Medição óptica de forma 3D em 360º de superfícies externas cilíndricas utilizando triangulação inversa

Abstract

Inspeções em cabos de transmissão de energia elétrica devem ser realizadas com frequência e é uma atividade de alto risco. Recentemente, robôs móveis acoplados aos cabos tem sido utilizados para esta finalidade, porém, não há nenhum dispositivo robótico na literatura dotado de sistema de inspeção capaz de realizar a reconstrução 3D dos cabos. A presente tese busca desenvolver e validar uma técnica de medição óptica 3D externa em 360° com apenas uma câmera, um projetor laser e espelhos planos, capaz de realizar a reconstrução de uma seção com uma única imagem, utilizando triangulação inversa para medição de objetos longos com formas semelhantes a um cilindro. A triangulação inversa consiste na busca por pontos 3D válidos contidos em um volume ou área de medição com resolução e dimensão previamente definidos, resultando em uma nuvem de pontos regular. Este trabalho aplica a triangulação inversa orientada ao objeto real e em suas imagens virtuais refletidas, denominada triangulação inversa via reflexão, usando malhas regulares baseadas em coordenadas polares, com resolução angular de 0,1° e radial de 0,001 mm, podendo ser convenientemente alteradas de acordo com a necessidade de cada medição. O trabalho contempla o projeto óptico do sistema baseado em ray tracing, a técnica de triangulação inversa via reflexão e a calibração do sistema (câmera, espelhos e projetor laser). Além do desenvolvimento teórico, a avaliação metrológica foi realizada com padrões calibrados para avaliar a técnica proposta, obtendo um erro máximo de medição de 0,067 mm para cilindros de 20 mm. Diversos objetos de diferentes geometrias foram reconstruídos com sucesso. Por se tratar de uma solução compacta, pretende­se futuramente implantá­la em sistemas robóticos para inspeção de cabos de energia elétrica.

Abstract: Inspections of electrical power transmission cables must be carried out frequently and is a high­risk activity. Recently, mobile robots coupled to cables have been used for this purpose, however, there is no robotic device in the literature with an inspection system capable of performing the 3D reconstruction of the cables. This thesis seeks to develop and validate an external 360° optical 3D measurement technique with only one camera, one laser projector and plane mirrors, capable of performing the reconstruction of a section with a single shot, using inverse triangulation for measuring long objects with shapes similar to a cylinder. Inverse triangulation searches for valid 3D points in a volume or measurement area with a previously defined resolution and dimension, resulting in a regular point cloud. This work applies inverse triangulation oriented to the real object and its reflected virtual images, called inverse triangulation via reflection, using regular meshes based on polar coordinates, with angular resolution of 0.1° and radial resolution of 0.001 mm, which can be conveniently changed according to each measurement need. The work includes the optical design of the system based on ray tracing, the inverse triangulation technique via reflection and the system calibration (camera, mirrors and laser projector). In addition to theoretical development, metrological assessment was performed to evaluate the proposed technique, obtaining a maximum measurement error of 0.067 mm for 20 mm cylinders. Several objects of different geometries were successfully reconstructed. As it is a compact solution, it is intended to be implemented in the future in robotic systems for inspection of electric power cables.