Livre blanc technologique Système de cartographie mobile de FARO

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1 Livre blanc technologique Système de cartographie mobile de FARO - Utilisation simple et abordable de la technologie FARO par Tobias Möhlihs, M.Eng Introduction La cartographie mobile est une partie essentielle de la documentation 3D moderne. Un système cartographique mobile intègre des capteurs à distance et une navigation synchronisée dans le temps. Il s agit d une application puissante pour lelevé d informations 3D à grande échelle, p. ex. des cartes routières ou des plans de villes en 3D. Vu que les systèmes de cartographie mobile requièrent de gros investissements pouvant atteindre 1 million d euros, le présent livre indique un moyen de convertir un scanner laser Focus 3D de FARO avec un minimum d investissements en un système de cartographie mobile. Dans ce livre, nous avons utilisé la centrale à inertie Applanix AP15, qui allie haute précision et prix abordable. Bien sûr, nous aurions pu utiliser n importe quel autre système de centrale à inertie, en fonction des besoins réels de l utilisateur. De plus, capable de fonctionner en mode hélicoïdal, tout scanner Focus 3D de FARO est convertible en un scanner mobile. Composants Pour convertir un scanner Focus 3D de FARO en un système de cartographie mobile, il faut des pièces supplémentaires. Le soussystème le plus important d un système cartographique mobile, au même titre que le scanner Focus 3D lui-même, est un système de navigation à inertie (SNI), qui indique la position et l orientation du scanner. Dans ce cas, l Applanix AP15 est utilisée mais peut être remplacée par n importe quel système de localisation Applanix POS-LV ou tout autre SNI. Les pièces nécessaires sont les suivantes : - Scanner laser Focus 3D de FARO - Adaptateur hélicoïdal de FARO - Système de serrage à point zéro de FARO (ZPC, facultatif) - Application hélicoïdale de FARO (App Center 3D de FARO) - SNI Applanix (ou autres) - Une plateforme pour monter toutes les pièces Le SNI Applanix contient une centrale à inertie et deux récepteurs GNSS (système mondial de navigation par satellite). PROCESSUS DE TRAVAIL Le processus de travail de base est très simple. Une fois que tous les composants du SNI sont installés sur une plateforme, vous pouvez monter et démonter le scanner Focus 3D de la superstructure de cartographie mobile en fonction de vos besoins. Cette flexibilité permet à l utilisateur de continuer à utiliser son scanner Focus 3D comme un scanner laser standard vu que le système ne requiert pas l installation permanente de celui-ci. PRÉPARATION Pour installer le système, quelques menus travaux de préparation sont nécessaires. Pour commencer, aucun câble n est fourni par Applanix ou FARO pour raccorder les deux systèmes séparés. Ensuite, vous devez placer et fixer tous les composants sur un véhicule qui mène à une plateforme.

2 LE CÂBLAGE Pour pouvoir synchroniser le scanner Focus 3D avec le SNI, il faut raccorder les deux systèmes. Pour cela, l utilisateur doit raccorder l interface Automation Testbox I/O à l interface POS Event I/O. En cas d utilisation d un autre SNI, il convient de consulter le manuel du SNI pour savoir comment agir en cas d événement sync_in. Il est important que le SNI puisse lire le signal TTL fourni par le boîtier de test d automatisation de FARO pour la synchronisation dans le temps. Broche du boîtier d automatisation Automationbox Pin POS I/O cable 1 Pin 3 (Trigger_Out) - 2 (Event_In) 5 or 7 (GND) - 5 (GND) I/O 1/2 Graphique 2 Affectation des broches du boîtier de test d automatisation Graphique 2 Affectation des broches POS I/O de l Applanix LA PLATEFORME Pour monter correctement le scanner, la centrale à inertie et les antennes GPS, une plateforme est nécessaire. Il est vivement recommandé de monter le scanner et la centrale à inertie le plus proche possible l un de l autre. La façon dont toutes les pièces sont montées sur un véhicule dépend de l utilisateur et de ses besoins. Mais, pour une installation simple et dans cet exemple, le mieux est d utiliser une plateforme tout-en-un pouvant être fixée sur des racks de toit universels. La disposition de tous les composants n a aucune importance sauf pour le scanner et la centrale à inertie ainsi que les spécifications des antennes GNSS (prière de consulter le manuel du fabricant de l antenne GNSS) À titre d exemple, la plateforme pourrait ressembler à cela : Graphique 3 Schéma d agencement possible d une plateforme n d'appel GRATUIT :

3 Graphique 4 Plateforme avec dispositifs montés (Applanix POS, centrale à inertie AP15 et ZPC de FARO) INSTALLATION Pour plus de facilité, l installation est divisée en étapes : Dans un premier temps, monter tous les dispositifs sur la plateforme. Il s agit de la centrale à inertie, du POS et du scanner. Pour monter le scanner, il est recommandé d utiliser le ZPC de FARO afin de faciliter son montage et son démontage. Placer ensuite la plateforme sur les racks de toit. Pour monter le scanner, fixer l adaptateur hélicoïdal de FARO comme indiqué dans le manuel d automatisation de FARO. Fixer le DMI Applanix et les antennes GPS sur le véhicule comme indiqué dans le manuel Applanix et raccorder tous les dispositifs à l aide des câbles fournis. Raccorder enfin le boîtier de test d automatisation FARO à l adaptateur hélicoïdal et relier l interface Automation Testbox I/O au POS I/O à l aide du câble fourni par le client. Avant de pouvoir utiliser le scanner comme scanner mobile, il convient de monter les nouveaux arrêtoirs, qui sont inclus dans le kit hélicoïdal de FARO, et de retirer les caches des broches de raccordement. Graphique 5 Scanner Focus 3D avec les arrêtoirs hélicoïdaux montés Graphique 6 Adaptateur hélicoïdal de FARO Remarque : avant de déplacer le véhicule, il faut fixer le scanner dans sa position hélicoïdale avec les supports de l adaptateur hélicoïdal! Consulter le manuel d automatisation pour plus d informations.

4 Graphique 7 Scanner Focus 3D fixé en position hélicoïdale Une fois le scanner monté, raccorder le boîtier de test d automatisation à l interface Applanix POS I/O à l aide du câble fourni par le client. Le scanner peut alors être relié au système Applanix au-dessus du boîtier de test d automatisation. Graphique 8 Boîtier de test d automatisation raccordé à l Applanix Event I/O Graphique 9 Boîtier de test d automatisation raccordé à l adaptateur hélicoïdal Graphique 10 POS Applanix raccordé au boîtier de test d automatisation à l aide d un câble fourni par le client Graphique 11 Plateforme assemblée monté sur des racks de toit universels n d'appel GRATUIT :

5 Numérisation Une fois que toutes les pièces sont montées et raccordées, le projet de numérisation peut démarrer. Activer le profil Helical_grey pour le scanner Focus 3D comme indiqué dans le manuel d automatisation de FARO et choisir les paramètres en matière de qualité et de résolution. La qualité 4x et la résolution 1/10 sont considérées comme de bonnes valeurs pour commencer. Remarque : la densité du nuage de points qui en résulte dépend non seulement des paramètres du scanner mais aussi de la vitesse du véhicule! Pour initialiser le SNI Applanix, se reporter à la formation fournie par Applanix ou consulter le manuel Applanix. Lorsque le scanner enregistre les données, le compteur d événements dans POSView doit afficher les signaux en provenance du scanner. Sinon, vérifier si le raccordement est correct et si l entrée des événements est activée dans le logiciel POSView. La cartographie mobile peut alors commencer. TRAITEMENT DES DONNÉES Une fois l enregistrement des données terminé, il faut post-traiter les données de navigation en provenance du système Applanix à l aide du logiciel Applanix POSPac. Exporter les données au format ACSII standard avec les données de l «événement 1» sélectionnées. Le projet de numérisation doit être enregistré dans un fichier d espace de travail portant l extension.fws. Pour convertir la numérisation hélicoïdale en un nuage de points 3D, exécuter l application hélicoïdale. L application hélicoïdale demande d abord le fichier de navigation puis le fichier d espace de travail. L application hélicoïdale fusionne ensuite les données et convertit la numérisation hélicoïdale en un nuage de points 3D au format.xyz. Graphique 12 Application hélicoïdale Par ailleurs, il est nécessaire de saisir les valeurs de décalage et de rotation x, y et z afin d aligner le centre du scanner par rapport au centre de la centrale à inertie. Pour savoir comment obtenir ces valeurs, se reporter au chapitre Calibrage du présent livre. Remarque : tous les points sont géoréférencés et il est donc nécessaire de saisir un décalage d écran dans l application hélicoïdale ; sinon, les valeurs x, y et z seraient trop élevées pour s afficher à l écran! P. ex. si un point a les coordonnées UTM N , E (32) et H , saisir un décalage d écran pour N de , pour E de et pour H de 300. Le point peut alors s afficher à l écran X = Y = z =1.516

6 Calibrage Ce calibrage est un moyen de calibrer le système sans avoir recours à un laboratoire ou à des point de référence signalisés. Il peut être réalisé à n importe quel moment et partout. Cela garantit que le scanner Focus 3D de FARO peut toujours être démonté pour réaliser une numérisation standard si nécessaire puisque l installation permanente n est pas requise. Un moyen simple de calibrer le système consiste à numériser une zone à partir de deux directions différentes. Alors que le SNI détermine la position et l orientation du véhicule, la position et l orientation du scanner par rapport au SNI sont inconnues. Comme l origine du scanner n est jamais la même que celle du système de navigation à inertie (SNI), les deux numérisations diffèrent l une de l autre. Comme indiqué dans la figure 13, l objet réel est affiché sous la forme d une ligne noire. Les lignes verte et rouge résultent des deux numérisations mobiles à partir des directions différentes. La différence entre la numérisation verte et la rouge correspond alors à deux fois la différence entre une numérisation et l objet réel. Graphique 13 Concept de calibrage L objet réel (profil noir dans le graphique13) est inconnu puisqu il n y a que les deux numérisations (graphique 14). Chaque numérisation présente un décalage des valeurs X, Y, Z et un décalage de rotation autour de la totalité de l axe parce que la position et l orientation du scanner par rapport au SNI sont inconnues. Graphique 14 Vue de profil des deux numérisations Comme l objet réel n est pas disponible, l une des deux numérisations est considérée comme étant la numérisation «réelle» exempte d erreurs et par conséquent comme une référence. Lorsque l on enregistre la deuxième numérisation comme étant la numérisation de référence, les paramètres de conversion sont le double de ceux pour le décalage et la rotation du scanner par rapport au SNI. Pour déterminer les valeurs, traiter les deux numérisations avec un décalage et une rotation de 0 (ou une rotation de 180 comme valeur initiale si le scanner est monté à l envers). Si le montage du scanner est effectué par le client (p. ex. rotation de 45 autour de l axe y), il convient de saisir les valeurs de rotation indiquées par le manuel ou le schéma de montage en tant que valeur initiale. La centrale à inertie et le scanner ont maintenant tous les deux le même centre. Noter que l enregistrement ne doit pas être effectué avec la totalité du nuage de points mais avec les points de référence le long d une ligne de profil. Comme indiqué dans les graphiques 15 et 16, la rotation du scanner dans la direction de la centrale à inertie n entraîne pas une rotation du nuage de points (graphique 15), mais plutôt de chaque point (ligne) de numérisation. Cela occasionne un nuage de points déformé (graphique 16). Placer les points de référence pour l enregistrement (graphique 17) le long d un profil comme indiqué dans le graphique 14! Free call:

7 Graphique 15 Nuage de points en rotation Graphique 16 Nuage de points déformé Graphique 17 Sélection des points de référence Graphique 18 Nuage de points avant le calibrage Graphique 19 après le calibrage Cela est essentiel vu qu un nuage de points à partir d une numérisation hélicoïdale n a pas d origine unique comme une numérisation standard. Au lieu de cela, chaque point unique (ou ligne de numérisation pour une vue simplifiée) a sa propre origine. Il est donc impossible d utiliser un enregistrement standard, global (optimal). À titre d exemple, les figures 18 et 19 montrent le résultat d un scanner qui a été installé avec une rotation de 45 autour de l axe y. Chaque ligne de numérisation individuelle est en rotation mais pas le nuage de points lui-même! INFLUENCE DU GPS Nous pouvons supposer que les conditions GPS générales sont les mêmes pour les deux numérisations si elles ont été enregistrées de manière consécutive. Si c est le cas, les erreurs de positionnement sont les mêmes pour les deux numérisations. Alors que cette méthode de calibrage peut être utilisée pour déterminer la rotation du scanner par rapport au SNI, elle ne permet pas de déterminer les valeurs de décalage X, Y et Z entre les deux systèmes. Alors que le calcul de la position relative de chaque ligne de numérisation est pris en charge par tous les capteurs du SNI, la position absolue est affectée par toutes les influences GPS et les erreurs possibles. Comme indiqué dans le graphique 20, les erreurs de positionnement varient de < 5 cm à 50 cm. Les valeurs de décalage X, Y, Z calculées entre les deux numérisations dépendent donc directement du positionnement GPS et les résultats ne peuvent pas être utilisés comme des paramètres de calibrage. Pour déterminer le décalage entre le SNI et le scanner, il suffit de mesurer la distance manuellement ou de prendre les valeurs des schémas de montage. Graphique 20 Erreur de positionnement en cas de conditions GPS changeantes

8 En résumé La cartographie mobile à réaliser soi-même peut ajouter une immense valeur ajoutée supplémentaire au scanner laser Focus3D de FARO. Le scanner Focus3D peut être converti très facilement et avec investissement relativement faible pour le nouveau SNI Applanix AP15. Cela permet à l utilisateur de collecter des données 3D sur une grande échelle et de travailler de manière efficace dans un environnement extérieur. En outre, le scanner Focus n est pas relié au système de façon permanente et peut toujours s utiliser comme un scanner laser standard. Graphique 21 Un immeuble numérisé FARO France 13 rue de la Perdrix BP Roissy CDG Cedex France ( +33 (0) Ê +49 (0) france@faroeurope.com