DE102009007938A1

DE102009007938A1 - Messvorrichtung zum Messen von Verformungen elastisch verformbarer Objekte

Info

Publication number: DE102009007938A1
Application number: DE102009007938A
Authority: DE
Inventors: Bernhardt Furrer; Joachim Dr. Ihlefeld; Theo Knaus; Christoph Kluser; Joachim Tiedecke
Original assignee: Baumer Innotec AG
Current assignee: Baumer Innotec AG
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2010-08-19
Also published as: EP2394136A1; WO2010089139A1

Abstract

Die Erfindung sieht eine Einrichtung zur Messung von Verformungen einer elastischen, langgestreckten Trägerstruktur vor, welche zumindest eine optisch erfassbare Markierung an einer ersten Längsposition entlang der langgestreckten Trägerstruktur sowie zumindest eine elektronische Kamera mit einem Objektiv und einem Matrix-Sensor umfasst. Das Objektiv der Kamera ist derart auf die zumindest eine optisch erfassbare Markierung gerichtet, dass die Markierung auf den Matrix-Sensor abgebildet ist und die Kamera in Längsrichtung entlang der Trägerstruktur auf die Markierung blickt. Die Bilddaten der Kamera werden einer Bildverarbeitungsvorrichtung zugeführt, welche eingerichtet ist, anhand einer Bilderkennung die Position der Markierung innerhalb des Bildfelds zu ermitteln. Mittels einer Recheneinrichtung wird eine Abweichung der Position der Markierung von zumindest einem Sollwert ermittelt und quantifiziert.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Messung elastischer Verformungen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Messung von Verformungen eines Objekts, wie etwa eines langgestreckten Trägers, beispielsweise eines Windmühlenflügels oder einer Tragfläche.
Um Verformungen von Trägerelementen festzustellen, sind insbesondere Dehnungsmessstreifen (DMS) bekannt. Mit diesen Streifen können dehnende Verformungen erfasst werden. Sie bilden vielfach die Messeinrichtung von Waagen aller Größenordnungen, von Haushaltswaagen bis hin zu Kranwaagen. Auch Verformungsmessungen im Stahlbau oder können ebenfalls durch DMS-Messungen realisiert werden. Um die Verformung anhand der Widerstandsänderung des DMS zu messen, werden typischerweise Brückenschaltungen, wie etwa eine Wheatstone-Brücke eingesetzt. Die mechanische Kopplung des DMS erfolgt typischerweise durch Aufkleben.
Auch wenn die mit DMS duchgeführten Messungen von hoher Genauigkeit sind, bestehen dennoch einige Nachteile. Sind die Strukturen an denen die Verformung gemessen werden soll, sehr lang und die Verformung selbst relativ klein, müsste für eine zuverlässige Messung ein sehr langer Dehnungsmessstreifen eingesetzt werden. Damit steigt der apparative Aufwand, sowie auch das Gewicht. Es muss ausserdem sichergestellt werden, dass die Verbindung des elastischen Trägers zum DMS lagzeitstabil bleibt.
Zudem kann bei einer dauerhaften Änderung der Widerstandsparameter nicht darauf geschlossen werden, ob etwa eine dauerhafte Verformung des eigentlichen Trägers oder eventuell eine alterungsbedingte Änderung der Widerstandswerte des DMS oder der Brückenschaltung ursächlich sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Probleme, insbesondere auch für längere Messstrecken zu lösen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Demgemäß sieht die Erfindung eine Einrichtung zur Messung von Verformungen einer elastisch verformbaren Objekts vorzugsweise einer, langgestreckten Trägerstruktur vor. Diese Einrichtung umfasst zumindest eine optisch erfassbare Markierung an einer ersten Längsposition entlang des elastisch verformbaren Objekts, sowie zumindest eine elektronische Kamera mit einem Objektiv und einem Matrix-Sensor, wobei das Objektiv der Kamera auf die zumindest eine optisch erfassbare Markierung gerichtet ist, derart, dass die Markierung auf den Matrix-Sensor abgebildet ist und die Kamera in Längsrichtung entlang des elastisch verformbaren Objekts auf die Markierung blickt. Die Einrichtung zur Messung von Verformungen umfasst weiterhin eine Bildverarbeitungsvorrichtung, welcher die Bilddaten der Kamera zugeführt werden. Die Bildverarbeitungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, anhand einer Bilderkennung die Position der Markierung innerhalb des Bildfelds zu ermitteln. Es ist außerdem eine Recheneinrichtung vorgesehen, welche eingerichtet ist, eine Abweichung der Position der Markierung von zumindest einem Sollwert zu ermitteln und zu quantifizieren.
Mittels dieser Einrichtung wird ein Verfahren zur Messung von Verformungen des elastisch verformbaren Objekts, wie etwa einer Trägerstruktur durchgeführt, wobei zumindest eine optisch erfassbare Markierung an einer ersten Längsposition entlang des elastisch verformbaren Objekts, sowie zumindest eine elektronische Kamera mit einem Objektiv und einem Matrix-Sensor verwendet wird, wobei das Objektiv der Kamera auf die zumindest eine optisch erfassbare Markierung gerichtet ist, derart, dass die Markierung auf den Matrix-Sensor abgebildet wird und die Kamera auf die Markierung blickt (beispielsweise in Längsrichtung entlang eines Objekts in Form einer elastisch verformbaren Trägerstruktur),
wobei einer Bildverarbeitungsvorrichtung die Bilddaten der Kamera zugeführt werden,
und wobei die Bildverarbeitungsvorrichtung eine Bilderkennung durchführt, so dass die Position der Markierung innerhalb des Bildfelds ermittelt wird,
und wobei mittels einer Recheneinrichtung eine Abweichung der Position der Markierung von zumindest einem Sollwert ermittelt und anhand der Position der Markierung innerhalb des Bildfelds quantifiziert wird.
Die Erfindung erlaubt eine hochgenaue Erfassung von Verformungen des elastisch verformbaren Objekts auch ohne Dehnungsmessstreifen. Der Installationsaufwand wird erheblich reduziert, da ein Verkleben des Dehnungsmessstreifens entfällt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird die Kamera an einer von der ersten Längsposition in Längsrichtung beabstandeten zweiten Längsposition angeordnet. Ebenso ist es aber möglich, die Kamera ausserhalb des elastisch verformbaren Objekts anzuordnen. Auch in diesem Fall blickt die Kamera vorzugsweise in Längsrichtung entlang des Objekts, wie insbesondere einer langgestreckten Trägerstruktur auf die Markierung. Dies kann in einfacher Weise durch eine Anordnung in Verlängerung der Längsrichtung der Trägerstruktur oder auch durch ein optisches Umlenkelement im Strahlengang, wie etwa einem Spiegel oder einem Prisma realisiert werden.
Insbesondere ist es günstig, vorhandene Hohlräume im Objekt auszunutzen, indem die Markierung innerhalb eines Hohlraumes angeordnet ist. Derartige Hohlräume sind insbesondere bei langgestreckten Trägerstrukturen oft vorhanden. Beispielsweise sind verschiedene Träger, wie etwa rohr- oder schachtförmige Träger innen hohl. Es ist dann im allgemeinen zweckmässig, die Markierung mittels einer Beleuchtungseinrichtung zu beleuchten.
Mit der Erfindung ist es insbesondere auch in sehr einfacher Weise möglich, Verformungen in allen Raumrichtungen zu verfolgen und zu quantifizieren. Dies kann erreicht werden, indem zumindest zwei entlang der Längsrichtung in unterschiedlichem Abstand von der Kamera beabstandete Markierungen vorgesehen werden, wobei die Recheneinrichtung eingerichtet ist, anhand eines Vergleichs der Positionen der beiden Markierungen eine Längenänderung oder eine ungleichmässige Deformation der Trägerstruktur oder eines anderen Objekts zu ermitteln und zu quantifizieren.
Eine solche ungleichmässige Deformation kann durch die Messung der Deformation in zwei Distanzen erfolgen. Liegt eine normale Deformation, wie beispielsweise eine Durchbiegung vor, dann liegen beide Markierungen auf oder in der Nähe einer Sollkurve. Eine Abweichung der Position der Markierungen von der von der Struktur her bekannten Krümmungskurve kann beispielsweise durch eine Knickstelle oder eine lokale Schwächung der Struktur hervorgerufen werden. Wird eine solche Abweichung detektiert, kann beispielsweise ein Warnsignal generiert oder die Vorrichtung mit dem Träger oder einem anderen elastisch verformbaren Objekt abgeschaltet, beziehungsweise in einen sicheren Zustand gefahren werden.
Nachfolgend wird die Erfindung in Bezug auf die Verformung eines elastisch verformbaren Trägers beschrieben. Die Erfindung kann in gleicher Weise dabei jeweils auch auf andere elastisch verformbare Objekte angewendet werden.
Um die in verschiedenen Distanzen angeordneten Markierungen unterscheiden zu können, ist es gegebenenfalls günstig, unterschiedliche Formen der Markierungen, beispielsweise unterschiedliche Reflektoren zu verwenden, die dann mit Bildverarbeitung diskriminiert werden können. Weitere Unterscheidungsmerkmale könnten unterschiedliche ”Farben” (Wellenlängen der Reflektion) oder Einbaurichtungen sein. Die Unterscheidungsmerkmale könnten auch kombiniert werden. Wenn unterschiedliche ”Farben” verwendet werden können diese durch eine Farbkamera oder durch unterschiedliche Beleuchtungen unterschieden werden. Eine Kodierung verschiedener Markierungen kann in vorteilhafter Weise auch durch einen oder mehrere wellenlängenselektive Filter, wie insbesondere Farbfilter auf den Markierungen. Dann können in Weiterbildung der Erfindung zu unterschiedlichen Zeiten die verschiedenen Markierungen mit unterschiedlichen Wellenlängen beleuchtet und selektiv ausgewertet werden.
Es können in Weiterbildung der Erfindung auch mehr als zwei in verschiedenen Distanzen zur Kamera angeordnete Markierungen verwendet werden. Beispielsweise können mehrere Reflektoren hintereinander angeordnet und mit der Kamera in einer Achse oder unter Winkel betrachtet werden, wobei die laterale und/oder axiale Verschiebung ausgewertet wird.
Weiterhin ist es auch möglich, eine Torsion der Trägerstruktur um deren Längsachse zu ermitteln. Dazu wird in Weiterbildung der Erfindung eine Markierung mit zumindest zwei lateral zur Betrachtungsrichtung beabstandeten Markierungselementen verwendet, wobei anhand einer Rotation der Markierungselemente in der Bildebene eine Torsion der elastischen, langgestreckten Trägerstruktur ermittelt und quantifiziert wird. Aufgrund der Torsion drehen sich die Markierungselemente um einen Drehpunkt in der Bildebene. Der Drehpunkt muss dabei nicht selbst innerhalb des Bildfeldes liegen. Allerdings führt die Torsion dann dennoch zu einer Änderung des Winkels der die beiden Elemente verbindenden Strecke.
Eine geeignete Beleuchtung der Markierung kann durch einen Laser realisiert werden, indem der Laser parallel zur Betrachtungsrichtung der Kamera auf die Markierung ausgerichtet ist. Eine günstige, platzsparende Möglichkeit ist beispielsweise, den Laser mittels eines Strahlteilers paraxial zur Blickrichtung der Kamera einzukoppeln. Die Einkopplung kann auch innerhalb des Objektivs, beziehungsweise innerhalb der Kamera erfolgen.
Vorzugsweise wird die Erfindung zur Ermittlung von Verformungen auf längere Distanzen hinweg eingesetzt. Die Länge des optischen Pfades zwischen dem Matrix-Sensor und der Markierung kann zumindest 4 Meter, vorzugsweise zumindest 6 Meter betragen. Wird die erfindungsgemäße Messeinrichtung im Inneren einer Trägerstruktur eingebaut, wird der Abstand zwischen der Markierung und der Kamera, beziehungsweise allgemeiner die Länge des optischen Pfades entlang der Längsrichtung der Trägerstruktur im wesentlichen nur dadurch begrenzt, dass die Markierung durch eine Durchbiegung der begrenzenden Wandungen abgeschattet wird.
Mit der Erfindung kann insbesondere auch eine Regelung aufgebaut werden, mit welcher Verformungen der Trägerstruktur entgegengewirkt wird. Dazu ist eine Regeleinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Messung von Verformungen vorgesehen, wobei die Regeleinrichtung eine Stelleinrichtung mit zumindest einem Stellglied umfasst, mit welcher unter Ansprechen darauf, dass von der Recheneinrichtung eine Abweichung der Markierung von einer Sollposition quantifiziert wurde, der elastischen Verformung entgegengewirkt wird. Ein Einstellen kann insbesondere davon abhängig gemacht werden, dass die Deformation einen vordefinierten Grenzwert überschreitet oder erreicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein aerodynamischer Flügel vorgesehen, welcher eine wie hierin beschriebene Einrichtung zur Messung von Verformungen aufweist, sowie einen Rotor einer Windkraftanlage, wobei der Rotor einen solchen aerodynamischen Flügel umfasst. Dabei ist es günstig, zumindest die Markierung der Messeinrichtung im Inneren des Flügels anzuordnen und eine aktive Beleuchtung der Markierung vorzusehen.
Die Kamera kann im Flügel, beziehungsweise Rotorblatt selbst untergebracht sein. Es bietet sich aber auch an, die Kamera in der Rotornabe anzuordnen. Damit können elektrische, beziehungsweise elektronische Elemente innerhalb des Rotorblatts vermieden werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Erfindung auch im Turm der Windkraftanlage, welcher den Rotor trägt, eingesetzt werden.
Die Erfindung kann hier in besonders vorteilhafter Weise zusammen mit einer wie oben beschriebenen Regeleinrichtung eingesetzt werden, wobei das Stellglied ein Stellglied zur Einstellung des Anstellwinkels umfasst, und wobei die Stelleinrichtung den Anstellwinkel des Rotorblatts ändert. Auch kann allgemein der Auftrieb des Flügels mittels einer oder mehrerer Stellglieder geändert werden. Gedacht ist hierbei besonders auch an die Klappen an den Tragflächen eines Flugzeugs.
Um eine exakte Quantifizierung einer Verformung anhand der Position der Markierung im Bildfeld der Kamera vornehmen zu können, ist die Kenntnis des Abstands der Markierung zur Kamera wertvoll. Im einfachsten Fall wird die Markierung in definiertem Abstand an der Trägerstruktur angebracht. Es ist aber auch möglich, die Messeinrichtung selbstkalibrierend auszugestalten. Dazu ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Länge des optischen Pfades vom Matrix-Sensor zur Markierung durch eine Laufzeit-Messung eines Lichtstrahls oder anhand der Größe eines auf die Markierung projizierten Musters bestimmt wird. Beispielsweise kann ein Laser ein Gitter auf die Fläche des Musters projizieren. Anhand der Abstände des Musters kann die Entfernung von der Kamera dann in einfacher Weise durch Triangulation automatisch bestimmt werden. In entsprechender Weise ist es je nach Ausgestaltung der Markierung auch möglich, anhand der Grösse der Markierung oder des Abstandes von Markierungselementen in der Bildebene durch Triangulation eine Kalibrierung vorzunehmen.
In einfachster Ausprägung der Erfindung kann die Markierung durch zur Umgebung der Markierung kontrastierende Punkte oder Streifen oder ähnliche Strukturen gegeben sein.
Bis zu gewissen Frequenzen lassen sich auch Vibrationen der Trägerstruktur, wie etwa eines Flügels direkt messen. Wesentlich ist die Bildfrequenz der Kamera. Die Nutzung von modernen Digitalchips, bei denen eine ROI (Region of Interest) gesetzt werden kann und nur dieser Bereich ausgelesen werden kann, erlauben erhöhte Messfrequenzen. Auch wenn ist die Messfrequenz limitiert ist, können höhere Frequenzen jedoch auch in ihrer Richtung und Amplitude durch eine Verschmierung des Bilds der Markierung gemessen werden. Eine direkte Messung der Vibrationen ist für Frequenzen bis 20 Hertz mit einer Bildwiederholungsrate von zumindest 50 Hertz, vorzugsweise zumindest 60 Hertz ohne weiteres möglich.
Für eine direkte Messung der Vibration der Trägerstruktur wird eine Bildsequenz aufgenommen und anhand des aus den Einzelbildern bestimmten Verlaufs der Positionsänderung der Markierung zumindest einer der Parameter Amplitude und Frequenz der Vibration mittels der Recheneinrichtung bestimmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Markierung einen Code, in welchem eine Ortsinformation der Position des Codes codiert ist, wobei die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, den Code zu decodieren und damit den Ort des Blickfelds der Kamera auf dem Objekt festzustellen. Der Code kann dabei die Gestalt eines Streifen und/oder Punktmusters oder beliebige Symbole z. B. Schriftzeichen, Texturen, Farbmarkierungen in welchem Positionsdaten codiert sind, umfassen. Wird die Information des Codes durch die Bildverarbeitungseinrichtung decodiert, steht direkt eine Ortsinformation bereit, welche zum Ort des Bildfelds, vorzugsweise dessen Mitte liefert.
Zusätzlich zur Ortsinformation ist vorzugsweise ein Synchronisationsmuster, wie als Beispiel ein Gitter enthalten. Für einen solchen Code genügt es, einen sehr kleinen Codeausschnitt mit einer Lichtquelle, z. B. einem kollimierten Laser, zu beleuchten und mit einer Kamera zu erfassen und anschließend den Schnittpunkt der optischen Achse der Kamera oder eines zu optischen Achse definiert verschobenen Punkts mit dem Code und damit die Verschiebung zum Rasterursprung, ausgedrückt in einer diskreten Zahl von Rasterelementen zu bestimmen.
Als Ortsinformation werden insbesondere Ortskoordinaten im Code codiert. Diese müssen nicht die Ortsposition in absoluten Einheiten zu einem vorgegebenen Bezugspunkt angeben. Eine relative Angabe reicht vielmehr völlig aus. Als relative Angabe kann daher in einem sehr einfachen Fall beispielsweise eine eindeutige, gegebenenfalls auch zyklisch wiederholte Nummerierung der Codeeinheiten als Ortsinformation ausreichen. Zur Nummer jeder Codeeinheit korrespondiert dann eine bestimmte Stelle auf dem Objekt.
Durch Translation und Rotation der zu untersuchenden Oberfläche ändert sich das erfasste Bild. Neben einer reinen Verschiebung treten Verzeichnungen auf, die durch eine affine Transformation beschrieben werden können. Die technische Aufgabe ist hierzu invers, aus einem gemessenen Bild werden die Translations- und Rotationsparameter berechnet, d. h. die Parameter der affinen Rücktransformation, die einer Hauptachsentransformation entspricht auf ein ideales Rasters bestimmt.
Die Meßgenauigkeit wird unter anderem von der Präzision der Rasterdetektion bestimmt. Besonders vorteilhaft sind deshalb schnelle, vorzugsweise subpixelgenaue Kantendetektoren als Bestandteil der Bildverarbeitungsvorrichtung.
Die Messung der Positionsänderung des Musters gegenüber der Referenzposition kann dann folgendermassen durch die Messeinrichtung und deren entsprechend eingerichtete Bildverarbeitungs- und Recheneinrichtung erfolgen:
Die Konturen werden durch digitale Strecken approximiert, es werden Schnittpunkte der Rasterlinien ermittelt. Diese Schnittpunkte werden in geordneter Reihenfolge in einer Matrix Matrix1 abgelegt, wobei durch digitale Strecken verbundene Schnittpunkte in identischen Zeilen bzw. Spalten der Matrix1 gespeichert werden, nicht belegte Punkte werden als offen markiert (disabled). Die Haupachsentransformation zwischen einer als Referenzposition angelernten Matrix2 (diese muss nicht notwendig orthogonal sein) und der Matrix1 liefert die benötigten 6 Transformationsparameter, nämlich drei Translationsparameter x, y, z und drei Rotationsparameter α, β, γ. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines CMOS-Sensors mit integriertem Gradientenfilter und digitalem Signalprozessor (DSP). Mit dieser Hardware kann eine sehr schnelle und kostenoptimale Single-Chip-Verarbeitung durchgeführt werden. Damit ist die Bildverarbeitungsvorrichtung und die Recheneinrichtung zumindest teilweise oder sogar vollständig in der Kamera integriert.
Es ist nicht notwendig, dass die Ortsinformation des Codes in absoluter Weise zur Ortsposition korrespondiert. Eine relative Information ist ebenfalls ausreichend, wenn eine Kalibrierung durchgeführt wird. Es ist allerdings auch von Vorteil, wenn bekannt ist, in welchen Abständen entlang des Codes die Ortsinformation abgespeichert ist. In diesem Fall kann direkt aus der Decodierung der Ortsinformationen der Absolutbetrag der durch eine Verformung der Trägerstruktur verursachten lateralen Verschiebung der Markierung erhalten werden. Ist zum Beispiel bekannt, dass die Ortsinformation in bestimmten Abständen, beispielsweise von einem Zentimeter abgelegt ist, kann die Verschiebung des Musters gegenüber der Referenzposition durch einfache Differenzbildung der decodierten Ortskoordinaten erhalten werden.
Besonders geeignet ist ein zweidimensionaler Code. Mit einem solchen Code können zur Verbesserung der Messgenauigkeit auf einfache Weise mehrere, unabhängige Meßfelder realisiert werden, indem z. B. mit einer zweiten Kamera eine weitere Position bestimmt wird. Ebenso ist es möglich, den Code auf einer nicht planaren Oberfläche anzubringen und zwei voneinander entfernte Gebiete, die in einem Winkel zueinander stehen, abzutasten. In einem solchen Code als Markierung ist dann Ortsinformation für die Orte entlang zweier nicht paralleler, vorzugsweise senkrechter Richtungen codiert. Entsprechend kann hier durch Decodierung des Codes aus der Bildinformation mittels der Bildverarbeitungseinrichtung eine Verschiebung gegenüber einer Referenzposition entlang zweier nicht paralleler Achsen erhalten werden.
Generell ist es bei der Verwendung eines Codes als Markierung zweckmäßig, eine Strecke, oder im Falle eines zweidimensionalen Codes eine Fläche mit der Markierung zu überdecken, welche so gross sind, dass die Verschiebungen aufgrund der zu messenden elastischen Verformungen innerhalb der Strecke, beziehungsweise Fläche liegen. Mit anderen Worten ist auch bei der maximal erfassbaren Verformung ein Teil des Codes im Bildfeld, besonders bevorzugt dabei auch in der Bildmitte sichtbar.
Die Bestimmung von Translationen und Rotationen eines Objekts in drei Raumrichtungen mittels eines auf einem Objekt angebrachten Code mit darin codierter Ortsinformation ist nicht auf elastische Verformungen von Objekten beschränkt. Vielmehr eignet sich diese Ausführungsform der Erfindung ganz allgemein für die Erfassung und Quantifizierung von Bewegungen von Objekten in beliebiger Richtung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist daher eine Einrichtung zur Messung einer Positionsänderunge, insbesondere Translation und Rotation eines Objekts vorgesehen, welche einen auf dem Objekt aufgebrachten optisch erfassbaren Code mit Codeeinheiten umfasst, in welchen eine Ortsinformation, vorzugsweise in form von absoluten oder relativen Ortskoordinaten kodiert ist. Es ist zumindest eine Kamera mit einem Matrix-Sensor vorgesehen, mit welcher das Objekt, beziehungsweise der Code auf dem Objekt erfassbar ist. Die Messeinrichtung umfasst wiederum eine Bildverarbeitungs- und Recheneinrichtung. In der Recheneinrichtung ist eine Zuordnungstabelle abgelegt, in welcher die geometrischen Positionen zumindest einiger Codeeinheiten an einer Referenzposition abgelegt sind. Die Bildverarbeitungseinrichtung ist, wie oben beschrieben, dazu eingerichtet, den Code zu erkennen und zu decodieren und damit die decodierte Ortsinformation einer Bildposition zuzuordnen. Die Recheneinrichtung ist eingerichtet, die Transformation, vorzugsweise in Form einer Hauptachsentransformation zu bestimmen, welche die Referenzposition gemäß der Zuordnungstabelle in die aktuelle, von der Kamera erfasste Position, zu welcher der Code an der Bildposition decodiert wurde, überführt. Diese Transformationsparameter beschreiben die Positionsänderung des Objekts.
Ein besonders für die Erfindung geeigneter zweidimensionaler Code ist in der EP 1333402 A1 beschrieben, welche in Bezug auf die Ausgestaltung und Ausprägung des Codes vollumfänglich auch zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemacht wird.
Demgemäß weist in Weiterbildung der Erfindung der zweidimensionale Code zumindest eine, vorzugsweise alle der folgenden Eigenschaften auf:

– der Code umfasst ein Muster, welches ein der Synchronisation dienenden Synchronisations-Code und einen positionsabhängigen Code enthält,
– Positionsdaten sind in Codeeinheiten fester Grösse codiert,
– der Code umfasst ein Muster, welches einen der Synchronisation dienenden Synchronisations-Code umfasst, wobei dieser Synchronisations-Code variabel ist, nach einer vorbekannten Bildungsvorschrift gebildet wird und geometrisch gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt ist,
– der Code umfasst ein Muster, welches ein der Synchronisation dienenden Synchronisations-Code umfasst, welcher zwei variable Komponenten umfasst, welche jeweils zur Synchronisation entlang zweier nicht paralleler Richtungen auf der Oberfläche dienen,
– der Code umfasst ein Muster, welches einen der Synchronisation dienenden Synchronisations-Code umfasst, welcher selbst positionsabhängige Daten, vorzugsweise das oder die Least-Significiant-Bits der codierten Positionsdaten enthält,
– der Code umfasst ein Muster, welches einen der Synchronisation dienenden Synchronisations-Code umfasst, wobei der Synchronisations-Code geometrisch gleichmässig über das Muster hinweg verteilt ist,
– der Code umfasst ein Muster, welches einen der Synchronisation dienenden Synchronisations-Code, welcher mit zumindest der doppelten Ortsfrequenz im Vergleich zu dem positionsabhängigen Code vorliegt,
– Positionsdaten sind in Codeeinheiten fester Grösse codiert, wobei die Ortsinformation nicht vollständig in einer Codeeinheit vorhanden ist, wobei ein vollständige Decodierung der Ortsinformation durch Erfassung eines Felds höchstens der sechsfachen Grösse einer Codeeinheit, vorzugsweise höchstens der vierfachen Grösse einer Codeeinheit möglich ist.

Der Code kann gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung auf Code-Einheiten reduziert werden, die eine Größe von höchstens 10 × 10, vorzugsweise höchstens 8 × 8, sogar von nur 6 × 6 Feldern aufweist, wobei jedes der Felder eine Markierung darstellt, die ein Bit repräsentiert. Generell können die Codeeinheiten als wie oben beschriebene lateral beabstandete Markierungselemente der Markierung angesehen werden.
Der vorstehend beschriebene Code ist hinsichtlich seiner Informationsdichte optimiert. Der Code kann mit einem entsprechend angepassten Decodierverfahren selbst mit einem kleinen Gesichtsfeld wahlfreier Form stabil gelesen werden.
Um eine Messung elastischer Verformungen zu ermöglichen, ist gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Code zumindest teilweise auf einer schräg zur Betrachtungsrichtung angeordneten Fläche angeordnet ist, wobei die Markierung mit dem Code so angeordnet ist, dass von der Kamera oder auch von mehreren Kameras gleichzeitig in verschiedenen Entfernungen entlang der Längsrichtung der Trägerstruktur angeordnete Code-Elemente, in welchen Ortsinformation codiert ist, erfasst werden. Vorzugsweise wird der Code auf zumindest zwei zueinander im Winkel stehenden Flächen aufgebracht.
Der gegenüber der Blickrichtung der Kamera schräg angeordnete Code kann dabei ein Raster aufweisen, welches äquidistant, oder auch projektionskorrigiert ist.
Um eine Verschiebung der mit dem Code versehenen Flächen gegenüber einer Referenzposition und damit eine Deformation der Trägerstruktur zu ermitteln, kann in vorteilhafter Weise in der Recheneinrichtung eine Zuordnungstabelle von Koordinaten, vorzugsweise dreidimensionalen Koordinaten zu Ortsinformationen des Codes abgelegt werden. Die Zuordnungstabelle kann, wie weiter unten genauer beschrieben wird, unter anderem durch Projektion eines Gitters auf die mit dem Code versehenen Flächen und einem Vergleich mit der decodierten Ortsinformation generiert werden.
Aus den decodierten Positionsdaten kann bei bekannter Anordnung des Codes bei der Referenzposition durch die Recheneinrichtung eine Hauptachsentransformation errechnet werden, mit welcher die Markierung von der Referenzposition in die gemessene Position transformiert. Aus dieser Hauptachsentransformation kann dann die Positionsänderung gegenüber der Referenzposition ermittelt und quantifiziert werden. Dies erlaubt eine Erkennung sowohl einer Rotation, als auch einer Translation in drei Raumrichtungen.
Generell kann die Erfindung dazu benutzt werden, die Funktionalität einer Trägerstruktur, wie etwa eines Rotorflügels einer Windkraftanlage zu überwachen, steuern und/oder regeln. Dies kann auch vorausschauend, beziehungsweise extrapolierend erfolgen, indem durch die Recheneinrichtung gemessene Bewegungsmuster mit abgespeicherten Bewegungsmustern verglichen werden. Ein Beispiel ist eine Vibration mit noch zulässiger, sich jedoch aufschaukelnder Amplitude. Wird beispielsweise ein derartiges Bewegungsmuster detektiert, kann frühzeitig durch eine geeignete Regelung, etwa durch Änderung des Anstellwinkels entgegengewirkt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert. Dabei verweisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder entsprechende Elemente.
Es zeigen:
1 eine Ansicht eines Rotors einer Windturbine mit Teilen einer Einrichtung zur Messung von elastischen Deformationen eines Rotorblatts,
2 einen Querschnitt durch ein Rotorblatt,
3 eine Kamera der Messeinrichtung,
4 eine Videoaufnahme der Kamera während einer Durchbiegung des Rotorblatts,
5 eine Variante des Rotors aus 1,
6 eine Videoaufnahme der Kamera der Markierungen im Rotorblatt des in 5 gezeigten Beispiels,
7 ein Diagramm mit Durchbiegungskurven des Flügels des Rotors,
8 eine Anordnung der Messeinrichtung mit einem zweidimensionalen Code als Markierung,
9 eine Anordnung mit einem Code mit projektionskorrigiertem Raster.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Windkraftanlagen-Rotor 1 mit drei Flügeln 5. Jeder der Flügel 5 bildet eine elastisch verformbare Trägerstruktur. Der Rotor beherbergt Teile einer Einrichtung zur Messung von Verformungen der Flügel, deren Prinzip nachfolgend erläutert wird. Die Aufgabe der Messvorrichtung besteht nun darin, die Durchbiegung des Flügels 5 der Windkraftanlage in zwei Achsen zu messen.
Die Einrichtung zur Messung von Verformungen basiert auf zumindest einer optisch erfassbaren Markierung 7 an einer ersten Längsposition entlang des Flügels 5, sowie eine elektronische Kamera 9 mit einem Objektiv 11 und einem Matrix-Sensor, wobei das Objektiv 11 der Kamera auf die zumindest eine optisch erfassbare Markierung gerichtet ist, derart, dass die Markierung 7 auf den Matrix-Sensor abgebildet ist und die Kamera 9 in Längsrichtung entlang des Flügels 5 auf die Markierung 7 blickt, wobei die Einrichtung zur Messung von Verformungen weiterhin eine Bildverarbeitungsvorrichtung umfasst, welcher die Bilddaten der Kamera zugeführt werden, und wobei die Bildverarbeitungsvorrichtung eingerichtet ist, anhand einer Bilderkennung die Position der Markierung innerhalb des Bildfelds zu ermitteln, wobei die Einrichtung zur Messung von Verformungen außerdem eine Recheneinrichtung umfasst, welche eingerichtet ist, eine Abweichung der Position der Markierung von zumindest einem Sollwert zu ermitteln und zu quantifizieren.
Die Bildverarbeitungsvorrichtung und die Recheneinrichtung sind in 1 nicht explizit dargestellt. Allerdings können diese Einrichtungen auch in der Kamera 9 integriert sein, so dass die Kamera 9 an einem Ausgang bereits die Daten der Abweichung von der Sollposition, beispielsweise der Position des ruhenden Rotors bei Windstille ausgibt.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Kamera in der Nabe 3 des Rotors 1 eingebaut. Dies ist günstig, um elektronische Elemente in den Rotorblättern zu vermeiden. Die Rotornabe kann gegenüber den Flügeln 5 leichter gegenüber einem Blitzeinschlag abgeschirmt werden, so dass die Kamera vor einem blitzschlagbedingtem Ausfall geschützt wird.
Kommt es bedingt durch den anströmenden Wind im Betrieb zu einer Verformung des Flügels, bewegt sich die Position der Markierung 7 quer gegenüber der Längsachse des Flügels, welche auch die Blickrichtung der Kamera darstellt. Damit verschiebt sich die Position der Abbildung der Markierung auf dem Matrix-Sensor der Kamera 9. Ist der Abstand der Kamera 9 zur Markierung bekannt, kann aus der Verschiebung mittels der Recheneinrichtung die Deformation an der Stelle der Markierung leicht errechnet werden.
Der Abstand des Matrix-Sensors der Kamera 9 zur Markierung beträgt zwischen dem Matrix-Sensor und der Markierung vorzugsweise zumindest 4 Meter, besonders bevorzugt zumindest 6 Meter, um eine Verbiegung des Flügels mit hoher Genauigkeit messen zu können. Andererseits ist es im allgemeinen günstig, den Abstand nicht grösser als 40 Meter zu wählen, da ansonsten der Flügel 5 bei den auftretenden Belastungen schnell so weit verbiegt, dass die Markierung nicht mehr im Bildfeld der Kamera liegt, sondern durch die gekrümmten Wände des Flügels verdeckt wird.
Besonders bevorzugt kann allgemein eine Regeleinrichtung vorgesehen werden, mit welcher den Verformungen entgegengewirkt werden kann. Die Regeleinrichtung umfasst dazu eine Stelleinrichtung mit zumindest einem Stellglied, mit welcher unter Ansprechen darauf, dass von der Recheneinrichtung eine Abweichung der Markierung von einer Sollposition, insbesondere die Überschreitung eines Grenzwerts quantifiziert wurde, der elastischen Verformung entgegengewirkt wird. Im Falle des in 1 gezeigten Windkraftanlagen-Rotors 1 wird dabei ein Stellglied zur Einstellung des Anstellwinkels der Flügel 5 verwendet, so dass die Stelleinrichtung den Anstellwinkel des Rotorblatts in Abhängigkeit von der gemessenen Deformation ändert.
2 zeigt einen Querschnitt durch den Flügel 5. Typischerweise umfassen Flügel von Windkraftanlagen, sowie auch andere aerodynamische Flügel, wie insbesondere auch Flugzeugflügel entlang ihrer Längsrichtung verlaufende Hohlräume. Bei dem in 2 gezeigten Beispiel umfasst dabei der Flügel 5 eine Oberschale 51 und eine Unterschale 52, zwischen denen ein Holm 54 angeordnet ist. Innerhalb des Holmes 54 erstreckt sich ein schachtförmiger Hohlraum 56. Auch die weiteren Zwischenräume 55 und 57 können hohl sein. Es ist nun zweckmässig, dass wie in 2 gezeigt, zumindest die Markierung 7 der Messeinrichtung im Inneren des Flügels 5 angeordnet ist. Beispielhaft ist in 2 die Markierung im Holm 54 im schachtförmigen Hohlraum 56 eingesetzt. Damit die Kamera 9 die Markierung 7 erfassen kann, ist eine aktive Beleuchtung der Markierung vorgesehen.
3 zeigt dazu ein Beispiel einer geeigneten Kamera 9. Bei diesem Beispiel sind um das Objektiv 11 herum am Gehäuse 91 der Kamera 9 Leuchtdioden 92 vorgesehen, welche Objekte entlang der Blickrichtung der Kamera, im eingebauten Zustand also entlang der Längsrichtung des Flügels 5 beleuchten. Um einen hohen Kontrast in den aufgenommenen Bildern zu erhalten ist es dann weiterhin günstig, die Markierung als Reflektor auszubilden. Dazu kann eine Reflektorfolie, oder, wie in 2 dargestellt eine Markierung 7 in Form eines Katzenauges verwendet werden.
4 zeigt schematisch ein Kamerabild 94 aus der im Betrieb typischerweise kontinuierlich mit der vorgesehenen Bildwiederholungsrate aufgenommenen Bildsequenz. Im Kamerabild zu erkennen ist die Markierung 7, die gegenüber der Referenzposition 70 verschoben ist. Die Kamera 9 und die Beleuchtung wird so gesteuert oder eingestellt, dass das Lichtsignal des Reflektors die Kamera gut aussteuert, vorzugsweise aber nicht übersteuert. Es erfolgt eine Schwerpunktbestimmung des Reflektorbilds. Mit den bekannten Eigenschaften des Objektivs der Kamera wird die Auslenkung des Lichtflecks gegenüber der Referenzposition 70 in zwei Richtungen bestimmt. Im Falle eines Flügels 5 stellt die Referenzposition vorzugsweise die Position der Markierung 7 bei Windstille dar, bei welcher keine wesentlichen Kräfte ausser den durch das Eigengewicht verursachten Momenten auf den Flügel einwirken. Aus dem kalibrierten Abstand der Markierung zur Kamera und dem Versatz der Markierung zur Referenzposition errechnet sich aus dieser Aufnahme eine Verbiegung um 0,543 Metern.
5 zeigt eine Variante des Rotors 1 aus 1. Bei dieser Variante sind zwei entlang der Längsrichtung des Flügels in unterschiedlichem Abstand von der Kamera 9 beabstandete Markierungen 7, 71 vorgesehen. Anhand der Position dieser Markierungen 7, 71 ist es dann auch möglich, eine ungleichmässige Deformation der Trägerstruktur zu ermitteln und zu quantifizieren.
Ausserdem können die Markierungen 7, 71 jeweils zwei oder mehrere lateral zur Betrachtungsrichtung beabstandete Markierungselemente umfassen. Dann kann auch anhand einer Rotation der Markierungselemente in der Bildebene eine Torsion der elastischen, langgestreckten Trägerstruktur, beziehungsweise im Beispiel der 5 eine Torsion des Flügels 5 ermittelt und quantifiziert werden.
6 zeigt dazu ein Bild aus der von der Kamera 9 des in 5 gezeigten Rotors 1 aufgenommenen Videosequenz.
Jede der Markierungen 7, 71 umfasst bei dem in 6 dargestellten Beispiel zwei lateral beabstandete Markierungselemente. Die Markierungselemente 701, 702 der Markierung 7 und die Markierungselemente 704, 705 der Markierung 71 sind dabei außerdem entlang von zueinander quer verlaufenden, hier im Speziellen entlang von zueinander senkrechten Linien angeordnet. Um die Markierungen 7, 71 voneinander unterscheiden zu können, weisen die Markierungselemente diskrimierbare Eigenschaften, wie etwa unterschiedlichen Farbe oder Form auf. Dies ist in 6 durch die unterschiedliche Füllung der hier kreisförmigen Markierungselemente symbolisiert. Eine Kodierung der verschiedenen Markierungen 7, 71 kann in vorteilhafter Weise auch durch einen oder mehrere wellenlängenselektive Filter, wie insbesondere Farbfilter auf den Markierungen. Werden von den Markierungen unterschiedliche Farben zur Kamera zurückreflektiert oder zurückgestreunt, können in Weiterbildung der Erfindung zu unterschiedlichen Zeiten die verschiedenen Markierungen mit unterschiedlichen Wellenlängen beleuchtet und selektiv ausgewertet werden. Dies kann dann besonders von Vorteil sein, wenn mehr als zwei Markierungen verwendet werden und zu diskriminieren sind.
Es ist wie auch in den vorhergehenden Beispielen günstig, die Markierungen 7, 71, beziehungsweise deren Markierungselemente 701, 702 und 7004, 705 als Reflektoren auszubilden, so dass ein hoher Bildkontrast bei zur Betrachtungsrichtung paraxialer Beleuchtung, beispielsweise durch Leuchdioden oder einen oder mehrere Laser zu erzielen.
Die Position der Markierungen 7, 71 wird nun aus zwei Reflektorbildern abgeleitet. Aus dem Abstand der beiden Reflektorbilder kann nun auch der Montageabstand der Reflektoren, beziehungsweise der Markierungen 7, 71 zur Kamera gemessen und so die Messanordnung kalibriert werden, da der reale Abstand der zu einer Markierung 7, 71 gehörenden Markierungselemente 701, 702, beziehungsweise 704, 705 bekannt ist. So ist anhand der Aufnahme 94 zu erkennen, dass der Abstand der Markierungselemente 704, 705 kleiner ist als der Abstand der Markierungselemente 701, 702. Die Markierung 71 ist unter der Voraussetzung, dass der reale Abstand gleich ist, mithin weiter vom Matrix-Sensor der Kamera entfernt.
Da sich der Abstand der abgebildeten Markierungselemente mit deren Entfernung ändert, kann durch eine Abstandsbestimmung nun auch in einfacher Weise eine Deformation in Längsrichtung, insbesondere eine Dehnung des Flügels erfasst und quantifiziert werden. Bei den Flügeln grosser Rotoren können solche Dehnungen durchaus Grössenordnungen im Meterbereich erreichen.
Anhand der jeweils zwei in einer Linie angeordneten Markierungselemente wird nun auch die Messung einer Verdrehung des Flügels möglich. Tritt zwischen Kamera 9 und Markierung 7 und/oder 71 eine Torsion auf, ändert sich der Winkel der die beiden jeweils zu einer Markierung 7, 71 gehörenden Markierungselemente verbindenden Linie in der Bildebene.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können folgende Parameter für die Messeinrichtung verwendet werden:
Der Arbeitsabstand, beziehungsweise die Länge des optischen Pfades zwischen Sensor und Markierung wird innerhalb einer Distanz von etwa 40 Metern gewählt. Die Messzeit beträgt 16,6 Millisekunden entsprechend einer Bildwiederholrate von 60 Bildern pro Sekunde. Messbar sind die Grössen X-Auslenkung, Y-Auslenkung, Verdrehung, Abstand der Markierung, Schwingungsamplitude und Schwingungsfrequenz bis typischerweise 20 Hertz. Mit einem einfachen Kamerasensor kann bereits eine Messgenauigkeit von 1/7000 der maximalen erfassbaren Auslenkung entlang der X-Achse (der Richtung entlang der längeren Seite des in 6 gezeigten Bildes) und 1/4000 der maximalen erfassbaren Auslenkung entlang der Y-Achse erzielt werden.
7 zeigt ein Beispiel, wie anhand eines Vergleichs der Positionen der beiden Markierungen eine ungleichmässige Deformation der Trägerstruktur, hier im Speziellen einer ungleichmässigen Durchbiegung des Flügels 5 ermittelt und quantifiziert werden kann.
In 7 sind Diagramme der Auslenkung Δx des Flügels in Abhängigkeit vom Abstand D zur Nabe dargestellt. Die Markierung 7 ist an der Position d1 und die Markierung 71 an der Position d2 angeordnet.
Die durchgezogene Kurve zeigt beispielhaft eine normale, gleichmässige Durchbiegung eines intakten Flügels. Weist der Flügel einen Knick, oder beispielsweise auch einen Riss auf, der zur Schwächung der Struktur des Flügels führt, kommt es hinter der Riss- oder Knickstelle zu einer verstärkten Durchbiegung. Eine solche beispielhafte Durchbiegungskurve ist gestrichelt eingezeichnet. Entsprechend ist das Verhältnis der Auslenkungen Δx hier grösser. Wird anhand der Messdaten von der Recheneinrichtung festgestellt, dass eine solche anomale Durchbiegung dauerhaft vorliegt, beziehungsweise eine dauerhafte Abweichung von der Schar von Durchbiegungskurven eines intakten Flügels vorliegt, kann beispielsweise eine Abschaltung der Windkraft-Anlage oder das Anfahren eines sicheren Zustands eingeleitet werden. Dieser sichere Zustand kann beispielsweise durch Neutralstellung der Flügel erreicht werden, wobei der defekte Flügel nach unten weist.
Durch die Anbringung von zwei Reflektorpaaren in der Tiefe des Flügels kann die Biegung in zwei Distanzen gemessen werden. Dadurch ist es möglich, zu prüfen ob der Flügel gleichmässig durchgebogen ist, oder ob eine Knickstelle vorliegt, weil die beiden Punkte nicht mehr auf der von der Struktur her bekannten Krümmungskurve liegen.
Es ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch möglich, zusätzlich oder alternativ zu einer Positionsbestimmung von Markierungselementen eine Markierung in Form eines Codes vorzusehen, in welchen Ortsinformation codiert ist. Dies bietet unter anderem den Vorteil, dass die Deformation einer Trägerstruktur immer anhand der abgebildeten und decodierten Information, die sich auf die Bildmitte oder einen beliebigen anderen Referenzpunkt in der Bildebene bezieht, bestimmt werden kann. Damit werden Messfehler, die durch Verzeichnungen des Objektivs entstehen können, ausgeschaltet.
Demgemäß umfasst die Markierung einen Code, in welchem Ortsinformation der lokalen Position des Codes codiert ist, wobei die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, den Code zu decodieren und damit den Ort des Blickfelds der Kamera festzustellen.
Bei der anhand der 1 bis 7 beschriebenen Messeinrichtung kann eine Verschiebung der Markierungen in allen Richtungen in der Bildebene, mithin also in zwei Dimensionen quer zur Blickrichtung der Kamera erfasst und quantifiziert werden. Wird ein Code mit Ortsinformationen eingesetzt, ist es daher günstig, entsprechend einen zweidimensionalen Code zu wählen, in welchem Ortsinformation für die Orte entlang zweier nicht paralleler, vorzugsweise senkrechter Richtungen codiert ist.
Nachfolgend wird ein bevorzugter Code und dessen Anordnung als Markierung in oder an der Trägerstruktur näher beschrieben.
Ebenso wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind wiederum in einem Volumen der Trägerstruktur eine Kamera 9 und ein oder mehrere Markierungen in Form von Labeln mit dem Code angeordnet.
Das oder die Label sind nicht nur auf einer einzelnen planaren Fläche, sondern auf mindestens zwei zueinander im Winkel stehenden Flächen oder Flächenelementen, beispielsweise auch auf einer gekrümmten Oberfläche angeordnet.
Eine beispielhafte Anordnung mit schräg zueinander stehenden Flächen 76, 77, die mit einer Markierung in Form eines zweidimensionalen Codes versehen ist, zeigt 8 Das Raster kann äquidistant oder projektionskorrigiert sein, so dass die Auflösung und damit Messgenauigkeit für die betrachteten Richtungen annähernd konstant ist.
Einen Code mit projektionskorrigiertem Raster zeigt 9. Die Rasterbreite der Matrix, beziehungsweise des Rasters des Codes auf der im wesentlichen senkrecht zur Blickrichtung 95 der Kamera 9 stehenden Fläche 76 hat einen Wert α, während die Rasterbreite des in einem Winkel α zur Blickrichtung 95 der Kamera 9 stehenden Fläche 77 in Blickrichtung um einen Wert a/sin(α) vergrössert ist.
Die einzelnen Rasterfelder 710 repräsentieren einzelne Bits des Codes. Um die Felder erkennen und den Code decodieren zu können, sind die Felder in Abhängigkeit des Bitwerts unterschiedlich kontrastierend ausgebildet. Beispielsweise können dunkle und helle, oder absorbierende und reflektierende Felder verwendet werden. Die Bitwerte sind in 9 durch unterschiedliche Füllungen der Rasterfelder repräsentiert. Beispielsweise können die schraffierten Felder logische Nullen und die nicht schraffierten Felder logische Einsen oder umgekehrt darstellen.
Mit dem Code kann – im Gegensatz etwa zu einem einfachen Raster – ein absoluter Bezugspunkt gewährleistet werden. Es ist möglich, einen geeigneten Code endlos zu drucken oder anderweitig herzustellen, indem die Information in einer bestimmten Weise zweidimensional so verteilt ist, dass die globale Positionierung aus maximal 4 6 × 6 Rasterumgebungen vollständig berechnet werden kann. Ein derartiger zweidimensionaler Code, wie er für die Erfindung bevorzugt wird, ist aus der EP 1333402 A1 bekannt.
Die Anordnung des Codes auf mehreren Flächen oder Flächenelementen, die in unterschiedlicher Entfernung zur Kamera stehen, wie etwa die beispielhafte Anordnung der Flächen 76, 77 dient entsprechend der in 5 gezeigten Anordnung dazu, eine Deformation auch entlang der Blickrichtung zu detektieren. Dazu werden Codeeinheiten auf mehreren, in unterschiedlichen Entfernungen angeordneten Flächenelementen decodiert und deren Ortsinformation ausgewertet. Kommt es zu einer Verschiebung in Längsrichtung, ändern sich auch die Ortsinformationen an bestimmten zugeordneten Bildteilen relativ zueinander. Anstelle verschiedene Bildteile auszuwerten, können auch mehrere Kameras eingesetzt werden, die unterschiedliche Flächenelemente erfassen. Ebenso wie in 5 können auch Codes an mehreren in Blickrichtung der Kamera hintereinander angeordneten Flächen aufgebracht werden, so dass mit mehreren Messpunkten nichtlineare Deformationen detektiert werden können, und/oder um die Messgenauigkeit zu erhöhen.
Eine mit einem solchen Code bedruckte Folie (oder eine ähnliche Struktur) wird nun auf das zu vermessende Objekt geklebt oder auf andere Weise befestigt. Durch die besondere Struktur der Informationsanordnung können Phase und Frequenz des lokalen Rasters bestimmt werden (ähnlich großen 2D-Barcodes, FFT oder Chainprocessing). Hierbei kann ein codeintern eingesetztes Scramblingverfahren eine hohe lokale Konturdichte gewährleisten.
Nach Finden des Rasters durch die Bildverarbeitungsvorrichtung wird der Codeinhalt binarisiert und in eine Matrix eingetragen. Daraus kann dann die globale Position im (de facto unendlichen) Raster decodiert werden. Auch das Verfahren der Decodierung ist in der EP 1333402 A1 beschrieben, deren Inhalt diesbezüglich vollumfänglich auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Wenn die Geometrie der Oberfläche vorbekannt ist, können definierten Punkten P_i(x, y, z) des Rasters 3D-Koordinaten zugeordnet werden.
Man erhält ein präzise zugeordnete Tabelle der Form: Pi(x, y, z) ←→ Winkeli(α, β, γ).
Diese Tabelle kann dann in der Recheneinrichtung zur Berechnung der aktuellen Position, beziehungsweise der Deformation der Trägerstruktur abgelegt werden.
Die Winkel ergeben sich aus den der Zentralprojektion des Kamerabildes durch die Blende des Objektivs. Aus der Menge {P,Winkel} kann abschließend durch Matching unter Bestimmung der Parameter einer Hauptachsentransformation die Verschiebung des gelabelten Objekts bezüglich einer Referenzpositpon ausgegeben werden. Meßbar sind der Verschiebungsvektor (X0, Y0, Z0) sowie die Drehung in drei Winkeln (α0, β0, γ0).
Wenn die Referenzposition nicht bekannt ist, etwa wenn die exakte Form auf die das Raster aufgeklebt wurde, oder die Entfernung des Codes zur Kamera nicht bestimmt ist, kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wie folgt verfahren werden:

1. mit einem Lasergitterprojektor (z. B. einem Laser mit diffraktivem Element) wird von einer bekannten Position aus (z. B. auf dem Gehäuse gestiftet ) auf das Raster eine Punktwolke bzw. ein zweites Gitter projiziert. Hierzu kann zweckmäßig eine Komplementärfarbe verwendet werden, z. B. wird das Raster rot gedruckt, der Laser erzeugt seine Struktur ohne Kontrastfehler. Für die Inspektion kann dann der blaue Spektralbereich benutzt werden. Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass hierzu noch viele weitere Möglichkeiten existieren.
2. Die Laserstruktur wird vermessen, die Passpunkte werden zugeordnet. Durch einfache Triangulation (der Abstand Laserblende zur Objektivblende ist bekannt, die Winkel sind bekannt) werden kalibrierte 3D Koordinaten auf dem Raster ermittelt.
3. Abschließend wird das Set der so gemessenen 3D-Punkte dem Referenzraster zugeordnet, man erhält einen Set von 3D-Referenzpunkten auf dem Raster. Der Laser kann dann entfernt werden.

Wird ein nicht projektionskorrigierter Code verwendet, kann eine Kalibrierung sowohl der Entfernung, als auch bezüglich der Lage der Fläche auch anhand eines Vergleichs der bekannten Rasterbreite mit der in der Kamera erfassten Rasterbreite vorgenommen werden.
Nachfolgend wird der bevorzugte Code näher beschrieben. Der zweidimensionale Code hat die Eigenschaften:

– der Code umfasst ein der Synchronisation dienenden Synchronisations-Code und einen positionsabhängigen Code enthält, wobei die Positionsdaten in Codeeinheiten fester Grösse codiert sind. Dabei ist der Synchronisations-Code variabel und geometrisch gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt. Der Synchronisationscode ermöglicht ausserdem mittels zweier variabler Komponenten die Synchronisation in X- und Y-Richtung. Im Speziellen ist der Synchronisationscode dergestalt variabel, dass er selber positionsabhängige Daten, vorzugsweise das oder die Least-Significiant-Bits der codierten Positionsdaten enthält. Möglich ist auch, das nur langsam veränderliche Most-Significant Bit einzusetzen. Um die Synchronisation besonders zuverlässig zu machen, kann der Synchronisations-Code mit zumindest der doppelten Ortsfrequenz im Vergleich zum positionsabhängigen Code vorliegen. Um besonders kleine Code-Einheiten zu erhalten, ist es dann auch noch möglich, die Ortsinformation nicht vollständig in einer Codeeinheit zu codieren. Die vollständige Ortsinformation kann dann durch Erfassung eines Felds höchstens der sechsfachen Grösse einer Codeeinheit, vorzugsweise höchstens der vierfachen Grösse einer Codeeinheit durchgeführt werden. Dabei können die Daten so aufgeteilt werden, dass fehlende Bits eines Positionsdatums aus benachbarten Code-Einheiten ergänzt werden.

Die vorstehenden Ausführungsbeispiele beziehen sich auf den, beziehungsweise die Flügel einer Windkraftanlage. Die Erfindung kann auch in entsprechender Weise für Flugzeugtragflächen eingesetzt werden. Hier bietet es sich dann an, nicht den Anstellwinkel der Tragfläche in Abhängigkeit der Verformung zu ändern, sofern die Tragflächen wie im allgemeinen üblich, starr sind. Möglich ist aber hier, den Auftrieb mittels einer oder mehrerer Ruder und Klappen, wie etwa der Querruder und Spoiler oder Flaps zu regulieren.
Da die Deformation des Flügels typischerweise einer Lageänderung des Flugzeugs vorausgeht, kann durch eine Regelungseinrichtung, welche die Klappen und/oder Ruder anhand der Messung der Durchbiegung und/oder Verwindung der Tragfläche steuert, unter anderem die Fluglage stabilisiert werden.
Auch im Flugzeugrumpf kann vorteilhaft eine erfindungsgemäße Messeinrichtung vorgesehen werden, um hier Belastungen der Trägerstruktur erkennen zu können.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann. Insbesondere kann die Erfindung auch auf andere Trägerstrukturen und elastisch verformbare Objekte angewendet werden.

1: Windkraftanlagen-Rotor
3: Nabe von 1
5: Flügel von 1
7, 71: Markierung
9: Kamera
11: Objektiv von 9
51: Oberschale von 5
52: Unterschale von 5
54: Holm
55, 57: Zwischenräume zwischen 51, 52
56: schachtförmiger Hohlraum in 54
76, 77: Mit einem zweidimensonalen Code versehene Flächen
91: Gehäuse von 9
92: Leuchtdioden
95: Blickrichtung von 9
701, 702,
704, 705: Markierungselemente
710: Rasterfeld

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1333402 A1 [0039, 0091, 0094]

Claims

Einrichtung zur Messung von Verformungen eines elastisch verformbaren Objekts, vorzugsweise einer langgestreckten Trägerstruktur, umfassend zumindest eine optisch erfassbare Markierung an einer ersten Längsposition entlang des elastisch verformbaren Objekts, sowie zumindest eine elektronische Kamera mit einem Objektiv und einem Matrix-Sensor, wobei das Objektiv der Kamera auf die zumindest eine optisch erfassbare Markierung gerichtet ist, derart, dass die Markierung auf den Matrix-Sensor abgebildet ist und die Kamera auf die Markierung blickt, wobei die Einrichtung zur Messung von Verformungen weiterhin eine Bildverarbeitungsvorrichtung umfasst, welcher die Bilddaten der Kamera zugeführt werden, und wobei die Bildverarbeitungsvorrichtung eingerichtet ist, anhand einer Bilderkennung die Position der Markierung innerhalb des Bildfelds zu ermitteln, wobei die Einrichtung zur Messung von Verformungen außerdem eine Recheneinrichtung umfasst, welche eingerichtet ist, eine Abweichung der Position der Markierung von zumindest einem Sollwert zu ermitteln und zu quantifizieren.
Einrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei die Kamera an einer von der ersten Längsposition in Längsrichtung beabstandeten zweiten Längsposition angeordnet ist.
Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung innerhalb eines Hohlraumes des elastisch verformbaren Objekts angeordnet ist und mittels einer Beleuchtungseinrichtung beleuchtet wird.
Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest zwei entlang der Längsrichtung in unterschiedlichem Abstand von der Kamera beabstandete Markierungen, wobei die Recheneinrichtung eingerichtet ist, anhand eines Vergleichs der Positionen der beiden Markierungen eine Längenänderung oder eine ungleichmässige Deformation des elastisch verformbaren Objekts zu ermitteln und zu quantifizieren.
Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung einen Code umfasst, in welchem eine Ortsinformation der Position des Codes codiert ist, wobei die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, den Code zu decodieren und damit den Ort des Blickfelds der Kamera festzustellen.
Einrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Code einen zweidimensionalen Code umfasst, in welchem Ortsinformation für die Orte entlang zweier nicht paralleler, vorzugsweise senkrechter Richtungen codiert ist.
Einrichtung gemäß vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Code zumindest eine, vorzugsweise alle der folgenden Eigenschaften aufweist: – der Code umfasst ein Muster, welches ein der Synchronisation dienenden Synchronisations-Code und einen positionsabhängigen Code enthält, – Positionsdaten sind in Codeeinheiten fester Grösse codiert, – der Code umfasst ein Muster, welches einen der Synchronisation dienenden Synchronisations-Code umfasst, wobei dieser Synchronisations-Code variabel ist, nach einer vorbekannten Bildungsvorschrift gebildet wird und geometrisch gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt ist, – der Code umfasst ein Muster, welches ein der Synchronisation dienenden Synchronisations-Code umfasst, welcher zwei variable Komponenten umfasst, welche jeweils zur Synchronisation entlang zweier nicht paralleler Richtungen auf der Oberfläche dienen, – der Code umfasst ein Muster, welches einen der Synchronisation dienenden Synchronisations-Code umfasst, welcher selbst positionsabhängige Daten, vorzugsweise das oder die Least-Significiant-Bits der codierten Positionsdaten enthält, – der Code umfasst ein Muster, welches einen der Synchronisation dienenden Synchronisations-Code umfasst, wobei der Synchronisations-Code geometrisch gleichmässig über das Muster hinweg verteilt ist, – der Code umfasst ein Muster, welches einen der Synchronisation dienenden Synchronisations-Code, welcher mit zumindest der doppelten Ortsfrequenz im Vergleich zu dem positionsabhängigen Code vorliegt, – Positionsdaten sind in Codeeinheiten fester Grösse codiert, wobei die Ortsinformation nicht vollständig in einer Codeeinheit vorhanden ist, wobei ein vollständige Decodierung der Ortsinformation durch Erfassung eines Felds höchstens der sechsfachen Grösse einer Codeeinheit, vorzugsweise höchstens der vierfachen Grösse einer Codeeinheit möglich ist.
Einrichtung gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Code zumindest teilweise auf einer schräg zur Betrachtungsrichtung angeordneten Fläche angeordnet ist, wobei die Markierung mit dem Code so angeordnet ist, dass von der Kamera oder von mehreren Kameras gleichzeitig in verschiedenen Entfernungen entlang einer Richtung des elastisch verformbaren Objekts angeordnete Code-Elemente, in welchen Ortsinformation codiert ist, erfasst werden.
Einrichtung gemäß einem der drei vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Recheneinrichtung eine Zuordnungstabelle von Koordinaten, vorzugsweise dreidimensionalen Koordinaten zu Ortsinformationen des Codes abgelegt ist.
Einrichtung gemäß einem der vier vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, aus decodierten Positionsdaten eine Hauptachsentransformation zu errechnen, mit welcher die Markierung von der Referenzposition in die gemessene Position transformiert und anhand der Hauptachsentransformation die Positionsänderung gegenüber der Referenzposition zu ermitteln und quantifizieren.
Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Laser zur Beleuchtung der Markierung, wobei der Laser parallel zur Betrachtungsrichtung der Kamera auf die Markierung ausgerichtet ist.
Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des optischen Pfades zwischen dem Matrix-Sensor und der Markierung zumindest 4 Meter, vorzugsweise zumindest 6 Meter beträgt.
Regeleinrichtung mit einer Einrichtung zur Messung von Verformungen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Regeleinrichtung eine Stelleinrichtung mit zumindest einem Stellglied umfasst, mit welcher unter Ansprechen darauf, dass von der Recheneinrichtung eine Abweichung der Markierung von einer Sollposition quantifiziert wurde, der elastischen Verformung entgegengewirkt wird.
Aerodynamischer Flügel, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Messung von Verformungen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
Aerodynamischer Flügel gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Markierung der Messeinrichtung im Inneren des Flügels angeordnet ist, wobei eine aktive Beleuchtung der Markierung vorgesehen ist.
Windkraftanlagen-Rotor mit einem aerodynamischen Flügel gemäß dem vorstehenden Anspruch.
Windkraftanlagen-Rotor gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera in der Rotornabe angeordnet ist.
Windkraftanlagen-Rotor gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung gemäß Anspruch 13, wobei das Stellglied ein Stellglied zur Einstellung des Anstellwinkels umfasst, und wobei die Stelleinrichtung den Anstellwinkel des Rotorblatts ändert.
Verfahren zur Messung von Verformungen eines elastisch verformbaren Objekts, insbesondere einer elastischen, langgestreckten Trägerstruktur, wobei zumindest eine optisch erfassbare Markierung an einer ersten Längsposition entlang des elastisch verformbaren Objekts, sowie zumindest eine elektronische Kamera mit einem Objektiv und einem Matrix-Sensor verwendet wird, wobei das Objektiv der Kamera auf die zumindest eine optisch erfassbare Markierung gerichtet ist, derart, dass die Markierung auf den Matrix-Sensor abgebildet wird und die Kamera auf die Markierung blickt, wobei einer Bildverarbeitungsvorrichtung die Bilddaten der Kamera zugeführt werden, und wobei die Bildverarbeitungsvorrichtung eine Bilderkennung durchführt, so dass die Position der Markierung innerhalb des Bildfelds ermittelt wird, und wobei mittels einer Recheneinrichtung eine Abweichung der Position der Markierung von zumindest einem Sollwert ermittelt und anhand der Position der Markierung innerhalb des Bildfelds quantifiziert wird.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung eines aerodynamischen Flügels erfasst und quantifiziert wird und mittels zumindest eines Stellglieds in Abhängigkeit der Verformung der Anstellwinkel des Flügels oder dessen Auftrieb verändert wird.
Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Markierung mit zumindest zwei lateral zur Betrachtungsrichtung beabstandeten Markierungselementen verwendet wird, wobei anhand einer Rotation der Markierungselemente in der Bildebene eine Torsion der elastischen, langgestreckten Trägerstruktur ermittelt und quantifiziert wird.
Verfahren gemäß einem der drei vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des optischen Pfades vom Matrix-Sensor zur Markierung durch eine Laufzeit-Messung eines Lichtstrahls oder anhand der Größe eines auf die Markierung projizierten Musters bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vier vorstehenden Ansprüche, bei welche eine Messung der Vibration des elastisch verformbaren Objekts durchgeführt wird, wobei eine Bildsequenz aufgenommen und anhand des aus den Einzelbildern bestimmten Verlaufs der Positionsänderung der Markierung zumindest einer der Parameter Amplitude und Frequenz der Vibration mittels der Recheneinrichtung bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der fünf vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnnet, dass gemessene Bewegungsmuster durch die Recheneinrichtung mit abgespeicherten Bewegungsmustern verglichen werden.