Acquisition de données avec le SLM pour le calibrage

L’acquisition des données LiDAR mobiles à l’intérieur du laboratoire peut maintenant être effectuée avec le SLM de modèle MX2. On doit d’abord brancher une série de câbles au MX2 dont un câble pour l'alimentation électrique à une batterie à décharge lente de 12 volts, un câble réseau pour le transfert de données vers un ordinateur portable et un câble GNSS permettant d’acquérir les données de l'IMU et du scanner laser malgré le fait que

les données de positionnement GNSS seront remplacées par des mesures prises par l’interféromètre.

Pour combler ce besoin, une antenne GNSS a été positionnée temporairement sur un trépied d'arpentage à l'extérieur du laboratoire de métrologie. Un câble coaxial d'une longueur de 60 mètres a été branché au port de sortie de cette antenne pour amener le signal GNSS jusqu'au port d'entrée du MX2 dans le laboratoire. Le récepteur interne du MX2 permet ensuite de convertir le signal GNSS en PPS. Le PPS, ou pulse per second, est un signal avec une cadence juste et fidèle qui provient de l'horloge interne d'un récepteur GNSS qui se synchronise avec les horloges atomiques à bord des satellites. Ce signal est nécessaire pour la synchronisation de l'IMU et du scanner LiDAR du MX2 et de tout SLM en général.

L'IMU est un instrument capable d'effectuer plusieurs dizaines ou centaines de mesures par seconde. Par exemple, l'IMU faisant partie intégrante du MX2 utilisé lors de la collecte de données est le modèle AP20 IMU-42 de Trimble qui permet d'enregistrer des mesures d'orientation du système à une fréquence allant jusqu'à 200 hertz. Cependant, l'acquisition de données sur le banc de calibrage qui est droit et au niveau n'implique pas de changement important sur l'orientation du MX2. Pour cette raison, une fréquence de 20 hertz a été choisie, ce qui correspond à la fréquence minimale. Étant donné que plusieurs manipulations sont nécessaires sur les données brutes en vue du calibrage, éviter une surabondance excessive de données est nécessaire de manière à diminuer le temps de traitement.

Pour l'acquisition des données LiDAR, la fréquence d'impulsion laser est fixée à 36 000 points par seconde pour le MX2. Le seul paramètre variable est la fréquence de balayage du système, qui peut être ajustée de 5 à 20 hertz. La fréquence de balayage correspond au nombre de rotations effectuées par la tête du laser en une seconde. Lorsque la fréquence de balayage est fixée à 20 hertz, la rotation du système est tellement rapide que des vibrations se font sentir sur le banc de calibrage. De manière à ne pas fausser les données par ce genre de perturbations, la fréquence minimale de 5 hertz a été choisie, puisqu’à cette fréquence, aucune vibration n’est perceptible.

Une fois les paramètres d'acquisition définis, il faut mettre en place une procédure de collecte de données LiDAR mobiles en laboratoire (in lab). La première approche anticipée était de procéder à une collecte de données dynamique sur le banc de calibrage. Le

charriot mobile serait déplacé sur le banc de calibrage et ce déplacement serait mesuré en temps réel par l'interféromètre. Tout au long de ce déplacement, un scan LiDAR du laboratoire serait effectué en continu. Pour y parvenir, il faudrait que les mesures prises par le MX2, c'est-à-dire les mesures de l'IMU et du laser, soient parfaitement synchronisées aux mesures prises par l'interféromètre. On disposerait alors de la mesure de distance sur le banc de calibrage fournie par l'interféromètre, des mesures des angles du système fournies par l'IMU et des mesures angulaires et de portée du laser fournies par le scanner pour chaque époque d'observation. De ce fait, des allers-retours pourraient être effectués sur le banc de calibrage et la collecte de données serait très rapide.

Cependant, pour mettre en œuvre cette approche, il faudrait que le MX2 et l'interféromètre soient tous les deux synchronisés sur le signal GNSS provenant de l'antenne temporaire située à l'extérieur du laboratoire. Du matériel supplémentaire et plusieurs heures de travail additionnelles auraient été nécessaires pour assurer une synchronisation parfaite entre les instruments. De plus, il aurait fallu développer des méthodes permettant de quantifier la justesse et la fidélité de la synchronisation temporelle et de détecter si des traces de latence résiduelle sont toujours présentes dans les observations. Un autre problème à contrer serait de développer un moyen mécanique de déplacement uniforme du MX2 sur le banc de calibrage. Si une personne se charge de pousser ou de tirer le charriot pour le déplacer, cela augmente le risque que des mouvements brusques nuisent à la qualité des mesures. Une solution serait de développer un montage impliquant un moteur électrique qui permettrait de déplacer le charriot mobile sur le banc de calibrage avec une vitesse constante. Bref, cette approche de collecte de données dynamique n'a pas pu être possible au cours de cette maîtrise étant donné un manque de temps et de ressources (humaines et financières).

L'approche qui a été retenue est beaucoup plus simple à appliquer, malgré qu’elle nécessite plus de temps pour parvenir à collecter des données. Cette approche consiste à arrêter le MX2 entre chaque déplacement, à démarrer une session d'enregistrement des données LiDAR mobiles et à noter la distance mesurée par l'interféromètre. On peut décortiquer cette approche de calibrage statique en une séquence d’étapes.

1. Déplacement du MX2 sur le banc de calibrage vis-à-vis une des sphères; 2. Immobilisation du MX2 sur le banc de calibrage;

3. Démarrage de la saisie de données par le MX2 d’une durée approximative de 3 secondes;

4. Enregistrement du nuage de points sur le disque dur de l’ordinateur; 5. Observation et enregistrement de la distance mesurée par l'interféromètre; 6. Répétition des étapes 1 à 5.

Il est nécessaire d'effectuer la mise à zéro de l'interféromètre lorsque le charriot mobile est adossé à la pièce d'origine, le tout tel que présenté à la Section 3.4. Par la suite, le charriot est déplacé jusqu'au premier endroit permettant de localiser une sphère. Cette approche ne nécessite pas que des observations soient effectuées sur toute la longueur de la section de 12 mètres du banc de calibrage, mais seulement aux endroits où une sphère peut être mesurée. À partir de certains tests, il a été déterminé qu'il faut un minimum de quatre lignes de balayage pour déterminer le centre d'une sphère adéquatement. Étant donné que la plus petite des deux sphères utilisées possède un diamètre d'environ 14 centimètres, il faut s'assurer que la distance entre les lignes de balayage pourra permettre que cette sphère soit mesurée minimalement par quatre scans consécutifs. Puisque le scanner LiDAR balaie la scène avec un angle de près de 90° avec le banc de calibrage, la distance mesurée entre chaque déplacement du charriot mobile correspond presque parfaitement à la distance mesurée entre les lignes de balayage. De ce fait, pour assurer une couverture minimale des sphères à localiser, une distance de 2,5 centimètres a été jugée suffisante telle qu’illustrée à la Figure 3.25.

Figure 3.25 : Démonstration de la couverture d’une sphère avec des lignes de scan Avec une distance de 2,5 centimètres entre chaque balayage, on assure que 5 à 6 lignes de scan couvrent les moyennes sphères et que 7 à 8 lignes de scan couvrent les grandes sphères. Pour chaque balayage effectué, un fichier contenant les valeurs de position du récepteur GNSS et d'orientation de l'IMU est stocké dans un format .gps, un fichier contenant les valeurs d'angles et de portées du laser est stocké dans un format .las et une ligne est ajoutée dans un fichier de format .xls contenant les distances mesurées par l'interféromètre. Par ailleurs, une durée de 2 à 4 secondes par position est accordée pour la saisie de données par le MX2. Même si cette période de temps fournit beaucoup plus de données qu'il est nécessaire, elle assure une bonne saisie de l'information. En réalité, un simple balayage du laser est nécessaire pour mesurer une ligne de scan en entier et comme la fréquence de balayage est de 5 hertz, seulement 0,2 seconde de temps d'acquisition serait suffisante. Il est néanmoins plus prudent de s'assurer que le logiciel ait le temps de procéder à l'enregistrement, d'où le temps alloué minimal de 2 secondes. De manière à être efficace lors de l'acquisition de données LiDAR mobile, il est préférable que deux personnes y participent. Une première personne est simplement attitrée à

l'enregistrement des mesures de distance prises par l'interféromètre tandis que la deuxième est en charge de l'enregistrement des données LiDAR en plus du déplacement du charriot sur le banc de calibrage. Lors de la toute première collecte de données du 16 mai 2016, un total de 365 lignes de scan a été effectué pour localiser l'ensemble des 18 sphères. Suite au traitement de cet ensemble de données, on a réalisé que plusieurs lignes de scan n’étaient pas nécessaires. Ce nombre a donc été diminué considérablement lors de la deuxième collecte du 22 décembre 2016, passant à 221 lignes pour le même passage. De plus, lors de la collecte du 22 décembre, deux passages, un aller et un retour, ont été réalisés en inversant le MX2 de 180° sur le charriot mobile pour une deuxième collecte lors du retour. Cette procédure qui avait été omise lors du premier relevé du 16 mai 2016 permettait de valider que les résultats du calibrage peuvent fournir des valeurs équivalentes en direction avant comme en direction arrière. La collecte de retour (en direction arrière) a quant à elle nécessité 226 lignes de scan.

Le temps d'acquisition est principalement influencé par deux éléments : l'expérience de l'opérateur du SLM et la localisation des sphères dans le laboratoire. Lors du positionnement des sphères, il est possible de placer plusieurs sphères sensiblement dans le même plan perpendiculaire à l'axe du banc de calibrage. De cette façon, une même ligne de scan peut couvrir plus d'une sphère, ce qui aide à diminuer le nombre total de lignes de scan nécessaire pour la couverture en entier des 18 sphères. De plus, l'expérience de l'opérateur favorise une acquisition efficace permettant d'enregistrer le moins de lignes possibles ne contenant aucune sphère. Il faut cependant rester prudent en observant une ou deux lignes de scan supplémentaires avant et après une sphère à mesurer de manière à être certain de couvrir ladite sphère avec le plus de lignes de scan possible. Par contre, un opérateur trop prudent pourrait enregistrer 40% de lignes de scan non utilisables, ce qui augmente inutilement le temps d'acquisition et de traitement. Il faut prévoir entre 80 et 120 minutes par passage pour balayer les 18 sphères présentes dans le laboratoire qui sont réparties sur une longueur d'environ 12 mètres. Bref, environ 3 heures sont nécessaires pour effectuer une collecte de données LiDAR mobiles complète à l’aller en direction avant et au retour en direction arrière.