Innovative Mess- und Sensorsysteme für Freifeldmessungen entwickeln: Das ist das Ziel des Schwerpunktprogramms „Messtechnik auf fliegenden Plattformen“ (SPP 2433). Im November 2023 startete das Schwerpunktprogramm, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird, in die erste Förderperiode mit einer Laufzeit von drei Jahren.
Im Fokus der Forschung steht insbesondere der bodennahe Raum bis etwa 500 Meter Höhe, in dem Drohnen als mobile Messplattformen eingesetzt werden. Die Technologie der zivilen Drohnen birgt ein ungenutztes Potenzial, insbesondere hinsichtlich präziser, quantitativer Messungen mit angegebener Unsicherheit.
Das SPP 2433 setzt auf vier wissenschaftliche Schwerpunkte: die Entwicklung neuer Messprinzipien, die Optimierung bestehender Sensorkonzepte, die Verbesserung der Signalverarbeitung sowie die umfassende Bewertung der Messgüte in Relation zu den benötigten Ressourcen.
Ziel ist es, die aktuellen Grenzen der drohnenbasierten Messung zu erweitern und neue messtechnische Grundlagen zu schaffen. Durch den Austausch zwischen den einzelnen Teilprojekten des SPP 2433 werden robuste und valide Messverfahren entwickelt.
Limitationen bei der Vermessung großer Objekte
Ein Messsystem, welches in der Lage ist, beliebig große Objekte zu vermessen – wie beispielsweise Infrastruktur oder großskalige Industriekomponenten –, entwickelt das Institut für Montagetechnik und Industrierobotik (match) in Kooperation mit dem Institut für Mess- und Regelungstechnik (imr) der Leibniz Universität Hannover im Teilprojekt „Luftgestütztes Messsystem mit großem Arbeitsbereich“.
Für diese Art von Messobjekten ist die präzise Erfassung geometrischer Messdaten entscheidend, um beispielsweise Alterungseffekte oder Fertigungsungenauigkeiten zuverlässig zu erkennen. Zur Erkennung solcher Fehler wird ein hochauflösender und präziser Sensor benötigt, um die Geometrie exakt zu erfassen.
Die derzeit größten Koordinatenmessmaschinen, die eine Genauigkeit von weniger als 30 µm erreichen, sind in der Lage, Objekte mit Abmessungen von bis zu 6 m x 10 m x 4 m in temperierten Innenräumen zu vermessen. Allerdings sind diese Maschinen in ihrem Arbeitsraum zu eingeschränkt für die angestrebten Messobjekte und gleichzeitig nicht für den Einsatz in unkontrollierten Außenumgebungen geeignet. Dementsprechend existiert momentan kein Messsystem, das in der Lage ist, die genannten Messobjekte mit einer Submillimeter-Genauigkeit abzutasten.
Hochpräzise 3D-Vermessung mit großem Arbeitsraum
Um zukünftig Infrastruktur und großskalige Industriekomponenten vermessen zu können, entwickeln das match und das imr ein Messsystem, das aus einer Drohne mit einem hochpräzisen Sensor, einem Laser-Tracking-System und mehreren mobilen Robotern besteht. Der Sensor, der an der Drohne montiert wird, wird vom imr entwickelt, validiert und schließlich in Betrieb genommen. Dieser Sensor ist ein Streifenlichtprojektionssystem, das durch die Projektion eines Musters auf eine Oberfläche Tiefeninformationen extrahieren kann, um eine 3D-Punktewolke des Messobjekts zu erstellen.
Bei der Vermessung mit einem drohnenbasierten Messsystem treten jedoch zwei grundlegende Probleme auf: Zum einen erfasst der Sensor mit jeder Messung nur einen begrenzten Bereich, was bedeutet, dass große Objekte in mehreren Abschnitten gescannt werden müssen. Zum anderen ist eine Drohne ein relativ instabiles System, das durch Umwelteinflüsse minimalen Bewegungen ausgesetzt ist. Diese Bewegungen können die genaue Lokalisierung der Drohne beeinträchtigen, was dazu führen kann, dass die aufgezeichneten Positionen inkorrekt sind. Infolgedessen entstehen beim Zusammenfügen der einzelnen Messungen keine kohärenten 3D-Modelle der Objekte, sondern es treten Überlappungen oder Lücken auf.
Um die Drohne jederzeit im Raum präzise zu lokalisieren, setzen die Projektpartner ein externes Laser-Tracking-System ein, das die genaue Position der Drohne sowie des Streifenlichtprojektionssystems in Echtzeit bestimmt. Dieses Tracking-System benötigt jedoch Sichtkontakt zur Drohne, der bei der Vermessung von Infrastrukturobjekten unterbrochen werden kann. Um dies zu verhindern, werden die Laser-Tracker auf mehreren mobilen Robotern befestigt, sodass das Tracking-System zusammen mit der Drohne um das Messobjekt bewegt werden kann, wodurch der Sichtkontakt aufrechterhalten bleibt.
In diesem Kontext bringt das match seine umfangreiche Expertise in der Navigation mobiler Roboter ein. Ein Bahnplanungsalgorithmus ermöglicht es den mobilen Roboterplattformen, kollisionsfrei um das Messobjekt zu navigieren. Eine wichtige Randbedingung ist, dass das Laser-Tracking-System über ein Glasfaserkabel verbunden sein muss, was die Bahnberechnung erschwert, da die mobilen Roboter nicht über die Glasfaserkabel fahren dürfen, um Beschädigungen zu vermeiden.
Parallel dazu entwickelt das match Positionierungsalgorithmen für die Drohne und die mobilen Roboter, wobei darauf geachtet wird, dass das gesamte Messobjekt vollständig vermessen werden kann. Die Positionen der mobilen Roboter hängen von der Reichweite des Laser-Tracking-Systems ab, das die Drohne nur in einem begrenzten Sichtbereich lokalisieren kann. Abschließend müssen die Messpositionen der Drohne und die der mobilen Roboter aufeinander abgestimmt sein, sodass mit einer minimalen Anzahl an Repositionierungen das vollständige Messobjekt vermessen werden kann.
Innovatives System überwindet die Grenzen traditioneller Messtechniken
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Schwerpunktprogramm SPP 2433 innovative Ansätze zur hochpräzisen Vermessung großflächiger Infrastruktur und Industriekomponenten verfolgt.
Das Messsystem, das in einem der Teilprojekte entwickelt wird, besteht aus einer Drohne, einem hochauflösenden Sensor sowie mobilen Robotern und hat das Potenzial, die bestehenden Grenzen traditioneller Messtechniken zu überwinden und eine Submillimeter-Genauigkeit zu erreichen. Mit der Kombination aus fortschrittlichen Technologien, wie dem Laser-Tracking-System und intelligenten Algorithmen, wird eine effiziente und präzise Erfassung geometrischer Daten ermöglicht.
Zukünftig könnte diese Technologie nicht nur die Instandhaltung und Inspektion von Infrastruktur revolutionieren, sondern auch neue Anwendungsfelder erschließen, die von präzisen 3D-Daten profitieren können – beispielsweise in der Industrie oder der Umweltforschung. Dies wird dazu beitragen, die Effizienz und Sicherheit in diesen Bereichen erheblich zu steigern.
