ES2870625T3 - Conjunto y procedimiento de escaneo por láser, y vehículo subacuático que comprende un conjunto correspondiente - Google Patents

Abstract

Conjunto de escaneo (1) por láser, vehículo y procedimiento de escaneo por láser correspondientes. La invención obtiene una caracterización geométrica de la forma de una superficie (100) a partir del principio de triangulación. El conjunto comprende: un emisor de luz (2) láser, unos medios de difracción (4) que transforman la luz láser en una configuración de abanico (6) plano, unos medios de redireccionamiento (8) que redirigen el haz y lo proyectan sobre la superficie (100), un receptor de luz (10) que capta un área de escaneo (12) que incluye el abanico (6) y unos medios de control (14) que controlan todos estos elementos. El receptor (10) presenta unos medios de procesamiento propios para detectar los puntos iluminados en la imagen captada. Los medios de redireccionamiento (8) están montados rotativos alrededor de al menos un eje (16) fijo. El giro de los primeros medios de redireccionamiento (8) está controlado por dichos medios de control (14) de forma sincronizada con el resto de elementos.

Description

DESCRIPCIÓN

Conjunto y procedimiento de escaneo por láser, y vehículo subacuático que comprende un conjunto correspondiente

Campo de la invención

La invención se refiere a un conjunto de escaneo por láser para obtener una caracterización geométrica de la forma de una superficie a partir del principio de triangulación que comprende: un emisor de luz láser para emitir un haz de luz láser, unos primeros medios de difracción para transformar dicho haz de luz láser en una configuración de abanico plano dispuestos aguas abajo de dicho emisor de luz láser, unos primeros medios de redireccionamiento de luz dispuestos aguas abajo de dicho emisor de luz láser, para recibir y redirigir dicho haz de luz láser y proyectarlo sobre dicha superficie que debe ser caracterizada, un receptor de luz dispuesto respecto a dicha superficie y a dichos primeros medios de redireccionamiento de manera que dicho receptor de luz capta un área de escaneo que corresponde a una área de dicha superficie que debe ser caracterizada que incluye dicho abanico proyectado sobre dicha superficie, y unos medios de control funcionalmente asociados a dicho emisor y dicho receptor de luz para sincronizar el funcionamiento conjunto de dicho emisor de luz y dicho receptor de luz, y estando dichos primeros medios de redireccionamiento y dicho receptor de luz separados a una distancia predeterminada conocida que define una línea de base constante entre ambos y formando dicho abanico, una vez redirigido, un primer ángulo con respecto a dicha línea de base, y una vez reflejado por dicha superficie un segundo ángulo con respecto a dicha línea de base.

La invención también se refiere a un vehículo que incorpora dicho conjunto de escaneo por láser para caracterizar una superficie.

Finalmente, la invención también se refiere a un procedimiento de escaneo por láser para obtener una caracterización de la forma de una superficie que comprende las etapas de emitir un haz de luz láser a través de un emisor de luz láser, transformar dicho haz de luz láser en una configuración de abanico plano a través de unos primeros medios de difracción dispuestos aguas abajo de dicho emisor de luz láser, recibir dicho haz láser y redireccionarlo para proyectarlo sobre dicha superficie que debe ser caracterizada, a través de unos primeros medios de redireccionamiento de luz dispuestos aguas abajo de dicho emisor de luz láser, captar un área de escaneo de dicha superficie que debe ser caracterizada a través de un receptor de luz dispuesto respecto a dicho emisor de luz, conteniendo dicha área dicho abanico proyectado sobre dicha superficie, y sincronizar la emisión de dicho abanico emisor de luz y la captación por parte de dicho receptor de luz a través de unos medios de control funcionalmente asociados a dicho emisor y dicho receptor de luz, estando dichos primeros medios de redireccionamiento y dicho receptor de luz separados a una distancia predeterminada conocida que define una línea de base entre ambos y formando dicho abanico, una vez redirigido, un primer ángulo con respecto a dicha línea de base, y una vez reflejado por dicha superficie un segundo ángulo con respecto a dicha línea de base.

Estado de la técnica

En el estado de la técnica, son conocidos los conjuntos de escaneo por láser. Estos conjuntos facilitan la obtención datos para generar una o más nubes tridimensionales de puntos que describen geométricamente la superficie que debe ser caracterizada.

El documento US 2012/0062963 A1 divulga un conjunto de escaneo por láser que incluye principalmente un emisor, un receptor y un control central. El emisor es un emisor de luz láser que incluye medios para configurar la luz láser en una configuración de abanico. El abanico es proyectado sobre la superficie que debe ser caracterizada. El receptor, que normalmente es una cámara, recibe esta luz reflejada desde la superficie que debe ser caracterizada. Finalmente, el control está asociado al emisor y al receptor y se encarga de controlar la emisión y recepción de la luz láser. Asimismo, el control también mueve el emisor y receptor conjuntamente para poder obtener las imágenes que luego permiten generar las nubes de puntos que caracterizan la superficie.

El mismo documento US 2012/0062963 A1 divulga un segundo conjunto de escaneo que comprende dos subconjuntos receptores de luz y un subconjunto emisor de luz láser dispuesto entre los subconjuntos receptores de luz. El emisor de luz de nuevo presenta medios para convertir la luz láser puntual en una configuración de abanico. En este caso, el subconjunto emisor se puede mover respecto a los subconjuntos receptores de luz.

El documento US 2007/285672 A1 divulga una operación de proyección de luz de rendija sobre un objeto que debe ser medido y que recibe luz reflejada en el mismo, y una operación de adquisición de una imagen bidimensional referente al objeto que debe ser medido que se repiten un cierto número de veces cambiando una longitud focal. Un contraste de formación de imágenes se calcula con respecto a cada una de las zonas sobre las imágenes bidimensionales adquiridas en diferentes longitudes focales. Una zona de alto contraste donde el contraste de formación de imágenes excede un valor umbral predeterminado es extraída con respecto a cada una de las imágenes bidimensionales adquiridas en diferentes longitudes focales. La información sobre la distancia referente a las respectivas zonas se adquiere realizando una triangulación con respecto a cada una de las zonas de alto contraste. El ajuste de posición de las dimensiones de medición se lleva a cabo de tal manera que las zonas se incluyan en las dimensiones de medición con la profundidad de medición predeterminada, basándose en la información sobre la distancia.

La caracterización geométrica de superficies por láser puede ser de gran utilidad en muchas áreas de la técnica, tal como guiado de vehículos autónomos, cartografía, manipulación de dispositivos en entornos peligrosos u otros. No obstante, el problema de los sistemas de escaneo por láser basados en el principio de triangulación conocidos reside en su lentitud a la hora de obtener la caracterización de la superficie analizada. Esto provoca limitaciones importantes.

Sumario de la invención

La invención tiene como finalidad proporcionar un conjunto de escaneo por láser para obtener una caracterización de la forma de una superficie que debe ser caracterizada basado en el principio de la triangulación del tipo indicado al principio, que permita caracterizar la superficie a una mayor velocidad y con mayor definición que los dispositivos conocidos del estado de la técnica.

Esta finalidad se consigue mediante un procedimiento de escaneo para obtener una caracterización geométrica de la forma de una superficie en un entorno submarino, sobre la base del principio de triangulación según la reivindicación 1, así como mediante un conjunto de escáner láser configurado para poner en práctica el procedimiento según la reivindicación 4.

El conjunto según la invención presenta múltiples ventajas con respecto a los conjuntos conocidos del estado de la técnica. En primer lugar, gracias a que los medios de redireccionamiento de luz están montados rotativos alrededor de un eje fijo con respecto al emisor y al receptor se elimina la necesidad de mover tanto el emisor, como el receptor durante el escaneo. Con ello se reduce la masa que hay que mover para poder llevar a cabo el escaneo y por consiguiente se gana en velocidad de proyección de luz láser en distintos puntos de la superficie a caracterizar, ya que las inercias del sistema son mínimas. Unos medios de redireccionamiento preferentes, son, por ejemplo, un espejo galvanométrico. El espejo galvanométrico puede estar formado por cualquier superficie reflectante capaz de soportar el efecto del láser incidente sin degradarse.

Por otra parte, el hecho de que el receptor incorpore unos primeros medios de procesamiento permite reducir notablemente los datos que se transmiten del dicho receptor de luz al dicho control central y se utilizan para la obtención final de la nube de puntos.

La combinación de ambas características permite ganar enormemente en velocidad, ya que la luz láser se puede mover a gran velocidad para barrer la superficie a caracterizar. Por otra parte, los medios de recepción únicamente procesan los puntos imprescindibles de cada imagen que reciben de la superficie escaneada para caracterizar su geometría.

Además, la invención abarca una serie de características preferentes que son objeto de las reivindicaciones dependientes y cuya utilidad se pondrá de relieve más adelante en la descripción detallada de una forma de realización de la invención.

Con el objetivo de simplificar la fabricación de los medios de difracción, así como facilitar el montaje y alineación del dispositivo para lograr un escaneo de precisión, dichos primeros medios de difracción están dispuestos entre dicho emisor de luz láser y dichos primeros medios de redireccionamiento de luz, de manera que dicho haz de luz láser se transforma en primer lugar en una configuración de abanico plano, y luego es redirigido por dichos medios de redireccionamiento para proyectar dicho abanico sobre dicha superficie que debe ser caracterizada. En este caso se puede utilizar una lente cilíndrica o Powell estándar adaptada a las características del láser y sin necesidad de elevadas precisiones de mecanizado y montaje del conjunto.

Con el objetivo de incrementar todavía más la velocidad de caracterización de la superficie, dicho receptor de luz comprende una región de interés que corresponde a una parte de dicha área de escaneo, siendo dicha región de interés móvil en dicha área de escaneo controlada por dichos medios de control, en función de la posición angular de dichos primeros medios de redireccionamiento, de manera que dicha región de interés es desplazada en dicha área de escaneo para contener la posición instantánea de dicho abanico en dicha área de escaneo. Esta región de interés reduce notablemente el área de escaneo que debe ser procesada a través de los primeros medios de procesado del receptor, lo cual favorece nuevamente el incremento de velocidad del conjunto.

En una forma de realización preferente del conjunto dicha área de escaneo es un paralelogramo de ángulos rectos con una base y una altura predeterminadas y dicha región de interés es un paralelogramo de ángulos rectos. En la forma más general de la invención, el sensor captador de luz de una cámara, y que se proyecta sobre una parte o la totalidad de la superficie a caracterizar no tiene porqué ser esta proyección rectangular.

De forma especialmente preferente dicha región de interés ocupa la totalidad de dicha base o dicha altura de dicha área de escaneo, es decir, que la región de interés ocupa toda la altura o toda la base de dicho paralelogramo. En cambio, la región de interés sólo ocupa una parte de la magnitud contraria, es decir, si ocupa toda la altura, entonces, sólo ocupará parte de la base del área de escaneo. Con ello, se simplifica el control de la región de interés respecto al área de incidencia, ya que únicamente es necesario moverla en una dirección.

La invención se plantea el problema de proteger el conjunto de escaneo frente a elementos externos que lo podrían dañar. Por ello, en una forma de realización preferente, el emisor de luz, dichos medios de redireccionamiento y dicho receptor de luz están encapsulados en por lo menos una carcasa y dicha por lo menos una carcasa comprende una ventana de emisión y una ventana de recepción, estando dichos medios de redireccionamiento enfrentados a dicha ventana de emisión para proyectar dicho abanico plano sobre dicha superficie, mientras que dicho receptor de luz está enfrentado a dicha ventana de recepción para captar dicha área de escaneo.

Otro problema relevante consiste en optimizar el conjunto de escaneo para trabajar en medios distintos del aire y en particular, sumergido en agua. Para ello, dicha carcasa es estanca al agua y dicho láser es verde o azul. El láser verde o azul se atenúa menos bajo el agua que otros tipos de láser y por lo tanto se proyecta a mayor distancia. En ambientes de aguas claras o levemente turbias, es especialmente preferente que el láser sea azul ya que presenta menos atenuación que el láser verde, a pesar de tener más retrodispersión (del inglés backscattering), es decir, la reflexión de la luz hacia el propio conjunto. Alternativamente, en caso de aguas más turbias, es preferente que el láser sea verde, ya que a pesar de tener más atenuación que un láser azul, el láser verde presenta una retrodispersión menor que la del láser azul. En condiciones de un solo medio de proyección, es decir, la proyección en el aire sin cambio de medio, el abanico plano se proyecta sobre la superficie como una línea recta. Esto no ocurre en los casos en los que existe un cambio de medio, por ejemplo, aire-ventana-agua.

Por otra parte, la invención se refiere también a un vehículo que incorpora un conjunto de escaneo por láser según la invención. Este tipo de vehículos así equipados, disponen de una gran autonomía de funcionamiento, ya que son capaces de determinar cómo es su entorno.

De forma especialmente preferente, el dispositivo es un vehículo subacuático.

La invención se plantea el problema de reducir riesgos humanos en las operaciones submarinas. Por ello, de forma especialmente preferente, el vehículo subacuático es operado a distancia o es un vehículo autónomo.

Finalmente, la invención se refiere también a un procedimiento que permite mejorar la velocidad y definición del escaneo de la superficie a caracterizar.

Esto se consigue mediante un procedimiento de escaneo por láser para obtener una caracterización geométrica de la forma de una superficie en un entorno submarino, sobre la base del principio de triangulación, según la reivindicación 1.

De forma especialmente preferente, y para simplificar el montaje y mecanizado de las lentes del sistema, dichos primeros medios de difracción están dispuestos entre dicho emisor de luz láser y dichos primeros medios de luz de manera que dicho haz de luz láser se transforma en primer lugar en una configuración de abanico plano, y luego es redirigido por dichos medios de redireccionamiento para proyectar dicho abanico sobre dicha superficie que debe ser caracterizada.

Por otra parte, para incrementar todavía más la velocidad de escaneo y la definición, el procedimiento comprende la etapa de aplicar una región de interés sobre una parte de dicha área de escaneo, siendo dicha región de interés móvil en dicha área de escaneo y estando controlada por dichos medios de control, en función de la posición angular de dichos primeros medios de redireccionamiento, de manera que dicha región de interés es desplazada en dicha área de escaneo para contener la posición instantánea de dicho abanico en dicha área de escaneo.

Asimismo, la invención también abarca otras características de detalle ilustradas en la descripción detallada de una forma de realización de la invención y en las figuras que la acompañan.

Breve descripción de los dibujos

Otras ventajas y características de la invención se aprecian a partir de la siguiente descripción, en la que, sin ningún carácter limitativo, se relatan unas formas preferentes de realización de la invención, haciendo mención de los dibujos que se acompañan. Las figuras muestran:

Fig. 1, una vista esquemática en planta superior, de una primera forma de realización del conjunto de escaneo según la invención, en una primera posición de escaneo.

Fig. 2, una vista esquemática en planta superior del conjunto de escaneo de la figura 1, en una segunda posición de escaneo.

Fig. 3, una vista esquemática en perspectiva de una segunda forma de realización del conjunto de escaneo según la invención, en una primera posición de escaneo.

Fig. 4, una vista frontal de un área de escaneo del receptor de luz con una zona de interés en dicha primera posición de escaneo.

Fig. 5, una vista esquemática en perspectiva del conjunto de escaneo de la figura 3, en una segunda posición de escaneo.

Fig. 6, una vista frontal del área de escaneo del receptor de luz, con la zona de interés desplazada en la segunda posición de escaneo.

Fig. 7, un diagrama de la deformación del abanico plano al cambiar de medio debido al paso del abanico plano a través de una ventana de emisión plana en función del ángulo de incidencia sobre dicha ventana.

Fig. 8, una vista esquemática frontal de un vehículo según la invención que incorpora un conjunto de escaneo por láser según la invención.

Fig. 9, una vista esquemática en planta superior cortada por un plano del vehículo de la figura 8.

Fig. 10, una vista esquemática en planta superior de una tercera forma de realización del conjunto de escaneo según la invención, en una primera posición de escaneo.

Descripción detallada de unas formas de realización de la invención

Las figuras 1 y 2 muestran de forma muy esquemática, una primera forma de realización del conjunto de escaneo 1 por láser según la invención para obtener una caracterización de la forma de una superficie 100.

Tal y como se aprecia en estas figuras, el conjunto 1 comprende un emisor de luz 2 láser, un receptor de luz 10 y unos medios de control 14 funcionalmente asociados tanto al emisor de luz 2, como al receptor de luz 10 y los medios de redireccionamiento 8 y que se encargan de sincronizar el funcionamiento de estos.

El emisor de luz 2 es una fuente de luz láser puntual, es decir un haz que se proyecta sobre una superficie en forma de punto. En el concepto más amplio de la invención, el láser puede ser cualquier tipo de láser, como por ejemplo, un láser basado en semiconductores o de estado sólido y de cualquier longitud de onda. En el extremo de emisión, el emisor de luz 2 presenta unos medios de difracción 4 que transforman el haz de luz láser puntual en una configuración de abanico 6 plano. Preferentemente, los medios de difracción 4 son, por ejemplo, una lente cilíndrica o una lente Powell. En la invención, no es imprescindible que el emisor de luz 2 y los medios de difracción 4 formen una unidad. De manera alternativa, los medios de difracción 4 pueden estar alineados con el emisor de luz 2, pero algo separados.

En otra forma de realización alternativa, el emisor de luz 2 puede estar separado de los medios de difracción 4. En este caso, ambos elementos están conectados entre sí a través de unos medios de guiado 30 de luz, como por ejemplo, una fibra óptica. Esto permite conseguir configuraciones constructivas más compactas.

Aguas abajo del emisor de luz 2, en el conjunto 1 de la invención están previstos unos primeros medios de redireccionamiento 8 de luz. Por consiguiente, en esta forma de realización los medios de difracción 4 están situados entre el emisor de luz 2 y los medios de redireccionamiento 8 de luz. Esto simplifica mucho el montaje y la lente de los medios de difracción 4 es más fácil de fabricar. En una forma de realización preferente, los medios de redireccionamiento 8 de luz son un espejo galvanométrico fabricado, por ejemplo, a partir de silicio monocristalino con concentraciones superiores al 95%. En servicio, el espejo galvanométrico está orientado para proyectar el haz láser configurado como un abanico 6 proveniente de los medios de difracción 4 sobre la superficie 100 que se desea caracterizar.

Como se aprecia en las figuras de esta forma de realización, de forma especialmente preferente, el emisor de luz 2 y los medios de redireccionamiento 8 del haz incidente están encapsulados en una primera carcasa 22a. Esta carcasa 22a presenta una ventana de emisión 24. El espejo galvanométrico está enfrentado a esta ventana de emisión 24 para recibir el abanico 6 de luz láser del emisor de luz 2, redirigirlo y proyectarlo sobre la superficie 100 que debe ser caracterizada. En condiciones de un solo medio de proyección, es decir, la proyección en el aire sin cambio de medio, el abanico 6 plano se proyecta sobre la superficie como una línea recta. Esto no ocurre en los casos en los que existe un cambio de medio, por ejemplo, aire-ventana de emisión 24-agua.

Por otro lado, el conjunto 1 presenta también un receptor de luz 10 dispuesto orientado hacia la superficie 100 que se debe caracterizar y orientado con respecto a los primeros medios de redireccionamiento 8 de manera que pueda captar un área de escaneo 12 de la superficie 100 en la que esté proyectado el abanico 6. El receptor de luz 10 puede ser una cámara capaz de identificar los píxeles iluminados por la reflexión de la luz láser proveniente de la superficie que debe ser caracterizada.

De forma especialmente preferente, el receptor de luz 10 está montado también dentro de una segunda carcasa 22b protectora. La carcasa 22b del receptor de luz 10 comprende una ventana de recepción 26. De forma especialmente preferente, la ventana de recepción 26 es lo suficientemente grande como para que el receptor de luz 10, cuando está enfrentado a esta ventana de recepción 26, pueda captar la citada área de escaneo 12, sin ser tapado por las paredes los bordes de la ventana de recepción 26.

Para lograr una correcta caracterización de la superficie 100, cuando el conjunto 1 está en funcionamiento, la orientación es tal que para cualquier posición angular los primeros medios de redireccionamiento 8, dentro del área de escaneo 12 esté contenido el abanico 6 proyectado sobre la superficie 100.

Como también se aprecia en estas figuras, los primeros medios de redireccionamiento 8 y el receptor de luz 10 están separados a una distancia lineal predeterminada, conocida y constante. Esta distancia lineal define una línea de base 28 entre ambos elementos del conjunto 1. Como se aprecia en las figuras, el abanico 6, una vez redirigido, forma un primer ángulo a con respecto a dicha línea de base 28, y una vez reflejado por dicha superficie 10 forma un segundo ángulo p con respecto a dicha línea de base 28.

El conjunto 1 según la invención también presenta los medios de control 14 que están funcionalmente asociados con el emisor y el receptor de luz 2, 10 así como a los elementos de redireccionamiento 8 a través de cables para sincronizar la emisión del haz láser por parte del emisor de luz 2, con la posición angular del medio de redireccionamiento 8, con la captación del área de escaneo 12 por parte del receptor de luz 10. En otras palabras, para cada posición del abanico 6, el receptor de luz 10 capta una imagen.

Cabe comentar que de forma opcional todos los elementos del conjunto 1 según la invención pueden estar dispuestos en una única carcasa 22a con ventanas de emisión y de recepción individuales (véase las figuras 8 y 9) o con una única ventana para las dos funciones. Por otra parte, también es preferente que la carcasa 22a sea estanca al agua. Esto permite utilizar el conjunto de escaneo 1 bajo el agua. Esta solución se puede aplicar, por ejemplo, a un vehículo subacuático operado de forma remota, más conocido en la técnica como ROV, por Remotely Operated Vehicle o un vehículo subacuático autónomo, conocido como AUV, por Autonomous Underwater Vehicle.

En este contexto, también cabe comentar que si el conjunto 1 se utiliza en un entorno subacuático el láser utilizado es preferentemente verde o azul. Como ya se ha explicado anteriormente, el color azul es preferible en el caso de aguas claras o poco turbias, mientras que el láser verde es preferible cuando el agua es turbia.

Como primer elemento para incrementar la velocidad de escaneo, o alternativamente la definición de la superficie, la invención prevé que los primeros medios de redireccionamiento 8 estén montados rotativos alrededor del eje 16 fijo con respecto al emisor y al receptor de luz 2, 10. En este caso, la rotación respecto al emisor y al receptor de luz 2, 10 se lleva a cabo respecto al eje vertical, que sobresaldría del plano de las figuras 1 y 2 y el giro se indica en las figuras con la doble flecha A. El giro de los primeros medios de redireccionamiento 8 está controlado por los medios de control 14. Con ello, el abanico 6 es desplazado girando los primeros medios de redireccionamiento dentro del área de escaneo 12 a lo largo de una pluralidad de posiciones instantáneas P1, P2 distintas. Este giro para mover el abanico está sincronizado con la emisión del abanico 6 por el emisor de luz 2 y la captación del área de escaneo por parte del receptor de luz 10 con la consiguiente determinación de los puntos iluminados.

Como segundo elemento para incrementar la velocidad de escaneo, o alternativamente la definición de la superficie, en el conjunto de las figuras 1 y 2 está previsto en primer lugar que el receptor de luz 10 comprenda unos primeros medios de procesamiento 18 propios, es decir, integrados en el propio receptor de luz 10. Estos medios de procesamiento 18 permiten, por lo menos, distinguir qué puntos de dicha área de escaneo 12 están iluminados por dicho abanico láser 6. Esto es, de toda la imagen captada por el receptor de luz 10, los primeros medios de procesamiento 18 son capaces de discriminar qué puntos o píxeles de la imagen corresponden a la reflexión de la luz láser y qué puntos o píxeles no corresponden.

Cuando el abanico 6 se proyecta sobre la posición P1 instantánea, si el medio es constante, por ejemplo cuando la proyección ocurre sólo en el aire, esta proyección es una línea recta. Si hay cambio de medio, por ejemplo aireventana de emisión 24-agua, entonces, el abanico 6 forma una curva cuya curvatura se incrementa al crecer el ángulo de incidencia del abanico 6 sobre la ventana de emisión 24. El receptor de luz 10 detecta en el área de escaneo 12, la reflexión de esta línea de puntos. Utilizando la triangulación entre la luz que ha iluminado los puntos del área de escaneo 12 identificados por los medios de procesamiento 18 y el abanico 6 y conociendo la posición relativa del eje 16 con el captador de luz 10 (línea de base 28), el conjunto 1 puede determinar y caracterizar la superficie 100 en esta posición P1 definiendo una pluralidad de puntos de referencia. Éste proceso de triangulación puede darse o bien en la unidad central 14, o preferentemente en los mismos medios de procesamiento 18.

A partir de aquí, se repiten las operaciones descritas en los párrafos anteriores para tantas posiciones instantáneas como se deseen. Este procedimiento se repite sucesivamente y se acaba obteniendo una nube de puntos que caracterizan geométricamente la superficie 100. Preferentemente, los medios de redireccionamiento 8 harán un movimiento angular siempre en la misma dirección durante la adquisición de dicha nube de puntos. A mayor número de posiciones instantáneas captadas por el receptor de luz 10, determinando la forma de la proyección del abanico sobre la superficie 100, mayor será la definición de la caracterización geométrica de la misma.

Gracias a que el procesamiento de los puntos para cada posición angular de los medios de redireccionamiento 8 lo hacen los primeros medios de procesamiento 18, el volumen de datos que hay que manejar a posteriori para obtener la nube de puntos es mucho menor. Esto permite o bien lograr más velocidad o incrementar el nivel de definición de la superficie 100 caracterizada.

Por otra parte, cabe comentar que de forma especialmente preferente, la generación de la nube de puntos según la invención se puede obtener también mediante los primeros medios de procesamiento 18. No obstante, en cualquiera de las formas de realización de la invención esto se puede realizar alternativamente en los medios de control 14 centralizados.

A continuación se muestran otra forma de realización del conjunto de escaneo por láser según la invención que comparte gran parte de las características descritas en los párrafos anteriores. Por consiguiente, en adelante sólo se describirán los elementos diferenciadores, mientras que para los elementos comunes se hace referencia a la descripción de la primera forma de realización.

El conjunto 1 de escaneo de las figura 3 a 6 es esencialmente idéntico al de las figuras 1 y 2, es decir, comprende igualmente un emisor de luz 2 láser, unos primeros medios de difracción 4 para transformar el haz de luz láser en una configuración de abanico 6 plano, unos primeros medios de redireccionamiento 8 montados rotativos alrededor de un eje fijo, un receptor de luz 10 con unos medios de procesamiento 18 propios y unos medios de control 14 encargados del control del emisor y el receptor de luz 2, 10. Sin embargo, en este caso, el conjunto 1 no está encapsulado.

También, la disposición de todos los elementos y su funcionamiento conjunto es sustancialmente la misma y permiten poner en práctica el mismo procedimiento de escaneo 1 por láser para obtener una caracterización de la forma de una superficie 100. Por otra parte, la diferencia más importante consiste en que el receptor de luz 10 comprende una región de interés 20 que corresponde a sólo una parte del área de escaneo 12. En otras palabras, el propio receptor de luz 10 es capaz de reducir el área en la que se busca el láser dentro del área de escaneo 12, para reducir también el área que debe ser procesada para determinar la posición de los puntos iluminados por el abanico 6 láser. Para ello, la región de interés 20 es móvil en el área de escaneo 12, controlada por los medios de control 14 en función de la posición de los medios de redireccionamiento 18. Para ello, los medios de control 14 tienen en consideración en qué posición angular instantánea se encuentran los primeros medios de redireccionamiento 8, para luego desplazar la región de interés 20 en el área de escaneo 12 de manera que la curva que forma el abanico 6 sobre la superficie 100 que debe ser caracterizada esté contenida dentro de la región de interés 20 en cada imagen captada por parte del receptor de luz 14.

La región de interés 20 es menor que el área de escaneo 12 que potencialmente puede escanear el receptor de luz 10 en cada imagen captada. En particular, de forma especialmente preferente, el área de escaneo 12 es un paralelogramo de ángulos rectos con una base y una altura predeterminadas y la región de interés 20 puede ser un paralelogramo de ángulos rectos que se desplaza controlado por los medios de control 14 dentro del área de escaneo 12, como se aprecia en las figuras. Esto reduce enormemente el número de píxeles que deben analizar y procesar los primeros medios de procesamiento 18, para determinar cuáles de ellos son realmente puntos iluminados por la reflexión del abanico 6 láser en la superficie a caracterizar 100. En este caso, la región de interés 20 se debería desplazar tanto en una primera dirección principal del área de escaneo, como en la dirección perpendicular.

No obstante, en la forma de realización de las figuras 3 a 6, la región de interés 20 en este caso es un paralelogramo de ángulos rectos que ocupa la totalidad de la altura del área de escaneo 12 y solo una parte de su anchura. Esto simplifica mucho el control de la posición de la región de interés 20 respecto al área teórica de escaneo. En esta forma de realización sólo es necesario desplazar la región de interés 20 en sentido horizontal a lo largo del área de escaneo. Alternativamente, el paralelogramo de la región de interés podría ocupar la totalidad de la anchura del área de escaneo 12, y sólo una parte de la altura y por consiguiente se desplazaría a lo largo de la altura del área de escaneo 12.

Todo ello, proporciona una mayor velocidad de adquisición de puntos característicos de la superficie a caracterizar que permite obtener más rápidamente nubes de puntos, o sino una mayor definición de estas nubes de puntos.

Tal y como se ha explicado, el conjunto de escaneo 1 según la invención presenta múltiples aplicaciones, en especial cuando está montado en un vehículo y más particularmente en un vehículo subacuático que puede ser operado de forma remota (ROV) o autónomo (AUV), entre otros. Gracias a este tipo de vehículos se pueden llevar a cabo cartografía submarina, realizar operaciones de mantenimiento en estructuras subacuáticas, u otras.

En este tipo de aplicaciones el haz láser tiene que pasar por tres medios diferenciados: el aire dentro de la carcasa del vehículo, el vidrio de la ventana de emisión y finalmente el agua. El cambio de medio, en función del ángulo de incidencia provoca que cuando el abanico 6 que teóricamente es plano, se proyecta sobre la superficie 100 a caracterizar, se deforme como una curva. Este efecto se representa en la figura 7. Como se puede observar, a medida que crece el ángulo de incidencia del abanico 6 sobre la ventana de emisión, se incrementa la curvatura de abanico sobre la superficie a caracterizar.

En condiciones normales, la triangulación se realiza entre un haz que ha iluminado el píxel correspondiente de la cámara que es la reflexión del abanico 6 en la superficie 100 con el abanico caracterizado por un plano. Sin embargo, en condiciones de cambio de medio, como por ejemplo, cuando el conjunto de escaneo trabaja en un medio subacuático, el abanico 6 está mejor caracterizado por un cono elíptico que por un plano. Por lo tanto, la triangulación en este caso se realiza calculando la intersección del haz de luz que ha iluminado el píxel del receptor de luz 10 con éste.

En las figuras 8 y 9 se muestra un vehículo 32 según la invención en el que está montado un conjunto de escaneo 1 similar a los descritos hasta este punto.

El vehículo 32 es preferentemente un vehículo subacuático y más en particular un vehículo subacuático operado a distancia o autónomo propulsado por unos medios de propulsión 34 de tipo hélice.

El vehículo 32 presenta una única primera carcasa 22a que contiene en su interior el citado conjunto de escaneo 1. Este tipo de vehículos es adecuado, por ejemplo, para cartografiar el fondo marino.

En la figura 9 se aprecia como particularidad que en el vehículo el emisor de luz 2 está separado de los medios de difracción 4. No obstante, ambos elementos están conectados a través de unos medios de guiado de luz 30, como por ejemplo un cable de fibra óptica.

Por el resto, el vehículo presenta un conjunto de escaneo 1 de características similares a las de la forma de realización de la figura 1. Por consiguiente, en cuanto a estas características y al procedimiento de escaneo se hace referencia a los párrafos anteriores.

Finalmente, en la figura 10 se muestra una vista esquemática en planta superior de una tercera forma de realización del conjunto de escaneo 1 según la invención. Este conjunto de escaneo 1 es prácticamente idéntico a la forma de realización de las figuras 1 y 2. Por consiguiente, para las características no descritas a continuación, se hace referencia a la descripción de la forma de realización de las figuras 1 y 2. No obstante, en este caso, los medios de difracción 4 están dispuestos aguas abajo de los medios de redireccionamiento 8. De esta forma, los medios de redireccionamiento redireccionan un haz láser puntual que luego, al pasar por los medios de difracción 4 adopta la forma de abanico 6.

Los medios de difracción 4 pueden ser también una lente cilíndrica o una lente Powell, pero configurada como un segmento de anillo.

En una forma de realización especialmente preferente no mostrada en las figuras, los medios de difracción 4 están formados directamente en la propia ventana de emisión 24.

Las formas de realización hasta aquí descritas representan ejemplos no limitativos, de manera que el experto en la materia entenderá que más allá de los ejemplos mostrados, dentro del alcance de la invención son posibles múltiples combinaciones entre las características reivindicadas.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1. Procedimiento de escaneo (1) por láser para obtener una caracterización geométrica de la forma de una superficie (100) en un entorno submarino, sobre la base del principio de triangulación, que comprende las etapas siguientes:

   [a] emitir un haz de luz láser a través de un emisor de luz (2) láser,

   [b] transformar dicho haz de luz láser en una configuración de abanico (6) plano a través de unos primeros medios de difracción (4), dispuestos aguas abajo de dicho emisor de luz (2) láser,

   [c] recibir dicho haz de luz láser transformado en dicho abanico (6) plano y redirigirlo para proyectarlo sobre dicha superficie (100) que debe ser caracterizada a través de unos primeros medios de redireccionamiento de luz (8), dispuestos aguas abajo de dicho emisor de luz láser (2),

   [d] capturar un área de escaneo (12) de dicha superficie (100) que debe ser caracterizada a través de un receptor de luz (10) dispuesto con respecto a dicho emisor de luz (2), de tal manera que dicha área de escaneo (12) contiene dicho abanico (6) proyectado sobre dicha superficie (100), y

   [e] sincronizar la emisión de dicho abanico por dicho emisor de luz (2) y la captura por dicho receptor de luz (10) a través de unos medios de control (14) funcionalmente asociados a dicho emisor de luz y dicho receptor de luz (2, 10),

   [f] estando dichos primeros medios de redireccionamiento (8) y dicho receptor de luz (10) separados a una distancia predeterminada conocida que define una línea de base (28) constante entre ambos, y formando dicho abanico (6),

   [i] una vez redirigido, un primer ángulo (a) con respecto a dicha línea de base (28), y

   [11] una vez reflejado por dicha superficie (100), un segundo ángulo (p) con respecto a dicha línea de base (28), y

   [g] obtener, a través de los primeros medios de procesamiento (18) de dicho receptor de luz (10), una pluralidad de puntos iluminados en el área de escaneo (12) por la reflexión del abanico (6),

   caracterizado por que comprende las etapas adicionales siguientes

   [h] caracterizar dicha pluralidad de puntos de iluminación en el área de escaneo (12) mediante un cono elíptico, de manera que se lleve a cabo la triangulación calculando la intersección del haz de luz que ha iluminado dicho receptor de luz (10) con el cono elíptico que caracteriza dicha pluralidad de puntos iluminados en el área de escaneo (12), y

   [i] girar dichos primeros medios de redireccionamiento (8) alrededor de por lo menos un eje (16) fijo con respecto a dicho emisor de luz y dicho receptor de luz (2, 10), estando el giro de dichos primeros medios de redireccionamiento (8) controlado por dichos medios de control (14), para desplazar dicho abanico (6) dentro de dicha área de escaneo (12) a lo largo de una pluralidad de posiciones instantáneas (P1, P2) distintas, de manera sincronizada con el funcionamiento de dicho emisor de luz (2) y dicho receptor de luz (10), y

   [j] repetir dichas etapas [a] a [i] para una pluralidad de posiciones angulares de dichos medios de redireccionamiento para obtener una nube de puntos tridimensional que caracterice geométricamente dicha superficie (100).

   2. Procedimiento de escaneo (1) por láser según la reivindicación 1, caracterizado por que dichos primeros medios de difracción (4) están dispuestos entre dicho emisor de luz (2) láser y dichos primeros medios de redireccionamiento (8) de luz, de manera que dicho haz de luz láser se transforma en primer lugar en una configuración de abanico (6) plano, y luego es redirigido por dichos medios de redireccionamiento (8) para proyectar dicho abanico (6) sobre dicha superficie (100) que debe ser caracterizada.

   3. Procedimiento de escaneo (1) por láser según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que comprende la etapa de aplicar una región de interés (20) en una parte de dicha área de escaneo (12), siendo dicha región de interés (20) móvil en dicha área de escaneo (12) controlada por dichos medios de control (14), en función de la posición angular de dichos primeros medios de redireccionamiento (8), de manera que dicha región de interés (20) es desplazada en dicha área de escaneo (12) para contener la posición instantánea de dicho abanico (6) en dicha área de escaneo (12).

   4. Conjunto de escaneo (1) por láser para obtener una caracterización de la forma de una superficie (100) en un entorno submarino, sobre la base del principio de triangulación que comprende:

   [a] un emisor de luz (2) láser para emitir un haz de luz láser,

   [b] unos primeros medios de difracción (4) para transformar dicho haz de luz láser en una configuración de abanico (6) plano, dispuestos aguas abajo de dicho emisor de luz (2) láser,

   [c] unos primeros medios de redireccionamiento (8) de luz dispuestos aguas abajo de dicho emisor de luz (2) láser, para recibir y redirigir dicho haz de luz láser y proyectarlo sobre dicha superficie (100) que debe ser caracterizada,

   [d] un receptor de luz (10) dispuesto con respecto a dicha superficie (100) y con respecto a dichos primeros medios de redireccionamiento (8) de manera que dicho receptor de luz (10) capta un área de escaneo (12) que corresponde a un área de dicha superficie (100) que debe ser caracterizada que incluye dicho abanico (6) proyectado sobre dicha superficie (100), y

   [e] unos medios de control (14) funcionalmente asociados a dicho emisor luz y dicho receptor de luz (2, 10) para sincronizar el funcionamiento conjunto de dicho emisor de luz (2) y dicho receptor de luz (10), y [f] estando dichos primeros medios de redireccionamiento (8) y dicho receptor de luz (10) separados a una distancia predeterminada conocida que define una línea de base (28) constante entre ambos, y formando dicho abanico (6),

   [i] una vez redirigido, un primer ángulo (a) con respecto a dicha línea de base (28), y

   [ii] una vez reflejado por dicha superficie (100), un segundo ángulo (p) con respecto a dicha línea de base (28),

   [g] dicho receptor de luz (10) comprende sus primeros medios de procesamiento (18) propios, configurados para obtener a partir de dicha área de escaneo (12) captada, una pluralidad de puntos iluminados por la reflexión de dicho abanico (6) en dicha superficie (100), y por que

   [h] dichos primeros medios de redireccionamiento (8) están montados para ser rotativos alrededor de por lo menos un eje (16) fijo con respecto a dicho emisor de luz y dicho receptor de luz (2, 10), estando el giro de dichos primeros medios de redireccionamiento (8) controlado por dichos medios de control (14), para desplazar dicho abanico (6) dentro de dicha área de escaneo (12) a lo largo de una pluralidad de posiciones instantáneas (P1, P2) distintas, de manera sincronizada con el funcionamiento de dicho emisor de luz (2) y dicho receptor de luz (10);

   caracterizado por que

   [i] los medios de control (14) o los primeros medios de redireccionamiento (8) están configurados para caracterizar dicha pluralidad de puntos iluminados en el área de escaneo (12) por un cono elíptico, de manera que la triangulación se lleve a cabo calculando la intersección del haz de luz que ha iluminado dicho receptor de luz (10) con el cono elíptico que caracteriza dicha pluralidad de puntos iluminados en el área de escaneo (12), por que

   [j] dicho emisor de luz (2), dichos medios de redireccionamiento, y dicho receptor de luz (10) están encapsulados en por lo menos una carcasa (22a, 22b), y por que dicha por lo menos una carcasa comprende una ventana de emisión (24) y una ventana de recepción (26), estando dichos medios de redireccionamiento enfrentados a dicha ventana de emisión para proyectar dicho abanico (6) plano sobre dicha superficie (100), mientras que dicho receptor de luz (10) está enfrentado a dicha ventana de recepción para captar dicha área de escaneo (12), por que

   [k] dicha carcasa (22a, 22b) es estanca al agua y por que

   [l] dicho láser es verde o azul.

   5. Vehículo subacuático, caracterizado por que comprende un conjunto de escáner según la reivindicación 4. 6. Vehículo subacuático según la reivindicación 5, caracterizado por que dicho vehículo subacuático es un vehículo subacuático operado a distancia o autónomo.