ES1069405U - Vehiculo terrestre para el analisis topografico de firmes de infraestructuras lineales. - Google Patents
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Abstract
1. Vehículo terrestre para el análisis topográfico de infraestructuras lineales, caracterizado porque comprende: al menos un escáner láser montado en dicho vehículo de tal forma que puede emitir un haz láser hacia una superficie por la que puede circular el vehículo, al menos un dispositivo de localización de posición montado en dicho vehículo, un equipo electrónico montado en dicho vehículo, y medios que comunican eléctricamente dicho equipo electrónico con el escáner láser y con el dispositivo de localización de posición. 2. Vehículo según la reivindicación 1 caracterizado porque el equipo electrónico incorpora al menos un microprocesador asociado a una memoria de datos. 3. Vehículo según la reivindicación 2 caracterizado porque dicho equipo electrónico está configurado para procesar los datos recibidos del escáner láser y del dispositivo de detección de posición. 4. Vehículo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el equipo electrónico está configurado para almacenar sincronizadamente datos de la posición del vehículo tomados por dicho dispositivo de localización global, y medidas tomadas por el escáner láser. 5. Vehículo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque es un vehículo eléctrico. 6. Vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque es un vehículo con motor de combustión. 7. Vehículo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque incorpora al menos un escáner láser que está montado en la parte trasera del vehículo y a nivel superior. 8. Vehículo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque incorpora un bastidor, y porque al menos un escáner láser y al menos un dispositivo de localización de posición están fijados en dicho bastidor. 9. Vehículo según la reivindicación 8 caracterizado porque dicho bastidor está situado a nivel superior del vehículo montado de forma substancialmente horizontal respecto a la superficie sobre la que apoya normalmente el vehículo. 10. Vehículo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el dispositivo de localización de posición consiste en un GPS milimétrico. 11. Vehículo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque incorpora un sistema inercial capacitado para medir de forma incremental inclinaciones, giros y aceleraciones mediante la combinación de un conjunto de acelerómetros y giróscopos. 12. Vehículo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque incorpora dos dispositivos de localización de posición, situados sobre una línea transversal a un eje longitudinal del vehículo. 13. Vehículo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dicho escáner láser está posicionado para escanear la superficie a analizar en líneas transversales respecto a la dirección de avance del vehículo. 14. Vehículo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dicho escáner láser está posicionado de manera que un haz láser generado incide de forma substancialmente ortogonal respecto a la superficie por la que puede circular el vehículo. 15. Vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 caracterizado porque dicho escáner láser está posicionado de manera que un haz láser generado incide de forma inclinada respecto a la superficie por la que puede circular el vehículo. 16. Vehículo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dispone de dos escáneres láser posicionados de forma que el desplazamiento del haz láser emitido por cada uno de ellos se puede efectuar sobre un mismo plano. 17. vehículo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dispone de dos escáneres láser instalados en el vehículo de forma alineada según una línea transversal al eje longitudinal del vehículo.
Description
Vehículo terrestre para el análisis topográfico
de firmes de infraestructuras lineales.
La presente invención se refiere a un vehículo
terrestre para el levantamiento de mapas en tres dimensiones de
firmes de infraestructuras lineales, es decir de carreteras y
ferrocarriles. De manera más concreta, el objeto de la invención es
el de proporcionar un vehículo con capacidad para obtener con fines
topográficos, medidas en tres dimensiones del firme de
infraestructuras lineales, y de manera que dichas medidas se
obtienen de forma automática, con alto rendimiento y gran
precisión.
Actualmente para la obtención de un
levantamiento del estado de una carretera en 3 dimensiones, en
primer lugar es necesario conseguir una definición geométrica en
tres dimensiones del trazado de la carretera (planta, alzado,
peraltes y secciones tipo). Si se cuenta con los datos del proyecto
original y es posible emplear el mismo sistema de coordenadas,
basta con introducir las alineaciones, peraltes y secciones en un
programa de trazado o convertir los archivos de aplicaciones
comerciales, con lo que se logra definir matemáticamente las
coordenadas de cualquier punto en el espacio en el entorno de la
carretera. Si estos datos no están disponibles, o es necesario
adaptarlos a una nueva cartografía o sistema de coordenadas, es
necesario obtener entonces esta definición a partir del trabajo de
campo, y posteriormente geometrizar el trazado, deduciendo los
parámetros analíticos de las alineaciones en planta y alzado.
La tarea sin duda más costosa es la toma de
perfiles transversales de la carretera y estado del firme, ya que
en general es necesario cortar el tráfico y por consiguiente suele
realizarse de noche, con las dificultades y el coste extra que
implica. Para que el muestreo sea válido se suelen tomar perfiles
cada 5 metros, y entre 3 y 10 puntos para cada perfil, dependiendo
del tipo de proyecto. Esto resulta en la obtención de 2.000 puntos
de medida por kilómetro de carretera. Si el levantamiento se
ejecutara con estaciones totales digitales, es necesario una
persona para controlar el aparato de medida y otra con el jalón,
teniendo que apuntar al prisma para cada punto. Este proceso manual
es lento y costoso.
La presente invención se refiere a la
configuración de un vehículo terrestre para la captura automática
de datos sobre infraestructuras lineales como carreteras y
ferrocarriles, permitiendo la obtención de medidas en tres
dimensiones de la vía con un elevado número de puntos, un gran
rendimiento y precisión. El vehículo se caracteriza porque su
constitución comprende al menos un escáner láser posicionado de tal
forma que puede emitir un haz láser dirigido hacia la superficie
por la que circula el vehículo durante su normal utilización.
El vehículo también incorpora al menos un
dispositivo para su localización de manera precisa, y un equipo
electrónico que comunica el escáner láser y dicho dispositivo de
localización para recibir y procesar datos procedentes de ambos
elementos.
Dicho equipo electrónico comprende de forma
convencional al menos un microprocesador, y está configurado
internamente para procesar los datos recibidos del escáner láser y
del dispositivo de detección de posición. Esta configuración
interna del equipo electrónico se obtiene mediante un programa
almacenado en su memoria interna y que es ejecutado por el
microprocesador. Este equipo electrónico está implementado
preferentemente mediante un ordenador personal, un microcontrolador
o una combinación de ambos.
Mediante el vehículo objeto de la invención es
posible proveer a organismos y empresas encargadas del
mantenimiento de carreteras y autovías, de información detallada y
precisa que pueda ser crítica a la hora de evaluar la necesidad de
posibles reparaciones o reconstrucciones en el firme existente.
Dicha información se obtiene de manera más rápida que las
mediciones manuales utilizadas en la actualidad, consiguiendo
además mayor precisión y mayor cantidad de información
cuantitativa.
La obtención automatizada de las coordenadas
tridimensionales del firme ofrece una serie de ventajas para el
desarrollo de proyectos de mantenimiento de carreteras y refuerzos
de firme. Entre ellas destacan las siguientes:
- -
- disminución significativa de tiempo en la toma de perfiles transversales. Se ha estimado que la toma de datos de perfiles transversales pueda realizarse desplazando el vehículo a una velocidad de entre 5 y 10 Km/h, lo cual supone multiplicar la producción del equipo de topografía de 10 a 20 veces.
- -
- reducción considerable de las precauciones de seguridad y molestias al tráfico rodado. La velocidad en la adquisición de datos hace posible que el tiempo para el que sería necesario cortar el tráfico rodado sea mucho menor. Además, también sería posible ocupar un solo carril con el vehículo convenientemente señalizado sin cortar completamente el tráfico. Esta última opción haría posible el trabajo diurno, con la consiguiente reducción de costes.
\global\parskip0.930000\baselineskip
- -
- aumento de la precisión y cantidad de datos obtenidos. El vehículo objeto de la invención permite tomar más de. 50 puntos por perfil (contra los 3 a 10 del sistema manual), y tomar un perfil cada metro, en lugar de los 5 a 10 actuales. Con este sistema se obtendrían hasta 50.000 puntos por kilómetro medido (unas 25 veces más que por el sistema tradicional), con las ventajas implícitas en cuanto a la calidad de la información obtenida.
- -
- fácil integración del sistema con cámaras digitales. La modularidad del sistema propuesto permite que se pueda integrar fácilmente con una o dos cámaras digitales. Esto permitiría la toma de fotografías digitales de alta calidad que estarían georeferenciadas en sus coordenadas, lo cual puede servir por ejemplo para obtener inventarios de los elementos susceptibles de mantenimiento existentes, como señales de tráfico, pintura de señalización o barreras de las medianas, etc.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente
de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante
de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter
ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- muestra una vista en perspectiva
de una posible realización practica del vehículo objeto de la
invención.
La Figura 2.- la figura (2a) muestra una vista
lateral y la figura (2b) una vista posterior de una posible
configuración del vehículo con un escáner láser montado en la parte
trasera del vehículo rastreando la carretera. El plano de escaneo
sobre el que se mueve el haz láser es perpendicular a la superficie
del terreno a analizar. En la figura Zs es la altura del sensor. En
la figura 2b r es la distancia medida, \theta es el ángulo
medido, y \thetamax es el ángulo máximo.
La Figura 3.- es una representación similar a la
de la figura anterior, pero con el plano de escaneo oblicuo
respecto a la superficie del terreno a analizar.
La figura 4.- es una representación similar a la
de la figura 2 pero empleando dos escáneres láser en la parte
posterior del vehículo.
La figura 5.- muestra una vista en alzado (a),
planta superior (b) y perfil (c) del bastidor que incorpora el
vehículo para el montaje de los escáneres láser, dispositivos de
localización, y cualquier otro elemento del que se quiera dotar al
vehículo.
La figura 6.- muestra un ejemplo de un
levantamiento en tres dimensiones de una sección de carretera
obtenida mediante el vehículo objeto de la invención. El propio
equipo electrónico del que está dotado el vehículo, está capacitado
para representar visualmente los resultados obtenidos. La altura de
las medidas se ha exagerado un factor de 10 para hacer reconocibles
las imperfecciones del firme.
La figura 7.- muestra esquemáticamente los
componentes de un escáner láser.
En una realización preferente de la invención,
el vehículo es eléctrico y está guiado de forma manual o
automática. El uso de un vehículo eléctrico reduce las vibraciones
con objeto de no afectar a las medidas, y además reduce la emisión
de gases contaminantes a la atmósfera. El vehículo es de reducidas
dimensiones para permitir su transporte a bordo de una furgoneta o
camión, y tiene una autonomía para trabajar alrededor de 5 horas y
es capaz de transportar hasta 3 personas, además de las baterías y
equipo necesario para la inspección de la carretera.
Con referencia a la figura 1, el vehículo (1)
objeto de la invención comprende un primer y un segundo escáner
láser (2, 2') posicionados adecuadamente para "barrer"
transversalmente el firme de una carretera (15) respecto a la
dirección de avance del vehículo. Para ello, el primer y el segundo
escáner están montados a nivel superior en la parte trasera del
vehículo, situados de forma alineada sobre una línea transversal
(x) a un eje longitudinal (Z) del vehículo, tal y como se aprecia
claramente en la vista en planta de la figura 5b.
El empleo de los escáneres láser permite obtener
medidas muy precisas y a una frecuencia muy alta comparado con
otros sistemas alternativos (como sónares e infrarrojos), en tiempos
totales inferiores a 70ms, obteniéndose además medidas correctas
sobre casi todo tipo de superficies.
El vehículo comprende además varios dispositivos
de posicionamiento para determinar en todo instante y de manera
precisa la localización absoluta 6D del vehículo: tres coordenadas
espaciales y tres ángulos. Estos dispositivos son:
- \bullet
- dos GPS de precisión milimétrica (3, 3') (sistema de posicionamiento global combinado con posicionamiento mediante láser) para estimar la posición y los ángulos de guiñada o yaw (respecto al eje perpendicular al suelo) y de alabeo o roll (respecto a la dirección de avance).
\global\parskip1.000000\baselineskip
- \bullet
- un sistema inercial o IMU (16) (Inertial Measurement Unit) capacitado para medir de forma incremental inclinaciones, giros y aceleraciones mediante la combinación de un conjunto de acelerómetros y giróscopos.
La posición preferente de los dos GPS (3, 3') es
la representada en las figuras 1 y 5, es decir los dos GPS están
situados en la parte frontal del vehículo alineados sobre una línea
transversal (Y) a un eje longitudinal (Z) del vehículo.
Todas estas medidas de posición y orientación
son procesadas mediante un algoritmo de integración secuencial de
datos (por ejemplo un Filtro de Kalman) que se ejecuta en un equipo
electrónico (normalmente un computador).
La constitución de cada escáner láser se ha
representado en la figura 7. Cada escáner está formado por una
superficie reflectante (7) por ejemplo perteneciente a un prisma
óptico (8), una carcasa (11) dentro de la que aloja un emisor láser
(5), un receptor láser (6) y un motor eléctrico (9) asociado
mecánicamente con dicha superficie reflectante (7) mediante un
reductor (10) para hacer girar dicha superficie reflectora. Dicho
emisor láser está posicionado para emitir un haz láser (13) sobre
dicha superficie reflectora (7), la cual lo refleja para dirigirlo
hacia el exterior del dispositivo. De forma análoga, el receptor
láser está posicionado para recibir un haz láser reflejado (12)
redireccionado por dicha superficie reflectora (9) procedente del
exterior del dispositivo. El haz láser (13) y el haz láser
reflejado (12) realizan un recorrido paralelo y la superficie
reflectante está situada preferentemente a 45º respecto a dichos
haces.
Se hace girar la superficie reflectante (7) de
forma que el haz láser efectúe un recorrido angular pudiendo
realizar un barrido de hasta 180º. Este haz láser (13) incide sobre
un objeto del entorno y rebota en dicho objeto (en este caso la
superficie de una carretera por ejemplo), de forma que el haz láser
reflejado (12) llega al sensor láser. El escáner láser dispone de
unos medios electrónicos que determinan "el tiempo de vuelo"
del rayo es decir el tiempo que tarda desde que sale del emisor y
regresa al receptor láser, determinándose a partir de este dato la
distancia hasta el objeto relativa a la posición del láser. De esta
forma se puede detectar cualquier tipo de irregularidad de la
superficie, tal como grietas, baches etc.
Las medidas promocionadas por los escáneres, en
forma de pares <distancia, ángulo> relativas a la posición de
éstos han de ser transformadas a un sistema de referencia absoluto
terrestre (por ejemplo, coordenadas UTM). Para tal fin, estos datos
son almacenados y procesados en el equipo electrónico que puede
consistir por ejemplo en un computador, el cual recibe también
información exacta de de la posición y orientación absoluta del
vehículo. Este posicionamiento absoluto del vehículo y de los
escáneres láser respecto a éste son necesarios para poder
transformar matemáticamente las medidas locales de cada escáner en
puntos 3D absolutos, debiendo, por tanto, llevarse a cabo de manera
síncrona con los barridos de éste (varios por segundo, dependiendo
del modelo de escáner). El posicionamiento absoluto del vehículo se
obtiene mediante los sensores descritos en el párrafo anterior,
mientras que el posicionamiento de los escáneres en referencia al
vehículo se lleva a cabo mediante técnicas de calibración.
Preferentemente, el par de escáneres láser
instalados en el vehículo funcionan de forma sincronizada, de
manera que el giro de sus espejos rotatorios están desfasados
180º. De este modo, durante el tiempo en el que uno de los
escáneres está barriendo el firme, el espejo del otro dispositivo
está girando orientado hacia la parte trasera del escáner, esto es,
sin realizar su barrido. De esta manera se evitan las
interferencias entre los rayos emitidos por los diferentes
escáneres, consiguiendo unas mejores prestaciones del sistema dual
de escáneres láser.
Como se aprecia en la figura 1, el vehículo
incorpora un bastidor (4) de configuración rectangular, el cual
está montado a nivel superior del vehículo y dispuesto
longitudinalmente respecto al vehículo y horizontalmente respecto a
la superficie sobre la que apoya normalmente el vehículo. Este
bastidor está formado por perfiles de aluminio para obtener una
estructura resistente pero ligera. Los escáneres láser (2, 2'), los
GPS (3, 3') y el dispositivo inercial (16), están fijados en dicho
bastidor.
Un primer GPS milimétrico (3') está montado en
la parte frontal izquierda del vehículo y un segundo GPS
milimétrico (3) está montado en la parte frontal y derecha del
vehículo, con objeto de poder proporcionar, además de las
posiciones, estimaciones para el calculo de los ángulos de alabeo y
guiñado.
Las figuras 2 y 3 representan una posible
realización de la invención en la que el vehículo (1) dispone de un
solo escáner láser (3) situado en la parte posterior y a nivel
superior del vehículo. En el caso de la figura 2 el escáner está
posicionado para generar un plano de escaneo perpendicular al
suelo, y en el caso de la figura 3 el escáner está inclinado para
generar un plano de escaneo inclinado respecto al suelo.
La figura 4 muestra la configuración con dos
escáneres láser situados uno al lado del otro sobre un mismo
plano, de forma que generan un plano de escaneo perpendicular al
suelo. Los escáneres están colocados en la parte trasera del
vehículo a una altura aproximada de 2 metros y con los planos de
escaneo perpendiculares al suelo. La utilización de dos escáneres
permite aumentar la cobertura del barrido (H) sin sacrificar la
resolución espacial, simplemente aumentando la distancia de
separación entre los sensores. Además, la redundancia de datos
obtenidos se puede promediar para mejorar el resultado final.
Alternativamente los dos escáneres láser de la
figura 4 se pueden posicionar en el vehículo de forma inclinada
para generar un plano de escaneo oblicuo al suelo.
\newpage
Por otro lado, el vehículo dispone de un armario
(14) adecuado para instalar los equipos electrónicos,
interruptores de potencia, baterías, conexiones eléctricas etc.
Además de las baterías propias del vehículo para
su propulsión, el vehículo incorpora un segundo grupo de baterías
(no representado) que alimentan a través de los correspondientes
convertidores de tensión, a los diversos dispositivos electrónicos
del vehículo anteriormente descritos.
Opcionalmente, el vehículo puede estar dotado de
una pantalla situada en la zona de conducción del vehículo para la
visualización de la captura de los datos durante la operación del
vehículo, así como de un teclado numérico para la configuración de
los parámetros.
Diversas posibilidades de realizaciones
prácticas de la invención, se describen en las adjuntas
reivindicaciones dependientes.
Claims (17)
1. Vehículo terrestre para el análisis
topográfico de infraestructuras lineales, caracterizado
porque comprende:
al menos un escáner láser montado en dicho
vehículo de tal forma que puede emitir un haz láser hacia una
superficie por la que puede circular el vehículo,
al menos un dispositivo de localización de
posición montado en dicho vehículo,
un equipo electrónico montado en dicho
vehículo,
y medios que comunican eléctricamente dicho
equipo electrónico con el escáner láser y con el dispositivo de
localización de posición.
2. Vehículo según la reivindicación 1
caracterizado porque el equipo electrónico incorpora al
menos un microprocesador asociado a una memoria de datos.
3. Vehículo según la reivindicación 2
caracterizado porque dicho equipo electrónico está
configurado para procesar los datos recibidos del escáner láser y
del dispositivo de detección de posición.
4. Vehículo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque el equipo
electrónico está configurado para almacenar sincronizadamente datos
de la posición del vehículo tomados por dicho dispositivo de
localización global, y medidas tomadas por el escáner láser.
5. Vehículo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque es un
vehículo eléctrico.
6. Vehículo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque es un vehículo
con motor de combustión.
7. Vehículo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque incorpora
al menos un escáner láser que está montado en la parte trasera del
vehículo y a nivel superior.
8. Vehículo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque incorpora
un bastidor, y porque al menos un escáner láser y al menos un
dispositivo de localización de posición están fijados en dicho
bastidor.
9. Vehículo según la reivindicación 8
caracterizado porque dicho bastidor está situado a nivel
superior del vehículo montado de forma substancialmente horizontal
respecto a la superficie sobre la que apoya normalmente el
vehículo.
10. Vehículo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque el
dispositivo de localización de posición consiste en un GPS
milimétrico.
11. Vehículo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque incorpora
un sistema inercial capacitado para medir de forma incremental
inclinaciones, giros y aceleraciones mediante la combinación de un
conjunto de acelerómetros y giróscopos.
12. Vehículo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque incorpora
dos dispositivos de localización de posición, situados sobre una
línea transversal a un eje longitudinal del vehículo.
13. Vehículo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque dicho
escáner láser está posicionado para escanear la superficie a
analizar en líneas transversales respecto a la dirección de avance
del vehículo.
14. Vehículo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque dicho
escáner láser está posicionado de manera que un haz láser generado
incide de forma substancialmente ortogonal respecto a la
superficie por la que puede circular el vehículo.
15. Vehículo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 12 caracterizado porque dicho escáner
láser está posicionado de manera que un haz láser generado incide
de forma inclinada respecto a la superficie por la que puede
circular el vehículo.
16. Vehículo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque dispone de
dos escáneres láser posicionados de forma que el desplazamiento del
haz láser emitido por cada uno de ellos se puede efectuar sobre un
mismo plano.
17. Vehículo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque dispone de
dos escáneres láser instalados en el vehículo de forma alineada
según una línea transversal al eje longitudinal del vehículo.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES200802582U ES1069405Y (es) | 2008-12-18 | 2008-12-18 | Vehiculo terrestre para el analisis topografico de firmes de infraestructuras lineales |
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---|---|---|---|
ES200802582U ES1069405Y (es) | 2008-12-18 | 2008-12-18 | Vehiculo terrestre para el analisis topografico de firmes de infraestructuras lineales |
Publications (2)
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ES1069405U true ES1069405U (es) | 2009-03-16 |
ES1069405Y ES1069405Y (es) | 2009-06-18 |
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ID=40410269
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
ES200802582U Expired - Fee Related ES1069405Y (es) | 2008-12-18 | 2008-12-18 | Vehiculo terrestre para el analisis topografico de firmes de infraestructuras lineales |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
ES (1) | ES1069405Y (es) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
ES2382271A1 (es) * | 2009-09-09 | 2012-06-06 | Sacyr, S.A.U | Método de replanteo topográfico con precisión milimétrica y parque solar termo-eléctrico. |
-
2008
- 2008-12-18 ES ES200802582U patent/ES1069405Y/es not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
ES2382271A1 (es) * | 2009-09-09 | 2012-06-06 | Sacyr, S.A.U | Método de replanteo topográfico con precisión milimétrica y parque solar termo-eléctrico. |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
ES1069405Y (es) | 2009-06-18 |
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