Investigation des performances in situ de la numérisation d'une tuyauterie industrielle par photogrammétrie et lumière structurée

Thieulin, Valentin (2019). Investigation des performances in situ de la numérisation d'une tuyauterie industrielle par photogrammétrie et lumière structurée. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’installation de tuyauterie industrielle est une activité courante dans les chantiers de construction ou lors des opérations de réfection d’installations existantes. Actuellement dans cette industrie, les prises de mesures préalables à l’installation ou la modification d’une tuyauterie industrielle sont effectuées manuellement par un opérateur. Ces prises de mesures manuelles sont chronophages et peuvent être source d’erreurs. De plus, les outils conventionnels qui sont utilisés (ruban à mesurer, craies, pieds à coulisse, fil à plomb, etc.) ne sont pas adaptés pour un relevé dimensionnel précis. En outre, les conditions ne sont que rarement optimales, la luminosité est variable, les usines sont encombrées et la hauteur sous plafond peut être importante. Tous ces facteurs peuvent se conjuguer et amener à une carence de productivité.

Avec le développement technologique des instruments de mesure optique (sans contact), il est envisageable de remplacer ce processus manuel par un processus de numérisation tridimensionnelle. Il serait alors possible d’exploiter ce relevé numérique pour extraire les dimensions et les caractéristiques d’intérêt pour les opérations. Cependant, la réflectivité relativement élevée des tuyaux utilisés généralement dans les tuyauteries industrielles (par exemple : acier inoxydable, cuivre, aluminium, etc.) ou les conditions ambiantes peuvent poser un problème à certains systèmes de captation 3D.

Pour pallier ces problèmes, une idée a été avancée pour combiner plusieurs systèmes et techniques de numérisation 3D dans le but de pouvoir bénéficier des avantages de chacun, tout en réduisant les lacunes respectives. Dans le cadre du présent projet, on proposera la combinaison d’un système de photogrammétrie avec un scanneur 3D à lumière structurée.

La photogrammétrie permet une captation globale de l’intérieur de l’usine. On obtient donc un relevé de tous les objets dans la pièce qu’il faut prendre en compte pour la future tuyauterie que l’on souhaite mettre en place. Pour cette étape, une grande précision n’est pas forcément nécessaire puisque l’on souhaite avoir une idée de l’encombrement pour éviter une collision dans le chemin de la future tuyauterie, les détails les plus fins ne sont donc pas indispensables.

La numérisation 3D grâce à un scanneur 3D à lumière structurée quant à elle sert dans les endroits où l’on a besoin d’une plus grande précision pour pouvoir effectuer un travail de rétroingénierie. On l’utilise sur les zones où l’on va travailler dans l’immédiat. On utilise ensuite un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) pour effectuer un traitement de rétroingénierie sur ce nuage de points. Sur le maillage ainsi obtenu, on reconnaît les formes simples telles que les cylindres et les plans pour ensuite travailler avec un module du logiciel spécialisé pour la conception de tuyauterie industrielle.

Enfin, on superpose le nuage de points obtenu par photogrammétrie et le maillage obtenu grâce au scanneur 3D à lumière structurée. Cette superposition peut s’effectuer à l’aide de repères communs aux deux numérisations 3D. Dès lors, on peut concevoir une nouvelle tuyauterie ou modifier l’existante, éditer des plans industriels des tuyaux avec les cotes indiquées pour ensuite les découper de façon précise pour pouvoir les installer rapidement sur place dans l’usine. Combiner les systèmes permet donc de numériser un grand volume, tout en réussissant à numériser des surfaces réflectives, et cela pour un coût moindre qu’un système de numérisation gros volume.

Titre traduit

Investigation of in situ performance of 3D scanning for industrial piping using photogrammetry and structured light

Résumé traduit

It is common practice to install industrial piping on construction sites or when updating or upgrading existing facilities. Currently, an operator takes manual measurements prior to the installation or modification of industrial piping. Manual measurements are time-consuming, however, and can entail errors. Moreover, the conventional tools that are used (measuring tape, chalk, calipers, lead wire, etc.) are not suitable for accurate dimensional measurement, and conditions are rarely optimal — brightness is variable, factories are congested, and ceiling height can be an issue. When combined, these factors can result in a lack of productivity.

With the technological development of optical (contactless) measuring instruments, it is conceivable to replace this manual process with a three-dimensional scanning process. It would then be possible to use this digital measurement process to extract the dimensions and characteristics of interest for the operations in question. However, the relatively high reflectivity of the pipes commonly used for industrial piping (stainless steel, copper, aluminum, etc.) and ambient conditions can be problematic for some 3D capture systems.

It has been suggested to overcome these problems by combining several 3D scanning techniques and systems to benefit from the advantages of each while reducing their respective deficiencies. This project proposes to combine a photogrammetry system and a structured-light 3D scanner.

Photogrammetry provides a general overview of the inside of a factory, allowing one to see the bulk of the objects in the room that must be taken into account for the piping that is to be installed. For this step, great precision is not strictly necessary, as one simply wants to have an overall idea of the clutter, to avoid a collision when laying the path of future piping; hence, minute details are not essential.

Preference is given to 3D scanning using a structured-light 3D scanner where more precision is needed to perform reverse engineering. It is used on areas where work is to take place immediately. Computer-aided design (CAD) software is then used to perform reverse engineering on the points cloud. One can then recognize simple forms, such as cylinders, from the mesh obtained, and subsequently work with a specialized software module to design the industrial piping.

Finally, the points cloud obtained by photogrammetry and the mesh obtained by structuredlight 3D scanning are superimposed. This superimposition can be done using markers common to both 3D scans. From there, one can design new piping or modify the existing piping, Editing the industrial piping plans with the dimensions indicated. Then, the piping can be accurately cut for quick on-site installation. Combining the systems makes it possible to successfully scan a large volume and reflective surfaces, at a lower cost than a high-volume scanning system.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie de la production automatisée". Comprend des références bibliographiques (pages 145-149).
Mots-clés libres:	photogrammétrie, scanneur 3D à lumière structurée, tuyauterie industrielle, rétroingénierie, numérisation 3D, nuage de points
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Rivest, Louis
Codirecteur:	Codirecteur Tahan, Souheil-Antoine
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la production automatisée
Date de dépôt:	18 déc. 2019 18:57
Dernière modification:	18 déc. 2019 18:57
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2427

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