de la fusión de diferentes fuentes de información:

• localización continua del robot que integra la información de los sensores de movimiento del robot (odometría/IMU), y de los escáner láser embarcados,
• localización esporádica, basada en el reconocimiento y localización de características discretas. En concreto se ha desarrollado 4 técnicas:
  • tres de ellas basadas en reconocimiento de características del entorno con información topológica y semántica,
  • la cuarta se basa en la información proporcionada por la señal de radio. Los desvanecimientos o fadings de la señal son utilizados para la localización total periódica del vehículo.
• localización en las áreas de carga y descarga, mediante balizas artificiales.
• se han desarrollado técnicas de planificación y de navegación autónoma y se han evitado obstáculos para el dúmper autónomo:

• planificación global aprovechando las particulares características de este tipo de escenarios tipo túnel.
• planificador de trayectorias utiliza el método Dijkstra, que genera una trayectoria óptima en distancia recorrida a los objetivos fijados por el planificador global.
• navegador reactivo o planificador local, que debe seguir las trayectorias planificadas evitando los obstáculos encontrados.
• se ha desarrollado un sistema de comunicaciones inalámbrico y protocolos de comunicación tiempo real multi-salto. Éste es uno de los aspectos más novedosos abordados en este proyecto, para el que no existen sistemas comerciales que cumplan las especificaciones necesarias para entornos confinados, como son los túneles.

Validación del vehículo autónomo

El sistema de navegación-localización-comunicaciones se ha integrado en el dumper robotizado y se ha validado en diferentes escenarios:

• un entorno de simulación.
• un escenario en las instalaciones a cielo abierto de ITAINNOVA en Zaragoza.
• el túnel de Somport, de 7,7 km. de longitud con galerías laterales, que presenta diferentes características similares al túnel en construcción utilizado para una validación final. En él se utilizó inicialmente, antes de disponer del dúmper autónomo ya robotizado, un robot de la Universidad de Zaragoza, sensorizado con los mismos sensores instalados en el dúmper. Posteriormente, se pusieron a punto y validaron los algoritmos y el sistema completo con el dúmper autónomo.
• el túnel en construcción de la línea de Alta Velocidad del tramo Durango-Amorebieta. Las principales diferencia con el otro túnel fueron las irregularidades, con fango y encharcamiento del terreno, que hizo más difícil la detección de obstáculos, y por tanto la navegación. Se realizó un experimento con el sistema integrado en el dúmper autónomo, con planificación, navegación, localización, comunicaciones y aparcamiento en las zonas balizadas para ello.