Untersuchungen zur Echtzeitauswertung und -visualisierung von Deformationen mit einem Low-Cost-Profilscanner

Autor: B.Sc. Thomas Friedel
Titel: Untersuchungen zur Echtzeitauswertung und -visualisierung von Deformationen mit einem Low-Cost-Profilscanner
Art: Master's Thesis
Jahr, Nr.: 2011, #411
Betreuer: Dipl.-Ing. Johannes Ohlmann-Lauber

 

Aufgabenstellung
Im Rahmen dieser Master-Arbeit soll das Potential eines Low-Cost-Profilscanners zur Echtzeitauswertung und -visualisierung von linienhaften Objektdeformationen untersucht werden. Der Laserscannertyp ist im Hinblick auf die Anwendung kritisch zu diskutieren. Die Ansteuerung und Datenübertragung ist mittels einer Schnittstelle und einer zu programmierenden Software zur Datenauswertung und -visualisierung zu lösen, denkbar in diesem Zusammenhang ist die Software Matlab. Für die linienhaft beobachtbaren Objektdeformationen soll ein geeignetes mathematisch parametrisiertes Differenzmodell verwendet werden, welches in der Lage ist, die hochfrequent erfassten Daten effizient auszuwerten. Die Genauigkeiten der abgeleiteten Deformationen sind entsprechend geodätisch abzuschätzen und eine Genauigkeitssteigerung durch die Modellierung gegenüber der Einzelpunktgenauigkeit ist geeignet zu diskutieren. Auf eine intuitive Visualisierungsform der Deformationen ist zu achten. Ein Messobjekt soll durch einen praxisnahen Testaufbau im Messlabor simuliert werden.

Kurzfassung
Für die Bearbeitung dieser Master-Arbeit stand der Profilscanner LMS511-20100 der Firma SICK AG zur Verfügung. Zunächst wurde die Distanzmesseinheit dieses Low-Cost-Profilscanners hinsichtlich der Einzelpunktgenauigkeit, sowie des Auflösungsvermögens untersucht. Dazu wurden im Messlabor entsprechende Versuchsaufbauten realisiert. Um die Einzelpunktgenauigkeit zu berechnen, wurde in festen Abständen über den gesamten Messbereich eine Fläche angemessen. Die Standardabweichungen wurden als Maß für die Einzelpunktgenauigkeit herangezogen. Die Standardabweichung steigt linear mit wachsender Entfernung zum Messobjekt. Um das Auflösungsvermögen zu untersuchen, wurde auf einen verschiebbaren Schlitten eine Platte angemessen und anschließend im sub-mm Bereich verschoben. Bei einem aus Einzelmessungen gebildeten Mittelwert konnte diese Verschiebung nicht aufgedeckt werden.

Die Ansteuerung und Datenübertragung erfolgt mit der entwickelten Software SIDef11. Sie bietet des Weiteren die Möglichkeit, Messdaten zu visualisieren, die Deformationsanalyse zu starten bzw. zu beenden und die Ergebnisse dieser in (naher) Echtzeit graphisch und numerisch darzustellen. Im Zuge der Deformationsanalyse werden in einer vermittelnden Ausgleichung Geradenparameter geschätzt. Die kartesischen Koordinaten gehen dabei als Beobachtungen in die Ausgleichung ein. In einem Hypothesentest werden die Steigungsparameter der ausgleichenden Geraden zweier Epochen auf signifikante Änderung getestet. Neigungsänderungen bzw. Rotationen des zu überwachenden, ebenen Objektes können somit detektiert werden. Deformationen werden numerisch mittels des Rotationswinkels angegeben, sowie graphisch durch ausgleichende Geraden illustriert. In einer Testumgebung im Messlabor wurde die entwickelte Software erfolgreich getestet. Dazu wurde eine Fläche (1 m x 0,5 m), welche auf einen definiert drehbaren Teller montiert wurde, aus einer Entfernung von 5 m angemessen. Eine Rotation der gemessenen Testebene von weniger als 0,05° konnte als signifikante Änderung detektiert werden. In Sekundenintervallen wurden neue Ergebnisse ausgegeben und visualisiert. Dies  entspricht einer Auswertung in (naher) Echtzeit.