Titel Unbemannte Fluggeräte (UAV) zur Zustandsermittlung von Bauwerken

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1 Zukunft Bau KURZBERICHT Titel Langfassung Titel: Unbemannte Fluggeräte (UAV) zur Zustandsermittlung von Bauwerken Anlass/ Ausgangslage In diesem Forschungsprojekt wurden wissenschaftliche Fragestellungen im Zusammenhang mit der Anwendung von UAV zur Zustandsermittlung von Bauwerken bearbeitet. Anhand konkreter Untersuchungen an ausgewählten Referenzobjekten sollte das Potential solcher Geräte zur kostengünstigen Inspektion von Bauwerken aktiviert werden. Schwerpunkt war die Bewertung der Qualität der Bild- und Videodaten zur Identifizierung typischer Bauwerksschäden und weiteren Verwendbarkeit. Gegenstand des Forschungsvorhabens Basis des Projekts war eine umfassende Bestandsaufnahme und kritische Untersuchung zu möglichen Einsatzszenarien von UAV an Bauwerken. In Zusammenarbeit mit allen Projektpartnern wurden die im Projekt zu untersuchenden Anwendungsfälle und die daraus resultierenden Untersuchungsparameter erarbeitet und festgelegt. Grundlage dafür war die Auswahl relevanter typischer Bauwerksklassen und deren Charakterisierung. Dazu wurde jeweils ein konkretes Bauwerk aus den Kategorien Hochbauwerke, historische Bauwerke, Industriebauwerke und Ingenieurbauwerke ausgewählt. Für das jeweilige Bauwerk wurden die bauwerksspezifischen Eigenschaften, wie geografische Lage, Geometrie, Material und Oberflächenbeschaffenheit erfasst und die daraus resultierenden Untersuchungsparameter bezüglich der UAV-basierten Untersuchung dieses Bauwerks abgeleitet. Im zweiten Abschnitt wurden detaillierte Untersuchungen zu den lokalen aerodynamischen Windverhältnisse um die Bauwerke durchgeführt. Dazu wurden numerische Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics, CFD) eingesetzt. Insbesondere untersucht wurden die kritischen Bauwerksbereiche, wie Abschattungsbereiche hinter Bauwerken aber auch Zonen mit erheblichen Fluktuationen der Windgeschwindigkeiten. Die Beschreibung erfolgte über eine grafische Aufbereitung von mittleren Strömungsgeschwindigkeiten sowie den fluktuierenden Anteilen (Turbulenzen). Die Ergebnisse dieser aerodynamischen Untersuchungen der Windverhältnisse und die daraus abzuleitenden Bauwerksparametern wurden in Strategien zur methodischen Optimierung der UAV-Technologie überführt und zur Optimierung der Steuerungs- und Regelungstechnik genutzt. Ein wesentliches Element des dritten Projektabschnittes war die Entwicklung von Steuerungs- und Regelungsmethoden, die einen Anprall der Geräte am Bauwerk verhindern. Die Nutzung von distanzmessenden Sensoren wurde hierfür untersucht. Die Versuchsimplementierungen wurden vom Projektpartner Ascending Technologies durchgeführt und im Rahmen der Aufnahmen an den Referenzbauwerken intensiv getestet. Anwendungsgrenzen wurden aufgezeigt. Ein zweites Element war die Untersuchung und Erprobung möglicher mechanischer Anprallschutzmechanismen. Die dabei gewonnen Erkenntnisse und Ergebnisse flossen in die weiteren Untersuchungen von Missionen mit teilautonomer Befliegung auf Basis von Geometrie- und Positionsdaten großer Gebäude ein. Intensive gemeinsame Tests und Untersuchungen an den Referenzbauwerken führten zu aussagekräftigen Ergebnissen hinsichtlich der praktischen Anwendbarkeit von solchen Missionen. Die Grenzen vorhandener Flugplanungssoftware wurden aufgezeigt und mögliche Verbesserungen bzw. Erweiterungen erarbeitet. Zudem wurden parallel zu den gesamten Untersuchungen Daten zum logistischen Aufwand beim Einsatz von unbemannten Fluggeräten gesammelt, um auch hier eine Aussage zur praktischen Anwendbarkeit dieser Untersuchungsmethode an Bauwerken treffen zu können. Einer der methodischen Schwerpunkte lag in der Bewertung der an den Referenzobjekten gewonnenen Daten zur Flugstabilität des Fluggerätes und von Foto- und Videomaterial hinsichtlich der Identifizierbarkeit von Schäden. Einflüsse wie Lichtverhältnisse und Bewegungseigenschaften der UAV sowie der Kameratechnik (z.b. Sensor-Auflösung, Rauschverhalten bei hohen Empfindlichkeiten sowie Brennweiten und Lichtstärke von Objektiven) flossen dabei in die Bewertung ein. Als ein wesentliches Bewertungskriterium diente hierbei, inwieweit Schäden wie Risse bestimmter Öffnungsweiten vom Nutzer visuell identifiziert werden können. Weitere Methoden zur Aufbereitung und Weiterverwertung wurden eingehend untersucht. Schwerpunkt hierbei waren Anwendungsmöglichkeiten zur photogrammetrischen Auswertung der Bilddaten, wie z.b. zur Erzeugung von hochgenauen 3D-Bauwerksmodellen, die über Vergleiche von 3D-Punktwolken zur Ermittlung und Visualisierung geometrischer Veränderungen am Bauwerk genutzt werden können. Bei den verschiedenen Untersuchungen zu den Fluggeräten bzw. zum Einsatz der Fluggeräte an Bauwerken wurden Einsatzund Anwendungsgrenzen aufgezeigt und daraus weiterer Forschungsbedarf abgeleitet, der sich einerseits auf das Fluggerät und andererseits auf die Auswertung, Aufbereitung und Weiterverwendung der generierten Daten bezieht.

2 Fazit Professionelle high-end UAV mit qualitativ hochwertiger Kameraausstattung sind grundsätzlich sehr gut für die visuelle und sogar messtechnische Zustandsermittlung von Bauwerken auf Basis hochaufgelöster Bild- und Videodaten geeignet. Insbesondere bei sehr großen, hohen und schwer zugänglichen Bauwerken können diese Systeme einen wesentlichen Beitrag zur Effizienzsteigerung und Kostenreduzierung bei der Zustandserfassung und regelmäßig wiederkehrenden Inspektionen leisten. Der Einsatz solcher Systeme kann zu einer deutlichen Vereinfachung und Beschleunigung der Bestandsdatenermittlung führen und die Erfassung, Auswertung und Dokumentation des Bauwerkszustandes wesentlich unterstützen. Eckdaten Kurztitel: Unbemannte Fluggeräte (UAV) zur Zustandsermittlung von Bauwerken Forscher / Projektleitung: Prof. Dr. Guido Morgenthal, Dipl.-Ing. Norman Hallermann Bauhaus-Universität Weimar Institut für Konstruktiven Ingenieurbau Professur Modellierung und Simulation Konstruktion Marienstraße Weimar Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) Web: guido.morgenthal@uni-weimar.de norman.hallermann@uni-weimar.de Gesamtkosten: ,52 Anteil Bundeszuschuss: ,00 Projektlaufzeit: 18 Monate BILDER/ ABBILDUNGEN: Bild 1: Verwendetes Flugsystem AscTec Falcon 8 mit Ausstattung für die Untersuchungen im Forschungsprojekt

3 Bild 2: Numerische Strömungssimulation des mittleren Windgeschwindigkeitsfeldes (links) und der Turbulenzen (rechts) am Referenzobjekt Dom zu Magdeburg bei einer Anströmgeschwindigkeit von 10m/s und einem Anströmwinkel von 52,5 Bild 3: Detailausschnitt (100% Auflösung) einer Luftbildaufnahme eines Risses auf einer Betonoberfläche (Aufnahmeabstand: 7,5m, Rissbreite: 0,5mm)

4 Bild 4: Manuelle Aufnahme des Heiligen Hieronymus im Dom zu Halberstadt (Innenraum) im Teameinsatz Bild 5: Gemeinsame Aufnahmen am Dom zu Magdeburg, Live-Begutachtung des Bauwerkszustandes durch die zuständigen Bauwerksexperten

5 Bild 6: Verwendeter Prototyp AscTec Firefly mit Intel RealSense-Technologie zur Erprobung der Hinderniserkennung Bild 7: 3D-Modellierung einer geschädigten Ecke am Schiefen Turm vom Bad Frankenhausen (original Luftbild unten rechts)