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Numérisation complète avec le Leica T-Scan d’un avion de chasse suisse spectaculaire construit pendant la guerre froide

Musée de l’Aviation à Duebendorf - Suisse

Duebnedorf-Avaition-Musuem
Très souvent la métrologie industrielle porte sur des objets qui n’ont rien de particulièrement excitant et dont l’inspection ne suscite que peu d’exaltation. Mais de temps en temps on tombe sur une application qui sort de l’ordinaire. Par exemple la numérisation intégrale d’un avion de chasse. Montez à bord du P-16!

LeicaP16-case-study-additionL’histoire débute en 1948. Suivant avec inquiétude l’émergence de la guerre froide dans un pays entouré de nations belligérantes à l’époque de la Seconde Guerre mondiale et qui s’est prononcé en faveur de la neutralité, le HautCommandement des forces armées suisses s’est intéressé au développement d’un avion de chasse dont les caractéristiques de vol et de charge utile étaient adaptées aux particularités de la topographie helvétique. Le cahier des charges imposait une vitesse proche du supersonique, une excellente manoeuvrabilité ainsi que l’aptitude à atterrir et à décoller sur une piste extrêmement courte convenant aux régions alpines.

Le vol inaugural du premier prototype eut lieu en 1955. Les ailes de cet avion présentaient une conception révolutionnaire en ce temps, caractérisée par un profil fin et une combinaison inédite de volets de bord de fuite, d’ailerons basculants et de volets de bord d’attaque de type Krüger augmentant considérablement l’ascension du véhicule. Ces caractéristiques permettaient au P-16 de décoller sur des pistes de moins de 500 mètres et d’atterrir sur des voies d’à peine 300 mètres. L’armée de l’air suisse commanda cent P-16. Mais deux accidents catastrophiques liés à des problèmes mécaniques mineurs firent avorter le projet et poussèrent le gouvernement à annuler cette commande. Par bonheur, la conception révolutionnaire des ailes fut reprise sur les premiers avions à réaction civils réalisés par Lear Jet. Ces avions commerciaux pionniers affichaient de nombreuses caractéristiques du modèle P-16 jugées trop risquées à l’époque. Il faut bien avouer que le P-16 avait tout simplement été en avance de 10 à 15 ans. Malheureusement aucun de ses plans de conception ne subsiste. A l’heure actuelle, on ne trouve plus qu’un modèle P-16, exposé au Musée de l’Aviation à Dübendorf, près de Zurich.

Il y a quelques mois, Marc Immer, élève ingénieur en construction mécanique à l’EPF de Zurich, a voulu numériser ce bombardier suisse historique et analyser ses propriétés aérodynamiques en testant un modèle réduit dans une soufflerie. Après avoir évalué des équipements du marché, il est arrivé à la conclusion que seul le Leica T-Scan de Leica Geosystems pouvait relever ce défi. Content d’être associé à un projet scientifique portant sur un exploit suisse, Leica Geosystems a prêté main forte à titre bénévole. Dubendorf_11
 
Les autres systèmes étudiés pour la numérisation manquaient de précision ou travaillaient dans un volume trop petit pour l’avion à réaction P-16. Long de plus de 14 mètres, cet aéronef d’une envergure de 11 mètres et d’une hauteur de 4 mètres possède une grande surface; les ailes à elles seules couvrent quelque 30 mètres carrés. L’équipement de numérisation choisi devait donc maîtriser une telle étendue tout en livrant la précision attendue.

Le système utilisé pour le scan P-16 est le dernier-né des trackers de Leica, l’Absolute Tracker AT901-LR, en combinaison avec le scanner laser portatif Leica T-Scan. Un laser tracker est un équipement portable de mesure de coordonnées qui se sert d’un faisceau laser pour réaliser des mesures et inspections précises dans un grand volume sphérique. Le matériel recueille des informations de trois façons: en poursuivant une petite sphère réfléchissante, un palpeur sans bras et sans contact ou un scanner portatif comme celui qui est intervenu dans le projet P-16. 

Le Leica T-Scan est couplé à l’Absolute Tracker par le biais d’un système de caméra numérique (Leica T-Cam) qui travaille avec la lumière visible et un rayonnement infrarouge (IR), un zoom optique variable et un moteur pour le mouvement angulaire, vertical. Placée sur la tête du laser tracker, la caméra poursuit en continu le Leica T-Scan et acquiert des images des LED IR disposées sur ce dernier. Le codeurangulaire incrémental de la caméra est utilisé pour déterminer le mouvement angulaire vertical de la caméra même sur la base des angles du tracker. Le processeur de signal numérique (DSP) à l’intérieur de la Leica T-Cam réalise tous les calculs et opérations de traitement d’image, l’ensemble de lentilles du zoom étant scellé de manière étanche dans le système caméra. Cette conception permet d’effectuer des mesures stables avec une bonne répétabilité.
 
Un réflecteur intégré dans le scanner Leica T-Scan, associé à un jeu de dix LED IR, fait office de cible. Six paramètres de mesure décrivent complètement l’objet mesuré par rapport au système tracker. Il s’agit de trois paramètres de position (x, y et z) et de trois paramètres d’orientation (tangage, lacet et roulis) qui forment un ensemble à six degrés de liberté (6DOF). Ces paramètres sont déterminés par le laser tracker (position) et la caméra Leica T-Cam (orientation). 
 
Les LED IR sont définies par des identifiants uniques qui caractérisent leur position sur la cible. Après l’identification des LED dans la Leica T-Cam, les diodes sont réglées en mode de mesure (illumination continue). La caméra T-Cam doit voir au moins quatre LED en continu pour autoriser un calcul 6DOF. On obtient les meilleurs résultats en cas de bonne répartition des LED. Pour éviter des incertitudes et de mauvaises conditions de mesure, ces diodes sont divisées en quatre groupes. Une mesure précise exige que la caméra Leica T-Cam se verrouille sur au moins une LED de chaque groupe.
Dubendorf_6Le système optique présente une conception capable de traiter les rayons infrarouges d’une longueur d’onde de 880 nm émis par les LED. L’insensibilité au rayonnement en dehors de l’infrarouge garantit une haute précision et une bonne répétabilité des images LED sur la puce CMOS. Ce principe rend la Leica T-Cam apte à opérer aussi bien en plein soleil que dans un environnement industriel à éclairage variable.

Pendant les deux jours de travail, le scanner a relevé quelque 40 millions de points sur le P-16. En vue d’obtenir un modèle 3D exploitable avec les techniques CAO (conception assistée par ordinateur), on a importé les données scannées dans PolyWorks, la suite logicielle standard utilisée pour le traitement des nuages de points recueillis avec le Leica T-Scan. Ce procédé a permis de générer un modèle polygonal du P-16. A l’aide d’algorithmes avancés, PolyWorks a moyenné tous les points de données et les a fusionnés pour créer un maillage précis. Puis le modèle a été épuré et édité avec des outils PolyWorks afin de fournir une représentation numérique exacte de cet avion historique. Un spécialiste chez Duwe-3d AG s’est chargé du traitement et de l’optimisation des données. La société Duwe 3d AG, établie à Lindau, Allemagne, est un partenaire européen de InnovMetric Software Inc.

Marc Immer: “J’ai l’intention de recalculer les caractéristiques de performance de l’avion. La détermination des caractéristiques de performance comme les vitesses ascensionnelle et descensionnelle, les vitesses de décrochage de même que le comportement aérodynamique de l’avion avec les volets rentrés et sortis fournira des informations qui n’ont jamais été collectées pour cet avion en raison de l’arrêt subit du projet et de l’absence de documentation relative au développement et aux essais de vol. Mon travail dans le cadre du projet de recherche sur le P-16 s’est révélé extrêmement intéressant et m’a permis d’utiliser l’équipement de métrologie industrielle le plus avancé du marché.”

Case Study: Duebendorf Aviation Museum

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