Drohnengestützte Single-Shot Gitterprojektion zur 3D-Erfassung von Oberflächenanomalien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Lehmann
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541032875

Drohnenbasierte Messsysteme werden gegenwärtig eingesetzt, um Inspektionsaufgaben an schwer zugänglichen Orten aus größerer Entfernung wahrzunehmen. Häufig werden dabei optische Sichtprüfungen oder Thermographiemessungen durchgeführt. Das vorliegende Vorhaben zielt auf mesoskalige optische 3D-Messungen mit vergleichsweise kleinen Messfeldern und entsprechend hohen lateralen Auflösungen ab. Anwendungen liegen in der Detektion und Analyse von Oberflächenanomalien mit lateralen Ausdehnungen im Millimeter- bzw. Zentimeterbereich, die z. B. auf Rotorblättern von Windenergieanlagen aufgrund von Oberflächendelaminationen oder mechanischen Schädigungen durch Hagelschlag entstehen können. Eine quantitative Bewertung der vorliegenden Schäden bildet die Entscheidungsgrundlage für weitergehende Maßnahmen. Entsprechende Entscheidungen werden heute auf der Grundlage visueller Inspektionen, die per Seilzugtechnik durchgeführt werden, getroffen. Im vorliegenden Vorhaben sollen mesoskalige optische 3D-Messungen drohnengestützt erfolgen. In Voruntersuchungen des Antragstellers hat sich die Single-Shot-Streifenprojektion als prinzipiell geeignetes, vielversprechendes Messverfahren für diese Anwendung erwiesen. Dabei wird ein statisches periodisches Streifenmuster auf die zu untersuchende Oberfläche projiziert und unter einem Triangulationswinkel von einer Kamera aufgezeichnet. Das digitale Streifenbild wird anschließend hinsichtlich lokaler Phasenanomalien analysiert. Diese Phasenanomalien lassen sich bei bekannter Triangulationsgeometrie in Höhenanomalien umrechnen. Da es sich im Vergleich zu den komplexen 3D-Objekten, die typischerweise mittels Streifenprojektion gemessen werden, um vergleichsweise moderate Höhenänderungen handelt, sind keine Phasenmehrdeutigkeiten zu erwarten und die gesuchte Topographie kann anhand eines einzelnen Streifenbildes rekonstruiert werden. Neben der robusten Höhenbestimmung liegen besondere Herausforderungen bei der drohnenbasierten Messung in dem einzuhaltenden Arbeitsabstand und der Positionierung des Messsystems gegenüber der zu messenden Oberfläche. Der in diesem Vorhaben verfolgte methodische Ansatz wertet einerseits die Bilder der ohnehin vorhandenen Drohnenkamera aus, erfasst anderseits den Abstand gegenüber dem Messobjekt mittels einer Ultraschall-Phasenlaufzeitmessung möglichst genau und verwendet zudem eine abstandsgetriggerte Pulsbeleuchtung und Streifenbildaufzeichnung. Dafür wird eine spezielle Messtrategie ausgearbeitet und umgesetzt. Zur Bewertung der erreichten bzw. der erreichbaren Messunsicherheit werden Vergleichsmessungen an speziellen Teststrukturen auch im Labormaßstab durchgeführt. Außerdem soll eine Messunsicherheitsanalyse der kamerabasierten Phasenmessung erfolgen, bei der Monte-Carlo-Simulationen und statistische Unsicherheitsberechnungen gemäß GUM kombiniert werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2433: Messtechnik auf fliegenden Plattformen