Recueillir des données de surface pour des simulations de vols par ordinateur
Lockheed Martin devait respecter un échéancier très serré pour la numérisation 3D et le traitement des nuages de points d’un chasseur à réaction des années 1950.
En 2005, l’unité de lutte aérienne contre les incendies (M&FC) de Lockheed Martin était intriguée par l’aérodynamisme d’un chasseur à réaction suédois datant d’une cinquantaine d’années, le SAAB 35A Draken. Les experts de l’aérodynamique de l’unité de M&FC de Lockheed Martin avaient besoin d’une carte de données hautement exacte du chasseur pouvant être importée dans des outils d’analyse technique pour connaître la performance aérodynamique réelle du chasseur.
Ils avaient besoin des données de surface exactes et complètes du chasseur en entier, en plus de numérisations à haute résolution de l’armement et des canons. Lockheed Martin a approché Exact Metrology en raison de ses compétences en numérisation permettant de produire des données de surface pouvant être importées dans des simulations de vols par ordinateur.
De telles données étaient requises pour vérifier si les systèmes d’armement pourraient fonctionner dans des environnements de combat du 21e siècle. Des entrepreneurs en aérospatial comme Lockheed Martin cherchent continuellement des moyens de réduire les coûts très élevés des essais. L’une des solutions consiste à utiliser des installations commerciales au lieu d’installations d’essais militaires, et à effectuer des essais virtuels au lieu d’essais physiques.
Le défi
- Numériser la forme 3D d’un aéronef grandeur nature de 15,24 m (50 pi) de long et de 9,45 m (31 pi) d’envergure
- Fournir rapidement des surfaces NURBS au logiciel de simulation
- Traiter les données recueillies à l’aide de numériseurs à haute et à basse résolution
La numérisation posait trois défis majeurs :
- La vitesse : Lockheed Martin était pressée, car elle devait sous peu traiter des données de simulation de vols pendant 90 jours en continu. Elle avait besoin des données de surface initiales en une semaine, et Exact Metrology s’est montrée à la hauteur du défi.
- La taille du modèle : Le Draken est un énorme modèle à numériser. L’aéronef mesure plus de 15,24 m (50 pi) de long, a une envergure de 9,45 m (31 pi), et sa gouverne de direction fait près de 4,27 m (14 pi) de haut. Pour minimiser la taille du fichier, on a utilisé deux types de numériseurs : un numériseur à haute résolution (le Vivid 910 de Konica Minolta) pour les parties comportant de nombreux détails et un numériseur à basse résolution et plus rapide (le Cyra 2005 de Leica) pour les surfaces planes.
- La souplesse : Exact Metrology avait besoin d’une solution logicielle pour traiter les données recueillies à l’aide des numériseurs à haute et à basse résolution.
Pour relever ce défi, Exact Metrology s’est tournée vers PolyWorks®, la solution logicielle de pointe d’InnovMetric Logiciels en matière de traitement de nuages de points.
La solution
Choisir l’équipe adéquate sur le terrain
C’est grâce à son expérience unique en numérisation à longue et à courte portée qu’Exact Metrology a obtenu le contrat. La disponibilité immédiate d’Exact Metrology a aussi joué un rôle de premier plan.
L’entreprise a reçu l’appel de Lockheed Martin une semaine avant l’Action de grâce (2005). Matt Cappel, directeur chez Exact Metrology, et un opérateur de numériseurs ont pris l’avion pour Los Angeles trois jours plus tard. Ils ont effectué la numérisation en deux jours et étaient de retour chez eux pour l’Action de grâce. La numérisation a été effectuée à Inyokern, dans le désert de Mojave, en Californie. Six des Draken restants avaient préalablement été remis en état et envoyés à cet endroit.
Pour le projet Draken, Exact Metrology devait traiter rapidement plusieurs gigaoctets de données de nuages de points à des résolutions extrêmement différentes (des différences de résolution aussi élevées que 10 000 pixels ou 5 ordres de grandeur), et ce, afin d’en faire un seul modèle CAO. Lors de la numérisation à haute résolution, Exact Metrology a recueilli 266 nuages de points comportant en moyenne 250 000 points chacun. Il s’agissait d’une tâche de numérisation à courte portée, pour une capture d’images d’environ deux pieds carrés à l’aide d’un numériseur Vivid 910 de Minolta.
Les numérisations à basse résolution ont été exécutées à l’aide d’un numériseur Cyra 2500 de Leica Geosystems. Pour ces numérisations, les techniciens ont recueilli près de 20 millions de points. « C’était suffisamment précis, même pour les formes aérodynamiques les plus petites, et la résolution était assez basse pour ne pas saisir des données superflues comme les têtes de rivets et les points d’articulation », a expliqué M. Cappel. « Pour nous, la numérisation à basse résolution ressemblait plus à de l’arpentage. »
L’ensemble des numérisations représentait environ 250 images en haute et en basse résolution regroupant 4,6 gigaoctets de données, mais le produit final qu’Exact Metrology a livré à Lockheed Martin était relativement petit : 200 mégaoctets (Mo) dans un fichier non compressé.
Recalage des numérisations
Le module IMAlign de PolyWorks a été utilisé pour recaler les 260 numérisations en un seul modèle. La technique de recalage de PolyWorks ne nécessite aucune cible ni aucun repère sur la pièce. Cette technique consiste plutôt à recaler les numérisations à l’aide de leur forme géométrique. « Le processus de numérisation a été grandement amélioré par le fait que nous n’avions pas à utiliser de cibles sur l’avion », a précisé M. Cappel.
Modèle polygonal
Une fois les numérisations recalées, on a utilisé le module IMMerge de PolyWorks pour transformer le modèle de nuage de points en un modèle polygonal de format STL (stéréolithographie). PolyWorks crée un maillage polygonal (composé de triangles) adapté aux courbes de la surface, ce qui permet de préserver une haute résolution le long des arêtes et des congés, tout en créant de plus gros triangles pour les surfaces planes. Certains ensembles de logiciels de simulation offrent le traitement de fichiers STL, mais ils n’étaient pas compatibles avec le système utilisé par l’unité de M&FC de Lockheed Martin. Et un fichier CAO exploitable était requis.
Création d’un réseau de courbes
Pour créer un modèle CAO exploitable, PolyWorks conçoit une représentation mathématique des surfaces NURBS (courbes B-Spline rationnelles non uniformes) d’après le modèle polygonal. Avant le traitement par ordinateur des surfaces NURBS, un réseau de courbes est créé d’après le modèle polygonal afin de déterminer l’emplacement des surfaces à positionner. PolyWorks fournit des outils automatiques et manuels pour créer ce réseau de courbes. Les courbes caractéristiques peuvent ensuite être extraites en un seul clic à l’aide des algorithmes d’extraction de PolyWorks. Le réseau de courbes peut également être perfectionné manuellement à l’aide de techniques nécessitant seulement quelques clics de souris.
Surfaces NURBS
Les surfaces NURBS ont ensuite été automatiquement placées sur le réseau de courbes. Puis, ces surfaces ont été exportées en tant que fichier IGES ou STEP vers le système d’analyse de Lockheed Martin. Le produit livrable respectait les exigences de Lockheed Martin en matière d’exactitude, de taille de fichier et de nombre de retouches.
PolyWorks est le seul logiciel pouvant produire des surfaces NURBS qui fonctionnent véritablement avec la CAO
Trois facteurs ont grandement contribué à la qualité des surfaces NURBS :
- La qualité supérieure du modèle polygonal de PolyWorks sous les surfaces NURBS;
- La capacité à déterminer les courbes caractéristiques essentielles lors de la création du réseau de courbes et à limiter la création de surfaces NURBS à ces courbes essentielles;
- La possibilité d’utiliser des jonctions en T lors de la création du réseau de courbes, ce qui permet une disposition plus logique des retouches.
Les avantages
Il a fallu deux semaines à Exact Metrology pour numériser, modifier et formater la grande quantité de données numérisées du SAAB 35A, et livrer un produit final respectant les exigences de Lockheed Martin. « Pour un contrat de plusieurs gigaoctets, il s’agit d’un délai d’exécution très rapide », a souligné M. Cappel. On estime que l’entreprise a réalisé des économies de 67 % à 80 % en temps d’acquisition de données, et de 50 % en temps de traitement de données.
« Tous les employés de Lockheed qui ont participé au projet nous ont dit qu’ils étaient très contents de la qualité et de l’exhaustivité des données. Il n’y a eu aucun problème et nous n’avons pas eu à reprendre de tâches, ce qui aurait pu nuire à l’échéancier des simulations. Les spécialistes d’application d’InnovMetric nous ont grandement aidés. C’était comme si un technicien supplémentaire faisait partie de notre équipe, toujours là pour nous aider avec les tâches plus difficiles. » Matt Cappel, directeur chez Exact Metrology
Des avantages quantifiables :
- L’aéronef en entier (toutes ses surfaces extérieures) a été numérisé en deux jours par seulement deux techniciens. D’autres méthodes auraient pris deux à quatre fois plus de temps; l’entreprise a donc fait des économies de 67 % à 80 % en temps d’acquisition de données.
- Seul PolyWorks était en mesure de traiter efficacement quatre gigaoctets de données. Autrement, il aurait fallu diviser le fichier en plusieurs morceaux, ce qui aurait nécessité l’ajout d’étapes pour fusionner les données, en plus de doubler, voire de tripler, le temps de traitement.
- Les logiciels concurrents étaient loin d’être aussi rapides, et le temps était un élément crucial. On estime que le processus aurait pris deux semaines de plus si un autre logiciel que PolyWorks avait été utilisé.
- En ayant recours à des simulations par ordinateur au lieu de procéder à des essais physiques en soufflerie, l’entreprise a réalisé des économies considérables.
L’avenir
Comme Lockheed Martin l’expliquait à Exact Metrology, l’objectif du projet SAAB 35A était de mieux comprendre l’aérodynamisme d’un aéronef d’essai potentiel avec les moyens d’une entreprise commerciale, et cet objectif a été atteint.
L’aérodynamisme du Draken était révolutionnaire pour l’époque et demeure impressionnant, même un demi-siècle plus tard. Le Draken a été conçu pour :
- des décollages et des atterrissages courts près de zones de combat;
- une combinaison optimale de performance à haute et à basse vitesse;
- un réarmement en quelques minutes entre deux missions;
- un assemblage en quatre parties afin de permettre le remplacement, l’entretien ou l’amélioration d’une partie à la fois.
Grâce à Exact Metrology et à InnovMetric, Lockheed Martin a désormais en sa possession tous les détails de son aérodynamisme dans ses systèmes de simulation de vols, le tout rapidement et à faible coût.
