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Escaneos 3D y modelos CAD para la construcción de soportes de antenas en aviones para sistemas SAR

Metal module in orbit with an overview of the earth

Fuente de la imagen: DLR

 

El Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (Centro Aeroespacial Alemán) confía en los servicios de medición de Creaform

El Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme (Instituto de Tecnología de Alta Frecuencia y Sistemas de Radar) del Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (Centro Aeroespacial Alemán, DLR) realiza investigaciones sobre sistemas de radar y sus parámetros para futuras misiones por satélite. Con este propósito, se llevan a cabo pruebas preliminares con sistemas a bordo de aviones, los cuales tienen un alto grado de flexibilidad. Para las pruebas preliminares, los sistemas de radar se instalarán en dos aviones turbohélice Dornier Do 228. Las antenas necesarias se desarrollarán, probarán e incorporarán en los sistemas de los aviones en las instalaciones de dicho instituto. Para este proceso es necesario contar con estructuras de soporte especiales, las cuales permiten realizar la integración en las antenas en el fuselaje del avión. Para ello, se necesitan datos exactos del contorno (modelos CAD) de superficies de varios aviones para la construcción de estas estructuras de soporte.

Como parte de un nuevo proyecto de observación terrestre con dos satélites de radar en la gama de frecuencias de la banda L, y como medida preparatoria, se instalará un sistema comparable en dos aviones. La observación de la superficie terrestre con dos plataformas portadoras de recepción simultánea permitirá desarrollar numerosos productos nuevos. Por productos se entiende la evaluación de datos de radar registrados en parámetros específicos, modelos, mapas, etc. Además del clásico modelo de terreno en 3D, se incluye información sobre la vegetación, como la cobertura arbórea o la deforestación, las condiciones de los glaciares, como las velocidades de flujo y los cambios temporales de volumen, el levantamiento y el hundimiento del suelo debido a volcanes, terremotos o minería, por nombrar solo algunas aplicaciones.

La teledetección por radar se basa principalmente en el principio del SAR (Synthetic Aperture Radar, Radar de Apertura Sintética). Este método permite conseguir una resolución espacial muy alta en la dirección del movimiento, gracias al movimiento del sistema de radar. El principio es independiente de la distancia y, por lo tanto, permite obtener imágenes de alta resolución de la superficie terrestre desde el espacio con una exactitud muy elevada. En el marco de la misión TanDEM-X, el DLR opera los satélites radar alemanes TerraSAR-X y TanDEM-X. Las investigaciones actuales se centran en los sistemas que posiblemente vendrán después de la actual constelación de los dos satélites de banda X. Sin embargo, en frecuencias más bajas, como en la banda L, las distancias entre los satélites se vuelven significativamente más grandes y, por ello, abren desafíos adicionales en el procesamiento de datos, en los algoritmos y en la realización de modelos que permitan extraer parámetros de los datos brutos del radar. Los nuevos sistemas de los dos aviones de investigación Dornier del DLR se utilizan para proporcionar estos datos de radar, mucho antes de un eventual lanzamiento de un satélite. Estas son las áreas centrales de investigación del Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme del DLR.

Misión: Creación de escaneos 3D y modelos CAD de diversas superficies del un avión

MetraSCAN and C-Track next to a Dornier DO 228

Es necesario disponer de datos geométricos muy precisos para poder diseñar el espacio disponible para la instalación de los soportes de las antenas, tanto dentro como sobre la aeronave. En este caso, las estructuras se montan en los rieles de los asientos en el interior del avión y sobresalen a través de un eje en el suelo, debajo del fuselaje del avión. En este lugar, la antena está montada en un carenado aerodinámico. Esta ubicación le permite girar alrededor del eje vertical dentro de ciertos límites.

 Para este proyecto eran especialmente relevantes el eje y las áreas que lo rodean: el suelo del interior de la cabina y el área debajo del fuselaje. Para la realización del proyecto, fueron necesarios modelos CAD exactos de las superficies de dos aviones, ya que estos se usan para la construcción de las estructuras de soporte o montajes. Para ello, primero fue necesario crear escaneos en 3D; posteriormente, a partir estos, se pudieron generar los modelos CAD. Estos sirviendo de base para la construcción de los soportes de las antenas de dos aviones Do 228 (aviones de investigación propiedad del DLR) con el fin de poder recopilar datos SAR en el rango de frecuencias inferiores (banda L) durante los vuelos en formación. Para tal fin, se instalan antenas debajo del fuselaje del avión, las cuales emiten y reciben datos de manera oblicua con respecto al suelo.

Equipo de metrología y sistemas de escaneo utilizados

DLR se puso en contacto con el equipo de metrología y los servicios de ingeniería de Creaform para los escaneos de superficie y volumen.

Debido a la precisión requerida, el nivel de detalle deseado y la accesibilidad de las áreas, los sistemas de escaneo de Creaform, gracias a su portabilidad, velocidad y exactitud, eran ideales para este proyecto. Se utilizaron los escáneres 3D MetraSCAN 3D y HandySCAN 3D, así como el sistema de fotogrametría MaxSHOT 3D. Se escanearon dos aviones en las intalaciones de dicha empresa para investigaciones de operaciones de vuelo del DLR en Oberpfaffenhofen y Braunschweig.

Employee under the DO 228 scanning with the MetraSCAN and C-track

 

Employee scanning the floor hatch with the HandySCAN

El modelo completo de posición de la aeronave (interior y exterior) se registró usando el MaxSHOT 3D. Este sistema de fotogrametría permite aumentar la exactitud de la medición total y, además, permite combinar las dimensiones del exterior con las del interior. El escáner MetraSCAN 3D se utilizó para escanear las áreas exteriores relevantes de la aeronave, como el fuselaje, mientras que el escáner HandySCAN 3D se utilizó para escanear detalles y áreas de difícil acceso en el interior de la aeronave, como la escotilla del suelo.

El post-procesamiento de los escaneos se hizo utilizando (usando is correct but utilizando We can make more emphasis) el software VXmodel. Primero, se limpió el escaneo, se alineó y se eliminaron las superficies innecesarias. Posteriormente, el escaneo se preparó para la ingeniería inversa (Reverse Engineering) en CATIA. Para cada aeronave, las mediciones in situ requirieron entre 4 y 5 horas (incluyendo el montaje y el desmontaje), el post-procesamiento unas 2-3 horas y la ingeniería inversa casi dos semanas.

Imagen inferior: Escaneo y modelo CAD reconstruido de la escotilla del suelo de un avión escaneado

Scan of the fuselage and the floor hatch in the VXmodel software CAD model of the fuselage and floor hatch

En la siguiente imagen se muestra un primer boceto de la construcción de uno de los dos soportes de antena, incorporado en el presente escaneo 3D de la cabina del avión. En los datos se puede hacer referencia a las posiciones individuales de los remaches, a los rieles de los asientos en el interior o a las juntas de la chapa del fuselaje del avión.

Sketch of the construction of an antenna support integrated to the 3D scan

Conclusión y retorno de la inversión

 

Markus Limbach, ingeniero del del Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme del DLR, está satisfecho con los resultados: «El hardware utilizado, unido a las amplias capacidades de procesamiento de datos y a la experiencia de Creaform, parecía ideal para nuestra tarea. Las experiencias menos buenas han demostrado que no todos los proveedores pueden ofrecer el mismo nivel de calidad».

«En términos del retorno de la inversión generado al utilizar el equipo de metrología de Creaform, esperamos ahorrar entre 6 y 8 semanas, aproximadamente, en términos de tiempo de trabajo. Estamos muy satisfechos».

 

 

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Acerca del Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme del Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

El Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) es el centro de investigación aeronáutica y espacial de la República Federal de Alemania. Realiza actividades de investigación y desarrollo en materia de aeronáutica, espacio, energía y transporte, seguridad y digitalización. El DLR, con sede en Colonia, cuenta con representación en un total de 30 localidades en Alemania.  Utiliza su experiencia para desarrollar soluciones a los desafíos globales y tecnologías para un futuro sostenible. De este modo, el DLR contribuye a fortalecer a Alemania como centro de conocimiento y negocios.

En la sede de Oberpfaffenhofen, el Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme desarrolla sensores, algoritmos y aplicaciones innovadoras para la teledetección por radar terrestre, aérea y por satélite. Para la misión del satélite radar alemán TanDEM-X y las futuras misiones, prepara las especificaciones del sistema con experimentos en aviones. El Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme del Deutsches Zentrum del DLR también ha desarrollado y operado con éxito los sistemas de radar aéreo F-SAR y DBF-SAR. Con más de 30 años de experiencia, es una de las instituciones más importantes del mundo en tecnología de sensores y, en particular, en el procesamiento de datos y algoritmos para la generación de productos.

www.DLR.de/HR

Artículo escrito por Creaform

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