instituto federal de santa catarina - ifsc curso de ...€¦ · curso de bacharelado em engenharia...
TRANSCRIPT
0
INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA - IFSC
CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
MARCOS VINÍCIUS RODRIGUES LOPES GRANADO
Análise da acurácia de um equipamento laser scanner modelo Faro Focus 3D
NEUBRANDENBURG, 2017
1
MARCOS VINÍCIUS RODRIGUES LOPES GRANADO
Análise da acurácia de um equipamento laser scanner modelo Faro Focus 3D
Relatório técnico apresentado como requisito para aprovação no Programa Propicie, Edital 01/2016. Prof. Dr. Sérgio Luciano Ávila Prof. Dr. Wilhelm Heger
NEUBRANDENBURG, 2017
2
RESUMO
Esse relatório apresenta um estudo realizado na Hochschule Neubrandenburg
University of Applied Sciences situada em Neubrandenburg, Alemanha em parceria
com o Instituto de Educação Ciência e Tecnologia de Santa Catarina a partir do
programa de Intercâmbio Internacional, PROPICIE.
Esse estudo tem como objetivo verificar a acurácia de um equipamento laser
scanner 3D modelo Faro Focus 3D. São realizadas medições com o equipamento
estudado e são utilizados outros dois modelos para realizar comparação com a Leica
HDS6000. São realizadas medições para verificar a precisão interna e o fluxo de
trabalho dos equipamentos, assim como testar a acurácia dos objetos utilizados como
alvos nas medições. São utilizados softwares dedicados para trabalhar com nuvens
de pontos e processamento em 3D. Assim como utilizados alguns conceitos
estatísticos para analisar os resultados obtidos após as medições.
Palavras-chave: Laser Scanner 3D, Nuvem de Pontos, Calibração.
3
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 5
2 OBJETIVOS ............................................................................................................. 6
2.1 OBJETIVO GERAL ........................................................................................... 6
2.1.1 Objetivos específicos .................................................................................. 6
3 METODOLOGIA ...................................................................................................... 6
4 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ................................................................... 7
4.1 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS ........................................................................ 7
4.1.1 LASER SCANNER 3D ................................................................................ 7
4.1.2 Modelos utilizados ...................................................................................... 7
4.2 SOFTWARES UTILIZADOS ........................................................................... 9
4.3 TESTES .......................................................................................................... 11
4.3.1 ACURÁCIA INTERNA ESPERADA .......................................................... 13
4.3.2 INFLUÊNCIA DA EXCENTRICIDADE NO CENTRO DOS ALVOS ........... 15
4.4 DADOS ........................................................................................................... 16
5 RESULTADOS ....................................................................................................... 18
6 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ................................................................ 20
REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 21
4
1 INTRODUÇÃO
Na área de medições de grandezas físicas é imprescindível que haja
equipamentos adequados para determinada aplicação e devidamente calibrado para
que se obtenha uma medida confiável.
No presente trabalho é apresentado um estudo para verificar as condições de
funcionamento de uma laser scanner 3D, usados para o levantamento tridimensional
da superfície de um objeto, construção ou uma grande área.
Esses equipamentos geram uma nuvem de pontos com coordenadas em três
dimensões. Existem vários tipos de scanners 3D variando segundo suas aplicações.
Sistemas de varredura a laser possuem aplicações em diversos campos, como a
engenharia civil, arquitetura e indústria entre outros.
A qualidade das medições utilizando essa tecnologia deve ser avaliada levando
em consideração aplicação, sistema de varredura, princípio de medição da distância,
até a velocidade e intervalos de medida Esse estudo é pertinente pois é importante
conhecer os aspectos técnicos do instrumento, sua rotina de trabalho, verificar se as
informações contidas nos manuais realmente se refletem na prática e para saber
como utilizar o equipamento adequadamente.
5
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
O objetivo geral desse estudo é testar a função, a acurácia e desempenho de
trabalho de uma laser scanner 3D modelo Faro Focus 3D e comparar com o Leica
HDS6000.
2.1.1 Objetivos específicos
Foram definidos os seguintes objetivos específicos:
Rápida verificação da acurácia atual dos scanners com conhecidos pontos da
última medição com a laser tracker;
Testar a acurácia interna da laser scanner modelo Faro Focus 3D e a Leica
HDS6000 com múltiplas medições;
Verificar a influência da excentricidade dos centros dos alvos.
6
3 METODOLOGIA
Descrição das atividades teóricas e práticas para a realização desse trabalho:
A primeira etapa apresenta o conceito de laser scanner, o seu funcionamento e
suas aplicações, em seguida é apresentado os modelos utilizados nesse trabalho e
seus respectivos softwares dedicados.
Na etapa de testes, são descritos os objetivos de cada medição assim como os
procedimentos para a realização dos experimentos realizados: a montagem do
aparato experimental, configuração dos parâmetros, fluxo de trabalho e aquisição dos
dados a partir do software.
Por fim, são apresentados os dados obtidos após cada medição e os cálculos
realizados para analisar o funcionamento do equipamento.
7
4 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
4.1 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
Os equipamentos e software utilizados no projeto foram os seguintes:
4.1.1 LASER SCANNER 3D
Laser Scanner 3D são equipamentos que permitem a construção de modelos,
visualização e análise de estruturas complexas em três dimensões, com extraordinária
velocidade, precisão e segurança. Em geral, trabalha como uma estação total com
medição de distância sem refletor, mas com uma elevada repetitividade de medição.
O objeto escaneado pode ser visualizado através de um software de
manipulação de nuvem de pontos. Para realizar as medições de distâncias
determinando a posição dos pontos é utilizado o conceito de coordenadas esféricas.
Existem três principais modos para coleta dos dados escaneados: tempo de
Percurso, comparação de fase e triangulação. Muito novo com a Leica Scanners é a
forma de onda de digitalização de medição de distância (Leica HDS P16, P30, P40).
Os equipamentos apresentam também diferentes métodos de varredura, sendo eles:
o espelho oscilador e o polígono de rotação
Os modelos utilizados nesse projeto o Leica HDS6000 e o Faro Focus 3D
utilizam o modo de comparação de fase para coletar as coordenadas e utilizam um
espelho oscilador para realizar a varredura.
4.1.2 Modelos utilizados
Nessa seção são descritos os modelos de laser scanner 3D utilizados no projeto.
8
Leica HDS6000
A Leica HDS6000 é um modelo desenvolvido pela empresa Leica Geosystems.
É um modelo compacto, utiliza o princípio de comparação de fase, com alta velocidade
para pequenas distâncias e mínimos tempos de trabalho. Combina um campo de
visão de 360° x 310° com uma taxa de 500.000 pontos por segundo. O software
utilizado para trabalhar com a nuvem de pontos é o HDS Cyclone Software Suite. A
figura 1 apresenta o modelo HDS6000.
Figura.1- Leica HDS6000 (Fonte: LEICA HDS6000 USER MANUAL).
Faro Focus 3D
A Faro Focus 3D é desenvolvida pela companhia FARO Technologies Inc. É uma
laser scanner de alta velocidade para detalhadas medições e documentação. Utiliza
o princípio de comparação de fase e utiliza um espelho oscilador. Esse modelo cobre
360° x 305° de campo de visão. A figura 2 apresenta o modelo Faro Focus 3D. A
figura 2 apresenta o modelo Faro Focus 3D
9
Figura 2 - Faro Focus 3D (Fonte: FARO LASER SCANNER FOCUS 2011).
4.2 SOFTWARES UTILIZADOS
HDS Cyclone Software Suite
A aplicação de software de digitalização e processamento de pontos Cyclone foi
desenvolvida pela Leica para a operação eficiente de todos os sistemas de
digitalização Leica HDS. O HDS Cyclone Software Suite tornou-se o padrão da
indústria para capturar nuvens de ponto, processá-las e integrar as informações em
aplicativos CAD convencionais. A figura 3 apresenta uma interface do software.
10
Figura 3 - Interface do HDS Cyclone Software Suite (Fonte: do autor).
Faro Scene
Faro Scene é projetado especificamente para o Laser Scanner Faro. A Scene
processa e gerencia os dados digitalizados de forma altamente eficiente e fácil usando
o novo reconhecimento automático de objetos, registro de digitalização e
posicionamento.
Uma vez que o Faro Scene preparou os dados de varredura, você pode iniciar
a avaliação e o processamento posterior imediatamente. A Scene fornece uma
extensa série de funções de fácil utilização, medição simples, visualização 3D e
exportação em várias nuvens de ponto e formato CAD. A figura 4 apresenta uma
interface do software.
11
Figura 4 – Interface do Faro Scene (Fonte: do autor).
4.3 TESTES
O local utilizado para medição foi o hall do piso térreo Haus 2 da
Universidade. Os testes consistiam em utilizar os equipamentos 3D a laser para
escanear o hall e obter as coordenadas de alvos usados como referência. Esses alvos
estavam dispostos em diferentes alturas e distância em pilares do prédio e em
diferentes ângulos em relação a posição da scanner. A Figura 5 apresenta a
disposicao dos alvos nos pilares do predio e o suporte dos mesmos.
12
Figura 5 - Disposição dos alvos (Fonte: do autor).
Tendo em vista a situação do prédio 2 da Universidade de Ciências Aplica-
das, foi decidido usar alvos especiais para a definição dos pontos. Esses alvos foram
finalmente encontrados. Eles consistem em DIN A3 (420x297mm²) baseado em papel.
Após vários testes um método de impressão especial foi encontrado. Devido ao uso
em interiores, é possível usar somente papel. Diversos padrões e filmes foram testa-
dos entre outubro de 2015 e abril de 2016.
Foi feita uma adaptação especial para alvos e prismas laser tracker. A adap-
tação garante uma centralização mecânica de alvos e prismas de rastreador com uma
precisão de 0,5mm. Também existem modelos de tijolo e outros materiais de constru-
ção disponíveis para a próxima etapa de calibração de superfície individual. Isso ainda
não foi planejado. As medidas do laser tracker fornecem uma alta precisão dos pontos
de referência (Sp <0,2mm). A Figura 6 mostra os aspectos construtivos dos objetos
utilizados como alvos.
13
Figura 6 – Partes construtivas dos alvos utilizados (Fonte: do autor).
A partir dos primeiros 6 alvos temos orientado 4 diretamente para o scanner.
Dois alvos foram orientados diferentes (ângulo vertical = 0, horizontal cerca de 30 ° ao
feixe de laser) para verificar o comportamento do scanner ao trabalhar com planos
inclinados. O último passo na criação de objetos artificiais (alvos) foi concluído em
dezembro de 2016.
O primeiro teste realizado teve como objetivo verificar a acurácia interna do
equipamento com alvos. O segundo teste teve como objetivo verificar a influência da
excentricidade do centro dos alvos. Ambos testes foram realizados primeiro com a
Faro Focus 3D e posteriormente com a Leica HDS6000. A montagem do aparato
experimental é a mesma para ambos os modelos.
No modelo Focus 3D para a configuração dos parâmetros e para iniciar cada
varredura, foi utilizado a IHM (Interface Homem Máquina) presente no equipamento.
Com a HDS6000 foi utilizado o software para a escolha dos parâmetros e início de
cada varredura. Entretanto, ambos modelos oferecem opção de utilizar uma interface
via web e IHM para configuração e início do trabalho. A figura 7 apresenta os modelos
Focus 3D e a HDS6000.
14
Figura 7 – Modelos Focus 3D e a HDS6000 (Fonte: do autor).
4.3.1 ACURÁCIA INTERNA ESPERADA
O primeiro teste realizado consiste em testar a acurácia interna do equipamento,
para verificar se o equipamento é adequado para oferecer uma boa precisão e
exatidão em suas medições.
Primeiramente deve-se escolher uma posição adequada para posicionar o
equipamento, de modo que o este consiga ter visada direta para todos os alvos. Os
equipamentos necessários para a montagem do aparato experimental são, a laser
scanner 3D, um tripé para suporte, um cabo de energia e cones para isolar o
equipamento, essa precaução é imprescindível pois o equipamento não pode sofrer
esbarrões e para manter uma distância segura entre a fonte do laser e o olho humano.
O tripé é ajustado para manter a scanner em posição horizontal e em uma altura tal
que o equipamento consiga visualizar os alvos sem obstáculos.
15
Após a montagem, o equipamento é ligado e deve-se então configura-la para
realizar a medição. Nesse teste foram realizadas cinco medições com alta resolução
e ultra alta resolução, pois havia interesse em conhecer o comportamento do
equipamento quando utilizava uma baixa densidade de pontos e uma alta densidade
de pontos.
Os parâmetros de configuração utilizados são:
FARO LEICA
Resolução 0.25 Modo Completo
Qualidade 4x Janela Horizontal 0-360-360
Duração(mm:ss) 08:09 Janela Vertical (-65)-90-155
Número de pontos 10240x4267 Resolução
HIGH MPts 43.7 Alcance (m) 10
Distância entre pontos(mm/10m) 6.136 Resolução High
Horizontal 0.0 a 360.0 Distância entre pontos(mm) 6
Vertical 60.0 a 90.0 Número de pontos 10000(h)-4306(V)
Resolução 01:01 Modo Completo
Qualidade 4x Janela Horizontal 0-360-360
Duração((mm:ss) 01:55 Janela Vertical (-65)-90-155
Número de pontos 40960x17067 Resolução
Ultra-High MPts 699.1 Alcance (m) 10
Distância entre pontos(mm/10m) 1.534 Resolução Ultra-High
Horizontal 0.0 a 360.0 Distância entre pontos(mm) 2
Vertical 60.0 a 90.0 Número de pontos 40000(h)-17222(V)
Após configurada, deve-se iniciar o escaneamento e aguardar o término do
mesmo.
No modelo Focus 3D, no final de cada medição, é mostrado no display uma
prévia do escaneamento, com essa ferramenta é possível verificar se todos os pontos
de interesse foram escaneado. A figura 8 apresenta imagens pós escaneamento.
16
Figura 8 – Resultados pós escaneamentos dos modelos Focus 3D e HDS6000 (Fonte:
do autor).
Os dados são salvos em um cartão SD. No modelo HDS6000 os dados
escaneados são transmitidos via WLAN para o banco de dados e também salvos no
software.
4.3.2 INFLUÊNCIA DA EXCENTRICIDADE NO CENTRO DOS ALVOS
Esse segundo teste foi realizado afim de verificar a influência do efeito de
excentricidade nos alvos. Esse efeito é um defeito mecânico e é proveniente da
construção do mesmo. O que ocorre é um deslocamento do centro do alvo, o que
pode proporcionar dados errados para o operador.
17
O objetivo é utilizar os mesmos parâmetros do primeiro teste e posteriormente,
rotacionar em cento e oitenta graus um dos alvos para checar e garantir que não há
diferença entre as medidas. É esperado uma diferença de no máximo 0.5mm e uma
simetria antes e após os alvos serem rotacionados.
4.4 DADOS
Após terminadas todas os escaneamentos, inicia-se o processo de importação
dos dados. No modelo Focus 3D os arquivos salvos no cartão SD são importados para
o software Faro Scene. Após a importação é gerado uma nuvem de pontos
representando com boa precisão a área escaneada. O passo seguinte é adquirir as
coordenadas dos alvos. Utiliza-se a opção para encontrar os alvos automaticamente.
A grande maioria dos alvos é encontrada automaticamente, as demais devem
ser marcadas manualmente, ressalta-se também que o software marca os reflexos
dos alvos nos vidros e outros pontos que ele interpreta como o alvo utilizado, esses
pontos devem ser descartados.
Na HDS6000, deve-se importar o arquivo do banco de dados, escolher a opção
para encontrar os alvos automaticamente. Assim como no Faro Scene, o software
HDS Cyclone Software Suite encontra grande parte dos alvos, assim como pontos
que não são os alvos corretos e por sua vez devem ser descartados. Os demais alvos
não encontrados automaticamente devem ser marcados manualmente.
Obtidas as coordenadas dos alvos, estas são exportadas para um arquivo texto
já separadas em seus respectivos eixos x, y e z e número da coordenada. Esses
dados são exportados para o Excel, ambiente no qual são realizados cálculos
estatísticos para qualificar e quantificar a precisão das medidas e do equipamento. A
figura 9 mostra um rápido passo a passo para realizar a exportação dos dados para
um arquivo de texto baseado no Faro Scene.
18
Figura 9 – Passo a passo para exportação dos dados no Faro Scene (Fonte: do autor).
19
5 RESULTADOS
Após a coleta das coordenadas, é foi utilizado o Excel para realizar uma
análise estatística para avaliar os resultados sobre o comportamento da laser scanner
em relação as medições efetuadas.
O conceito estatístico de desvio padrão foi utilizado para quantificar as
diferenças entre as repetidas medidas. Os gráficos 1 e 2 mostram os resultados
obtidos para os dois modos de operação analisados (alto e ultra alto) para os modelos
Focus 3D e HDS6000.
Analisando os gráficos de desvio padrão relativas a cada eixo
separadamente é possível visualizar que as maiores diferenças ocorreram nos pontos
nos quais os alvos estão mais distantes do equipamento como os alvos número 1 e o
4 e também os alvos que apresentam um ângulo acentuado em relação ao dispositivo,
como é o caso dos pontos 3 e 6.
Gráfico 1 – Comparação do desvio padrão representando a acurácia no modo de
varredura alto (High).
1 2 3 4 5 6
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
De
svio
pad
rão
[m
m]
Acurácia Scan High
HDS 6000 high FARo focus high
20
Gráfico 2 – Comparação do desvio padrão representando a acurácia no modo de
varredura ultra alto (Ultra High).
Comparando os dois modelos estudados a Leica HDS6000 e a Faro Focus
3D, é possível notar de um modo geral que o Faro Focus 3D apresentou maior ruído
e menor acurácia em comparação com a Leica HDS6000.
1 2 3 4 5 6
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
De
svio
pad
rão
[m
m]
Acurácia Scan Ultra High
HDS 6000 ultra high FARo focus ultra high
21
6 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Com base nos resultados obtidos nas análises dos dados é possível constatar que
o modelo HDS6000 possui um desempenho melhor em comparação ao Focus 3D.
Um dos fatores que podem ter influenciado nas medições do modelo Focus 3D é a
utilização do display, uma vez que, esses equipamentos são muito sensíveis e o toque
no dispositivo pode acarretar em mudanças mínimas na sua posição, originando erros
para as medidas. Outro fator que modificar os resultados podem ser provenientes do
processo de marcar os alvos, pois nos pontos mais críticos longas distancias e fortes
ângulos oferecem dificuldades para marcar o centro dos alvos com precisão.
Esse estudo terá continuidade e portanto outros experimentos devem ser feitos
para testar tais equipamentos. Os próximos passos são:
1. Checar a excentricidade dos 12 alvos;
2. Nova medição com a Laser Tracker em abril de 2017 para os 12 alvos;
3. Configurar alvos especiais para detectar erros dos eixos como erro horizontal
e colimação;
4. Checar a influência do sol nas medições;
5. Checar a influência da temperatura no prédio em relação a posição dos alvos;
6. Completar o modelo Gauss de mínimos quadrados para todos os erros do
sensor (eixo (3), excentricidade (3), constante adicional do laser, erro de
queda do eixo vertical);
7. Instalação de materiais com diferentes superfícies e medições de referência.
22
REFERÊNCIAS
GONÇALVES, Rodrigo. Dispositivo de varredura laser 3D terrestre e suas aplicações na
Engenharia, com ênfase em túneis. 2007. 103 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Mestre
em Engenharia, Engenharia de Transportes, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo,
São Paulo, 2007.
HDS HIGH DEFINITION SURVEYING TRAINING MANUAL, 2007, Germany. HDS High Definition Surveying Training Manual: Leica Geosystems HDS LLC European Office. LEICA HDS6000 USER MANUAL.Version 1.1, English, Switzerland.144p FARO LASER SCANNER FOCUS, Germany. Faro laser Scanner Focus. Korntal-münchingen: Faro Technologies Inc., 2011. 186 p.
23
APROVAÇÃO DO PROFESSOR ORIENTADOR
Eu, ______________________________________, declaro estar ciente e de acordo
com as informações descritas acima neste Relatório de conclusão do intercâmbio
internacional, realizado sob os critérios do Edital n. 01/2016/Gabinete, Chamada 2016:
PROPICIE 10, do aluno_______________________________, dando o mesmo como
aprovado.
______________________________________
Assinatura e carimbo do professor orientador