Publicação: Desenvolvimento e avaliação de técnicas de calibração de um sistema de varredura a laser embarcado em aeronave remotamente pilotada
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Data
Autores
Orientador
Tommaselli, Antonio Maria Garcia 
Coorientador
Pós-graduação
Ciências Cartográficas - FCT
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso restrito
Resumo
Resumo (português)
Sistemas de Varredura a LASER (SVL) embarcados em Veículos Aéreos Remotamente Pilotados (ARP) são sistemas integrados com diferentes sensores, os quais estão sujeitos à influência de erros randômicos e sistemáticos. Técnicas de calibração são necessárias, a fim de minimizar o impacto dos erros sistemáticos na acurácia final da nuvem de pontos. Entretanto, técnicas como a calibração in-situ (aérea) demandam um número maior de procedimentos em campo (mais pontos de controle, maior sobreposição entre faixas, direções distintas de voo), em comparação a um campo para simples mapeamento. Neste sentido, é proposto nesta tese, o desenvolvimento e avaliação de duas técnicas de calibração, especialmente voltadas para a estimação de ângulos de boresight, erro provocado pelo desalinhamento angular entre os sistemas de referências dos sensores, que pode afetar consideravelmente o ajustamento entre faixas de varredura. Inicialmente é abordada a calibração aérea e o problema na identificação de entidades de controle, que afeta a determinação das coordenadas dos pontos e consequentemente, a qualidade da nuvem de varredura a LASER. Para isso, foram analisados dois modelos estocásticos e introduzida a técnica de ponto de controle virtual (PCV). A calibração terrestre estática, ou de curta distância, é apresentada como uma alternativa à calibração aérea, a fim de simplificar os procedimentos que são realizados em campo. É montado um campo de calibração em ambiente controlado, em que o SVL permanece estático, e alvos no espaço-objeto são deslocados, possibilitando uma simulação de voo. A partir desta configuração, é possível minimizar a influência de erros provenientes principalmente da posição e atitude da plataforma, uma vez que erros associados à posição são desconsiderados devido à ausência de deslocamento da plataforma, enquanto a atitude é controlada por meio de nivelamento das componentes dos acelerômetros. Na estimação dos ângulos de boresight, também foram utilizados e comparados dois modelos estocásticos, além das abordagens ponto-a-ponto e ponto-a-plano. A validação da calibração terrestre foi realizada com base nos resultados da calibração aérea. Em relação a técnica aérea, resultados mais evidentes foram observados com a técnica PCV, que alcançou acurácia aproximada de 0,19 m em planimetria e 0,10 m em altimetria. Em relação aos resultados da calibração terrestre, o experimento com planos de controle alcançou uma acurácia planimétrica aproximada de 0,05 m e altimétrica de 0,03 m. Conclui-se, com base nos experimentos, que a calibração terrestre apresentou grande potencial como uma alternativa às técnicas como a calibração em serviço, para sistemas de varredura a LASER embarcados em ARP, recomendando-se alguns aperfeiçoamentos.
Resumo (inglês)
Laser Scanning Systems onboard Unmanned Aircraft Systems (UAS) are integrated systems with different sensors, which are subject to the influence of random and systematic errors. Calibration techniques are necessary in order to minimize the impact of systematic errors on the final accuracy of the point cloud. However, techniques such as in-situ calibration require a higher number of procedures in the field (more control points, high overlap between strips, and different flight directions), compared to a field for simple mapping. Therefore, this dissertation proposes the development and evaluation of two calibration techniques, especially aimed at estimating boresight angles, an error caused by angular misalignment between reference systems from different sensors, which can considerably affect the adjustment between strips. Initially, aerial calibration and the problem of identifying control entities are presented, which affects the measurement and, consequently, the quality of the point cloud. To achieve this aim, two stochastic models were analysed, and the virtual control point technique (VCP) was introduced. Static calibration is presented as an alternative to aerial calibration, in order to simplify the procedures that are carried out in the field. A calibration field is set up in a controlled environment, in which the laser scanning system remains static, and targets in the object space are moved, enabling a real flight simulation. From this configuration, it is possible to minimize the influence of errors mainly from the position and attitude of the platform, since errors associated with the position are disregarded due to the absence of platform displacement, while the attitude is controlled by means of levelling the components of accelerometers. To estimate boresight angles, two stochastic models were also used and compared, based on the point-to-point and point-to-plane approaches. Validation of the static calibration was performed based on the results of the aerial calibration. Regarding the aerial technique, more evident results were observed with the PCV technique, which achieved an accuracy of approximately 0.19 m in planimetry and 0.10 m in altimetry to the point cloud. Regarding the results of the static calibration, the experiment with control planes achieved a planimetric accuracy close to 0.05 m and altimetric accuracy of 0.03 m. It is concluded, based on the experiments, that terrestrial calibration showed high potential as an alternative to techniques such as on-the-job calibration, for laser scanning systems in UAS, with some improvements being recommended.
Descrição
Palavras-chave
Sistema de varredura a LASER (SVL), Aeronave remotamente pilotada (ARP), Calibração terrestre estática, Calibração em serviço, Métodos estocásticos, Ponto de controle virtual (PCV), LASER scanning system, Unmanned aircraft system (UAS), Static terrestrial calibration, On-the-job calibration, Stochastic methods, Virtual control point (VCP)
Idioma
Português
Como citar
MACHADO, Marcela do Valle. Desenvolvimento e avaliação de técnicas de calibração de um sistema de varredura a LASER embarcado em Aeronave Remotamente Pilotada . Orientador: Antonio Maria Garcia Tommaselli. 2025. 122 f. Tese (Doutorado em Ciências Cartográficas) - Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Estadual Paulista, Presidente Prudente, 2023.
