Measurement and analysis of free-form objects. Development of a solution for flyng sail shape reconstruction.

In this research some novel methods for the acquisition and the analysis of free-form shapes have been proposed. In particular for this study, the flying sail shape has been consider as free-form object to be properly measured and geometrically analyzed. Large differences, in fact, exist between a computer based design shape and the resulting flying shape due to different factors such as pressure distribution, sail trim controls and fluid structure interaction forces. Nowadays, Computational Fluid Dynamics (CFD) codes assess the yacht performances starting from the design shape; however, the actual flying shape is the only one truly related to moments, heeling and thrust forces. Hence the reason for this case study. Moreover, analyzing the reconstructed shape in terms of geometrical features can be of interest for sail makers to redesign the sail and for crew members to adjust the trim. The main goal of this work was the development of a methodology for data acquisition and elaboration. A Time-Of-Flight based device has been realized ensuring non-contact, wide range and outdoor measurement. A laser pulse is emitted, and measuring the time it takes to hit the target and return to the sensor, distance estimation can be computed. The laser beam is properly deflected to be able to scan a threedimensional object. Its metrological qualification has been conducted, including tests to assess the in influence of the target-to-sensor distance, incident angle, target material and lighting conditions. Furthermore, most efforts have been addressed to the development of a custom post process algorithm. Raw data are acquired in terms of point cloud and several steps are required to lead to the sail surface reconstruction. Those are primarily: registration of the different scans into a common reference system, scene interpretation - i.e. segmentation of the cloud to extract the sail cluster -, filtering of the data to remove outliers and to reduce acquisition noise, and modeling - i.e. the creation of a surface -. The procedure was validated onto synthetic data sets representing simple scenes and onto design sail shapes provided by sail-makers. Finally, the algorithm was exploited to reconstruct sails during wind tunnel campaigns and even for few tests on field leading to promising results.

In questa ricerca, innovativi metodi per l'acquisizione e l'analisi di free-form shape sono stati proposti. In particolare per questo studio, la forma della vela assunta durante la navigazione è stata presa in considerazione come oggetto free-form da misurare correttamente e analizzare geometricamente. Grandi differenze, infatti, esistono tra un disegno CAD e la forma reale della vela a causa di diversi fattori come la distribuzione della pressione, i comandi della vela di assetto e le forze generate dall’interazione fluido-struttura. Al giorno d'oggi, codici CFD (Computational Fluid Dynamics) stimano le prestazioni dello yacht a partire dalla forma di progettazione; tuttavia, la forma effettiva volante è l'unica veramente legata a momento di sbandamento e forza di propulsione. Di qui la ragione di questo caso di studio. L'obiettivo principale di questo lavoro è stato lo sviluppo di una metodologia per l'acquisizione e l’elaborazione dei dati. Un dispositivo basato sulla tecnologia a tempo di volo è stato realizzato, garantendo misure senza contatto, ampie portate e affidabilità in ambiente outdoor. Un impulso laser viene emesso dal dispositivo, e misurando il tempo necessario per colpire il bersaglio e ritornare al sensore, è possibile stimare la distanza tra essi. Questo raggio laser viene deviato opportunamente per essere in grado di scansionare un oggetto tridimensionale. La sua qualificazione metrologica è stata condotta, comprendendo test per valutare l'influenza della distanza target-sensore, dell’angolo di incidenza del raggio laser, del materiale dell’oggetto da misurare e delle condizioni di illuminazione. Inoltre, la maggior parte dei sforzi sono stati indirizzati allo sviluppo di un algoritmo di elaborazione dei dati. I dati grezzi sono acquisiti sotto forma di nuvole di punti e diversi passaggi sono necessari per arrivare alla ricostruzione della superficie velica. Questi sono principalmente: registrazione delle diverse scansioni in un unico sistema di riferimento, l'interpretazione scena - vale a dire la segmentazione della nuvola tale da permettere l’estrazione del cluster vela -, filtraggio dei dati per rimuovere outliers e ridurre il rumore di acquisizione, e modellazione - vale a dire la creazione di una superficie -. La procedura è stata validata su insiemi di dati sintetici che rappresentano scene semplici e su forme progettuali di vele fornite da velai. Infine, l'algoritmo è stato sfruttato per ricostruire le vele durante campagne sperimentali svolte nella galleria del vento del Politecnico di Milano e anche per alcuni test al vero sulla Barca Laboratorio del Polo di Lecco, restituendo buoni risultati.