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Jet svizzero dell’epoca della Guerra Fredda interamente digitalizzato con il Leica T-Scan
Museo dell’Aviazione di Duebendorf - Svizzera
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Spesso metrologia industriale significa misura di oggetti banali, non particolarmente interessanti. Ma di tanto in tanto capitano attività di misura diverse, pezzi curiosi, tanto da rendere piacevole anche “la solita giornata di lavoro”. Come ad esempio, la misura di un cacciabombardiere
La sua storia ha inizio nel 1948. Seguendo con ansia il nascente ordine mondiale della Guerra Fredda, l’Alto Comando della Swiss Armed Force era interessato a sviluppare un cacciabombardiere le cui caratteristiche di volo e carica esplosiva fossero adatte alla specificità della complessa topografia svizzera. I requisiti elevati comprendevano una velocità quasi supersonica, una manovrabilità eccellente e la capacità di atterrare e decollare su piste estremamente corte, tipiche delle regioni alpine.
La sua storia ha inizio nel 1948. Seguendo con ansia il nascente ordine mondiale della Guerra Fredda, l’Alto Comando della Swiss Armed Force era interessato a sviluppare un cacciabombardiere le cui caratteristiche di volo e carica esplosiva fossero adatte alla specificità della complessa topografia svizzera. I requisiti elevati comprendevano una velocità quasi supersonica, una manovrabilità eccellente e la capacità di atterrare e decollare su piste estremamente corte, tipiche delle regioni alpine. Il primo prototipo fece il suo volo inaugurale nel 1955. L’aeroplano presentava ali dalla struttura rivoluzionaria all’epoca, con un profilo sottile e una combinazione unica di flap anteriori e flap posteriori di tipo Krüger che aumentano notevolmente la portanza. Di conseguenza il P-16 poteva decollare da piste di lunghezza inferiore a 500 metri e gli atterraggi richiedevano solo 300 metri. La Swiss Air Force ordinò 100 P-16. Quando tuttavia due incidenti catastrofici legati a piccoli problemi meccanici indussero il governo svizzero a sospendere le attività e ad annullare l’intero ordine, l’intero progetto sembrò essere sulla via del fallimento. Fortunatamente la struttura rivoluzionaria delle ali dell’aereo venne adottata dai primissimi jet civili fabbricati dalla Lear Jet. Questi jet civili pionieristici possedevano molte delle caratteristiche progettuali del P-16 che all’epoca venivano considerate troppo rischiose. Per la verità l’aereo era in anticipo sui tempi di soli 10-15 anni. Purtroppo non ci è rimasto nessun disegno del progetto ed esiste un solo aeroplano P-16, quello esposto al Museo dell’Aviazione di Dübendorf, vicino a Zurigo.
Qualche mese fa, Marc Immer, uno studente di ingegneria meccanica alla ETH di Zurigo, ha voluto digitalizzare questo cacciabombardiere svizzero storico e analizzare le sue caratteristiche aerodinamiche testando il suo modello in scala nella galleria del vento. Dopo aver valutato le soluzioni di scansione esistenti sul mercato, concluse che il solo sistema in grado di sostenere la prova era il Leica T-Scan di Leica Geosystems. Lieta di essere coinvolta in un progetto scientifico con protagonista un pezzo così meraviglioso della storia svizzera, Leica Geosystems eseguì il lavoro gratuitamente.
Altre soluzioni valutate per il lavoro di scansione non erano sufficientemente precise oppure operavano in un volume di misura troppo piccolo per la dimensione del jet P-16. Con oltre 14 metri di lunghezza, 11 metri di apertura alare e 4 metri di altezza, l’aeroplano ha un’ampia superficie, con le ali che da sole contano quasi 30 metri quadri. Qualunque apparecchio di scansione fosse stato scelto, doveva essere in grado di gestire superfici ampie e fornire le precisioni desiderate.
Il sistema usato per la scansione del P-16 era un nuovissimo Leica Absolute Tracker AT901-LR abbinato ad un laser scanner portatile Leica T-Scan. Un laser tracker è una macchina di misura a coordinate portatile che si avvale di un raggio laser per misurare in modo preciso in un ampio volume di misura. Un laser tracker può raccogliere informazioni in 3 modi diversi: seguendo un riflettore sferico, inseguendo un tastatore a contatto wireless, o inseguendo uno scanner portatile, come nel caso del progetto P-16.
Il Leica T-Scan è inseguito dall’Absolute Tracker per mezzo di una videocamera digitale (Leica T-Cam) a luce visibile e raggi infrarossi (IR), equipaggiata con uno zoom ottico e un motore per il movimento angolare. Innestata sul laser tracker, la videocamera segue costantemente il Leica T-Scan per mezzo di un fascio di raggi infrarossi emessi dallo stesso. L’ encoder incrementale viene usato per guidare il movimento angolare verticale della videocamera stessa in base agli angoli di guida ricevuti dal tracker. Il Digital Signal Processor (DSP), collocato all’interno del Leica T-Cam, esegue tutti i calcoli e le operazioni di elaborazione delle immagini. Il gruppo lenti di ingrandimento è completamente sigillato nel corpo del Leica T-Cam. Questa struttura consente misure stabili e ripetibili.
Un riflettore integrato nel Leica T-Scan, assieme a dieci LED a infrarossi rappresenta i target di misura del sistema. Sei parametri di misura (x, y, z più gli angoli polari) descrivono in modo completo il dispositivo inseguito rispetto al sistema tracker. Collettivamente realizzano il principio dei Sei Gradi di Libertà (6DoF). Questi parametri sono determinati dalla (posizione) del laser tracker e dall’(orientamento) del Leica T-Cam.
I LED infrarossi ricevono ID unici che identificano il LED e la sua posizione sul T-Scan. Dopo l’identificazione, i LED sono regolati in modalità di misurazione (illuminazione costante). Un minimo di quattro LED dev’essere costantemente visibile da parte del Leica T-Cam per permettere un calcolo dei 6 gradi di libertà. I migliori risultati si ottengono quando i LED visibili sono distribuiti nello spazio. Per evitare incertezze e false prese punto, i LED si dividono in quattro gruppi diversi e una misura precisa è possibile solo se il Leica T-Cam può agganciare almeno un LED di ogni gruppo.
Il sistema ottico è tarato per raggi infrarossi con lunghezza d’onda di 880 nm, emessi dai rispettivi LED. L’insensibilità intrinseca alle radiazioni all’esterno della zona a infrarossi permette alta precisione e ripetibilità delle immagini LED sul chip CMOS. In questo modo, indipendentemente dal fatto che le misure vengano eseguite alla luce del sole o in un ambiente industriale con bruschi cambiamenti della luce ambiente, il Leica T-Cam è sempre perfettamente operativo.
Altre soluzioni valutate per il lavoro di scansione non erano sufficientemente precise oppure operavano in un volume di misura troppo piccolo per la dimensione del jet P-16. Con oltre 14 metri di lunghezza, 11 metri di apertura alare e 4 metri di altezza, l’aeroplano ha un’ampia superficie, con le ali che da sole contano quasi 30 metri quadri. Qualunque apparecchio di scansione fosse stato scelto, doveva essere in grado di gestire superfici ampie e fornire le precisioni desiderate.
Il sistema usato per la scansione del P-16 era un nuovissimo Leica Absolute Tracker AT901-LR abbinato ad un laser scanner portatile Leica T-Scan. Un laser tracker è una macchina di misura a coordinate portatile che si avvale di un raggio laser per misurare in modo preciso in un ampio volume di misura. Un laser tracker può raccogliere informazioni in 3 modi diversi: seguendo un riflettore sferico, inseguendo un tastatore a contatto wireless, o inseguendo uno scanner portatile, come nel caso del progetto P-16.
Il Leica T-Scan è inseguito dall’Absolute Tracker per mezzo di una videocamera digitale (Leica T-Cam) a luce visibile e raggi infrarossi (IR), equipaggiata con uno zoom ottico e un motore per il movimento angolare. Innestata sul laser tracker, la videocamera segue costantemente il Leica T-Scan per mezzo di un fascio di raggi infrarossi emessi dallo stesso. L’ encoder incrementale viene usato per guidare il movimento angolare verticale della videocamera stessa in base agli angoli di guida ricevuti dal tracker. Il Digital Signal Processor (DSP), collocato all’interno del Leica T-Cam, esegue tutti i calcoli e le operazioni di elaborazione delle immagini. Il gruppo lenti di ingrandimento è completamente sigillato nel corpo del Leica T-Cam. Questa struttura consente misure stabili e ripetibili.
Un riflettore integrato nel Leica T-Scan, assieme a dieci LED a infrarossi rappresenta i target di misura del sistema. Sei parametri di misura (x, y, z più gli angoli polari) descrivono in modo completo il dispositivo inseguito rispetto al sistema tracker. Collettivamente realizzano il principio dei Sei Gradi di Libertà (6DoF). Questi parametri sono determinati dalla (posizione) del laser tracker e dall’(orientamento) del Leica T-Cam.
I LED infrarossi ricevono ID unici che identificano il LED e la sua posizione sul T-Scan. Dopo l’identificazione, i LED sono regolati in modalità di misurazione (illuminazione costante). Un minimo di quattro LED dev’essere costantemente visibile da parte del Leica T-Cam per permettere un calcolo dei 6 gradi di libertà. I migliori risultati si ottengono quando i LED visibili sono distribuiti nello spazio. Per evitare incertezze e false prese punto, i LED si dividono in quattro gruppi diversi e una misura precisa è possibile solo se il Leica T-Cam può agganciare almeno un LED di ogni gruppo.
Il sistema ottico è tarato per raggi infrarossi con lunghezza d’onda di 880 nm, emessi dai rispettivi LED. L’insensibilità intrinseca alle radiazioni all’esterno della zona a infrarossi permette alta precisione e ripetibilità delle immagini LED sul chip CMOS. In questo modo, indipendentemente dal fatto che le misure vengano eseguite alla luce del sole o in un ambiente industriale con bruschi cambiamenti della luce ambiente, il Leica T-Cam è sempre perfettamente operativo.
Nell’arco di due giorni lavorativi sono stati rilevati un totale di 40 milioni di punti sul P-16. Per creare un modello 3D utilizzabile per applicazioni CAD, i dati ottenuti con il Leica T-Scan sono stati importati in PolyWorks, la suite software standard per l’elaborazione delle nubi di punti usato con il Leica T-Scan. In questo modo è stato creato un modello poligonale dell’aereo P-16. Con algoritmi avanzati, PolyWorks ha prodotto un modello matematico preciso dalla nube di punti rilevati. Poi il modello è stato ripulito ed editato usando strumenti di PolyWorks per produrre una rappresentazione digitale precisa dell’aereo storico. L’elaborazione dei dati e l’ ottimizzazione sono state eseguite da un tecnico applicativo della Duwe-3d AG. La società Duwe-3d AG a Lindau in Germania è un partner europeo della InnovMetric Software Inc.
Marc Immer: “Ho intenzione di ricalcolare i dati della performance dell’aereo. In questo modo i calcoli delle caratteristiche di volo come la velocità di risalita e di discesa, le velocità di stallo e il comportamento aerodinamico dell’aeroplano con flap abbassati e ritratti forniranno il tipo di informazioni che non sono mai state disponibili per quest’aereo a causa della repentina interruzione del progetto e la quasi completa assenza di documentazione relativa allo sviluppo e ai conseguenti test di volo. La partecipazione al progetto P-16 ha reso questa ricerca molto utile, mi ha offerto una preziosa esperienza nel mondo reale, permettendomi di usare le attrezzature di metrologia industriale più avanzate sul mercato.”
