Entwicklung eines fächerartigen Distanzmesssystems zur Messung von Rotorblättern. Konzept, Orientierung und erste Ergebnisse

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1 Entwicklung eines fächerartigen Distanzmesssystems zur Messung von Rotorblättern Konzept, Orientierung und erste Ergebnisse Martina Göring M.Sc. & Prof. Dr. Thomas Luhmann

2 AUFGABENSTELLUNG Entwicklung Messsystem Zur Erfassung von Rotorblätter Berührungslos und markierungsfrei Herausforderung Viele Freiheitsgrade an der Anlage Schlagbewegung ~10% der Blattlänge Schwingung Blatt ca. 1m & 2 Hz Dimensionen Höhe der Gondel bei 100m Länge vom Rotorblatt bei 80m Verformung vom Rotorblatt Genauigkeit der Torsion <1 2

3 GLIEDERUNG 1. WindScan Lösungsansatz zur Vermessung von Rotorblättern 2. Fächerartiges Distanzmesssystem Neues Messsystem 3. Relative Orientierung Konzept Durchführung Auswertung Ergebnisse 4. Zusammenfassung & Ausblick 3

4 WINDSCAN Einsatz mehrerer Laserscanner an WEA 3D-Scan für Koordinatensystem Liegt in der Nabe 1D-Scan für Profile Rotorblatt geht durch den Laserstrahl Distanzen in Abhängigkeit von der Zeit Kutterer et al. 2009: Kinematisches terrestrisches Laserscanning. Zeitschrift für Geodäsie, Geoinformation und Landmanagement (zfv) 4

5 AUFGABENSTELLUNG Probleme in WindScan / Herausforderung für Neuentwicklung Ziel: Verformung vom Rotorblatt Genauigkeit der Torsion <1 Relative Genauigkeit zwischen Messsystemen Ausrichtung vom Messsystem Profile sollen zeitgleich erfasst werden Kosten für Laserscanner Neuentwicklung Fächerartiges Distanzmesssystem 5

6 KONZEPT: FÄCHERSENSOR Vorstellung des Messsystems Fächersensor 4 Distanzmesser Laserstrahlen Spannen eine Ebene auf Horizontalwinkel verstellbar Vorteil: Synchronisation ist systemintern Vereinfachte Ausrichtung auf Rotorblätter Weniger Freiheitsgrade Geringere Gerätekosten 6

7 UMSETZUNG: FÄCHERSENSOR Vorstellung des Messsystems Fächersensor 4 Distanzmesser vom Z+F Imager 5006 Phasenvergleichsverfahren Arbeitsbereich ist bei 785nm Gewicht von ~35kg 86cm Lasereinheit Recheneinheit 36cm 7

8 FÄCHERSENSOR Vorstellung des Messsystems Kamera PCO Highspeed-Kamera Am Rahmen des Fächersensors fixiert Dient als Referenzsystem Lage und Orientierung müssen bekannt sein PCO-Kamera 8

9 HERAUSFORDERUNG: RELATIVE ORIENTIERUNG Wie kann die relative Orientierung bestimmt werden? Für jeden Distanzmesser müssen 5 Unbekannte bestimmt werden X, Y, Z, Horizontal- & Vertikalwinkel Distanzmesser gibt nur 1D-Information ( Strecken) Orientierung zwischen windschiefen Geraden bestimmen PCO-Kamera im gleichen Koordinatensystem Lösungswege Testfeld bewegt sich Messsystem bewegt sich Kim et al. 2012: "Developing a robust sensing system for remote relative 6-DOF motion using 1-D laser sensors." IEEE International 9

10 KONZEPT: RELATIVE ORIENTIERUNG Testfeld Messsysteme Photogrammetrie Lasertracker Fächersensor (FS) Testfeld steht still & FS wird bewegt Mit codierten Messmarken & Nester Ablauf der Messung Fächersensor wird in Bezug zum Testfeld bestimmt Verschiedene Positionen vom FS Vorteil 2 Standpunkte notwendig Im Feld durchführbar Standpunkt 2 Standpunkt 1 Fächersensor + Kamera Lasertracker 10

11 DURCHFÜHRUNG: RELATIVE ORIENTIERUNG Praktische Umsetzung im Labor Fächersensor vor Testfeld Nester Maßstab Testfeld Fächersensor + Kamera Tisch FS Nester 11

12 DURCHFÜHRUNG: RELATIVE ORIENTIERUNG Testfeld Standpunkt 1: 3m parallel zur Wand 2: 3m schräg zur Wand 3: 10m parallel zur Wand 4: 6m parallel zur Wand Lasertracker Standpunkt 2 Koordinatensysteme Testfeld & Tisch FS & Lasertracker Über Nester verknüpft Fächersensor PCO-Kamera Standpunkt 1 Fächersensor + Kamera Tisch FS 12

13 AUSWERTUNG: RELATIVE ORIENTIERUNG Arbeitsschritte Einmessen D vom Testfeld mit Nikon D2 2. Einmessen der Laserflecken mit Mamiya 3. Einmessen der Nester mit Lasertracker 4. Transformation in gemeinsames Koordinatensystem über die Nester am Testfeld (BestFit Methode) 5. Transformation in Nester vom Tisch FS (3-2-1 Methode) Göring Fächersensor 13

14 AUSWERTUNG: RELATIVE ORIENTIERUNG Testfeld 6. Berechnung der Position der Sensoren im Koordinatensystem Tisch Kombination von 2 Standpunkten Anzahl Lösungen: n(n+1)/2 3D-Koordinaten der Lasermessflecken, um Richtungsvektor zu bestimmen Gemessenen Strecken (s 1 & s 2 ) vom Fächersensor 2 Lösungen pro Standpunkt-Kombination Erwartung: Abweichungen in Größenordnung der Streckengenauigkeit < 1mm Mittelwert der 2 Lösungen p s 1 s 2 Ausblick: Ausgleichslösung über mehrere Standpunkte 14

15 AUSWERTUNG: RELATIVE ORIENTIERUNG Arbeitsschritte Transformation D ins Koordinatensystem vom Fächersensor (3-2-1 Methode) Ursprung liegt in Sensor 4 X-Achse zeigt in Richtung Sensor 1 Laserpunkt an Testfeld definiert XZ-Ebene z x Bestimmung der relativen Orientierung vom Fächersensor X[mm] Y[mm] Z[mm] Omega / V [ ] Phi / Hz [ ] Sensor 1 524,9 0,0 0,0 90,1 86,2 Sensor 2 350,7-0,7-3,4 90,0 88,3 Sensor 3 175,7-0,5-6,9 90,0 90,0 Sensor 4 0,0 0,0 0,0 90,0 94,5 9. Rückwärtsschnitt der PCO-Kamera Göring Fächersensor 15

16 AUSWERTUNG: RELATIVE ORIENTIERUNG Abweichungen zwischen Standpunkt-Kombinationen Abweichungen zum Mittelwert Standpunkte 1: 3m parallel zur Wand 2: 3m schräg zur Wand 3: 10m parallel zur Wand 4: 6m parallel zur Wand X[mm] Y[mm] Z[mm] V [ ] Hz [ ] Standpunkte 1+2-1,20 0,00 0,00-0,03 0,18-0,64-2,55-0,37-0,06 0,19 0,89-1,92 0,22-0,04 0,22 0,00 0,00 0,00 0,00 0,21 Standpunkte 1+3 0,56 0,00 0,00 0,02 0,02 0,50 0,30 0,36 0,02 0,02 0,15 0,26 0,57 0,02 0,02 0,00 0,00 0,00 0,00 0,02 Standpunkte 1+4 1,11 0,00 0,00 0,00 0,00 1,36 0,59-0,11 0,01 0,01 0,49-0,02-0,02 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00-0,01 Standpunkte 2+3 0,07 0,00 0,00-0,02-0,05 0,05 0,81 0,14-0,01-0,05-0,39 0,35 0,12 0,00-0,06 0,00 0,00 0,00 0,00-0,05 Standpunkte 2+4 0,40 0,00 0,00-0,05-0,08 0,85 1,49-0,32-0,02-0,08-0,26 0,19-0,47-0,02-0,09 0,00 0,00 0,00 0,00-0,09 Standpunkte 3+4-0,95 0,00 0,00 0,07-0,08-2,13-0,64 0,30 0,05-0,09-0,89 1,12-0,41 0,04-0,09 0,00 0,00 0,00 0,00-0,08 16

17 AUSWERTUNG: RELATIVE ORIENTIERUNG Zusammenfassung Ergebnis Mittelwert aus allen Standpunkt-Kombinationen y z x X[mm] Y[mm] Z[mm] Omega / V [ ] Phi / Hz [ ] Kappa[ ] Sensor 1 524,9 0,0 0,0 90,1 86,2 Sensor 2 350,7-0,7-3,4 90,0 88,3 Sensor 3 175,7-0,5-6,9 90,0 90,0 Sensor 4 0,0 0,0 0,0 90,0 94,5 Kamera 229,4-334,1 108,0-7,1-178,7-179,4 Standardabweichungen X[mm] Y[mm] Z[mm] Omega / V [ ] Phi / Hz [ ] Kappa[ ] Sensor 1 0,82 0,00 0,00 0,04 0,09 Sensor 2 1,14 1,31 0,28 0,03 0,09 Sensor 3 0,59 0,93 0,36 0,03 0,11 Sensor 4 0,00 0,00 0,00 0,00 0,10 Kamera 0,04 0,17 0,05 0,01 0,01 0,01 Standardabweichungen abhängig von Standpunkt-Kombinationen 17

18 AUSWERTUNG: RELATIVE ORIENTIERUNG Auswirkungen der Standardabweichungen auf 3m (Labor) X[mm] Y[mm] Z[mm] Schrägstrecke [mm] Sensor 1 5,6 2,0 0,3 5,9 Sensor 2 6,1 3,1 0,4 6,9 Sensor 3 6,1 2,3 0,4 6,6 Sensor 4 5,2 0,0 0,4 5,3 Auswirkungen der Standardabweichungen auf 100m X[mm] Y[mm] Z[mm] Schrägstrecke [mm] Sensor 1 160,1 65,0 10,7 173,1 Sensor 2 166,7 61,7 5,3 177,9 Sensor 3 185,0 47,5 0,6 191,0 Sensor 4 174,7 0,0 13,5 175,2 Genauigkeit in Z ist wichtig für die Torsion Winkel sind wesentlich relevanter als die Position der Sensoren 18

19 ZUSAMMENFASSUNG Vermessung der Verformungen von Rotorblättern im laufenden Betrieb Entwicklung eines neuen Messsystems Fächersensor - 4 Distanzmesser PCO Kamera Relative Orientierung Konzept Fächersensor bewegt sich gegenüber Testfeld Positionen werden eingemessen (mind. 2) Umsetzung mit 4 Standpunkte Mehrere Lösungen 19

20 AUSBLICK Relative Orientierung Photogrammetrische Auswertung der Standpunkte 1&2 Ausgleichung bei mehreren Standpunkten Kontrolle der Ergebnisse durch unabhängige Messungen Simulationen Messungen am (bewegten) Rotorblatt Vortrag: Aufbau und Untersuchung einer Messeinrichtung zur Deformationsmessung von bewegten Rotorblättern im Laborversuch mittels optischer 3D-Messtechnik 20