WO2009046519A1 - Système et méthode de cartographie tridimensionnelle d'une surface structurelle - Google Patents

Système et méthode de cartographie tridimensionnelle d'une surface structurelle Download PDF

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module
coordinates
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François MIRAILLES
Régis HOUDE
Julien Beaudry
Bruce Hazel
Jean CÔTÉ
Michel Blain
Serge Sarraillon
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Hydro Quebec
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/46—Indirect determination of position data
    • G01S17/48—Active triangulation systems, i.e. using the transmission and reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging

Definitions

  • a system and method for three-dimensional mapping of a structural surface that can be immersed are described in detail below.
  • the inspection of an underwater structure can be done by various means.
  • One solution is to send divers to take spatial measurements of the structure.
  • the realization of the inspection is then subject to several constraints.
  • the zone must be physically accessible and this access must be authorized by the security rules.
  • the environment of a dam effectively combines the dangers of the underwater environment and the industrial environment.
  • the divers then need sufficient visibility to be able to take the measurements. Water can be disturbed by suspended particles from vegetation, aquatic organisms or corrosion of metal parts.
  • the quality of the measurements depends on the skill and experience of the divers. Since the measurement is manual, the results do not include no notion of trust or uncertainty.
  • the time required for the measurement can be long while stopping a portion of a dam during the inspection can be very expensive for the operator.
  • a second solution for underwater inspection is the use of a robotic system.
  • this may be any remote or remote system that collects the data required for the inspection.
  • mobile robots such as ROV ("Remotely Operated Vehicle") and AUV ("Autonomous Underwater Vehicle”).
  • ROV Remotely Operated Vehicle
  • AUV Automatic Underwater Vehicle
  • the use of a robot offers many advantages and new capabilities compared to a diver's inspection.
  • the security constraints are not the same since no operator is directly present in the area to be inspected.
  • the data can be collected by a larger number of different sensors: camera, video camera but also sonar, passive or active vision system. It is possible to combine the use of these sensors to take measurements under different conditions.
  • a vision system provides good accuracy for a local inspection but an acoustic system can collect data over a wider range and in poor visibility conditions. Filtering and merging measurements from multiple sensors can reduce their uncertainty. The amount of data collected is larger. By having a sufficient density of measurement, the risks of not detecting an anomaly are reduced. Greater acquisition capacity also makes it possible to inspect structures on a large scale. It is for these reasons that submarine robots have been actively developed for over thirty years. The maturity of the technology now makes their use possible in industry. Robotic inspection systems have many advantages but their development poses new problems and their operation can be faulted under certain particular conditions.
  • each sensor performs well for a particular purpose.
  • a level of confidence in the measurement is also necessary. This level of confidence indicates the reliability of the system and depends on both the location system and the sensor that performs the measurement.
  • An inspection system intended to operate on site is subject to the disturbances commonly encountered in the environment (suspended particles, vibrations, shocks). So even if the system has a good - AT -
  • An object of the present invention is to provide a system and method for mapping a submergible structural surface that simplifies locating the measurement unit relative to the surface.
  • Another object of the present invention is to propose such a system and such a method that make it possible to establish a depth map of the structural surface with a level of precision that can reach a fraction of a millimeter, for example 0.1 mm. .
  • Another object of the present invention is to propose such a system and such a method capable of determining whether a measurement is valid and able to associate an uncertainty representation with a measurement if desired.
  • Another object of the present invention is to provide such a system having a robustness for use in underwater environment under possibly hostile conditions, and a reduced sensitivity to disturbances such as suspended particles, vibrations, shocks.
  • Another object of the present invention is to provide such a system having a certain autonomy of operation.
  • Another object of the present invention is to provide such a system and such a method having a degree of flexibility such that they are usable or practicable relatively easily, and can self-calibrate.
  • a system for three-dimensional mapping of a structural surface comprising: two wires capable of being stretched along the structural surface being spaced apart from one another so as to define a reference surface in front of the structural surface; a measurement unit comprising a laser unit capable of projecting two distinct light planes directed towards the structural surface and intersecting the wires, and a camera able to capture images of the structural surface containing lines resulting from an intersection of the light planes with the structural surface and reference points resulting from an intersection of the light planes with the wires; a carrier assembly capable of moving the measurement unit in a controlled manner in front of the structural surface so as to progressively scan the structural surface to be mapped; and a processing unit of the images captured by the camera, the processing unit having: means for determining an orientation and a position of the measurement unit with respect to the reference surface as a function of the reference points in the images ; means for
  • a method for three-dimensional mapping of a structural surface comprising the steps of: a) tensioning two wires along the structural surface spacing them from each other so as to define a reference surface in front of the structural surface; b) moving a measurement unit comprising a laser unit and a camera in a controlled manner in front of the structural surface so as to progressively scan the structural surface; c) projecting two separate light planes directed to the structural surface by means of the laser assembly; d) capturing images of the structural surface containing lines resulting from an intersection of the light planes with the structural surface and four reference points resulting from an intersection of the light planes with the wires by means of the camera; e) determining an orientation and a position of the measurement unit relative to the reference surface as a function of the reference points in the images; f) determining 3D coordinates of points defining the lines in the images with respect to a reference linked to the unit of measure determined according to the orientation and position of the unit of measurement; and g)
  • Figure 1 is a schematic diagram illustrating a system for producing map data of a structural surface according to the invention.
  • Figure 2 is a schematic diagram illustrating a carrier assembly of the system.
  • Figure 3 is a schematic diagram illustrating a unit of measurement of the system.
  • Figure 4 is a schematic diagram illustrating a top view of a unit of measurement of the system.
  • Figure 5 is a schematic diagram illustrating an alternative configuration of a unit of measurement of the system.
  • Figure 6 is a schematic diagram illustrating an image captured by the unit of measurement.
  • Figure 7 is a schematic diagram illustrating a system acquisition chain.
  • Figure 8 is a schematic diagram illustrating a system mounted between rails of a barrier valve.
  • Figure 9 is a schematic diagram illustrating a system for moving a unit of measurement of the system.
  • FIG. 1 there is shown a diagram of the three-dimensional mapping system of a structural surface 2 (shown in Figure 3) according to the invention.
  • the system comprises a measurement unit 4, a carrier assembly 6 able to move the measurement unit 4, and a processing unit 8 connected to the measurement unit 4 and to the carrier unit 6.
  • the system also comprises two son 10, 12 that are parallel and capable of being stretched along the structural surface 2, being spaced apart from one another so as to define a reference surface in front of the structural surface 2.
  • the measurement unit 4 comprises a laser unit formed of two lasers 14, 16 capable of projecting two distinct light planes 18, 20 directed towards the surface 2, and a camera 22 provided with a lens 21.
  • the son 10, 12 form a reference surface which is not flat or in the case where the son 10, 12 are not parallel
  • the lack of parallelism or flatness relative to the measurement unit 4 will be used to make the desired corrections to the measurements made by the processing unit 8 (shown in Figure 1).
  • the camera 22 is able to capture images 28 of the surface 2 containing lines 24, 26 resulting from an intersection of the light planes 18, 20 with the surface 2 and four reference points PMI. , PM2 > PM3, PM4 resulting from an intersection of the light planes 18, 20 with the wires 10, 12.
  • the carrier assembly 6 carrying the measurement unit 4 may take the form of a frame comprising a movable member 36 such as an arm to which the measurement unit 4 is attached, and a set of transverse and vertical guide elements 30, 32, 34 of the movable element 36.
  • the carrier assembly is thus able to move the measuring unit 4 in a controlled manner in front of the surface 2 (shown in FIG. to gradually sweep the surface 2 (partially or totally).
  • the moving assembly can take different forms, as long as its construction makes it possible to reach the surface 2 to be inspected and to move the measurement unit 4 in front of the surface 2 in a controlled manner in order to build the depth map of the surface 2
  • the transverse guide member 30 may be constituted by a rigid mesh as shown in FIG.
  • the arm 36 is slidably mounted on the mesh 30 to allow it to be moved horizontally (or in an equivalent direction depending on the situation / orientation of the surface to be examine) with respect to the surface 2 as illustrated by the arrows 42, 44 (shown in Figure 2).
  • the sliding of the arm 36 relative to the mesh 30 (shown in Figure 8) to position and move the measuring unit 4 (shown in Figure 8) can be achieved by means of driven gears by one or more motors mounted or not on the frame 6 according to the type of motor - pneumatic, electric, hydraulic, etc.
  • a submersible rotary electric motor 112 having a pinion 111 in contact with a rack 110 may be used to move the arm 36 along a rail arrangement 60.
  • the movable member 36 will provide accurate positioning.
  • a submersible rotary optical encoder 114 having a pinion 115 in contact with the rack 110 can be used to measure the horizontal displacement of the movable member 36.
  • a proportional control unit can then be to control the position of the movable element 36.
  • a submersible inclinometer 118 measuring the inclination according to two degrees of freedom with respect to the horizontal can be used.
  • the lasers 14, 16 of the measurement unit 4 are rigidly attached to the camera 22.
  • Mirrors 46, 48 may be used to redirect the light planes 18, 20 towards the surface 2, all the while. of the chosen montage.
  • the lasers 14, 16 may be arranged on the same side of the camera 22. Such an arrangement, illustrated in Figure 5, reduces the dimensions of the measurement unit 4.
  • a single laser can also be used rather than two.
  • an appropriate optical arrangement (not shown) may be used to produce the two light planes 14, 16.
  • the light planes 14, 16 may be produced one after the other, so that appear in subsequent images taken by the camera 22 and then processed to take this factor into account. It is also possible to use more than two laser projectors.
  • FIG. 1 shows an arrangement of the measurement unit 4 where the laser projectors 14, 16 respectively project the light planes 17, 19 and 18, 20.
  • the wires 10, 12 may be formed of steel wires or other types of wires if desired.
  • the additional son or son may be in the same plane as the son 10, 12 and parallel to the son 10, 12, or they may be in another plane, preferably parallel to the plane formed by the son 10, 12, and always parallel to the son 10, 12.
  • the addition of additional son provides more information for the location of the unit of measurement 4 and the online calibration of its parameters.
  • the measurement unit 4 can self-locate and map the surface 2, at least four points PMI, PM2, PM3, Pivw on the son 10, 12 are lit by the laser assembly 14, 16.
  • a point additional on the wire 11 located at a distance g, which is not necessarily known, the reference surface formed by the son 10, 12 can calibrate all the parameters of each of the light planes 18, 20 .
  • the processing unit 8 may be constructed to construct a depth map of the surface 2 by an iterative and retroactive process.
  • the processing unit 8 comprises a location module 81, a mapping module 82 and a decision module 83.
  • the location module 81 determines the location of the measurement unit 4 with respect to a fixed global reference.
  • the mapping module 82 determines the 3D coordinates of points of the surface 2 in the reference linked to the camera 22 (shown in FIG. 3) of the measurement unit 4.
  • the decision module 83 decides the commands to be sent to the bearer 6 which moves the unit of measure 4 in order to collect the data efficiently.
  • the location module 81 comprises two modeling sub-modules 56, 58, an estimation sub-module 812, a point detection sub-module Pi W 810 and a distortion correction sub-module 811.
  • modeling module 56 models the carrier assembly 6 by means of a set of parametric data that characterize it.
  • the modeling sub-module 58 models the measurement unit 4 by means of a set of parametric data which characterize it.
  • the point detection sub-module P M i 810 determines the image coordinates of the points PMI, PM2, PM3 > PM 4 -
  • the distortion correction sub-module 811 corrects the image coordinates of the detected points so as to cancel the effect distortions of the lens 21 of the camera 22 or take into account a lack of parallelism of the son 10, 12 (shown in Figure 3).
  • the estimation sub-module 812 estimates the pose (ie the position and the orientation) of the measurement unit 4 relative to the global reference point according to the signals provided by the modeling sub-module 58 and the submodule. 811, and corrects the internal parameters of the measurement unit 4 by means of a feedback loop.
  • the estimation sub-module 812 may use a Kalman filter to perform the desired estimation.
  • the parametric data of the measurement unit 4 comprise the internal and external parameters of the camera 22, the parameters of the light planes 18, 20 and the spacing of the wires 10, 12.
  • the typical external parameters of the camera 22 are the orientation and the position relative to the reference linked to the wires 10, 12.
  • the parameter which defines the spacing of the wires 10, 12 is denoted 2h.
  • the parametric data of the carrier assembly 6 typically comprises the position and the orientation with respect to a fixed global coordinate system as well as the position of the measurement unit 4 on the transverse rail arrangement 60 (shown in Figure 9).
  • the mapping module 82 includes a points detection sub-module P u 820 which determines the image coordinates of the points contained in the lines 24, 26, a distortion correction sub-module 811. similar to that of the location module 81, and a triangulation sub-module 822.
  • the role of the triangulation sub-module 822 is to calculate the 3D coordinates of the points Pu in the reference linked to the camera 22 of the measurement unit 4.
  • the mapping module 82 also comprises a reference change sub-module 840 which transforms the coordinates of the points Pu from the reference linked to the camera 22 towards the global reference, and a modeling sub-module 54 of the surface 2 who builds the map of surface 2 as and when.
  • the modeling sub-module 54 of the surface 2 may contain a set of 3D points that constitute the map of the surface 2 and define its three-dimensional cartography.
  • the decision module 83 comprises a decision-making sub-module 830 which sends positioning commands to the carrier assembly 6 and a communication interface 832 making it possible to initialize the processing unit 8 and to retrieve the information sought, namely: the map of the surface 2, the position and orientation data of the carrier assembly 6, and the parametric data of the measurement unit 4.
  • the measurement unit 4 of the system can be located with great accuracy.
  • the system also maps at least one line of points of the surface 2 at the same time by the use of a single image.
  • the camera 22 transmits the images 28 to the processing unit 8.
  • the processing unit 8 processes the images 28 so as to locate the measurement unit 4 with respect to the reference linked to the wires 10, 12 and to determine the coordinates of 3D points of surface 2. Coordinates image of the points P M i, PM 2 , PM 3 , and P M 4 are used to locate the measurement unit 4 while the lines 24, 26 are used to map the surface 2.
  • the system according to the invention thus makes it possible to map surfaces of great length while keeping a great precision.
  • the decision sub-module 83 initially sends positioning commands to the carrier assembly 6 to position the measurement unit 4 at the height of the surface 2 to be inspected.
  • the decision-making sub-module 83 blocks the displacement of the carrier assembly 6.
  • the estimation sub-module 812 eg Kalman filter
  • the decision sub-module 83 sends positioning commands to the carrier assembly 6 to move the measurement unit 4 transversely (in the directions arrows 42, 44 shown in Figure 2) along the surface 2 to measure the 3D coordinates of the points contained in the lines 24, 26 of the surface 2.
  • the mapping module 82 takes measurements at specified intervals via the communication interface 832. For each pair of lines 24, 26, an image 28 is sent by the camera 22 to the mapping module 82.
  • the modeling sub-module 54 of the surface 2 builds the map of the surface 2 line by line. The resulting map covers a strip of surface 2 of a certain height. If multiple bands are required to map all or a desired portion of the surface 2, then the decision module 83 sends positioning commands to the carrier assembly 6 to move the measurement unit 4 upwards to the contiguous area. next then the above process is repeated.
  • the displacement of the measurement unit 4 can be done continuously or step by step.
  • a continuous displacement a single measurement for a given point of the surface 2 is taken by the locating module 81 and by the mapping module 82.
  • several measurements can be taken. taken at each stop and can be combined to increase confidence in the measurements.
  • the mapping system may be subject to multiple disturbances. Although it is possible to directly take measurements of the structural surface 2 and then to reference these measurements using the positioning data of the measurement unit 4 and of the carrier assembly 6, these measurements are imprecise, or even false. because of the disturbances encountered.
  • the system takes advantage of the son 10, 12 through an iterative and retroactive process, implemented in the location module 81, which guarantees the validity of the positioning data of the measurement unit 4.
  • This iterative and retroactive process uses the model of the unit of measure 4 defined in the submodule 58. Its role is to predict what will be the position of the points PMI, PM2, PM3, and PM4 in the image 28 on the basis of the position and the orientation of the measuring unit 4, internal parameters of the measuring unit 4 and the spacing of the wires 10, 12.
  • the minimum set of data to calculate the pose of an unambiguous camera is four coplanar points.
  • the PMI point detector 810 determines the image coordinates of the points P M1 , P M 2, PM 3 , and P m .
  • the determination of the coordinates of the points PMI, PM2, PM3, and PM4 can be done using algorithms of a computer vision library.
  • Distortion corrector 811 corrects these coordinates to cancel the effect of possible distortions of the lens 21 of the camera 22.
  • the points PMI, PM2, PM3, and PM4 are then triangulated in the frame linked to the camera 22 to obtain their 3D coordinates. Equation 1 can be used for this purpose:
  • Trans (FILS, CAM) -Rot ⁇ SON, (2)
  • Trans (FILS, CAM) denotes the translation of the camera 22 with respect to the wires 10, 12
  • Rot (FILS, CAM) denotes the orientation of the camera 22 with respect to the wires 10, 12
  • CAM denotes the center of gravity of the points P M i, PM 2 , PM 3 , and PM 4 expressed in the camera coordinate system 22.
  • the position / orientation of the camera 22 comes as an initial parameter of the Kalman filter 812 which refines the estimate of this position / orientation based on the parametric data of the model of the measurement unit 4 provided by the submodule 58, the model of the carrier assembly 6 provided by the submodule 56, and the calculated pose.
  • the Kalman filter 812 After several iterations of the Kalman filter 812, if the difference between the coordinates of PMI points PM2, PM3, and P M4 estimated by the model of the measuring unit 4 and the coordinates of the PMI points PM2, MP 3, and PM 4 detected by the Pm 810 point detector is above a certain threshold, so the pose is rejected. Otherwise, the calculated pose is valid.
  • the use of this technique makes it possible to have a more robust and integrated system. It is made possible by the presence of the wires 10, 12. This technique thus makes it possible to detect whether the wires
  • the third son 11 (shown in Figure 5) is used. These parameters are estimated by the Kalman filter 812 which has as a state vector the position and the orientation of the camera 22 as well as the parameters a, b, c, d of the laser planes 18, 20.
  • the detector of the points P M ⁇ 810 determines the image coordinates of the points P M i, PM 2, PM 3, PM 4, PMS, PM 6 which are sent to the distortion corrector 811 and then to the Kalman filter 812.
  • the position of the third son 11 with respect to the wires 10, 12 is not necessarily known and can also be estimated by the Kalman filter 812.
  • the Pu 820 point detector determines the 2D coordinates of points of the images 28 contained in lines 24, 26. This processing step can be done using computer vision library algorithms.
  • the distortion corrector 811 then corrects the coordinates of the points P L i so as to cancel the effect of any distortions of the lens 21 of the camera 22.
  • the 3D coordinates of the points Pu expressed in the reference linked to the measurement unit 4, are determined from a single measurement by the triangulation sub-module 822 which uses the equation 1.
  • a reference change 840 is then made to obtain the coordinates of P u in the global coordinate system.
  • the change of reference can be done according to the equation:
  • T is a homogeneous transformation matrix according to the orientation and the position of the camera 22 with respect to the global reference.
  • the positioning of the measurement unit 4 on the carrier assembly 6 can be performed by the decision-making sub-module 830 so as to control the positioning as a function of the processed measurements. For example, it may happen that the system encounters disturbances (for example, movements of the son 10, 12) and that it is no longer able to take measurements.
  • the decision-making sub-module 830 can in this case stop the displacement of the measurement unit 4 until the disturbances disappear. Positioning can also be preprogrammed so that it can be done without feedback. Or, an operator can take control of the movements via the 832 communication interface.
  • the lines 24, 26 can be indexed by means of an optical encoder 114 (shown in FIG. 9) which gives the position of the measurement unit 4 on the transverse rail arrangement 60 of the carrier assembly 6 (shown in FIG. in Figure 2).
  • the index of the lines 24, 26 corresponds to the position of the measurement unit 4 on the arrangement of rails 60 of the carrier assembly 6.
  • the configuration of the location, mapping and decision modules 81, 82, 83 can be adapted, for example, to refine certain processes in order to produce the cartographic data or according to the operating parameters and the type of equipment comprising the unit of operation. measure 4 and the carrier assembly 6.
  • the processing unit 8 and the communication interface 832 can advantageously be implemented in a processing unit 62 such as a PC (computer) or appropriate dedicated circuits controlling the devices. system functions.
  • the processing unit 62 is connected to the measurement unit 4 and retrieves the images 28 from the camera 22 (shown in FIG. 2) and processes them to locate the measurement unit 4 and to map the surface 2. The treatment can be done continuously at the refresh rate of the camera 22.
  • the processing member 62 can also control the two axes of displacement of the carrier assembly 6.
  • the processor 62 retrieves the position (X, Y) of the measurement unit 4 and stores a profile line. This information is used to express the coordinates of the laser lines in a fixed global coordinate system attached to the scene.
  • the camera 22 is preferably provided with a progressive CCD matrix of high resolution.
  • a camera can communicate with the processing unit 62 (shown in FIG. 7) via a digital transmission channel such as IEEE-1394 (also known as FireWire), Link Camera, USB or still Gigabyte Ethernet.
  • IEEE-1394 also known as FireWire
  • the laser projectors 14, 16 preferably emit at a wavelength in the visible range (between 400 nm and 800 nm).
  • the lens 21 of the camera 22 can use an optical filter which only passes the wavelength of the laser projectors 14, 16.
  • the system is designed to work underwater, it can also be used out of the water if desired. In such a case, the calibration of the measurement unit 4 is simply done out of the water, and the system then operates in the same way as underwater.

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Abstract

Système et méthode de cartographie tridimensionnelle d'une surface structurelle. Deux fils sont tendus devant et le long de la surface structurelle de manière à définir une surface de référence. Une unité de mesure comportant un ensemble laser et une caméra est déplacée devant la surface structurelle de manière à balayer progressivement la surface. Deux plans de lumière distincts dirigés vers la surface structurelle sont projetés au moyen de l'ensemble laser. 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 sont captées au moyen de la caméra. Les images sont traitées pour déterminer les coordonnées 3D des lignes définissant la cartographie dans un repère lié à la surface de référence considérant la position et l'orientation de l'unité de mesure d'après les points de référence.

Description

SYSTÈME 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 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. 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 - A -
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. 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: 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 BRÈVE 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. 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 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 PMI , PM2> PM3, 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 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 14, 16. Ou encore, les plans de lumières 14, 16 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 PMJ. De la même façon, un projecteur laser peut projeter plusieurs plans de lumière sur la surface 2 allumant autant de points PMI. 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.
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 24, 26 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 PMI , PM2, PM3, Pivw 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. À 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. 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 PiW 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 PMI , 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 focales au,av , le point principal^ = [uo,vo]τ 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 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 Pu 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 Pu 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 Pu 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 image des points PMi, 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 contigϋe 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. 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 PMI, 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 ambiguïté est de quatre points coplanaires. Le détecteur de points PMI 810 détermine les coordonnées image des points PM1, PM2, PM3, et Pm. La détermination des coordonnées des points PMI , 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 PMI , 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:
(1)
Figure imgf000016_0001
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 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,
Figure imgf000017_0001
(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
Figure imgf000017_0002
]CAM dénote le barycentre des points PMi, 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 PMI , PM2, PM3, et PM4 estimées par le modèle de l'unité de mesure 4 et les coordonnées des points PMI, PM2, PM3, et PM4 détectées par le détecteur de points Pm 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 PMι 810 détermine les coordonnées image des points PMi, PM2, PM3, PM4, PMS, 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. Le détecteur de points Pu 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 PLι 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 Pu, 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 Pu mesurés plusieurs fois par les sous-modules 820, 811 et 822. Un changement de repère 840 est ensuite effectué pour obtenir les coordonnées de Pu dans le repère global. Le changement de repère peut se faire suivant l'équation:
X X Y Y
= T(GLOBAL,CAM) (3) Z Z
L JGLOBAL 1 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. 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 rafraîchissement 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), Caméra Link, USB ou 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.

Claims

REVENDICATIONS
1. 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.
2. Le système selon la revendication 1 , dans lequel l'ensemble porteur comprend un bâti ayant un élément mobile auquel l'unité de mesure est fixée, et un ensemble d'éléments de guidage transversal et vertical de l'élément mobile.
3. Le système selon la revendication 2, dans lequel l'ensemble d'éléments de guidage comprend des guides latéraux espacés l'un de l'autre et aptes à s'étendre devant la surface structurelle, un élément transversal monté de manière coulissante sur les guides latéraux et recevant l'élément mobile de manière coulissante, et un arrangement de déplacement de l'élément mobile par rapport à l'élément transversal et de l'élément transversal par rapport aux guides latéraux.
4. Le système selon la revendication 3, dans lequel les fils s'étendent entre les guides latéraux.
5. Le système selon la revendication 1 , dans lequel l'ensemble laser comprend deux lasers fixés à la caméra.
6. Le système selon la revendication 1 , comprenant de plus un fil supplémentaire apte à être tendu le long de la surface structurelle de manière à ce que les plans de lumière croisent le fil supplémentaire, et dans lequel l'unité de traitement a de plus un moyen pour calibrer des paramètres des plans de lumière en fonction d'un point de référence dans les images captées par la caméra correspondant à une intersection d'un des plans de lumière avec le fil supplémentaire.
7. Le système selon la revendication 1 , dans lequel: le moyen pour déterminer l'orientation et la position comprend un module de localisation ayant: un sous-module de modélisation de l'ensemble porteur modélisant l'ensemble porteur par un ensemble de données paramétriques caractérisant l'ensemble porteur; un sous-module de modélisation de l'unité de mesure modélisant l'unité de mesure par un ensemble de données paramétriques caractérisant l'unité de mesure; un sous-module de détection des points de référence dans les images, déterminant des coordonnées image des points de référence; un sous-module de correction de distorsions corrigeant les coordonnées image des points de référence selon les données paramétriques caractérisant une distorsion relative à l'unité de mesure; et un sous-module d'estimation estimant la position et l'orientation de l'unité de mesure dans le repère global d'après les données paramétriques caractérisant l'unité de mesure et les coordonnées image corrigées, et corrigeant les données paramétriques caractérisant l'unité de mesure selon la position et l'orientation estimée de l'unité de mesure; et le moyen pour déterminer les coordonnées 3D des points et le moyen pour transformer les coordonnées 3D comprennent ensemble en un module de cartographie ayant: un sous-module de détection des points définissant les lignes dans les images, déterminant des coordonnées image des points définissant les lignes; un sous-module de correction de distorsions corrigeant les coordonnées image des points définissant les lignes selon les données paramétriques caractérisant la distorsion relative à l'unité de mesure; un sous-module de triangulation déterminant les coordonnées 3D des points définissant les lignes dans le repère lié à l'unité de mesure; un sous-module de changement de repère transformant les coordonnées 3D des points définissant les lignes depuis le repère lié à l'unité de mesure vers le repère global pour produire les données cartographiques; et un module de modélisation de la surface structurelle construisant une carte de la surface d'après les données cartographiques.
8. Le système selon la revendication 7, dans lequel l'unité de traitement comprend de plus un module décisionnel ayant: un sous-module de prise de décision connecté au sous-module de modélisation et à l'ensemble porteur, le sous-module de prise de décision transmettant des commandes de positionnement à l'ensemble porteur d'après les données cartographiques dans la carte de la surface; et une interface de communication apte à recevoir des données de fonctionnement destinées à l'unité de traitement et à transmettre la carte de la surface, des données représentatives de la position et l'orientation de l'unité de mesure et les données paramétriques caractérisant l'unité de mesure.
9. Une méthode de cartographie tridimensionnelle d'une surface structurelle, comprenant les étapes de: 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.
10. La méthode selon la revendication 9, dans laquelle l'étape de déplacer comprend une transmission de commandes de positionnement destinée à déplacer l'unité de mesure d'après les données cartographiques accumulées.
11. La méthode selon la revendication 9, dans laquelle l'ensemble laser est fixé rigidement à la caméra.
12. La méthode selon la revendication 9, comprenant de plus les étapes de: tendre un fil supplémentaire le long de la surface structurelle de manière à ce que les plans de lumière croisent le fil supplémentaire; et calibrer des paramètres des plans de lumière en fonction d'un point de référence dans les images captées par la caméra correspondant à une intersection d'un des plans de lumière avec le fil supplémentaire.
13. La méthode selon la revendication 9, dans laquelle les fils s'étendent près de la surface structurelle et en parallèle l'un avec l'autre, la surface de référence étant plane.
14. La méthode selon la revendication 9, dans laquelle l'étape de déterminer l'orientation et la position de l'unité de mesure comprend les sous-étapes de: modéliser un ensemble porteur apte à déplacer l'unité de mesure de manière contrôlée devant la surface structurelle par un ensemble de données paramétriques caractérisant l'ensemble porteur; modéliser l'unité de mesure par un ensemble de données paramétriques caractérisant l'unité de mesure; détecter les points de référence dans les images et déterminer des coordonnées image des points de référence; corriger les coordonnées image des points de référence selon les données paramétriques caractérisant une distorsion relative à l'unité de mesure; estimer la position et l'orientation de l'unité de mesure dans le repère global d'après les données paramétriques caractérisant l'unité de mesure et les coordonnées image corrigées; et corriger les données paramétriques caractérisant l'unité de mesure selon la position et l'orientation estimée de l'unité de mesure.
15. La méthode selon la revendication 9, dans laquelle l'étape de déterminer les coordonnées 3D des points définissant les lignes dans les images comprend les sous-étapes de: détecter les points définissant les lignes dans les images et déterminer des coordonnées image des points définissant les lignes; corriger les coordonnées image des points définissant les lignes selon les données paramétriques caractérisant une distorsion relative à l'unité de mesure; et déterminer par triangulation les coordonnées 3D des points définissant les lignes dans le repère lié à l'unité de mesure.
16. La méthode selon la revendication 9, dans laquelle l'étape de transformer comprend les sous-étapes de: produire les données cartographiques par transformation des coordonnées 3D des points définissant les lignes depuis le repère lié à l'unité de mesure vers le repère global; et construire un carte de la surface d'après les données cartographiques.
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