Vision-based modal inspection of structural component with UAV-enabled photogrammetric approach

Vision-based modal inspection is experiencing progressive relevance in the Structural Health Monitoring of built components because of increasing accuracy of the measure and high user-friendliness. The typical issues of installation related to classic contact-based sensors can be overcome by UAVs, which present excellent capabilities to reach remote locations and can combine low-cost equipment with high versatility of the on-board sensors. The scope of this dissertation is to explore the potentialities of UAVs employed in a Vision-based modal inspection of a concrete-reinforced beam in laboratory conditions in a GPS-denied environment. A novel approach is proposed for the estimation of the scale of the vibrating system to translate image-based vibration motion into physical quantities, with the aid of the photogrammetric method. The pose estimation of the drone-enabled camera is performed a posteriori in the feature-based 3D reconstruction (Bundle Adjustment) of the geometric scene, and the retrieved information of camera-object distance serves as scale factor. An experimental approach is proposed for the assessment of the potentiality of Photogrammetry to accurately track a free-fly camera. The uncertainty analysis serves as comparative ground between observed errors in the tracking and the covariance indicators of Bundle Adjustment. The potentiality of the photogrammetric method for scaling is verified with the vision-based modal inspection of the concrete-reinforced beam, and the estimated mode shapes are validated with accelerometric ground truth. The limits of applicability are outlined and the robustness of the approach is examined in relation to methodological instances. In conclusion, topics for future research and ameliorative aspects are prospected.

L'analisi modale basata su tecniche di visione sta sperimentando una progressiva rilevanza nello Structural Health Monitoring (SHM) di componenti strutturali grazie alla cresente accuratezza della misura e a dispositivi user-friendly. Le tipiche criticità legate all'installazione di sensori classici basati sul contatto diretto possono essere superati dagli Unmanned Aerial Vehicles (UAV), i quali presentano capacità eccellenti nell'accessibilita di postazioni remote e che combinano strumentazioni a basso costo con un'alta versatilità della sensoristica on-board. Lo scopo della presente trattazione è di esplorare le potenzialità degli UAV nell'impiego dell'analisi modale basata su tecniche di visione di una trave in cemento armato in condizioni di laboratorio e in ambiente privo di posizionamento GPS. Si propone un approccio innovativo per la stima della scala del sistema vibrante per trasporre il moto oscillante da informazione video-digitalizzata in quantità fisiche, con il contributo del metodo fotogrammetrico. La stima delle pose della camera montata sul drone è eseguita a posteriori nella ricostruzione 3D (Bundle Adjustment) prodotta dalle immagini acquisite della scena geometrica, e la risultante informazione sulla distanza camera-trave è utilizzata per il calcolo del fattore di scala. Viene proposto un approccio sperimentale per la quantificazione della potenzialità della Fotogrammetria di tracciare con accuratezza la camera in volo libero. L'analisi dell'incertezza fornisce un studio comparativo tra gli errori osservati nel tracciamento e gli indicatori di covarianza prodotti dal Bundle Adjustment. La potenzialità del metodo fotogrammetrico di scalare la scena geometrica è verificata tramite l'analisi modale basata su tecniche di visione della trave in cemento armato, e le stime dei modi di vibrare sono validate con comparazione su base accelerometrica. Sono discussi i limiti nell'applicabilità, e la robustezza dell'approccio proposto è esaminata in relazione alle istanze di tipo metodologico. In conclusione, si prospettano argomenti per ricerca futura e temi con scopo migliorativo.