A calibração de instrumento é reconhecida como um importante processo para a garantia de qualidade de dados obtidos a partir de um laser scanner terrestre (TLS). Um aspecto importante na garantia da qualidade de nuvem de pontos tridimensionais capturadas com instrumentos TLS é a calibração geométrica. Erros sistemáticos inerentes aos instrumentos, se não corrigidos, podem degradar a acurácia da nuvem de pontos obtida pelo scanner. A modelagem destes erros sistemáticos e o uso de metodologias de calibração para estimativa dos coeficientes do modelo permitem quantificar e avaliar a qualidade e a acurácia dos sistemas lasers scanners terrestres. Identificar os diferentes erros inerentes ao equipamento ou ao processo de medição é um fator de grande importância para certificá-los, comprovando sua conformidade com a precisão nominal definida pelos fabricantes. Esta dissertação apresenta propostas de diferentes metodologias para aferição e calibração de laser scanners terrestres. A primeira metodologia refere-se à auto-calibração de TLS que permite obter os parâmetros de calibração referentes aos erros sistemáticos de distância (??), colimação (?C), direção horizontal (??) e o erro de índice vertical (??). Dois equipamentos foram submetidos à auto-calibração, um equipamento novo, recém-fabricado, modelo Faro Focus 3D X330, que foi utilizado como referência, e um equipamento antigo, modelo Faro Photon 80, que devido ao tempo de constante uso foi submetido à aferição. Os resultados comprovaram a eficiência da metodologia de auto-calibração na determinação dos parâmetros de correção sistemática adicional, indicando que o scanner novo apresentou resultados dentro das especificações e o modelo antigo, resultados acima dos valores de precisão definidos pelo fabricante. Visando facilitar os procedimentos de campo e escritório para fins de calibração de TLS foram propostas duas metodologias com a utilização de peças fabricadas para uso no presente trabalho, visando a obtenção da acurácia tridimensional de um TLS. A primeira consiste na utilização de uma placa de aço com nove furos sobre os quais são alojadas nove esferas de poliacetal. A segunda consiste na utilização de um sistema tridimensional de planos perpendiculares, através do qual pode-se obter a acurácia 3D do TLS. Os resultados obtidos comprovam a eficiência das duas metodologias propostas, aplicadas em procedimentos de calibração em laboratório utilizando varreduras em equipamentos de curto alcance. Por fim foram realizados testes para determinação dos parâmetros de calibração relativos ao erro de zero ou constante aditiva, o erro de escala e o erro cíclico em linhas bases de calibração EDM, utilizando-se a rede de pilares da USP. Os resultados comprovam a necessidade de contar com distâncias entre pilares menores para utilização em TLS de curto alcance, porém, para laser scanners com maior autonomia de distância se mostrou um método eficiente. / Instrument calibration is recognized as an important process for quality assurance of data obtained from a terrestrial laser scanner (TLS). An important aspect in ensuring the quality of three-dimensional point cloud captured with TLS instruments is geometric calibration. Systematic errors inherent in the instruments, if not corrected, can degrade the accuracy of the cloud of points obtained by the scanner. The modeling of these systematic errors and the use of calibration methodologies to estimate the coefficients of the model allow quantifying and evaluating the quality and accuracy of the laser systems. Identifying the different errors inherent in the equipment or the measurement process is a factor of great importance to certify them, proving their conformity with the nominal precision defined by the manufacturers. This dissertation presents proposals of different methodologies for calibration of terrestrial laser scanners. The first methodology refers to TLS self-calibration, which allows to obtain the calibration parameters for systematic errors of distance (??), collimation (?C), horizontal direction (??) and vertical index error (??). Two devices were submitted to self-calibration, a new, newly manufactured Faro Focus 3D X330 model, which was used as reference, and an old equipment, Faro Photon 80 model, which due to the time of constant use was subjected to the calibration . The results proved the efficiency of the self-calibration methodology in determining the additional systematic correction parameters, indicating that the new scanner presented results within the specifications and the old model, values above the precision values defined by the manufacturer. In order to facilitate the field and office procedures for TLS calibration purposes, two methodologies were proposed with the use of prefabricated parts to obtain the three-dimensional accuracy of a TLS. The first proposes the use of a steel plate with nine holes on which are housed nine spheres of polyacetal. The second refers to the use of a three-dimensional system of perpendicular planes, where from the point cloud of the different planes the 3D accuracy of the TLS can be obtained. The results obtained prove the efficiency of the two proposed methodologies, applied in laboratory calibration procedures using short-range scans. Finally, tests were carried out to determine the calibration parameters related to the error of zero or additive constant, the scale error and the cyclic error in EDM calibration baselines, using the USP\'s network of columns. The results confirm the need for adequacy of the distance between columns for use in short-range TLS, but for laser scanners with greater distance autonomy an efficient method was shown.

A Área de Proteção Ambiental do Banhado Grande na Bacia Hidrográfica do rio Gravataí, inserida na região metropolitana de Porto Alegre, abriga uma extensa Área Úmida em sua porção central. A partir de técnicas de Sensoriamento Remoto e Geoprocessamento para a análise das variáveis físicas como, geologia, cota altimétrica, pedologia e índices de vegetação como o NDVI e o NDWI, foi possível classificar compartimentos de Unidades de Paisagem associados às Áreas Úmidas em: Unidade de Paisagem Turfeira e Unidade de Paisagem / Planície de Inundação. A delimitação destas áreas, visa o planejamento do uso racional destes ambientes para a sua manutenção e preservação. No início da década de 1970, um trecho do rio Gravataí foi canalizado, com objetivo de drenar as Áreas Úmidas e viabilizar a expansão das áreas de cultivo do arroz, esta intervenção ocasionou um processo erosivo em forma de voçoroca no Banhado Grande, no município de Glorinha. A partir de uma série temporal de imagens satelitais foi possível mapear e quantificar a evolução do processo erosivo da voçoroca entre os anos de 2003 a 2015. Os resultados do mapeamento mostraram um aumento de quatro vezes na área da voçoroca de 2909,62 m² em 2003 para 12097,70 m² em 2015. No mapeamento da voçoroca e no monitoramento dos processos erosivos no banhado foram o uso das técnicas como: a) monitoramento por estaqueamento; b) mapeamento por imagens de satélite; b) mapeamento por varredura de Laser Scanner Terrestre. O Laser Scanner Terrestre mostrou-se uma ferramenta potencial para o mapeamento da voçoroca em virtude de sua alta precisão e rapidez na coleta de dados no campo, gerando modelos digitais de elevação com alta precisão. O uso do modelo permitiu identificar áreas de erosão deposição e de sedimentos, a partir do perfil topográfico. É necessário o monitoramento contínuo do processo erosivo na área do Banhado Grande, combinando métodos para modelar a sua dinâmica. Essas ferramentas de apoio são fundamentais para a elaboração do Plano de Manejo e estudos que visam a restauração das Áreas Úmidas do rio Gravataí. / The Banhado Grande Environmental Protected Area in the Gravataí river basin, located in the metropolitan area of Porto Alegre, has an extensive wetland area in its central portion. From remote sensing and geoprocessing techniques for the analysis of physical variables such as geology, topography, pedology and vegetation indices such as NDVI and NDWI, it was possible to classify compartments of Landscape Units associated to Wetlands in: Peat Landscape Unit and Landscape Unit / Flood Plain. The delimitation of these areas, aims at planning the rational use of these environments for their maintenance and preservation. In the beginning of the 1970s, a section of the Gravataí river was channeled, with the objective of draining the wetlands and making possible the expansion of rice cultivation areas, this intervention caused an erosive process in the form of gully in Banhado Grande, in the municipality of Glorinha. From a time series of satellite images, it was possible to map and quantify the evolution of the erosion process of the voçoroca between the years 2003 to 2015. The results of the mapping showed a significant increase in the gully of 2909.62 m² in 2003 to 12097.70 m² in 2015. In the mapping of gully and in the monitoring of the erosive processes in the swamp, were used techniques such as: a) stacking monitoring; b) mapping by satellite images; b) scanning mapping of terrestrial Laser Scanner. The terrestrial Laser Scanner has proved to be a potential tool for the mapping of the gully because of its high precision and rapid data collection in the field, generating digital elevation models with high precision. The use of the model allowed identifying areas of erosion deposition and sediment from the topographic profile. It is necessary, however, to choose suitable techniques for the continuous monitoring of the erosive process in the area of the Grande Banhado, combining methods to model the dynamics. These support tools are fundamental for the elaboration of the Management Plan and studies that aim at the restoration of the wetlands of the Gravataí river flood plain.

O resultado do escaneamento de um Laser Scanner Terrestre (LST) é uma nuvem de pontos com coordenadas geométricas (X, Y, Z), informações de cor (R, G, B) provenientes de uma câmera fotográfica acoplada ao equipamento e, ainda, a informação do retorno da intensidade do pulso laser (I). Esses sistemas de varredura possuem algumas características como, por exemplo, sua rapidez na aquisição de informações, registro de cenas em 3D e coleta de informações sem contato direto que se aplicam de forma importante nas análises florestais. Contudo, a grande vantagem da utilização de um LST na área florestal é a possibilidade de caracterizar alvos remotamente de forma rápida e não destrutiva. Assim, este trabalho teve como objetivo principal avaliar os dados de intensidade de retorno do laser provenientes de um sistema LST para a caracterização de alvos florestais. Metodologicamente foram realizados experimentos controlados que envolveram as seguintes etapas: calibração radiométrica do LST; avaliação da influência da distância nos dados de intensidade de retorno do laser e; análise do efeito de borda em imageamento de alvos florestais (considerado um dos principais problemas que afeta os dados intensidade de retorno quando se utiliza um LST). O equipamento utilizado durante os experimentos foi um laser scanner modelo Ilris 3D da Optech que trabalha no intervalo do infravermelho médio com comprimento de onde de 1535 nm. Os resultados mostraram que para esse comprimento de onda os alvos florestais devem ser imageados a uma distância maior ou igual a 5m e o processamento dos dados com resolução radiométrica de 8 bits foi mais adequado, pois proporcionou uma caracterização geométrica do alvo com efeito visual de melhor qualidade se comparado com o processamento de 16 bits. Os resultados dos experimentos realizados sobre o efeito de borda possibilitaram identificar dois tipos de distorções que ocorrem em dados de nuvem de pontos adquiridos com um LST. O primeiro afetou os valores de intensidade de retorno do laser e o segundo criou um efeito que deslocou os pontos no espaço. Para minimizar este efeito foi desenvolvido um algoritmo, o IRA (Intensity Recovery Algorithm), que possibilitou recuperar automaticamente os valores de intensidade de retorno do laser minimizando em até 35,7% o efeito de borda nos imageamentos do alvo estudado na pesquisa. Assim para o uso de um LST, na caracterização geométrica de alvos florestais, é necessário desenvolver modelos de calibração da intensidade de retorno do pulso laser, pois os sistemas LST são distintos em termos de faixa do espectro eletromagnético que operam. Por fim, no que tange ao efeito de borda concluiu-se que o algoritmo IRA necessita ser aprimorado com outras abordagens computacionais e matemáticas que poderão ser desenvolvidos em estudos futuros. / The result of the scanning of a terrestrial laser scanner (TLS) is a point cloud with geometric coordinates (X, Y, Z), color information (R, G, B) from a camera coupled to the equipment, and also the return information of intensity of the laser pulse (I). These scanning systems have some characteristics, for example, its speed in acquiring information, and of 3D scenes with record of data remotely which applies significantly in the forestry analysis. The advantage of using a TLS in the forestry area is the possibility of remote acquisition of data enabling a fast and non-destructive work. This work aimed to evaluate the laser return intensity data from a TLS system for the characterization of forest targets. Methodologically were performed controlled experiments involving the following steps: radiometric calibration of TLS; evaluating the influence of the distance in the laser return intensity data and; analysis of the edge effect in imaging forest targets (considered one of the main problems that affect the data intensity return when using a TLS). The equipment used during the experiments was a laser scanner Ilris Optech 3D model that works in the mid-infrared range with wavelength of 1535 nm. The results showed that for this wavelength forest targets should be imaged at a distance greater than or equal to 5m and processing of the radiometric data with 8-bit resolution is more suitable because it provided a geometric characteristics of the target with better visual effect quality compared with the 16-bit processing. The results of the experiments on the edge effect possible to identify two types of distortions that occur in cloud data points acquired with a LST. The first affect the laser return intensity values and the second set offset an effect that the points in space. To minimize this effect an algorithm, the IRA (Intensity Recovery Algorithm), was developed which enabled automatically retrieve the laser return intensity values up to 35.7% of minimizing the edge effect in the target imaging surveys studied in research. Thus for use of an TLS, the geometrical characterization of forest targets, it is necessary to develop calibration models of the return laser pulse intensity, for TLS systems are different in terms of the electromagnetic spectrum operating range. Finally, with respect to the edge effect it was concluded that the IRA algorithm needs to be enhanced with other computational and mathematical approaches that may be developed in future studies.

O resultado do escaneamento de um Laser Scanner Terrestre (LST) é uma nuvem de pontos com coordenadas geométricas (X, Y, Z), informações de cor (R, G, B) provenientes de uma câmera fotográfica acoplada ao equipamento e, ainda, a informação do retorno da intensidade do pulso laser (I). Esses sistemas de varredura possuem algumas características como, por exemplo, sua rapidez na aquisição de informações, registro de cenas em 3D e coleta de informações sem contato direto que se aplicam de forma importante nas análises florestais. Contudo, a grande vantagem da utilização de um LST na área florestal é a possibilidade de caracterizar alvos remotamente de forma rápida e não destrutiva. Assim, este trabalho teve como objetivo principal avaliar os dados de intensidade de retorno do laser provenientes de um sistema LST para a caracterização de alvos florestais. Metodologicamente foram realizados experimentos controlados que envolveram as seguintes etapas: calibração radiométrica do LST; avaliação da influência da distância nos dados de intensidade de retorno do laser e; análise do efeito de borda em imageamento de alvos florestais (considerado um dos principais problemas que afeta os dados intensidade de retorno quando se utiliza um LST). O equipamento utilizado durante os experimentos foi um laser scanner modelo Ilris 3D da Optech que trabalha no intervalo do infravermelho médio com comprimento de onde de 1535 nm. Os resultados mostraram que para esse comprimento de onda os alvos florestais devem ser imageados a uma distância maior ou igual a 5m e o processamento dos dados com resolução radiométrica de 8 bits foi mais adequado, pois proporcionou uma caracterização geométrica do alvo com efeito visual de melhor qualidade se comparado com o processamento de 16 bits. Os resultados dos experimentos realizados sobre o efeito de borda possibilitaram identificar dois tipos de distorções que ocorrem em dados de nuvem de pontos adquiridos com um LST. O primeiro afetou os valores de intensidade de retorno do laser e o segundo criou um efeito que deslocou os pontos no espaço. Para minimizar este efeito foi desenvolvido um algoritmo, o IRA (Intensity Recovery Algorithm), que possibilitou recuperar automaticamente os valores de intensidade de retorno do laser minimizando em até 35,7% o efeito de borda nos imageamentos do alvo estudado na pesquisa. Assim para o uso de um LST, na caracterização geométrica de alvos florestais, é necessário desenvolver modelos de calibração da intensidade de retorno do pulso laser, pois os sistemas LST são distintos em termos de faixa do espectro eletromagnético que operam. Por fim, no que tange ao efeito de borda concluiu-se que o algoritmo IRA necessita ser aprimorado com outras abordagens computacionais e matemáticas que poderão ser desenvolvidos em estudos futuros. / The result of the scanning of a terrestrial laser scanner (TLS) is a point cloud with geometric coordinates (X, Y, Z), color information (R, G, B) from a camera coupled to the equipment, and also the return information of intensity of the laser pulse (I). These scanning systems have some characteristics, for example, its speed in acquiring information, and of 3D scenes with record of data remotely which applies significantly in the forestry analysis. The advantage of using a TLS in the forestry area is the possibility of remote acquisition of data enabling a fast and non-destructive work. This work aimed to evaluate the laser return intensity data from a TLS system for the characterization of forest targets. Methodologically were performed controlled experiments involving the following steps: radiometric calibration of TLS; evaluating the influence of the distance in the laser return intensity data and; analysis of the edge effect in imaging forest targets (considered one of the main problems that affect the data intensity return when using a TLS). The equipment used during the experiments was a laser scanner Ilris Optech 3D model that works in the mid-infrared range with wavelength of 1535 nm. The results showed that for this wavelength forest targets should be imaged at a distance greater than or equal to 5m and processing of the radiometric data with 8-bit resolution is more suitable because it provided a geometric characteristics of the target with better visual effect quality compared with the 16-bit processing. The results of the experiments on the edge effect possible to identify two types of distortions that occur in cloud data points acquired with a LST. The first affect the laser return intensity values and the second set offset an effect that the points in space. To minimize this effect an algorithm, the IRA (Intensity Recovery Algorithm), was developed which enabled automatically retrieve the laser return intensity values up to 35.7% of minimizing the edge effect in the target imaging surveys studied in research. Thus for use of an TLS, the geometrical characterization of forest targets, it is necessary to develop calibration models of the return laser pulse intensity, for TLS systems are different in terms of the electromagnetic spectrum operating range. Finally, with respect to the edge effect it was concluded that the IRA algorithm needs to be enhanced with other computational and mathematical approaches that may be developed in future studies.

L’utilisation de scanners 3D permet d’obtenir, en fin de chaîne de traitement, des modèles tridimensionnels de haute résolution d’objets ou de sites. Ces modèles combinent une représentation formée d’un très grand nombre de points, couplée avec des textures photographiques pour simuler au mieux la réalité. Ils peuvent servir de base à de futures recherches, au calcul de diverses informations, à des propositions de restitutions, comme illustration, ou encore à l’archivage.Pour pouvoir être manipulées et exploitées, il est nécessaire de corriger ces données. Différents traitements doivent ainsi être appliqués :la suppression des défauts dus au processus de digitalisation ou à l’environnement de numérisation, la mise en correspondance de balayages partiels, l’élimination des objets parasites ou encore l’homogénéisation de l’aspect des surfaces. Les méthodes actuelles ne permettent pas d’effectuer aisément ces traitements de manière rapide et performante. Elles requièrent de nombreuses interventions manuelles, souvent lourdes et fastidieuses.Cette thèse vise à définir une méthodologie et à fournir les algorithmes et les outils nécessaires au post-traitement de ces acquisitions tridimensionnelles de grande taille, de manière automatisée tout en tenant compte des volumes de données à manipuler. Une structure de données adaptée au problème est proposée ainsi qu’une base d’outils destinée au traitement de volumes importants de points, en considérant la mémoire nécessaire et le temps de calcul requis. Nous proposons sur cette base une chaîne de traitement pour gérer les erreurs géométriques, liées au processus de numérisation, ainsi que les problèmes de colorisation, liés à l’acquisition de photographies dans des conditions variables (éclairage non contrôlé). Nous pouvons identifier quatre types d’erreurs géométriques qui vont ainsi être traitées :le bruit de mesure, la présence de valeurs aberrantes, les trainées de points et les inconsistances dans le modèle. La colorisation se base sur l’utilisation de l’ensemble des photographies effectuées sur le terrain en tenant compte de la variabilité des conditions d’acquisition (éclairage naturel, présence d’ombres, risque de surexposition, ). La solution proposée est compatible avec un calcul en temps réel comparativement à la durée d’acquisition sur le terrain, permettant d’obtenir des informations pertinentes pour guider le travail de terrain. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Nowadays, robot is commonly used to perform automation tasks. With the trend of low volume and customised products, flexible manufacturing is introduced to increase working efficiency and flexibility. Therefore, human robot collaboration plays an important role in automation production and safety should be considered in the design of this kind of robot cell. This work presents the design of safe human robot collaboration by equipping an industrial robot cell with SICK laser scanners, safety monitoring system and trap routine speed control. It also investigates the reliability of RGB-D camera for robot safety. This work aims to find a safety robot system using standard industrial robot for human robot collaboration. The challenge is to ensure the operator's safety at all times. It investigates safety standards and directives, safety requirements of collaboration, and related works for the design of collaborative robot cell, and makes risk assessment before carrying out the valuation. Based on literature review, it gives the concept of layout design and logic for slow down and resume of robot motion. The speed will be first reduced to manual speed and then zero speed depending on the distance between the human and the robot. Valuation and verification are made in the proposed safe solution for human robot collaboration to test the reliability and feasibility. This project realizes the automatic resume that the robot can con-tinue working without manually pressing reset button after the operator leaves the robot cell if there is no access to the prohibited area. In addition, it also adopts the manual reset at the same time to ensure the safety when people access the prohibited area. Several special cases that may happen in the human robot collaboration are described and analysed. Furthermore, the future work is presented to make improvements for the proposed safety robot cell design.

The aim of this thesis is the measure of the Rokštejn castle by laser scanning. The measured data are processed in the SCENE software and accuracy of registration and transformation of scans is intended. The next step is to test the software for working with point cloud. In the end, is in the selected 3D software created 3D model of the castle by using processed point cloud.

This thesis deals with the extension of the RoScan scanning system features, making its behaviour more secure and adaptivte during scanning of the object on its whole trajectory. This work contains mathematical model of said manipulator, suggested methods to ensure proper behaviour during singularities. New features were added to the RoScan system such as control panel for manipulator control including new format of trajectory log, moving closer or further away from manipulator’s end effector and non adaptive trajectory testing for singularities. Result of this work is ready-to-use.

In first chapter I introduce with aim of diploma work and in second chapter with principles distance measuring in robotic. After it in next chapter I describe used distance sensor, his principle and characteristics. In fourth chapter I describe control and parts mechanics shoulders. The fifth chapter describes program, which control mechanics shoulders by the 32bits microcontroller Freescale. At last sixth chapter gained data are modified and resulting imagery in 2D and in 3D.

The theme of this thesis is solving modernization of 3D measuring instrument. The modernization was necessary for implementation of new activities. Based on customer’s requirements, a new Incoming Inspection for the new projects was established. Another reason for modernization is development of new products. These new products require the most modernized measuring technology. There are presented 4 variants of solution.