Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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SYSTEME ET MÉTHODE DE CARTOGRAPHIE TRIDIMENSIONNELLE
D'UNE SURFACE STRUCTURELLE
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention porte sur un système et une méthode de cartographie
tridimensionnelle d'une surface structurelle susceptible d'être immergée.
ÉTAT DE L'ART
Le maintien en état d'un barrage hydroélectrique nécessite l'inspection et la
réparation de structures qui peuvent être immergées. Une simple inspection
visuelle à partir de photographies ou de vidéos peut fournir une information
qualitative. Ce type d'inspection permet par exemple de vérifier l'état de
surface
des structures ou bien de détecter la présence de fissures. Cependant pour
établir une évaluation plus exploitable de l'état des installations, il est
nécessaire de disposer d'informations quantitatives. De telles informations
permettent, par exemple, non seulement de détecter des fissures mais aussi de
les localiser et les dimensionner précisément, ou encore d'établir le relevé
complet d'une structure pour estimer sa déformation.
L'inspection d'une structure sous-marine peut se faire par différents moyens.
Une première solution consiste à envoyer des scaphandriers prendre des
mesures spatiales de la structure. La réalisation de l'inspection est alors
soumise à plusieurs contraintes. Il faut en premier lieu que la zone soit
physiquement accessible et que cet accès soit autorisé par les règles de
sécurité. L'environnement d'un barrage cumule effectivement les dangers du
milieu sous-marin et du milieu industriel. Les scaphandriers ont ensuite
besoin
d'une visibilité suffisante pour pouvoir prendre les mesures. L'eau peut être
troublée par des particules en suspension provenant de la végétation,
d'organismes aquatiques ou de la corrosion des pièces métalliques. Ensuite, la
qualité des mesures dépend de l'habileté et de l'expérience des scaphandriers.
Étant donné que la prise de mesure est manuelle, les résultats ne comportent
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aucune notion de confiance ou d'incertitude. Enfin, le temps nécessaire à la
prise de mesure peut être long alors que l'arrêt d'une partie d'un barrage
pendant l'inspection peut être très coûteux pour l'exploitant. Toutes ces
contraintes font que les installations qui le nécessitent ne sont pas toujours
inspectées régulièrement. Dans ce cas, l'état du barrage se détériore jusqu'au
jour où une de ses parties entre en dysfonction. En somme, une inspection par
scaphandriers n'est pas toujours réalisable, a un coût élevé, comporte des
dangers pour la vie humaine et limite une exploitation quantitative rigoureuse
des résultats.
Une deuxième solution pour l'inspection sous-marine est l'utilisation d'un
système robotique. De façon générale, il peut s'agir de tout système téléopéré
ou autonome permettant de collecter les données requises pour l'inspection.
Dans cette classe se retrouvent les robots mobiles tels que les ROV ("Remotely
Operated Vehicle") et les AUV ("Autonomous Underwater Vehicle"). L'utilisation
d'un robot offre de nombreux avantages et de nouvelles capacités par rapport à
une inspection par scaphandrier. Les contraintes de sécurité ne sont pas les
mêmes puisqu'aucun opérateur n'est directement présent dans la zone à
inspecter. Les données peuvent être collectées par un plus grand nombre de
capteurs différents: caméra, caméra vidéo mais aussi sonar, système de vision
passif ou actif. Il est possible de combiner l'utilisation de ces capteurs
afin de
prendre des mesures dans différentes conditions. Par exemple l'utilisation
d'un
système de vision offre une bonne précision pour une inspection locale mais un
système acoustique permet de collecter des données sur une plus grande
plage et dans de mauvaises conditions de visibilité. Le filtrage et la fusion
des
mesures provenant de plusieurs capteurs peut réduire leur incertitude. Le
volume de données recueilli est plus grand. En disposant d'une densité de
mesure suffisante, les risques de ne pas détecter une anomalie sont réduits.
Une plus grande capacité d'acquisition rend aussi possible l'inspection de
structures à grande échelle. C'est pour ces raisons que les robots sous-marins
sont activement développés depuis plus de trente ans. La maturité de la
technologie rend maintenant leur utilisation possible en industrie.
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Les systèmes d'inspection robotisés comportent de nombreux avantages mais
leur mise au point pose de nouveaux problèmes et leur fonctionnement peut
être mis en défaut dans certaines conditions particulières.
Bien que les données puissent être collectées par différents types de
capteurs,
chaque capteur est performant pour un usage particulier.
Un des problèmes commun aux robots sous-marins est la localisation précise
du système. Or, pour être utilisable, les données collectées doivent être
référencées dans un même repère global. Cependant, aux abords d'un barrage,
un robot évolue parfois dans un milieu fermé, ce qui peut mettre en défaut son
système de localisation. Par exemple, dans le cas des systèmes acoustiques,
les ondes émises rebondissent sur les parois et faussent l'interprétation du
signal réfléchi. Ou encore, dans le cas des boussoles, le champ magnétique
terrestre est déformé par la présence des armatures du béton et empêche une
bonne lecture de l'orientation.
L'inspection de certaines structures nécessite une grande précision de mesure.
Pour cela, il faut à la fois que le capteur qui réalise effectivement la
mesure soit
précis mais il faut que le système de localisation du robot le soit également.
Actuellement, on arrive en général à une précision de mesure sur les données
exprimées dans un repère global de l'ordre du centimètre, ce qui est
insuffisant
pour certaines applications.
II est à noter qu'une grande précision de mesure n'est pas suffisante. Un
niveau
de confiance dans la mesure est également nécessaire. Ce niveau de
confiance indique la fiabilité du système et dépend à la fois du système de
localisation et du capteur qui réalise la mesure.
Un système d'inspection destiné à fonctionner sur site est soumis aux
perturbations rencontrées couramment dans le milieu (particules en
suspension, vibrations, chocs). Ainsi, même si le système a une bonne
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précision de mesure en conditions idéales, cette précision se dégradera en
conditions réelles.
SOMMAIRE
Un objet de la présente invention est de proposer un système et une méthode
permettant de cartographier une surface structurelle susceptible d'être
immergée qui simplifient la localisation de l'unité de mesure par rapport à la
surface.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un tel système et une
telle méthode qui permettent d'établir une carte de profondeur de la surface
structurelle avec un niveau de précision pouvant atteindre une fraction d'un
millimètre, par exemple 0,1 mm.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un tel système et une
telle méthode capables de déterminer si une mesure est valide et aptes à
associer une représentation d'incertitude à une mesure si voulu.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un tel système ayant
une robustesse permettant de l'utiliser en milieu sous-marin dans des
conditions possiblement hostiles, et une sensibilité réduite aux perturbations
comme des particules en suspension, des vibrations, des chocs.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un tel système ayant
une certaine autonomie d'opération.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un tel système et une
telle méthode ayant un degré de flexibilité tel qu'ils soient utilisables ou
praticables assez facilement, et puissent s'auto-calibrer.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un tel système et une
telle méthode qui permettent de prendre des mesures rapidement.
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Selon un aspect de la présente invention, il est proposé un système de
cartographie tridimensionnelle d'une surface structurelle, comprenant:
deux fils aptes à être tendus le long de la surface structurelle en étant
espacés l'un de l'autre de manière à définir une surface de référence devant
la
surface structurelle;
une unité de mesure comportant un ensemble laser apte à projeter deux
plans de lumière distincts dirigés vers la surface structurelle et croisant
les fils,
et une caméra apte à capter des images de la surface structurelle contenant
des lignes résultant d'une intersection des plans de lumière avec la surface
structurelle et des points de référence résultant d'une intersection des plans
de
lumière avec les fils;
un ensemble porteur apte à déplacer l'unité de mesure de manière
contrôlée devant la surface structurelle de manière à balayer progressivement
la surface structurelle à cartographier; et
une unité de traitement des images captées par la caméra, l'unité de
traitement ayant:
un moyen pour déterminer une orientation et une position de
l'unité de mesure par rapport à la surface de référence en fonction des
points de référence dans les images;
un moyen pour déterminer des coordonnées 3D de points
définissant les lignes dans les images par rapport à un repère lié à l'unité
de mesure déterminé en fonction de l'orientation et de la position de
l'unité de mesure; et
un moyen pour transformer les coordonnées 3D en des données
cartographiques représentatives de la surface structurelle dans un repère
global lié à la surface de référence définie par les fils.
Selon un autre aspect de la présente invention, il est proposé une méthode de
cartographie tridimensionnelle d'une surface structurelle, comprenant les
étapes
de:
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a) tendre deux fils le long de la surface structurelle en les espaçant l'un
de l'autre de manière à définir une surface de référence devant la surface
structurelle;
b) déplacer une unité de mesure comportant un ensemble laser et une
caméra de manière contrôlée devant la surface structurelle de manière à
balayer progressivement la surface structurelle;
c) projeter deux plans de lumière distincts dirigés vers la surface
structurelle au moyen de l'ensemble laser;
d) capter des images de la surface structurelle contenant des lignes
résultant d'une intersection des plans de lumière avec la surface structurelle
et
quatre points de référence résultant d'une intersection des plans de lumière
avec les fils au moyen de la caméra;
e) déterminer une orientation et une position de l'unité de mesure par
rapport à la surface de référence en fonction des points de référence dans les
images;
f) déterminer des coordonnées 3D de points définissant les lignes dans
les images par rapport à un repère lié à l'unité de mesure déterminé en
fonction
de l'orientation et de la position de l'unité de mesure; et
g) transformer les coordonnées 3D en des données cartographiques
représentatives de la surface structurelle dans un repère lié à la surface de
référence définie par les fils.
DESCRIPTION BREVE DES DESSINS
Une description détaillée des réalisations préférées de l'invention sera
donnée
ci-après en référence avec les dessins suivants, dans lesquels les mêmes
numéros font référence à des éléments identiques ou similaires:
Figure 1 est un diagramme schématique illustrant un système pour produire des
données cartographiques d'une surface structurelle selon l'invention.
Figure 2 est un diagramme schématique illustrant un ensemble porteur du
système.
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Figure 3 est un diagramme schématique illustrant une unité de mesure du
système.
Figure 4 est un diagramme schématique illustrant une vue de dessus d'une
unité de mesure du système.
Figure-5 est un diagramme schématique illustrant une configuration alternative
d'une unité de mesure du système.
Figure 6 est un diagramme schématique illustrant une image captée par l'unité
de mesure.
Figure 7 est un diagramme schématique illustrant une chaîne d'acquisition du
système.
Figure 8 est un diagramme schématique illustrant un système monté entre des
rails d'une vanne de barrage.
Figure 9 est un diagramme schématique illustrant un système de déplacement
d'une unité de mesure du système.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES RÉALISATIONS PRÉFÉRÉES
En référence à la Figure 1, il est montré un schéma du système de cartographie
tridimensionnelle d'une surface structurelle 2 (montrée à la figure 3) selon
l'invention. Le système comporte une unité de mesure 4, un ensemble porteur 6
apte à déplacer l'unité de mesure 4, et une unité de traitement 8 connectée à
l'unité de mesure 4 et à l'ensemble porteur 6.
En référence à la Figure 3, le système comporte également deux fils 10, 12
parallèles et aptes à être tendus le long de la surface structurelle 2 en
étant
espacés l'un de l'autre de manière à définir une surface de référence devant
la
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surface structurelle 2. L'unité de mesure 4 comporte un ensemble laser formé
de deux lasers 14, 16 aptes à projeter deux plans de lumière distincts 18, 20
dirigés vers la surface 2, et une caméra 22 munie d'une lentille 21. Dans le
cas
où les fils 10, 12 forment une surface de référence qui n'est pas plane ou
dans
le cas où les fils 10, 12 ne sont pas parallèles, le défaut de parallélisme ou
de
planéité relatif à l'unité de mesure 4 sera utilisé afin d'apporter les
corrections
voulues aux mesures réalisées par l'unité de traitement 8 (illustré à la
Figure 1).
En référence aux Figures 3 et 6, la caméra 22 est apte à capter des images 28
de la surface 2 contenant des lignes 24, 26 résultant d'une intersection des
plans de lumière 18, 20 avec la surface 2 et quatre points de référence Pml
PM2y PM3y PM4 résultant d'une intersection des plans de lumière 18, 20 avec
les
fils 10, 12.
En référence aux Figures 2 et 8, l'ensemble porteur 6 portant l'unité de
mesure
4 peut prendre la forme d'un bâti comportant un élément mobile 36 tel un bras
auquel l'unité de mesure 4 est fixé, et un ensemble d'éléments de guidage
transversal et vertical 30, 32, 34 de l'élément mobile 36. L'ensemble porteur
est
ainsi apte à déplacer l'unité de mesure 4 de manière contrôlée devant la
surface 2 (montrée à la Figure 3) de manière à balayer progressivement la
surface 2 (en partie ou en totalité). L'ensemble mobile peut prendre
différentes
formes, en autant que sa construction permet d'atteindre la surface 2 à
inspecter et de déplacer l'unité de mesure 4 devant la surface 2 de manière
contrôlée afin de construire la carte de profondeur de la surface 2. Par
exemple,
l'élément de guidage transversal 30 peut être constitué d'un treillis rigide
tel que
montré à la Figure 8, monté de manière coulissante sur des guides latéraux 32,
34 formant les éléments de guidage vertical, pour permettre de déplacer le
treillis 30 verticalement (ou dans une direction équivalente selon la
situation /
orientation de la surface à examiner) par rapport à la surface 2 tel
qu'illustré par
les flèches 38, 40 (montrées à la Figure 2). Le bras 36 est monté de manière
coulissante sur le treillis 30 pour permettre de le déplacer horizontalement
(ou
dans une direction équivalente selon la situation / orientation de la surface
à
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examiner) par rapport à la surface 2 tel qu'illustré par les flèches 42, 44
(montrées à la Figure 2).
En référence à la Figure 9, le coulissement du bras 36 par rapport au treillis
30
(montré à la Figure 8) pour positionner et déplacer l'unité de mesure 4
(montré
à la Figure 8) peut être réalisé au moyen d'engrenages entraînés par un ou des
moteurs montés ou non sur le bâti 6 selon le type de moteur ¨ pneumatique,
électrique, hydraulique, etc. Par exemple, un moteur électrique rotatif
submersible 112 doté d'un pignon 111 en contact avec une crémaillère 110
peut servir à déplacer le bras 36 le long d'un arrangement de rails 60. De
préférence, l'élément mobile 36 procurera un positionnement précis à l'unité
de
mesure 4. Par exemple, un encodeur optique rotatif submersible 114 doté d'un
pignon 115 en contact avec la crémaillère 110 peut servir à mesurer le
déplacement horizontal de l'élément mobile 36. Une unité de commande
proportionnelle peut ensuite asservir la position de l'élément mobile 36. Afin
de
corriger la position de l'unité de mesure 4 en raison de l'inclinaison du bâti
6, un
inclinomètre submersible 118 mesurant l'inclinaison selon deux degrés de
liberté par rapport à l'horizontale peut être utilisé.
En référence à la Figure 4, les lasers 14, 16 de l'unité de mesure 4 sont
fixés
rigidement à la caméra 22. Des miroirs 46, 48 peuvent être utilisés pour
rediriger les plans de lumière 18, 20 vers la surface 2 tout dépendamment du
montage choisi. En outre, les lasers 14, 16 peuvent être disposés sur un même
côté de la caméra 22. Un tel arrangement, illustré à la Figure 5, permet de
réduire les dimensions de l'unité de mesure 4. Un seul laser peut également
être utilisé plutôt que deux. En pareil cas, un arrangement optique approprié
(non illustré) pourra être utilisé pour produire les deux plans de lumière 18,
20.
Ou encore, les plans de lumières 18, 20 peuvent être produits l'un après
l'autre,
de manière à apparaître dans des images subséquentes prises par la caméra
22 puis traitées de manière à tenir compte de ce facteur. Il est également
possible d'utiliser plus de deux projecteurs lasers. Dans le cas où l'on
utilise n
projecteurs lasers, l'intersection des n plans de lumière avec les fils 10, 12
produit 2n points Pm,. De la même façon, un projecteur laser peut projeter
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plusieurs plans de lumière sur la surface 2 allumant autant de points Pu. La
Figure 5 montre un arrangement de l'unité de mesure 4 où les projecteurs
lasers 14, 16 projettent respectivement les plans de lumière 17, 19 et 18, 20,
des lignes 23, 25 et 24, 26 résultant alors de l'intersection des plans de
lumière
17, 19 et 18,20 avec la surface 2.
Les fils 10, 12 peuvent être formés de fils d'acier ou autres types de fils si
voulu.
En référence à la Figure 5, il est également possible d'utiliser plus de deux
fils,
par exemple trois fils 10, 11, 12 disposés devant la surface 2, de manière à
ce
que les plans de lumière 18, 20 les croisent. Le ou les fils supplémentaires
peuvent être dans le même plan que les fils 10, 12 et parallèles aux fils 10,
12,
ou ils peuvent être dans un autre plan, de préférence parallèle au plan formé
par les fils 10, 12, et toujours parallèles aux fils 10, 12. L'ajout de fils
supplémentaires fournit plus d'informations pour la localisation de l'unité de
mesure 4 et le calibrage en ligne de ses paramètres.
Afin que l'unité de mesure 4 puisse s'auto-localiser et cartographier la
surface
2, au moins quatre points Pml, PM2, PM3, Pm4 sur les fils 10, 12 sont allumés
par
l'ensemble laser 14, 16. Un point supplémentaire sur le fil 11 situé à une
distance g, qui n'est pas nécessairement connue, de la surface de référence
formée par les fils 10, 12 permet de calibrer en ligne l'ensemble des
paramètres
de chacun des plans de lumière 18, 20.
En référence à nouveau à la Figure 1, l'unité de traitement 8 peut être
réalisée
de manière à construire une carte de profondeur de la surface 2 au moyen d'un
processus itératif et rétroactif. A cet effet, l'unité de traitement 8
comporte un
module de localisation 81, un module de cartographie 82 et un module
décisionnel 83. Le module de localisation 81 détermine la localisation de
l'unité
de mesure 4 par rapport à un repère global fixe. Le module de cartographie 82
détermine les coordonnées 3D de points de la surface 2 dans le repère lié à la
caméra 22 (montrée à la Figure 3) de l'unité de mesure 4. Le module
décisionnel 83 décide des commandes à envoyer au porteur 6 qui déplace
l'unité de mesure 4 afin de collecter les données de façon efficace.
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Le module de localisation 81 comporte deux sous-modules de modélisation 56,
58, un sous-module d'estimation 812, un sous-module de détection de points
Pu 810 et un sous-module de correction de distorsions 811. Le sous-module de
modélisation 56 modélise l'ensemble porteur 6 au moyen d'un ensemble de
données paramétriques qui le caractérisent. De manière similaire, le sous-
module de modélisation 58 modélise l'unité de mesure 4 au moyen d'un
ensemble de données paramétriques qui la caractérisent. Le sous-module de
détection de points PMI 810 détermine les coordonnées image des points Pre,
PM2, PM3, PM4, Le sous-module de correction de distorsions 811 corrige les
coordonnées image des points détectés de façon à annuler l'effet des
distorsions de la lentille 21 de la caméra 22 ou tenir compte d'un défaut de
parallélisme des fils 10, 12 (montrés à la Figure 3). Le sous-module
d'estimation 812 estime la pose (i.e. la position et l'orientation) de l'unité
de
mesure 4 relativement au repère global d'après les signaux fournis par le sous-
module de modélisation 58 et le sous-module de correction de distorsions 811,
et corrige les paramètres internes de l'unité de mesure 4 par le biais d'une
boucle de rétroaction. Le sous-module d'estimation 812 peut utiliser un filtre
de
Kalman pour effectuer l'estimation voulue.
En référence à la Figure 3, les données paramétriques de l'unité de mesure 4
comprennent les paramètres internes et externes de la caméra 22, les
paramètres des plans de lumière 18, 20 et l'écartement des fils 10, 12. Dans
le
cas où un modèle de caméra perspective avec distorsions est utilisé, les
paramètres internes typiques de la caméra 22 sont alors les distances
focalesau,a, , le point principal co =[u0,v0JT et les coefficients de
distorsions de
la lentille 21. Les paramètres externes typiques de la caméra 22 sont
l'orientation et la position par rapport au repère lié aux fils 10, 12. Les
plans de
lumière 18, 20 sont définis par les paramètres a, b, c, d dans l'équation en
coordonnées cartésiennes: aX + bY + cZ + d = 0. Le paramètre qui définit
l'écartement des fils 10, 12 est noté 2h. Enfin, les données paramétriques de
l'ensemble porteur 6 (montré à la Figure 2) comprennent typiquement la
position et l'orientation par rapport à un repère global fixe ainsi que la
position
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de l'unité de mesure 4 sur l'arrangement de rails transversaux 60 (montrés à
la
Figure 9).
En référence à nouveau à la Figure 1, le module de cartographie 82 comporte
un sous-module de détection des points PL; 820 qui détermine les coordonnées
image des points contenus dans les lignes 24, 26, un sous-module de
correction de distorsions 811 semblable à celui du module de localisation 81,
et
un sous-module de triangulation 822. Le rôle du sous-module de triangulation
822 est de calculer les coordonnées 3D des points PL; dans le repère lié à la
caméra 22 de l'unité de mesure 4. Le module de cartographie 82 comporte
aussi un sous-module de changement de repère 840 qui transforme les
coordonnées des points PL, depuis le repère lié à la caméra 22 vers le repère
global, et un sous-module de modélisation 54 de la surface 2 qui construit la
carte de la surface 2 au fur et à mesure. Il existe de nombreuses façons de
représenter la surface structurelle 2. Par exemple, le sous-module de
modélisation 54 de la surface 2 peut contenir un ensemble de points 3D qui
constituent la carte de la surface 2 et définissent sa cartographie
tridimensionnelle.
Le module décisionnel 83 comporte un sous-module de prise de décision 830
qui envoie des commandes de positionnement à l'ensemble porteur 6 et une
interface de communication 832 permettant d'initialiser l'unité de traitement
8 et
récupérer les informations recherchées, à savoir la carte de la surface 2, les
données de position et d'orientation de l'ensemble porteur 6, et les données
paramétriques de l'unité de mesure 4.
Grâce aux fils 10, 12 (montrés à la Figure 3), l'unité de mesure 4 du système
peut être localisée avec une grande précision. Le système cartographie aussi
au moins une ligne de points de la surface 2 en même temps par l'utilisation
d'une seule image. Pour cela, la caméra 22 transmet les images 28 à l'unité de
traitement 8. L'unité de traitement 8 traite les images 28 de manière à
localiser
l'unité de mesure 4 par rapport au repère lié aux fils 10, 12 et de manière à
déterminer les coordonnées de points 3D de la surface 2. Les coordonnées
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image des points Pm1, PM2, PM3, et Pm4 servent à localiser l'unité de mesure 4
alors que les lignes 24, 26 servent à cartographier la surface 2. Le système
selon l'invention permet ainsi de cartographier des surfaces de grande
longueur
tout en gardant une grande précision.
En référence aussi aux Figures 2 et 3, le sous-module décisionnel 83 envoie
initialement des commandes de positionnement à l'ensemble porteur 6 afin de
positionner l'unité de mesure 4 à la hauteur de la surface 2 à inspecter.
Lorsque
l'unité de mesure 4 est à la hauteur voulue, le sous-module décisionnel 83
bloque le déplacement de l'ensemble porteur 6. Le sous-module d'estimation
812 (e.g. filtre de Kalman) corrige alors les paramètres internes d'opération
de
l'unité de mesure 4 tels les paramètres des plans lasers 18, 20. Puis, le sous-
module décisionnel 83 envoie des commandes de positionnement à l'ensemble
porteur 6 pour déplacer l'unité de mesure 4 transversalement (dans les
directions des flèches 42, 44 illustrées à la Figure 2) le long de la surface
2 afin
de mesurer les coordonnées 3D des points contenus dans les lignes 24, 26 de
la surface 2. Le module de cartographie 82 prend des mesures à des intervalles
spécifiés via l'interface de communication 832. Pour chaque paire de lignes
24,
26, une image 28 est envoyée par la caméra 22 au module de cartographie 82.
Le sous-module de modélisation 54 de la surface 2 construit la carte de la
surface 2 ligne par ligne. La carte obtenue couvre une bande de la surface 2
d'une certaine hauteur. Si plusieurs bandes sont nécessaires pour
cartographier l'ensemble ou une partie voulue de la surface 2, alors le module
décisionnel 83 envoie des commandes de positionnement à l'ensemble porteur
6 afin de déplacer l'unité de mesure 4 en hauteur vers la zone contigüe
suivante puis le processus ci-dessus est répété.
Le déplacement de l'unité de mesure 4 peut se faire de manière continue ou
pas à pas. Dans le cas d'un déplacement continu, une seule mesure pour un
point donné de la surface 2 est prise par le module de localisation 81 et par
le
module de cartographie 82. Dans le cas d'un déplacement pas à pas, plusieurs
mesures peuvent être prises à chaque arrêt et peuvent être combinées de
façon à augmenter la confiance dans les mesures.
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En opération, le système de cartographie est susceptible d'être soumis à de
multiples perturbations. Bien qu'il soit possible de prendre directement des
mesures de la surface structurelle 2 puis de référencer ces mesures en
utilisant
les données de positionnement de l'unité de mesure 4 et de l'ensemble porteur
6, ces mesures sont imprécises, voir même fausses, à cause des perturbations
rencontrées. Le système prend avantage des fils 10, 12 au travers d'un
processus itératif et rétroactif, implémenté dans le module de localisation
81,
qui garantit la validité des données de positionnement de l'unité de mesure 4.
Ce processus itératif et rétroactif utilise le modèle de l'unité de mesure 4
définit
dans le sous-module 58. Son rôle est de prédire quelle sera la position des
points PM1, PM2, PM3, et Pm4 dans l'image 28 sur la base de la position et de
l'orientation de l'unité de mesure 4, des paramètres internes de l'unité de
mesure 4 et de l'écartement des fils 10, 12.
L'ensemble minimal de données pour calculer la pose d'une caméra sans
ambigüité est de quatre points coplanaires. Le détecteur de points Pm; 810
détermine les coordonnées image des points PM1, PM2, PM3, et Pim. La
détermination des coordonnées des points PM1, PM2, PM3, et Pm4 peut se faire
en
utilisant des algorithmes d'une librairie de vision par ordinateur. Le
correcteur
de distorsions 811 corrige ces coordonnées pour annuler l'effet des
distorsions
éventuelles de la lentille 21 de la caméra 22. Les points PM1, PM2, PM3, et
PM4
sont ensuite triangulés dans le repère lié à la caméra 22 afin d'obtenir leur
coordonnées 3D. L'équation 1 peut être utilisée à cet effet:
X (u - u0 )Z I aõ
Y = (v -vo)Z I a, (1)
_=-== d 1(a + b(u - u 0) I a +c(v-vo)1 a,)_
CAM
où (u, v) représentent les coordonnées image d'un point P, et (X, Y, Z)
représentent les coordonnées 3D de P dans le repère lié à la caméra 22.
L'orientation de la caméra peut être calculée en utilisant l'algorithme
proposé
par B.K.P. Horn dans l'article "Closed-form solution of absolute orientation
using
unit quaternions", Journal of the Optical Society of America A, Vol. 4, page
629-
642, 1987, avec comme données en entrée les coordonnées 3D des points
CA 02701497 2010-04-01
WO 2009/046519
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Pmi, PM2, PM3, et PM4. Mais d'autres méthodes fonctionnant sur un ensemble de
4 points coplanaires peuvent également être utilisées. Une fois que
l'orientation
de la caméra a été calculée, la translation peut être calculée suivant
l'équation
2:
Trans(FILS,CAM)=-- -Rot(FILS,CAM)V5,,,,,LAM (2)
où Trans(FILS, CAM) dénote la translation de la caméra 22 par rapport aux fils
10, 12, Rot(FILS, CAM) dénote l'orientation de la caméra 22 par rapport aux
fils
10, 12 et Lm dénote le barycentre des points PM1, PM2, PM3, et PM4
exprimé
dans le repère caméra 22. La position / orientation de la caméra 22 ainsi
calculée vient comme paramètre initial du filtre de Kalman 812 qui raffine
l'estimé de cette position / orientation sur la base des données paramétriques
du modèle de l'unité de mesure 4 fourni par le sous-module 58, du modèle de
l'ensemble porteur 6 fourni par le sous-module 56, et de la pose calculée.
Après
plusieurs itérations du filtre de Kalman 812, si la différence entre les
coordonnées des points PM1, PM2, PM3, et PM4 estimées par le modèle de l'unité
de mesure 4 et les coordonnées des points PM1, PM2, PM3, et PM4 détectées par
le détecteur de points PMI 810 est supérieure à un certain seuil, alors la
pose
est rejetée. Sinon, la pose calculée est valide. L'utilisation de cette
technique
permet d'avoir un système plus robuste et intègre. Elle est rendue possible
par
la présence des fils 10, 12. Cette technique permet ainsi de détecter si les
fils
10, 12 sont en mouvement suite à des perturbations ou encore si les données
paramétriques du modèle de l'unité de mesure 6 sont fausses.
Dans le cas où l'on veut également ré-estimer les paramètres a, b, c, d des
plans lasers 18, 20, le troisième fils 11 (illustré à la Figure 5) est
utilisé. Ces
paramètres sont estimés par le filtre de Kalman 812 qui a comme vecteur d'état
la position et l'orientation de la caméra 22 ainsi que les paramètres a, b, c,
d
des plans lasers 18, 20. Le détecteur des points PMI 810 détermine les
coordonnées image des points PM1, PM2, PM3, PM4, PM5, PM6 qui sont envoyées
au correcteur de distorsions 811 puis au filtre de Kalman 812. La position du
troisième fils 11 par rapport aux fils 10, 12 n'est pas nécessairement connue
et
peut également être estimée par le filtre de Kalman 812.
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Le détecteur de points PL; 820 détermine les coordonnées 2D de points des
images 28 contenus dans les lignes 24, 26. Cette étape de traitement peut se
faire en utilisant des algorithmes de librairies de vision par ordinateur. Le
correcteur de distorsions 811 corrige ensuite les coordonnées des points PL,
de
façon à annuler l'effet des distorsions éventuelles de la lentille 21 de la
caméra
22. Dans le cas d'un déplacement continu, les coordonnées 3D des points PLI,
exprimées dans le repère lié à l'unité de mesure 4, sont déterminées à partir
d'une seule mesure par le sous-module de triangulation 822 qui utilise
l'équation 1. Dans le cas d'un déplacement pas à pas, on peut, par exemple,
faire une moyenne des points PL; mesurés plusieurs fois par les sous-modules
820, 811 et 822. Un changement de repère 840 est ensuite effectué pour
obtenir les coordonnées de PL; dans le repère global. Le changement de repère
peut se faire suivant l'équation:
X X
Y Y
= T(GLOBAL,CAM) (3)
-1 -GLOBAL1
- - CAM
où T est une matrice de transformation homogène fonction de l'orientation et
de
la position de la caméra 22 par rapport au repère global.
Le positionnement de l'unité de mesure 4 sur l'ensemble porteur 6 peut être
effectué par le sous-module de prise de décision 830 de manière à pouvoir
contrôler le positionnement en fonction des mesures traitées. Par exemple, il
peut arriver que le système rencontre des perturbations (par exemple,
mouvements des fils 10, 12) et qu'il ne soit plus capable de prendre des
mesures. Le sous-module de prise de décision 830 peut dans ce cas arrêter le
déplacement de l'unité de mesure 4 jusqu'à ce que les perturbations
disparaissent. Le positionnement peut aussi être préprogrammé de manière à
s'effectuer sans rétroaction. Ou encore, un opérateur peut prendre le contrôle
des déplacements via l'interface de communication 832.
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Les lignes 24, 26 peuvent être indexées au moyen d'un encodeur optique 114
(montré à la figure 9) qui donne la position de l'unité de mesure 4 sur
l'arrangement de rails transversaux 60 de l'ensemble porteur 6 (montré à la
Figure 2). L'index des lignes 24, 26 correspond à la position de l'unité de
mesure 4 sur l'arrangement de rails 60 de l'ensemble porteur 6.
La configuration des modules de localisation, de cartographie et décisionnels
81, 82, 83 peut être adaptée par exemple pour raffiner certains traitements en
vue de produire les données cartographiques ou selon les paramètres
d'opération et le type d'équipement composant l'unité de mesure 4 et
l'ensemble porteur 6.
En référence à la Figure 7, l'unité de traitement 8 et l'interface de
communication 832 (montrés à la Figure 1) peuvent avantageusement être
implémentés dans un organe de traitement 62 tel un PC (ordinateur) ou des
circuits dédiés appropriés contrôlant les fonctions du système. L'organe de
traitement 62 est relié à l'unité de mesure 4 et récupère les images 28 de la
caméra 22 (montrée à la Figure 2) et les traite pour localiser l'unité de
mesure 4
et cartographier la surface 2. Le traitement peut se faire en continu au taux
de
rafraichissement de la caméra 22. L'organe de traitement 62 peut contrôler
également les deux axes de déplacement de l'ensemble porteur 6. Lors d'une
translation de l'unité de mesure 4 le long de l'axe horizontal (flèches 42, 44
dans la Figure 3) et à intervalles spécifiés, l'organe de traitement 62
récupère la
position (X, Y) de l'unité de mesure 4 et met en mémoire une ligne de profil.
Cette information sert à exprimer les coordonnées des lignes lasers dans un
repère global fixe attaché à la scène.
En référence à nouveau à la Figure 3, afin de pouvoir détecter des défauts de
surface de la structure inspectée de tailles réduites (0,1 mm par exemple), la
caméra 22 est de préférence munie d'une matrice CCD progressive de forte
résolution. Une telle caméra peut communiquer avec l'organe de traitement 62
(montré à la Figure 7) via un canal de transmission numérique tel que IEEE-
1394 (aussi connu sous la dénomination FireWire), Camera Link, USB ou
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encore Gigabyte Ethernet. Les projecteurs lasers 14, 16 émettent de préférence
à une longueur d'onde dans le visible (entre 400nm et 800nm). Afin de
faciliter
la détection des lignes 24, 26 dans l'image 28, la lentille 21 de la caméra 22
peut utiliser un filtre optique qui ne laisse passer que la longueur d'onde
des
projecteurs lasers 14, 16.
Bien que le système est conçu pour fonctionner sous l'eau, il peut tout aussi
bien être utilisé hors de l'eau si voulu. Dans un tel cas, la calibration de
l'unité
de mesure 4 est tout simplement faite hors de l'eau, et le système fonctionne
ensuite de la même manière que sous l'eau.
=
Bien que des réalisations de l'invention aient été illustrées dans les dessins
ci-
joints et décrites ci-dessus, il apparaîtra évident pour les personnes versées
dans l'art que des modifications peuvent être apportées à ces réalisations
sans
s'écarter de l'invention.
