Luftgestütztes Messsystem mit großem Arbeitsbereich

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Markus Kästner; Professorin Dr.-Ing. Annika Raatz
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541021498

Die Entwicklung unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs) birgt ein großes Potenzial für die Weiterentwicklung der Fähigkeiten in den Bereichen Fernerkundung und Oberflächenrekonstruktion. UAVs bieten einen großen Arbeitsraum, jedoch bleibt die Messunsicherheit der UAV-basierten Messtechnik im Vergleich zu traditionellen Methoden, wie bspw. dem Einsatz stationärer Lasertracker, die derzeit für die Digitalisierung großer industrieller- oder infrastruktureller Objekte verwendet werden, zurück. Um diese Lücke zu schließen, zielt unser Ansatz darauf ab, ein UAV-basiertes Structured Light Scanning (SLS) System mit geringer Messunsicherheit bei einem gleichzeitig großen Messbereich zu erforschen. Dieses System soll in der Lage sein, detaillierte Scans von Maschinen, Gebäuden und Infrastrukturen mit einer Unsicherheit im Submillimeterbereich zu erstellen, was für Anwendungen aus den Bereichen Engineering, Wartung, Instandhaltung und Design von entscheidender Bedeutung ist. Um die gewünschte Unsicherheit zu erreichen, setzen wir eine Kombination aus neuartiger hardwarebasierter Sensorstabilisierung zusammen mit einem Verfahren zur Kompensation der Phasenabweichung ein. Die aktive Sensorstabilisierung kompensiert ungewollte Bewegungen der Drohne während der Aufnahme von strukturierten Lichtmustern, ermöglicht längere Belichtungszeiten und verbessert somit die Qualität der erfassten Messdaten. Für die Hardware-Stabilisierung wird ein Hexapod eingesetzt, der auf der Drohne montiert ist und Echtzeit-Positionsdaten von einem hochpräzisen Laser-Tracing-System (LTS), welches auf Grundlage der Multilateration arbeitet, erhält. Bei der Multilateration werden synchrone Abstandsmessungen mehrerer Lasertracer verwendet, die der Bewegung fest auf der Plattform des drohnenbasierten SLS-Sensors montierter Retroreflektoren folgen. Die Lasertracer sind auf mehreren autonom fahrenden Robotern (AMR) montiert, welche die Lasertracer zur Anpassung des Messbereichs neu positionieren können. Diese Funktion ermöglicht es dem System, seinen Messbereich durch Verschieben des durch die Lasertracer aufgespannten Messvolumens zu erweitern, wodurch großflächige 3D-Punktwolken in hoher Qualität erfasst werden können. Bei der Messung folgt das UAV einer Reihe von vorher aufgenommenen Posen, die bspw. entlang des Gebäudes auf einer vordefinierten Flugbahn miteinander verbunden sind. An jeder dieser Positionen führt das SLS-System eine Messung durch und überträgt die Messdaten an eine Bodenstation, wo alle Messungen zu einem 3D-Modell des erfassten Gebäudebereichs kombiniert werden. Die Entwicklung dieses hochpräzisen Messsystems erfordert die Schaffung eines neuen Messkonzepts, Kalibrierungs- und Referenzierungstechniken sowie die Entwicklung von Hardware und Algorithmen zur aktiven Sensorstabilisierung. Der vorliegende Antrag stellt unseren Ansatz zur Erreichung dieser Ziele bei gleichzeitiger Abschätzung des Fehlerbudgets und Optimierung des Systems hinsichtlich des Energieverbrauchs vor.

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