<figure><img src="image_1.png" /></figure>

# Intégration d'un système CND Impact Echo sur un drone

Aurélia Muller ¹*, Claudia Thurnherr¹, Daniel Algernon¹,

¹SVTI/ASIT Association Suisse d'Inspection Technique, Suisse;

*corresponding author, E-mail: aurelia.muller@svti.ch

## Résumé

L'automatisation, même partielle, des procédures de contrôle non-destructif des structures dans le domaine du génie civil présente de nombreux avantages. Parmi ses avantages, on peut citer une plus grande répétabilité des mesures, une diminution des erreurs liée au facteur humain ainsi que la réduction du risque de compromettre la sécurité des personnes. Cette étude explore le concept et le développement du projet UACIS (Uncrewed Aerial Concrete Inspection System), en particulier l'intégration d'un système de mesure Impact Echo. Le projet UACIS consiste à embarquer différentes méthodes de CND par ultrasons via des charges utile interchangeable sur un drone à hélice dans le but de faciliter l'inspection de structure en béton. En particulier, UACIS a pour but de faciliter l'inspection de zones en hauteur dont l'accès s'avère dangereux et difficile. Le drone utilisé dans cette étude est un robot commercial développé par ©VOLIRO Airbone Robotics qui a été conçu spécifiquement pour permettre un contact physique, en cours de vol, entre le système de mesure embarqué et la structure inspectée. Un système d'inspection Impact Echo, comprenant une sonde piézoélectrique et un élément de frappe solénoïde, a été intègre au drone. Cette méthode est communément utilisée pour l'inspection de structure en béton. L'élément de frappe permet de générer des ondes acoustiques dans le matériau, les ondes sont ensuite captées par la sonde piézoélectrique puis converties en signal A-scan et spectre de fréquence. L'analyse du spectre de fréquence et la connaissance de la vitesse des ondes dans le matériau permettent de caractériser la structure. Les différentes contraintes liées à l'intégration du CND impact écho au drone ainsi que les premiers résultats et mesures effectués seront présenter. Parmi les sujets abordés seront notamment les restrictions en matière de poids et de dimensions, la communication entre les différentes interfaces, la mise en place d'un transfert de données sans fil en temps réel entre le système CND/drone et l'interface utilisateur au sol, l'actionnement à distance de l'élément de frappe et de la sonde, les stratégies d'atténuation du bruit et de traitement du signal.

## 1. Introduction

Les innovations en matière de robotique ont entraîné une augmentation de l'automatisation des processus dans de

nombreux secteurs de la science et de la technologie dans le monde entier. La principale contribution de cette automatisation comporte souvent une réduction de la durée des opérations, une amélioration de la conformité des procédures, une réduction des coûts ainsi qu'une réduction ou une suppression complète du risque de compromettre la sécurité des personnes [1], [2]. Néanmoins, les progrès en matière d'automatisation de l'évaluation non destructive (END) dans le domaine du génie civil ont été relativement lents par rapport à d'autres domaines, malgré les avantages potentiels.

La combinaison de la grande variété des techniques de contrôle non destructif (CND) disponibles et de la diversité des infrastructures à inspecter représente le principal défi à l'automatisation de l'END [3]. Le développement de l'END automatisé est soumis à un compromis entre le temps de développement nécessaire, la variété des applications et les avantages recherchés. Dans certains cas, le processus d'identification des irrégularités peut nécessiter plusieurs techniques CND complémentaires pour garantir la fiabilité des résultats, ce qui complique encore la mise au point de solutions automatisées.

Les dernières innovations prometteuses en matière de procédures automatisées ou semi-automatisées dans le domaine du génie civil font appel à des systèmes de véhicules aériens sans pilote : les drones. L'utilisation des drones dans le domaine du génie civil s'est principalement concentrée sur les procédures d'inspection sans contact telles que la cartographie et l'inspection visuelle [3] et plusieurs systèmes sont déjà commercialisés. L'avancée la plus récente concerne l'inspection par contact, qui a été rendue possible grâce aux progrès réalisés en matière de stabilité et de contrôle dans la conception des drones. Parmi les exemples actuels d'inspection par contact à l'aide de drones, figurent : l'inspection de l'épaisseur de la paroi des canalisations [4], des plaques de métal [5] et des lignes électriques [6].

Cette publication explore les concepts et les premiers développements du projet UACIS (Uncrewed Aerial Concrete Inspection System), qui vise à mettre en œuvre différentes méthodes de contrôle non destructif par ultrasons de contact sur un drone pour l'inspection des structures en béton. En particulier, les méthodes d'impact-écho et de contrôle échographique utilisant des
transducteurs de contact à point sec (DPC) sont en cours d'étude.

## 2. Vers des CND de contact autonomes et aéroportés

En 2018, des systèmes de CND par courants de Foucault et par ultrasons ont été intégrés à un drone multirotor dans le cadre du projet AEROARMS [4]. Le projet consistait à contrôler des conduits métalliques destinés à des opérations d'entretien dans le domaine du pétrole et du gaz. Cette démarche de recherche a montré l'utilisation d'un drone dans l'inspection par contact en extérieur, mais a également mis en évidence les défis que représente la réalisation de mesures de précision en présence de perturbations environnementales et aérodynamiques. En 2019, une jauge échographique (basée sur une sonde monocristalline) a été installée sur un drone multirotor pour effectuer des mesures d'épaisseur sur des plaques métalliques [5]. Cependant, le temps de mesure était limité par la nécessité de renouveler l'application du gel couplant sur la sonde à intervalles réguliers. Plus récemment, dans une application similaire, une seule sonde échographique à roues a été intégrée dans un drone conçu par Voliro et utilisée pour effectuer des mesures d'épaisseur sur une plaque métallique [7].

Jusqu'à présent, la majorité des drones utilisés pour l'intégration des CND par contact étaient des systèmes multirotors plutôt que des aéronefs à ailes fixe [4]-[7]. Les drones multirotors offrent un meilleur contrôle et une plus grande stabilité que les ailes fixes, ce qui les rend plus adaptés aux opérations de contact. Cependant, l'un des inconvénients des drones multirotors, par rapport aux drones à voilure fixe de poids similaire, est qu'ils consomment généralement plus d'énergie et ont une durée de vol plus courte. Pourtant, le maintien d'une position statique et d'une force constante contre une structure pendant une période prolongée est une exigence majeure pour la plupart des systèmes de CND par contact, mais constitue le principal défi pour la conception d'un drone.

## 3. Intérêts et choix du système CND pour l'inspection aéroportée

Le projet UACIS actuel se concentre sur le développement et l'application des contrôles non destructifs aériens semi-autonomes pour l'inspection des infrastructures en béton. Ce projet a pour objectif d'intégrer, sur un drone, des méthodes de CND nécessitant un contact direct entre la sonde et la structure inspectée. Ces types de techniques CND fournissent souvent des informations sur les propriétés des matériaux, la géométrie, les défauts inapparens ou les irrégularités qui ne peuvent pas être détectés par une inspection visuelle standard. Parmi les exemples de CND par contact, on peut citer le UT (contrôle par ultrasons), l'IE (impact-écho), l'AE (émission acoustique), les courants de Foucault, le MT (contrôle par particules magnétiques) et le contrôle par ressuage [8].

Les techniques sélectionnées pour cette étude comprennent l'IE et l'UT à l'aide de sondes DPC (contact à point sec). Ces deux techniques, largement utilisées pour l'inspection du béton, sont traditionnellement réalisées manuellement et nécessitent une série de mesures ponctuelles sur la surface de la structure inspectée. Ces processus sont souvent longs et laborieux pour l'opérateur CND, en particulier lorsque les mesures sont effectuées dans des zones peu accessibles (par exemple, sous les ponts d'autoroutes ou les tours aéroréfrigérantes). Par conséquent, l'automatisation des techniques d'IE et d'UT apporterait de grands avantages au domaine du génie civil. L'intégration des CND par contact sur les drones nécessite des connaissances pluridisciplinaires et des solutions innovantes pour surmonter les principales contraintes et les défis techniques du projet, dont certains peuvent être énumérés ci-après : (1) Respecter rigoureusement les restrictions de poids et de dimensions ; (2) Assurer une intégration mécanique et électronique complète et la communication entre les différentes interfaces ; (3) Mettre en œuvre un transfert de données sans fil en temps réel entre le système CND-drone et l'interface de l'utilisateur au sol ; (4) Procéder à un déclenchement de la sonde et à l'acquisition du signal en temps voulu, en fonction de l'apparition du contact entre la structure et le système CND-drone ; (5) Définir des stratégies d'atténuation du bruit et de traitement du signal pour améliorer le rapport signal/bruit, obtenir des données fiables et atténuer les perturbations environnementales, y compris celles provenant du drone lui-même.

## 4. Intégration du système de CND à bord d'un drone

### 4.1. Description du drone sélectionné

Le drone utilisé dans cette étude est un robot commercial développé par ©Voliro Airbone Robotics et a été spécifiquement conçu pour des emplois nécessitant un contact avec une structure [7], [9]. Leurs rotors inclinables génèrent une poussée vectorielle qui permet la navigation en 3D tout en maintenant le corps principal et la charge utile du drone dans une orientation fixe. Les drones peuvent cibler un point de mesure spécifique sous n'importe quel angle et maintenir une force de contact constante allant jusqu'à 2 kg pendant au moins 5 secondes lorsque le bras de la charge utile est perpendiculaire à la surface de mesure. Les mesures peuvent être effectuées de manière semi-autonome et sont facilitées par des dispositifs intégrés tels que les caméras FPV (first person view) et les capteurs de flux optique, comme le montre la figure 1. L'interface universelle de charge utile (UPI) détachable est conçue pour être facilement interchangeable et pour faciliter l'intégration des systèmes CND. Le drone peut fournir jusqu'à 12 V à la charge utile et recevoir, stocker et transférer les informations de la charge utile par Wi-Fi. Le poids et la taille sont les principales contraintes à prendre en compte dans l'intégration d'un système CND sur un drone. Le poids maximal de la charge utile pouvant
être intégrée est d'environ 800 g. Le positionnement de la charge utile ne doit pas gêner le vol, ni la ligne de visée des caméras, ni dépasser les protections des bras de l'hélice.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1: Image d'un drone conçu par Voliro Airborne Robotics (image fournie par Voliro).</figcaption></figure>

## 4.2. Concept d'inspection aéroportée par impact-écho

L'IE est un système CND largement appliqué à l'inspection du béton utilisant un impacteur et une seule sonde qui, respectivement, génère des ondes acoustiques à partir de la charge d'impact dans la structure, et enregistre un signal de forme d'onde acoustique [10]. En général, l'impacteur peut être un marteau ou une petite bille d'acier actionnés manuellement ou un impacteur à solénoïde automatisé. Les sondes peuvent consister en un accéléromètre ou un capteur piézoélectrique. Habituellement, l'opérateur tient la sonde contre la surface de la structure inspectée, à une distance d'environ 3 à 5 cm de l'endroit de l'impact. Chaque impact fournit un signal A-scan unique contenant des informations sur les réflexions des ondes répétitives dans les structures. Les données sont généralement collectées dans une grille de mesure et chaque information du signal A-scan est convertie en un spectre de fréquence. Le spectre de fréquence est utilisé, en association avec la connaissance de la vitesse des ondes, pour identifier l'épaisseur de la paroi arrière, l'emplacement des gaines de précontrainte et la présence de délamination et d'autres anomalies.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2: Schéma de l'intégration des composants et des interfaces du système impact-écho UACIS.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3: Photo du support de ressort (noire) portant la sonde impact-écho et l'impacteur.</figcaption></figure>

Dans cette étude, un système d'impact-écho avec un solénoïde automatisé d'Olson Instruments est partiellement démonté et installé sur l'UPI (interface de charge utile universelle) du drone. Un schéma des différents composants est présenté en figure 2. Un porte-ressort spécial a été conçu pour porter la sonde d'impact-écho
d'environ 500 g et son impacteur, comme le montre la figure 3. Le porte-ressort a été spécialement conçu pour être suffisamment rigide pour supporter les composants du système impact-écho tout en étant assez souple pour servir de suspension entre le drone et le système CND. La figure 4 montre le système IE assemblé mécaniquement sur le drone.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 4: Image de la sonde impact-écho et de l'impacteur assemblés mécaniquement sur le drone</figcaption></figure>

## 4.3. Inspection par ultrasons aéroportée avec le concept des transducteurs DPC

Les transducteurs à point de contact sec (DPC) sont un type de transducteur utilisé pour le contrôle du béton par ultrasons. Le DPC peut générer des ultrasons et recevoir des signaux provenant d'ondes ultrasonores se propageant dans une structure. Son principal avantage est qu'il ne nécessite aucun couplage et permet différentes configurations de mesure telles que les techniques de pitch et catch ou le pulse-écho. Ces transducteurs sont souvent disposés en réseau avec différents DPC fonctionnant successivement comme émetteurs ou récepteurs. Les signaux recueillis peuvent être utilisés pour reconstruire des images 2D et 3D de la structure inspectée à l'aide d'algorithmes de reconstruction d'images tels que la méthode de focalisation totale avec capture intégrale de la matrice [11].

Les transducteurs sélectionnés pour cette étude, comme le montre la figure 5, sont des transducteurs DPC à ondes de cisaillement S1802 fournis par ACS-Solutions SARL. Ces transducteurs ont une fréquence centrale de 50 kHz et pèsent chacun environ 19 g. Le prototype intègre 8 transducteurs DPC. La carte OEM, fournie par AOS, permettra différentes configurations de mesure du pitch-

and-catch, y compris la possibilité d'actionner simultanément plusieurs transducteurs DPC.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 5: Exemple de transducteurs DPC commerciaux à ondes de cisaillement (extrait de acs-international.com)</figcaption></figure>

## 5. Conclusion

Cette publication présente les premiers concepts et le développement du système UACIS. Les travaux futurs consisteront à finaliser l'intégration complète du système d'impact-écho et du système à ultrasons sur le drone, ainsi qu'à effectuer une collecte de données expérimentales sur un bloc de béton.

### Remerciements

Les auteurs souhaitent remercier Leornado Rössler pour son aide avec la conception des design CAD et prototypes imprimés en 3D, ainsi que Nicolas Scheidt pour son soutient lors de l'intégration des interfaces.

### References

[1] M. Morales-Rodriguez, P. Chen, P. Fuhr, et S. Rooke, "Drones in automation," InTech, International Society of Automation, 2017.

[2] R. Bogue, "Applications of robotics in test and inspection," Industrial Robot: An International Journal, vol. 45, no. 2, p. 169-174, Avr. 2018, doi: 10.1108/IR-01-2018-0012.

[3] P. Nooralishahi et al., "Drone-Based Non-Destructive Inspection of Industrial Sites: A Review and Case Studies," Drones, vol. 5, no. 4, p. 106, Sep. 2021, doi: 10.3390/drones5040106.

[4] A. Ollero et al., "The AEROARMS Project: Aerial Robots with Advanced Manipulation Capabilities for Inspection and Maintenance," IEEE Robotics & Automation Magazine, vol. 25, no. 4, pp. 12-23, Dec. 2018, doi: 10.1109/MRA.2018.2852789.

[5] L. M. González-deSantos, J. Martínez-Sánchez, H. González-Jorge, M. Ribeiro, J. B. de Sousa, and P. Arias, "Payload for Contact Inspection Tasks with UAV Systems," Sensors, vol. 19, no. 17, p. 3752, Aug. 2019, doi: 10.3390/s19173752.

[6] G. Vasiljevic, D. Martinovic, M. Orsag, and S. Bogdan, "Grabbing power line conductors based on the
measurements of the magnetic field strength," in 2021
Aerial Robotic Systems Physically Interacting with the
Environment (AIRPHARO), Oct. 2021, pp. 1–7. doi:
10.1109/AIRPHARO52252.2021.9571037.

[7] R. J. Watson et al., "Deployment of Contact-Based Ultrasonic Thickness Measurements Using Over-Actuated UAVs," 2021, pp. 683–694. doi: 10.1007/978-3-030-64594-6_66.

[8] S. Gholizadeh, "A review of non-destructive testing methods of composite materials," Procedia Structural Integrity, vol. 1, pp. 50–57, 2016, doi: 10.1016/j.prostr.2016.02.008.

[9] M. Kamel et al., "The Voliro Omniorientational Hexacopter: An Agile and Maneuverable Tiltable-Rotor Aerial Vehicle," IEEE Robotics & Automation Magazine, vol. 25, no. 4, pp. 34–44, Dec. 2018, doi: 10.1109/MRA.2018.2866758.

[10] D. Algernon, D. Streicher, J. Wöstmann, M. Behrens, and H. Wiggenhauser, "Automated NDE of Post-Tensioned Concrete Bridges Using Imaging Echo Methods." [Online]. Disponible sur :
https://www.researchgate.net/publication/242417748

[11] A. O. de De-La-Haza, A. A. Samokrutov, and P. A. Samokrutov, "Assessment of concrete structures using the Mira and Eyecon ultrasonic shear wave devices and the SAFT-C image reconstruction technique," Construction and Building Materials, vol. 38, pp. 1276–1291, 2013, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2011.06.002