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II Simposio Internacional de diseño y producción de yates de motor y vela. II International Symposium on yacht design and production.

Técnicas de ingeniería inversa empleadas para la medición de carenas de barcos de regatas

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Técnicas de ingeniería inversa empleadas para la medición de carenas de barcos de regatas: escáner láser y análisis tridimensional. E. Carrillo, I. Trejo, J. Vicario [1]

F. Escarpa [2]

P. Ferrer, M. Rosa [3] N. Sironi [4]

Resumen El Massachusetts Institute of Technology (MIT) concibió a mediados de los años 70 un equipo para la medida de los cascos de veleros con suficiente detalle como para obtener de ellos unos cálculos hidrostáticos completos. El propósito final era que dichos cálculos pudieran ser usados dentro del contexto de un sistema de handicap desarrollado en el Internacional Measurement Systems (IMS), mantenido y utilizado internacionalmente por el ORC (Offshore Racing Congress) a través de sus oficinas nacionales de medida. Para ello se desarrolló y fabricó un equipo específico basado en tecnología de registro de datos de forma analógica. En los comienzos de los años 80 se desarrolló una nueva generación de máquinas usando nuevas tecnologías de la época: salidas digitales conectadas a un ordenador portátil. Se comercializaron dos modelos diferentes. Del primero de ellos, fabricado en Estados Unidos, se fabricaron unas pocas docenas de equipos con un coste aproximado de diez mil dólares americanos (10000 US$). El otro tuvo su

origen en Alemania, con producción y precios similares. Ambos tipos de unidades se distribuyeron entre todos los medidores del mundo, siendo utilizadas todavía hoy en día dado el buen estado de conservación de muchas de ellas, su fácil uso y el coste razonable que conlleva. Algunos de estos equipos han dejado de poderse usar dado que con el tiempo que llevan en el mercado el mantenimiento o la reposición de alguno de sus componentes es inviable al haberse dejado de fabricar. Ambos equipos, americano y alemán, están basados en la medida por encóders ópticos del ángulo de salida y la longitud desenrollada de un hilo que en su extremo dispone de un puntero. Cuando dicho puntero entra en contacto con la superficie a medir el medidor pulsa un botón que permite su registro automático y por tanto (referenciado a la posición de la estación) de las coordenadas espaciales del punto en cuestión. Los puntos son marcados de forma secuencial y ordenada, desde el fondo a la cubierta y por secciones transversales, dando lugar a un archivo de salida normalizado denominado “OFF”. El fichero anterior es leído de forma automática por la aplicación IMS LPP (Lines Processing Program) para el cálculo de las curvas hidrostáticas, datos necesarios para posteriormente calcular los parámetros del barco mediante el uso de los programas de VPP (Velocity Prediction Program). El uso de estas máquinas requiere la presencia de dos personas, medidor y asistente), siendo bastante tedioso y requiriendo buena habilidad y concentración durante un día completo de trabajo que es lo que viene a durar una medición. Los avances en las últimas décadas en el campo de la metrología, y por supuesto en

[1] Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo (CEHIPAR) Ctra de la Sierra s/n 28048 El Pardo – Madrid – España (Spain)

Tfno.: +34.91.376.21.00 Fax.: +34.91.376.01.76 e-mail: [email protected] web: http://www.cehipar.es [2] Santiago & Cintra Ibérica S.A. (S&C)

C/ José Echegaray 4 - P.A.E. Casablanca B5 28100 Alcobendas – Madrid– España (Spain)

Tel.: +34.902.120.870 Fax: +34.902.120.871 e-mail: [email protected] web: http://www.santiagocintra.es

[3] Real Federación Española de Vela (RFEV) C/ Luis de Salazar nº. 9 28002 Madrid – España (Spain)

Tfno.: +34.91.519.50.08 Fax.: +34. e-mail: [email protected]; [email protected] web: http://www.rfev.es [4] Offshore Racing Congress (ORC) Chieff mesurer Via Ronchetti 14 20122 Milano – Italia (Italy) Tfno.: +39.33.56.28.26.46 e-mail: [email protected]

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la informática, han permitido el desarrollo de instrumentación, basadas en tecnología láser, para escanear grandes superficies con gran densidad de puntos y con una precisión tal que se puede alcanzar tolerancias de milímetros, suficientes para garantizar una congruencia total en la repetibilidad de los resultados obtenidos. Los equipos láser escáner tridimensionales se están utilizando ampliamente en la industria de alta tecnología (aeroespacial, automoción, offshore,…) pero el precio y la complejidad para obtener los resultados en el formato requerido, a partir de la nube de puntos resultante del escaneado, ha hecho que no sean ampliamente utilizados en el contexto específico de las medidas IMS. Dentro del programa de investigación denominado HIDALCOM, perteneciente al Convenio de Colaboración firmado por el Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo (CEHIPAR) y la Real Federación Española de Vela (RFEV) y con la estrecha colaboración de la empresa Santiago&Cintra Ibérica S.A. (S&C) y el Offshore Racing Congress (ORC) se ha realizado un estudio de viabilidad técnica, sin olvidar el área económica, para el uso e implantación de equipos láser escáneres en la medición de barcos de regatas. El presente trabajo describe la metodología seguida para la validación de la medición láser como una nueva solución y aportación a la medición de barcos de regatas, incluyendo un estudio de la tecnología utilizada, valoración de las mejoras obtenidas (precisión, fiabilidad, economía, versatilidad, …), desarrollo de un protocolo de medición y los resultados de las primeras mediciones realizadas (2005). Las técnicas de láser utilizadas no se limitan a la adquisición de formas en los sistemas IMS, objeto de este trabajo, sino que están siendo estudiadas para su aplicación en otras áreas de las embarcaciones de recreo: por ejemplo la comprobación de las tolerancias reglamentadas en las reglas de un diseño de clase mediante la comparación de las formas escaneadas con la superficie “maestra” establecida por la clase.

Abstract The MIT conceived in the mid-seventies a system to measure sailboat hulls with a sufficient detail to produce complete hydrostatic calculations of every boat measured, for the purpose of using these in the context of a handicap system then developed in the IMS (International Measurement System), managed and maintained internationally by the ORC through their national Rating Offices. A special - custom - machine was designed and fabricated for the purpose in an initial model that used analogic data recorders. A second generation of machines was produced in the early eighties using a digital output connected to a laptop ancestor, and was delivered in two different models, one in the US, produced in a few dozens for a price of approx. 10k US$, and the other in Germany, which had a similar price, and was manufactured in a few dozens of units. Both types have been delivered to Measurers of the world, and most of the units are still in good operational condition and are used in many countries on a routine basis, at reasonable costs. Some of them have ceased functioning, because of lack of maintenance or breakage of components that are no longer in production therefore are hard to find. Both models are based on optical encoder counters able to measure string lengths and angle, whose use is to locate in space and record the position of a point, when the surface is physically touched with a wand, and a button is pressed. The sequence of points measured, which are organized from the bottom up in vertical transverse stations, is organized in a simple standard format, called “OFF” file, which is read by the IMS LPP to calculate the hydrostatic parameters necessary to proceed with the VPP (Velocity Prediction Program). The use of these machines is rather tedious and requires good skills and continued attention typically for a long day by a Measurer and an assistant. The development of technology in the metrology field, and of course in the computer science, of the last decades have led to availability of laser based devices capable of scanning large surfaces with a very high density of points and a precision that can reach a few millimetres, amply



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sufficient to guarantee a total congruence and repeatability in the results obtained. The 3D laser scanner systems are widely used in the high technology industry (aerospace, automotive, offshore) but their price and the complexity of obtaining results in the required form starting from the cloud of points resulting from the scan has not yet widely spread its use in the specific context of the IMS measurement. A study of technical viability of the use of laser scanners to measure racing sail yacht hulls has been carried out, without forgetting the financial aspects, in the context of an investigation program denominated HIDALCOM, incorporated in the agreement of collaboration signed by the Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo (CEHIPAR) and the Real Federación Española de Vela (RFEV), with the close cooperation and technical support of the company Santiago&Cintra Iberian Corportion (S&C) and the Offshore Racing Congress (ORC). The present work describes the methodology followed to validate the laser hull measurements as a new solution for hull measurement, starting from the use of the new technology, continuing through the evaluation of the obtained results towards the final objective which is the development of a measurement protocol and an automatic processing of the results, obtained in a couple of real experiments carried out in 2005. Some practical results have already been achieved elsewhere, and more laser scanner sessions have been performed in various parts of the world. The use laser scanning techniques is not limited to the acquisition of shapes for the IMS system that is the object of this presentation, but is being studied also for other areas of the rasing sailboats, one example being the check of compliance with tolerances set by Class Rules of One-Design Classes. The objective in this case would not be to acuire the shape of the hull, but to compare the scanned shape with a “master” surface established for any given Class, and automatically inspect if the shape is within or outside the expected tolerances.

Estado del arte En la actualidad la medida de barcos de competición en los circuitos IMS se están llevando a cabo con las tradicionales estaciones de medida basadas en encóders1 (HMI for IMS hull measurement machine). El protocolo de actuación exige la nivelación del barco en su cama, tirada de plomadas y marcado de las líneas y secciones de referencia, para posteriormente realizar las medidas con el equipo. En la secuencia de medida se pueden cometer errores acumulativos de relativa importancia. El primer paso es la nivelación del barco, tarea que, aunque tediosa, se puede considerar de la más precisas siempre que disponga de un plano de referencia claro y que se supone perpendicular al suelo. El objetivo es el de disponer el barco con el plano de crujía vertical al suelo (nivelación transversal) y con la flotación aproximadamente horizontal (nivelación longitudinal). El segundo paso consiste en la tirada de plomadas para obtener las líneas de referencia paralelas al plano de crujía. Para ello se usan cintas métricas. Esta fase se puede considerar como de las menos evolucionadas y delicadas para la obtención de una precisión suficiente, pues al final el trazado en suelo se realiza con tiza o marcas y dicha precisión viene supeditada por la de las cintas métricas usadas. Por último se procede a la medida del casco y apéndices con la estación de medida. Dichas estaciones están basadas en un hilo (de por sí extensible) que al desenvolverse sobre un carrete que lleva asociado la máquina permite conocer su recorrido y los ángulos de salida del tambor. Mediante unos sencillos cálculos trigonométricos y conociendo la posición de la estación de medida en referencia al barco es posible conocer con relativa exactitud la medida del punto en el sistema espacial de referencia asociado, y por tanto sus coordenadas (X,Y,Z) (eslora, manga, puntal). 1 Encóder: nombre en inglés y aceptado

internacionalmente de un codificador óptico de impulsos digital.




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La precisión de la estación total también es limitada. Por un lado es función de la calidad del sistema de referencia marcado por el medidor y de la nivelación en cada sección, en lo que a tenor de la realidad es la fase de menor imprecisión dada la profesionalidad y cuidado que en ello ponen las personas que a ello se dedican, y por otro lado de los hilos que a lo largo de la vida se van rompiendo y reparando de forma manual mediante ataduras, lo que complica aún más su teórica inextensibilidad y la forma de corrección del hilo salido en función de las vueltas existentes en los carretes recogedores. Durante unos años se hicieron las primeras pruebas haciendo uso de estaciones basadas en tecnología láser y usualmente utilizadas en estudios topográficos. En esencia consistía en sustituir la máquina convencional basada en hilo por un teodolito láser. En estas primeras medidas, y con los equipos usados, se observó que las gotas de humedad y agua sobre la superficie de medida podían afectar a las medidas. Por otro lado los diferentes contrastes en la superficie del barco (zonas de luz/sombra e incluso zonas de menor luminosidad u oscuras por el pintado de la superficie) ocasionaban mayores tiempo de adquisición. A pesar de ello los resultados iniciales se pueden considerar como muy satisfactorios, por lo que se optó por el siguiente paso en la evolución de los equipos: el uso de estaciones totales robotizadas. Tecnología del láser escáner La evolución en los últimos años de los semiconductores han permitido construir escáner láser de pequeño tamaño y grandes capacidades. La precisión, resolución, repetibilidad, … de los equipos de medida basados en esta tecnología vienen determinadas por dos factores fundamentales: la precisión del ancho de banda del mecanismo opto mecánico (el posicionamiento del emisor láser se realiza mediante una motorización y transmisión mecánica) y la frecuencia de muestreo (dicha frecuencia permite tomar

un número muy elevado de muestras en un área muy pequeña y promediar mediante uso de programas estadísticos adecuados). Por lo anteriormente mencionado en estos equipos es fundamental la sincronización de la emisión/medida con la posición angular (azimut y demora) del láser. Para la medida de la distancia entre el emisor y la superficie de medida existen varios procedimientos. El método más habitualmente usado es el denominado tiempo de vuelo o time of flight (TOF). Su fundamento se basa en determinar la distancia entre el aparato de medida y el blanco en función del tiempo que necesita un pulso de luz de gran potencia de pico desde su emisión por el distanciómetro hasta el retorno de la señal reflejada en el blanco. Este procedimiento se caracteriza por mantener la precisión uniforme dentro de un amplio margen de distancias. La longitud del pulso (Tp) determina la resolución (distancia mínima entre dos objetos para ser detectados como diferentes) y la exactitud (determinada por la pérdida de potencia en la señal). La señal puede verse afectada por ruidos generados por las características de acabado de superficie a escanear, siendo los más significativos la capacidad de reflexión y la topología. Estos ruidos pueden ser mitigados empleando adecuados análisis de señales. En el caso de un láser de onda continua, la intensidad del láser viene definida por una función, por ejemplo sinusoidal o cuadrada. La señal de modulación tendrá un periodo Tp. El tiempo de vuelo (TOF) TL viene determinado por la medición de la diferencia de fase entre la señal emitida y la recibida. El periodo Tp o su frecuencia equivalente f o su longitud de onda λ define el rango máximo de ambigüedad Rum. La relación entre estas magnitudes viene dada por: Donde: ∆Rum .........rango máximo de

ambigüedad λ..........longitud de onda ∆θ..........resolución

θ∆λ∆ ⋅=2

Rum



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Analizando la fórmula se observa que para mantener un rango de ambigüedad determinado y aumentar la resolución se debería usar funciones con menor longitud de onda. Resumiendo, esencialmente un escáner láser es un aparato de medida robotizado2 compuesto de dos goniómetros3 (horizontal y vertical) y un medidor de distancias de alta velocidad. Siguiendo un patrón espacial regular de medida de distancias definido por el usuario, se determina para cada punto analizado su posición en el espacio (midiendo los ángulos horizontal y vertical y distancia), a partir de la cual se determina sus coordenadas tridimensionales con gran precisión. Un barrido típico consiste en la captura del orden de dos millones de puntos en unos quince minutos (2x106 puntos / 15 min). Si considerásemos nulos los tiempos empleados en movimientos del cabezal láser se estaría considerando una frecuencia de muestreo del orden de dos mil doscientos cincuenta hertzios (2250 Hz). Características de los equipos usados Los alcances y precisiones de los láser escáner son muy variables, pero para la medida de los modelos/barcos realizada para este artículo se optó por utilizar equipos de similares prestaciones y diferentes marcas, con el fin de validar la viabilidad del sistema independizándolo del equipo usado y siempre que éste cumpliera unos requisitos mínimos . Los datos básicos de partida fueron estaciones con un rango de distancias de medida máximas del orden de cien metros (100 m) y precisiones típicas cinco milímetros (5 mm), que permiten en la fase de proceso garantizar medidas sobre las

2 Sus movimientos están automatizados mediante la

introducción de unos parámetros básicos en su sistema de adquisición, realizando las operaciones de movimiento del cabezal láser y realización de la medida de forma totalmente automática.

3 Se denominan goniómetros, en este caso, al sistema utilizado para determinar la posición exacta del cabezal láser. La técnica más usada habitualmente es la de encóder, pero no es la única, por lo que a pesar que las estaciones usadas durante el presente trabajo se encuentran basada en dicha tecnología no es posible generalizar.

superficies con precisiones superiores a los dos milímetros (<2 mm). En las distintas pruebas realizadas se han utilizado equipos distintos de medida, obteniendo resultados muy similares en todas ellas. Las especificaciones de cada sistema se detallan en la siguiente tabla:

A pesar de las diferentes características de cada equipo, debido a la clase de aplicación (distancias cortas sobre objetos con formas uniformes), los resultados finales no difieren significativamente. Proceso de medición El proceso de medición del casco de un velero de regata requiere la toma de datos desde diversos emplazamientos en el perímetro exterior de modo que puedan capturarse todos los detalles relevantes con una precisión uniforme y una densidad de puntos homogénea. En función de la medida a realizar, habrá que densificar la toma de datos en zonas concretas (inserción de apéndices, por ejemplo), donde se necesite una mayor definición. Con el fin de poder situar el barco dentro de un sistema de referencia objetivo, se marcan sobre el casco mediante blancos reflectantes o referencias inequívocas una serie de puntos de coordenadas conocidas. Durante el proceso de medida, cada una de las referencias será analizada a la máxima resolución con el fin de obtener una posición de alta calidad. El proceso continúa ya en la oficina técnica con la integración de las distintas nubes de puntos para obtener un modelo único, lo que requiere la toma previa de una serie de blancos, comunes a los barridos, que definen un sistema de coordenadas único

Equipo Trimble GX

LEICA HDS3000

Alcance 200 m (350 m) > 200 m Vel. Medida máx. 5000 pts/s 1800 pts/s Tipo de medida TOF TOF Tipo de láser Verde clase 2 (3R) Verde clase 3R Precisión (desviación típica) 2,5 mm a 100 m 5 mm a 100 m

Campo de visión (H*V) 360º x 60º 360º x 360º Cámara incorporada Sí Sí

Controlador Ordenador portátil PDA Ordenador portátil

Alimentación CA 220V / CC 24 V CC 12 V Peso (configuración de trabajo) 16 kg 25 kg

(incluye baterías)




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para la medición. Este proceso (llamado “registro”) utiliza un ajuste por mínimos cuadrados entre las distintas nubes de puntos. La precisión del ajuste final de la nube de puntos debe encontrarse en el entorno del milímetro (1 mm) y es imperativo que los blancos de ajuste estén distribuidos uniformemente en la periferia del área de medida, y deberán permanecer fijos durante el proceso de medida. Con el fin de obtener la suficiente redundancia y mejorar las posibilidades de ajuste, se deben observar al menos cuatro blancos comunes entre cada dos barridos. Junto con el casco, la toma de datos habrá incluido cualquier objeto presente en la escena durante la medición (soportes del barco, suelo y paredes, mobiliario, espectadores, …), por lo que será necesario eliminar del modelo toda esta información (que puede ser incluida dentro del concepto de “ruido” de medición). El fin de este proceso es conseguir que el análisis sólo tenga en cuenta la superficie útil del casco, e, incidentalmente, reducir la cantidad de información a procesar. La identificación y caracterización de los puntos materializados sobre el casco permitirá alinear el modelo creado con el sistema de referencia clásico en los procesos de diseño y construcción naval (eje “X” coincidente con el plano de crujía, hacia popa, eje “Y” hacia estribor, eje “Z” hacia arriba) o cualquier otro sistema de referencia ortogonal. El modelo así obtenido se debe componer del orden de unos cinco millones de puntos (5x106 puntos) uniformemente distribuidos en toda la superficie del casco, con un espaciado entre ellos de entre cinco y veinte milímetros (5 mm < dpp’ < 20 mm), formando un “tapiz” de un espesor de entre tres y siete milímetros (3 mm < e < 7 mm). Metodología En base al anterior apartado la primera fase del proyecto consistió en desarrollar una metodología que permitiera, al menos, sentar las bases de medida y los criterios de validación del proceso.

Para ello se establecieron las bases de dicha metodología desde tres puntos de vistas diferenciados:

Medidor: se estableció el criterio de

preparación de la carena a medir y el proceso a seguir durante la medición.

Equipo de medición: se estableció

cómo y cuantos datos se deben adquirir así como el resultado final de la medición para su post-proceso.

Post-proceso: se establecen las

directrices que debe cumplir el software desarrollado para la obtención final del archivo de offsets IMS de una forma lo más directa y sencilla posible.

La exposición se realiza de forma secuencial a como se producirán los acontecimientos indicando los procedimientos a utilizar, los resultados a obtener y formato de estos.

Se determinan cuatro fases fundamentales:

1. Preparación del barco. 2. Medición del barco.

3. Generación archivo de resultados.

4. Generación archivo de offsets IMS.

Preparación del barco

Inicialmente la metodología es similar a la existente hasta ahora:

a. Preparación del barco a medir sobre la

cama de varada o cualquier otro sistema de sujeción, evitando en la medida de lo posible que existan objetos extraños (drizas, mangueras, boyas, …) en las secciones de medida que puedan dificultar ésta.

b. Selección de los puntos “topográficos”

o principales del barco (Fig. nº. 1):

• Se denominan puntos topográficos (PT) aquellos que deben de tomarse sobre la superficie del casco o fuera de él pero en la zona de medición con una precisión muy elevada y ser identificados de forma inequívoca, dado que de ellos dependerá



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enormemente la validez de la medición.

• Los PT serán empleados a lo largo

del proceso de generación del archivo offsets de IMS como sistema de referencia válido del modelo.

• Los PT deberán ser registrados por

el equipo de medición bien en un archivo independiente bien en el archivo general de la superficie, pero sea cual sea la opción seleccionada deberán ser perfectamente identificables de forma inequívoca, debiendo para ello ser registrados con una codificación adecuada.

• Se seleccionarán al menos los

siguientes PT4: PT X Y Z Obs.

1 X1 0 Z1 Intersección (Extremo proa)

Roda/Crujía/Cubierta

2 X1 0 0 Proyección suelo PT-1

Roda/Crujía/Suelo

3 X3 0 Z3 Intersección (Orza proa)

Proa orza/crujía/fondo

4 X4 0 Z4 Intersección (Fondo espejo)

Espejo/Crujía/Fondo

5 X5 0 Z5 Intersección (Cubierta espejo)

Espejo/Crujía/Cubierta

6 X6 Y6 Z6 Intersección (Francob. Pp-Er)

FbPp/Er/Cubierta

7 X7 Y7 Z7 Intersección (Bmáxima-Er)

XB máx/Er/Cubierta

8 X8 Y8 Z8 Intersección (Francob. Pr-Er)

FbPr/Er/Cubierta

9 X9 Y9 Z9 Intersección (Francob. Pr-Br)

FbPr/Br/Cubierta

10 X10 Y10 Z10 Intersección (Bmáxima-Br)

XB máx/Br/Cubierta

11 X11 Y11 Z11 Intersección (Francob. Pp-Br)

FbPp/Br/Cubierta

12 X12 Y12 0 Proyección suelo PT-7 o PT-10

XB máx/Br o Er/Suelo

13 0 0 0 Proyección suelo PT-4 o PT-55 Espejo/Crujía/Suelo

14 X14 Y14 Z14 Puntal máximo

X Hmáx / YHmáx/Hmáx

4 La importancia de los puntos topográficos es

indiscutible. Uno de los principales problemas que surgirá a la hora de analizar los resultados será fijar el sistema de referencia del barco, así como el plano de crujía. La aplicación desarrollada para la generación del archivo de offsets de IMS considerará, en una primera aproximación, y según se detallará en el apartado correspondiente, como plano de crujía el definido por los puntos denominados PT-1, PT-2, PT-4 y siendo el PT-5 utilizado como comprobación.

5 Uno de los dos puntos, PT-4 ó PT-5, será el extremo del buque y por lo tanto su coordenada X será nula (X=0) y se considerará como valor extremo.

c. Los tres últimos puntos topográficos

seleccionados (PT-12, PT-13 y PT-14) son opcionales, por lo que en caso de no haberse podido tomar o decidir no considerarlos el medidor deberá acotar el barco a medir tomando nota de las dimensiones máximas de la embarcación en sus tres ejes, eslora, manga y puntal6.

Medición del barco

La metodología a seguir será:

a. Como base de partida se deberá

tener en cuenta las siguientes premisas:

• La estación total de medida, tras el

post-proceso de datos, deberá dar como resultado los siguientes archivos:

- Archivo de PT: que podrá estar

incluido en el siguiente archivo, con la condición ya mencionada de identificación inequívoca.

- Archivo de puntos (AP): donde

deberán encontrarse todos los puntos adquiridos en las distintas fases de medición, con el mismo sistema de referencia todos ellos, aunque carece de importancia él que se haya seleccionado7.

- No es necesario que el AP sea

limpio, es decir, que de él hayan sido eliminados los objetos extraños ajenos a la embarcación medida.

6 Estos tres valores servirán en el tratamiento posterior

para encerrar el barco medido dentro de un paralelepípedo y con ello anular en el archivo de resultados todos los puntos medidos por la máquina de medición y que queden fuera de éste.

7 El sistema de referencia real del barco se obtendrá, en una primera fase, en base a los PT, como se indicó en nota al pie anterior, por lo que cualquier sistema de referencia será válido siempre que sea ortogonal (con una traslación y un giro posterior se llevará los puntos del barco al sistema de referencia deseado).




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• Los PT y los puntos incluidos en el AP deberán encontrarse referidos al mismo sistema de referencia siendo éste único para cuantos puntos datos se generen.

b. Se tomarán puntos para generar el AP modificando la situación de la estación total de medida con el criterio de poder minimizar zonas de sombras o no bien definidas debido a un elevado ángulo entre la superficie de la embarcación8 y el haz de medición. En un principio, y salvo que las formas específicas del barco o la experiencia del usuario final lo permita, se deberán tomar mediciones desde un total de diez (10) ubicaciones diferentes (en cada una de ellas se deberá limitar el recorrido angular de la máquina para optimizar el tiempo de adquisición de datos). Este procedimiento, aunque consume un tiempo mayor de ejecución, permite garantizar una resolución adecuada al evitar la posibilidad de errores debido a excesivo ángulo de tangencia entre el rayo de medición y la superficie de medida.

Las diferentes ubicaciones del equipo (puestas) a seleccionar vienen reflejadas en la siguiente tabla: Nº Posición Área de adquisición

1 A proa En crujía

H: ambas amuras V: desde cubierta hasta pie

de roda

2 Amura de Estribor Zona alta

H: desde la roda hasta la sección media

V: desde cubierta hasta pantoque

3 Amura de Estribor Zona baja


V: desde pantoque hasta crujía en el fondo

4 Aleta de Estribor Zona alta

H: desde la sección media hasta el espejo


5 Aleta de Estribor Zona baja



6 A popa En crujía

H: ambas aletas V: desde cubierta hasta

unión espejo con fondo

8 Cuando se menciona embarcación se considera todo

el barco, es decir, el casco y los apéndices (timón, orza, …).

7 Aleta de Babor Zona alta



8 Aleta de Babor Zona baja



9 Amura de Babor Zona alta



10 Amura de Babor Zona baja



Tratamiento de la información. Para el tratamiento de la información capturada se han utilizado dos herramientas bien diferenciadas: El programa Polyworks, creado en

Canadá por la empresa Innovmetric para aplicaciones de control dimensional e ingeniería inversa en entornos industriales.

Una aplicación propia desarrollada en

el CEHIPAR para el tratamiento específico de los resultados brutos, sin limpiar, obtenidos directamente la máquina.

La filosofía y necesidad de utilizar estas dos soluciones es porque en un principio se desea estudiar la viabilidad de los láseres tridimensionales para la medición de barcos de regatas. Por tanto, independizando el equipo utilizado en la medición del software de tratamiento de las medidas servía para validar el equipo de medida. Una vez validado dicho equipo se procedió a estudiar un sistema rápido, eficaz y desarrollado en un entorno amigable para su fácil uso por personas no experimentadas en software específicos de ingeniería inversa. Dentro de las aplicaciones de ingeniería inversa la denominada Polyworks se mostró como una muy eficiente herramienta, ya que permitía, entre otras operaciones: Importación de la nube de puntos y

creación de una superficie interpolada a partir de dichos datos.



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Correlación de los modelos y estimación y depuración de errores accidentales.

Alineación del modelo dentro del

sistema de referencia de análisis. Obtención de resultados del modelo 3D

(comparación con un modelo de proyecto, obtención de secciones...)

A pesar del buen resultado obtenido se optó por el desarrollo de una aplicación propia, porque por un lado este tipo de aplicaciones disponen de gran cantidad de herramientas y con una potencialidad tan elevada que en realidad es infrautilizar una aplicación potentísima; por otro lado la disponibilidad de dicho conjunto de herramientas ocasiona una complejidad de uso que, aunque sencilla para un usuario experto, complica en demasía su uso para un medidor que realmente su trabajo debe centrarse en la selección de los puntos topográficos, en realizar la medición y, de una forma muy sencilla y rápida tomar las decisiones adecuadas para que la medición se encuentre bien realizada. Es por ello que se seleccionaron unos archivos brutos obtenibles directamente del equipo de medida. Dichos archivos de resultados deberán generarse atendiendo al siguiente criterio:

El número de archivos de resultados podrá ser uno (1) o dos (2):

Caso de un archivo: archivo incluyendo

PT y AP, con los condicionantes ya expuestos.

Caso de dos archivos: archivo de PT

por un lado e independientemente el correspondiente a los puntos AP.

Generación del archivo de offsets IMS El software específico desarrollado para el tratamiento de los resultados obtenidos en la medición y generación del archivo de offsets IMS deberá realiza las siguientes funciones:

a. Lectura del (de los) archivo(s)

generado(s) en el punto anterior.

b. En base a los puntos topográficos tomados como base, PT-1, PT-2 y PT-4 genera automáticamente el plano de crujía de la embarcación:

• Comprobación del PT-5:

- Tras la definición del plano

anterior se comprobará matemáticamente que dicho punto se encuentre dentro de dicho plano con una tolerancia de un milímetro (± 1 mm). Dicho valor de tolerancia será ajustable por el usuario final de la aplicación mediante un archivo de configuración del sistema.

- En caso de que dicho punto no

pertenezca al plano (incluyendo la tolerancia fijada) generará un plano que conteniendo a PT-1 y PT-2 genere una desviación mínima (en distancia) a los puntos PT-4 y PT-5. En dicho caso se visualizará un aviso por pantalla del resultado de la operación, pudiendo el usuario optar por tres soluciones (la aplicación generará información para facilitar dicha decisión):

Aceptar dicho plano interpolado como válido.

Aceptar como válido el plano generado por los puntos PT-1, PT-2 y PT-4.

Aceptar como válido el plano generado por los puntos PT-1, PT-2 y PT-5.

c. Generación de forma automática el

sistema ortogonal tomando como origen el PT-1, como eje OZ el definido por PT-1 y PT-2, eje OX el perpendicular al eje OZ por el punto PT-1 y como eje OY el perpendicular a los dos anteriores.

Sentidos positivos:

• Eje OX: positivo proa-popa. • Eje OY: positivo crujía-estribor.

• Eje OZ: positivo quilla-cubierta.




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d. Traslación y giro de todos los puntos

(topográficos y datos) al nuevo sistema de coordenadas de forma automática.

e. Limitación del paralelepípedo de

dimensiones máximas mediante el uso de los puntos PT-12, PT-13 y PT-14 de forma automática, presentando en pantalla los valores obtenidos por si el usuario final desea modificarlo en base a otro criterio. Así mismo solicita la introducción de dichos datos en caso de no existir en el archivo correspondiente los puntos anteriormente mencionados.

f. Eliminación de todos los puntos que se encuentren fuera del paralelepípedo resultante en el apartado anterior.

g. Opcionalmente dispone de un

sistema manual de fácil uso para poder anular alguno de los puntos que el usuario final considere no pertenezcan a la superficie de la embarcación.

h. Atendiendo a los datos disponibles se

genera una tabla automática de abscisas donde determinar las secciones de medida. Dicha tabla es modificable de forma manual por parte del usuario final.

i. Generación del archivo de secciones

de medida en ambas bandas, pudiendo visualizarse gráficamente en pantalla las secciones resultantes y las diferencias existentes entre las obtenidas a cada banda, mediante una ayuda de desviaciones en milímetros. Para la obtención de las secciones de medida se pueden emplear tres algoritmos diferentes:

• Banda superficial: desarrollado en

el CEHIPAR. Consiste en seleccionar una banda de anchura determinada (por defecto de cinco milímetros a cada lado) alrededor de la sección de medida. Se genera la superficie que tiene la misma desviación conteniendo a los puntos anteriores. Se corta dicha superficie por el plano de la

sección de medida resultando la curva deseada.

• Aplicación de una curva de

Beziers a los puntos de ordenadas correspondiente a la sección de medida.

• Aplicación de una curva B-spline

a los puntos de ordenadas correspondiente a la sección de medida.

La selección del algoritmo la realiza el usuario, estando considerado por defecto la primera de ellas expuesta. En todo caso la aplicación da un aviso de error cuando la distancia de cualquiera de los puntos originales considerados y la curva resultante se encuentra fuera de los límites de una tolerancia, fijada en más menos un milímetro (±1 mm).

j. En caso de discrepancias entre las

secciones generadas a ambas bandas se dispone de un algoritmo matemático que permite girar los puntos datos en sus tres ejes coordenados, cambiando con ello los planos de referencia, y minimizando las diferencias entre ambas. Normalmente este apartado no debe ser realizado, pues un resultado de este tipo puede indicar asimetrías en el buque real.

k. Tras haber encajado la embarcación

se genera de forma automática el archivo de offsets de IMS.

l. Opcionalmente dispone de una

utilidad capaz de leer un archivo de offsets de IMS existente y generar (en base exclusivamente a los datos existentes) los puntos topográficos y la superficie de la carena.

m. Opcionalmente dispone de una

utilidad capaz de leer un archivo formato IGES de la embarcación a estudio y compararlo con los datos tomados durante la medición.

n. La aplicación se está desarrollando

bajo sistema operativo Windows y en un entorno amigable, de fácil uso por parte del usuario final, interactiva pero automatizada prácticamente en



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su totalidad y configurable en varios idiomas.

Proceso de validación: barco 1 Para la validación del sistema de adquisición, comprobando su resolución y precisión en las medidas, se optó por la medición de un barco del que se dispusiera el plano original de construcción, de tal forma que fueran comparables los resultados obtenidos reales con los teóricos del plano. Encontrar un barco del que se dispongan dichos planos y además poder certificar que el sistema constructivo no ha alterado las dimensiones deseadas es prácticamente imposible. Es por ello que se seleccionó como primer prototipo a medir un modelo de los empleados en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo. El motivo fundamental de esta selección es que este tipo de modelos, dado los requisitos de tolerancias exigidas durante la fase de construcción, garantizaba un índice de simetría muy elevado, una desviación respecto a los valores teóricos minimizada y por último se disponían los planos en formato IGES de la superficie que se había mecanizado con una talladora de control numérico de tres ejes y el de su posterior comprobación por el control de calidad de la institución. El modelo seleccionado correspondió al de un velero de competición (Fotos nº. 2), a escala un tercio (λ = 3), lo que se traducía en un barco de las siguientes dimensiones (sin apéndices):

• Eslora ............. 5638 mm • Manga........... 1398 mm • Puntal............ 640 mm

La medición se llevó a cabo en Abril de 2005. Para simular, en la medida de lo posible, las mediciones reales que se realizan en barcos de regatas se seleccionó como área de medición una ubicada al aire libre, y para que el modelo se encontrase en

condiciones similares se procedió a un lavado con manguera y se posicionó sobre una cama de varada que permitiese disponer de zonas de sombra y objetos extraños alrededor de la carena. El escáner utilizado fue un Trimble GX (Mensi GS200) realizando cinco puestas: proa, amuras de estribor y babor y aletas de estribor y babor. La razón de seleccionar cinco puestas, en lugar de las diez anteriormente determinadas, fue la de optimizar el tiempo de trabajo, y dado que se trataba de una primera validación se considero sólo necesario ver la validez de las medidas sin llegar a optimizar el procedimiento. El número total de puntos adquiridos (Foto nº. 3) fue del orden de un millón (1.061.422 puntos). Tras un filtrado, en el que se retiraron los diferentes ruidos de la señal y tras quedarse con una nube de puntos superior a trescientos mil (338.072 puntos), se procedió al post-proceso siguiendo la metodología expuesta (Fotos nº. 4 y 5 ). Los resultados obtenidos fueron muy satisfactorios, pudiendo tras la modelización estadística de los errores accidentales (representados por la desviación típica del instrumento) garantizar que la superficie interpolada tiene un error máximo de dos milímetros (2 mm) con respecto al objeto analizado. Dicha desviación se obtuvo trabajando sobre las zonas de costado mientras que en las zonas de fondo, en las que el ángulo relativo del equipo de medida y la superficie de medición era muy pequeño (al ser fondos cuasi-planos los ángulos incidentes no eran los recomendables), los errores fueron inferiores a quince milímetros (< 15 mm), que aunque superaban las tolerancias máximas permisibles fueron exclusivamente debidas al problema ya comentado de la angulación, problema fácilmente subsanable mediante el uso de las diez puestas exigidas en el protocolo de medición redactado (Fotos nº. 6 y 7 ). Como primera conclusión se obtiene que el modelo así obtenido permite comparaciones geométricas estadísticamente significativas entre los datos obtenidos con el escáner y el modelo de proyecto (control de calidad de construcción), u otro levantamiento previo (seguimiento de la evolución temporal de un




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casco, por ejemplo), revelándose como una herramienta muy potente a la hora de conocer incluso posibles deformaciones estructurales. Proceso de validación: barco 2 Tras la primera prueba, que se podría denominar de laboratorio a pesar de simular las condiciones ambientales, se procedió a la realización de una medida de un barco de regatas que se encontraba pendiente de entrega y tras finalizar su construcción en el astillero. La medición se llevó a cabo durante el mes de Mayo de 2005. El escáner utilizado fue un LEICA modelo HDS3000 realizando las diez puestas fijadas en el protocolo de medición. El número total de puntos adquiridos durante el levantamiento (Foto nº. 8) fue del orden de quince millones (≈15.000.000 puntos). Tras un filtrado, en el que se retiraron los diferentes ruidos de la señal y tras quedarse con una nube de puntos superior a cuatro millones y medio de puntos (4.723.256 puntos), se procedió al post-proceso siguiendo la metodología expuesta (Fotos nº. 9 y 10). Los resultados obtenidos permitieron validar la metodología empleada, obteniendo un levantamiento del barco de gran calidad. La precisión de la medida, en comparación con la superficie teórica, no fue posible obtenerla en este caso, pues como es lógico no se dispone de los planos finales de la embarcación, fundamentalmente por dos motivos:

• Los sistemas constructivos empleados en este tipo de embarcaciones permite disponer de los planos de construcción del molde, pero no los de la superficie acabada.

• Los diseñadores, dentro de la

confidencialidad exigida por sus propios clientes y por la competición en sí, por regla general no permiten acceder a dicha información restringida.

Mencionar que se observaron ciertas asimetrías, aleatorias, a lo largo de las

diferentes secciones analizadas. En un principio dichas asimetrías se podría pensar correspondieran a una mala definición del sistema ortogonal de referencia (considerar que el barco se encontrase girado en alguno(s) de su(s) eje(s) respecto a su posición teórica real de nivelación), pero dicha conclusión se descartó dada la aletoriedad de las asimetrías, y porque tras un proceso automatizado y, posteriormente manual, de minimización de asimetrías (realizado con las aplicaciones mencionadas en el presente trabajo) no se consiguió mejorar las desviaciones medias existentes entre ambas bandas. Conclusiones El uso de técnicas de ingeniería inversa

mediante escáner láser y análisis tridimensional se han revelado como una herramienta muy eficaz y de fácil implantación para la medición de carenas de barcos de regatas.

En contra de la experiencia tenida con

las primeras estaciones, y de lo que inicialmente puede suponerse, el color o acabado del casco apenas influye en la medición (incluyendo las pinturas que absorben muy eficazmente la frecuencia de medida de los láseres verdes, de aproximadamente una longitud de onda 530 nm), mientras sea suficientemente reflectante, características que cumplen la totalidad de los acabados superficiales de embarcaciones de este tipo.

A pesar de los elevados niveles de

potencia, que a veces utilizan estos equipos, no es necesario tomar precauciones extraordinarias para el trabajo de campo, salvo evitar la exposición directa del haz de medida sobre los ojos a corta distancia y tiempo prolongado.

Ventajas: La medición de barcos de este

tipo con tecnologías 3D presenta una serie de ventajas con respecto a los métodos tradicionales:

• Simplificación de la operación de

medición: el procedimiento de toma de datos está completamente automatizado, así como el posterior proceso de la información.



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• Medida objetiva: la medición no depende en absoluto en la habilidad del operador ni de posibles errores en los equipos de medida ya que este tipo de equipamientos conllevan un control de calidad muy exigente.

• Precisión uniforme: las medidas se

hacen con equipos calibrados y de precisión conocida.

• Rapidez: la práctica ausencia de

preparación previa del barco y la rapidez de medida permiten realizar el trabajo completo de medición de un barco en apenas dos horas.

• Versatilidad: no son necesarias

condiciones especiales para hacer las medidas.

Agradecimientos. Los autores quieren expresar su agradecimiento a la Real Federación Española de Vela y al Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo que permitieron el desarrollo de esta investigación apoyándola dentro del Convenio de Colaboración HIDALCOM ("Investigación HIDrodinámica aplicada a embarcaciones de vela de ALta COMpetición”). Así mismo a la empresa Santiago y Cintra Ibérica S.A. por su colaboración y cesión de equipos y personal para poder llevar a cabo las pruebas. Por último a todas las personas que con su esfuerzo y ánimo han facilitado la labor que conlleva atar todos los cabos en un trabajo interdisciplinar como el expuesto. Referencias. 1. Lichti, Derek “A resolution measure for terrestrial laser” SCANNERS 2004 2. W. Boehler, M. Bordas Vicent, A. Marbs “Investigating laser scanner”

ACCURACY 2003 3. Remondino, Fabio

“From point cloud to surface: the modelling and visualization” PROBLEM 2003

4. OFFSHORE RACING CONGRESS “IMS hull measurement with reflectorless

total station” – Draft 2 Documento interno ORC - 2004

5. Manual técnico “Trimble GX2006”

Información Técnica Trimble – 2005 6. Manual técnico “Leica Geosystem HDS-3000”

Información Técnica Leica - 2004




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APPENDIX

Fig. 1: Distribución de puntos topográficos en la carena del buque a medir

Foto nº. 2: Equipo de medida Trimble GX (Mensi GS200) instalado en la zona usada durante la medición en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo. Medición de un modelo a escala 1/3 de un IMS.

PT-3

PT-1

PT-4

PT-5 PT-6 PT-7 PT-8 PT-9

PT-10 PT-11

PT-2



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Foto nº. 3: Puntos tomados durante la medición en Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo de un modelo de IMS a escala 1/3. Nube de puntos sin filtrar ni quitar ruidos.

Foto nº. 4: Puntos filtrados tras la medición en Canal de Experiencias

Hidrodinámicas de El Pardo de un modelo de IMS a escala 1/3.




194

Foto nº. 5: Formas obtenidas tras la medición en Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo de un modelo de IMS a escala 1/3 y tras haber sido filtradas y montadas mediante el uso de la aplicación Polyworks.

Foto nº. 6: Formas originales del modelo IMS a escala 1/3 medidas en el Canal de

Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo. Dichas formas proceden del archivo IGES utilizado durante el proceso de mecanizado de la carena con fresadora de control numérico de 3 ejes.



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Foto nº. 7: Comparativa gráfica de las formas originales (en rojo) y de las formas

medidas mediante láser tridimensional (verde) del modelo IMS a escala 1/3 medidas en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo.

Foto nº. 8: Puntos tomados durante la medición en astillero de un barco de regatas. Nube de puntos original, sin filtrar ni quitar ruidos, tras unir los resultados obtenidos de las diez puestas realizadas.




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Foto nº. 9: Puntos filtrados tras la medición en astillero de un barco de regatas. Foto nº. 10: Puntos filtrados tras la medición en astillero de un barco de regatas.

técnicas de ingeniería inversa empleadas para la...

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