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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur berührungslosen Deformationsmessung in einem Windkanal.
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Technologischer Hintergrund
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Ein Gegenstand kann sich unter Einwirkung einer Kraft auf den Gegenstand verformen, z. B. unter Luftanströmung. Die Außenhülle von Fahrzeugen beispielsweise kann sich bei hohen Luftströmungsgeschwindigkeiten verformen. Am deutlichsten sieht man dies alltäglich bei Verdecken von Cabriolets (=hohe Elastizität) auf Autobahnen (=hohe Geschwindigkeiten). Die Verformung beruht darauf, dass der Strömungsquerschnitt der Luft am Fahrzeug „verengt“ wird, die Strömungsgeschwindigkeit dort entsprechend (reziprok) höher ist und eine Kraft entsteht, die quer zur Strömung steht. Diese Verformungseigenschaft kann in einem Windkanal nachgestellt werden.
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Eine Verformung oder Deformation eines Gegenstandes kann grundsätzlich auf verschiedene Weise gemessen werden, beispielsweise indem geeignete Messinstrumente, wie z.B. Sensoren oder Marker, an einer Oberfläche des Gegenstandes angebracht werden. Eine solche Vorgehensweise scheidet dann aus, wenn die Messinstrumente die Messung selbst beeinflussen oder stören könnten. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn eine zur Deformation des Gegenstandes führende Krafteinwirkung durch eine Luftanströmung des Gegenstandes erfolgt, wie z.B. in einem Windkanal. An der Oberfläche des Gegenstandes angebrachte Messinstrumente würden das Strömungsverhalten der Luft am Gegenstand verändern, und somit auch die Krafteinwirkung auf den Gegenstand und die daraus resultierende Deformation.
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In solchen Fällen sollte die Deformationsmessung berührungslos erfolgen, vorzugsweise optisch. Bekannte berührungslose Messgeräte sind beispielweise Streifenlichtprojektoren oder Laserscanner, insbesondere terrestrische Laserscanner (TLS). Diese Messinstrumente weisen allerdings den Nachteil auf, dass eine Messungenauigkeit dieser Messinstrumente, z.B. ein Tiefenrauschen der Einzelpunkte eines TLS, in manchen Fallen deutlich größer ist als eine gewünschte Auflösung der Deformationsmessung.
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Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die angesprochenen Nachteile des Standes der Technik auszuräumen und ein Verfahren und System zur verbesserten berührungslosen Deformationsmessung in einem Windkanal vorzuschlagen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Grundgedanken, eine Deformation des Gegenstandes im Windkanal zu bestimmen, indem ein erstes Messergebnis einer ersten Messung, während welcher der Gegenstand noch in unverformtem Zustand vorliegt, mit einem zweiten Messergebnis einer zweiten Messung, während welcher der Gegenstand deformiert ist (unter Luftanströmung), geeignet zu vergleichen, so dass sich eine Messungenauigkeit der ersten Messung und eine Messungenauigkeit der zweiten Messung im Wesentlichen gegenseitig aufheben.
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Eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens zur Bestimmung einer Deformation eines Gegenstandes in Windkanal umfasst die folgenden Schritte:
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Vorab wird ein hinsichtlich der Deformation zu untersuchenden Untersuchungsbereich des Gegenstandes bestimmt. In der Regel wird dieser Untersuchungsbereich auf einer Oberfläche des Gegenstandes angesiedelt sein. Folglich kann das Bestimmen des Untersuchungsbereichs z. B. durch Projektion eines vorgegebenen Ausschnitts auf eine Oberfläche des Gegenstandes erfolgen. Auch ein CAD-Modell, falls vorhanden, kann zum Bestimmen des Untersuchungsbereichs herangezogen werden.
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Dann wird eine Referenzpunktwolke durch berührungsloses Vermessen des Untersuchungsbereichs des Gegenstandes bestimmt, während sich der Gegenstand in nicht deformiertem Zustand befindet. Die Referenzpunktwolke umfasst in an sich bekannter Weise Punkte im dreidimensionalen Raum und wird daher im Folgenden auch als 3D-Referenzpunktwolke bezeichnet.
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Zu der Referenzpunktwolke wird nun ein Referenzobjekt bestimmt. Das Referenzobjekt, welches die Referenzpunktwolke in nachstehend noch genauer beschriebener Weise „charakterisiert“, also z. B. approximiert und vereinfacht repräsentiert, dient im Folgenden dazu, Messergebnisse der ersten Vermessung mit Messergebnissen einer nachstehend beschriebenen zweiten Vermessung des Gegenstandes mit einander in ein Verhältnis zu setzen.
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Wie bereits angedeutet wird nun im Rahmen eines zweiten berührungslosen Vermessens des Gegenstandes, während sich der Gegenstand in deformiertem Zustand befindet, eine Deformationspunktwolke (im Folgenden auch als 3D-Deformationspunktwolke bezeichnet) bestimmt. Die Deformation des Gegenstandes resultiert dabei aus einer Luftanströmung des Gegenstandes in dem Windkanal.
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Für einen vorgegebenen Anteil des Untersuchungsbereichs wird nun eine Deformation des Gegenstandes in diesen Anteil wie folgt bestimmt: Es wird ein Ausmaß einer Deformation des Gegenstandes für den Anteil des Untersuchungsbereichs auf Basis eines Verhältnisses eines ersten Wertes zu einem zweiten Wert bestimmt. Der erste Wert beschreibt dabei eine Lage einer dem Anteil des Untersuchungsbereichs entsprechenden Teilpunktwolke der Referenzpunktwolke zu dem Referenzobjekt. Der zweite Wert beschreibt in analoger Weise eine Lage einer dem Anteil des Untersuchungsbereichs entsprechenden Teilpunktwolke der Deformationspunktwolke zu dem Referenzobjekt.
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Es versteht sich, dass der Schritt des Bestimmens der Deformation für eine Mehrzahl verschiedener Anteile des Untersuchungsbereichs durchgeführt wird, nacheinander oder auch parallel. Die Mehrzahl der verschiedenen Anteile des Untersuchungsbereichs kann dabei auf Basis einer gleichmäßigen oder adaptiven Rasterung des Untersuchungsbereichs gebildet werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform eines Systems zur Bestimmung einer Deformation eines Gegenstandes in einem Windkanal umfasst folgende Komponenten:
- - Eine Vermessungsvorrichtung zum berührungslosen Vermessen eines Untersuchungsbereichs, welche eingerichtet ist, in dem Windkanal derart angeordnet zu werden, dass mittels der Vermessungsvorrichtung eine Deformation des Gegenstandes bestimmt werden kann, welche aus einer Luftanströmung des Gegenstandes in dem Windkanal resultiert, und eingerichtet ist, eine 3D-Referenzpunktwolke des Untersuchungsbereichs des Gegenstandes, im nicht deformierten Zustand, zu bestimmen sowie eine 3D-Deformationspunktwolke des Untersuchungsbereichs des Gegenstandes, im deformierten Zustand, unter Luftanströmung im Windkanal, zu bestimmen.
- - Eine Auswertungseinrichtung, welche eingerichtet ist, ein die Referenzpunktwolke charakterisierendes Referenzobjekt zu der Referenzpunktwolke zu bestimmen, und für einen vorgegebenen Anteil des Untersuchungsbereichs eine Deformation für den Anteil des Untersuchungsbereichs auf Basis eines Verhältnisses eines ersten Wertes zu einem zweiten Wert zu bestimmen, wobei der erste Wert eine Lage einer dem Anteil des Untersuchungsbereichs entsprechenden Teilpunktwolke der Referenzpunktwolke zu dem Referenzobjekt beschreibt und der zweite Wert eine Lage einer dem Ausschnitt des Untersuchungsbereichs entsprechenden Teilpunktwolke der Deformationspunktwolke zu dem Referenzobjekt beschreibt.
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Die Vermessungsvorrichtung kann einen Laserscanner, vorzugsweise einen terrestrischen Laserscanner umfassen, oder einen Streifenlichtprojektor. Als Auswertungseinrichtung kann jede geeignete Recheneinrichtung, z. B. ein Personal Computer, ein Notebook, etc. dienen, welche programmiert ist, die entsprechende Verfahrensschritte auf Basis der seitens der Vermessungseinrichtung ermittelten Daten durchzuführen.
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Als Referenzobjekt zu der Referenzpunktwolke kann eine auf Basis von Punkten der Referenzpunktwolke berechnete, die Referenzpunktwolke gleichsam approximierende Fläche im dreidimensionalen Raum bestimmt wird. Vorzugsweise wird als Referenzobjekt eine Ebene, besonders bevorzugt eine Regressionsebene, bestimmt. Verfahren zum Bestimmen solcher Flächen oder Ebenen auf Basis der Referenzpunktwolke sind im Stand der Technik bekannt. Eine Ausgleichsebene bzw. Regressionsebene kann beispielsweise durch mathematische Verfahren wie Total-Least-Square (TLS) oder durch Auswertung nach dem Gauß-Helmert-Modell berechnet werden, wobei letztgenannte Methode eine etwas robustere Parameterschätzung gegenüber Ausreißern erlaubt.
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Zusätzlich zu einem Ausmaß der Deformation in dem Anteil kann auch eine Deformationsrichtung bestimmt werden, beispielsweise auf Basis eines Normalenvektors der Fläche in einem vorgegebenen Punkt der Fläche in dem Anteil des Untersuchungsbereichs. Die Angabe der Deformationsrichtung liefert zusätzliche wertvolle Information bei der Bewertung der Verformung. Überdies kann in Kenntnis der Deformationsrichtung eine noch anschaulichere Visualisierung der Deformation erfolgen.
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Wie bereits angedeutet, erfolgt das Vermessen des Untersuchungsbereichs gemäß einer ersten Variante des Verfahrens mittels Laserscannens, vorzugsweise mittels terrestrischen Laserscannens.
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Gemäß einer alternativen zweiten Variante kann das Vermessen des Untersuchungsbereichs auch mittels Streifenlichtprojektion erfolgen.
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Grundsätzlich kann jedes berührungslose Vermessungsverfahren eingesetzt werden, welches geeignet ist, die Referenzpunktwolke und die Deformationspunktwolke mit hinreichender Genauigkeit unter den jeweils gegebenen Umständen im Windkanal zu bestimmen, z. B. ein Triangulationssystem oder ein Laserdistanzmesser.
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Wie bereits angegeben, wird ein Ausmaß einer Deformation des Gegenstandes auf Basis eines Verhältnisses eines ersten Wertes zu einem zweiten Wert bestimmt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der erste Wert als mittlerer Abstand von Punkten der Referenzpunktwolke zu dem Referenzobjekt bestimmt wird, also beispielsweise als mittlerer Abstand der Punkte der Referenzpunktwolke zu einer Ebene, welche als Referenzobjekt in vorstehend angegebener Weise zu der Referenzpunktwolke gebildet worden ist. In analoger Weise wird dann der zweite Wert als mittlerer Abstand von Punkten der Deformationspunktwolke zu dem Referenzobjekt bestimmt wird. Anstelle eines mittleren Abstandes (arithmetisches Mittel) von Punkten der Referenzpunktwolke bzw. Deformationspunktwolke zu dem Referenzobjekt kann zum Bestimmen des ersten Wertes bzw. des zweiten Wertes z. B. auch ein Median oder ein gewichteter oder getrimmter Mittelwert verwendet werden. Letztgenannte Varianten erweisen sich als robuster gegenüber Ausreißern in den Messdaten, erfordern aber einer höheren Rechenaufwand.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verhältnis des ersten Wertes zu dem zweiten Wert als Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert gebildet.
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Hier zeigt sich der Effekt der vorliegenden Erfindung exemplarisch: Unter der Annahme, dass die Referenzpunktwolke im Vergleich zu dem nicht deformierten Gegenstand in dem vorgegebenen Anteil eine Messungenauigkeit aufweist, welche in Art und Umfang im Wesentlichen einer Messungenauigkeit entspricht, welche die Deformationspunktwolke im Vergleich zu dem deformierten Gegenstand in dem entsprechenden Anteil aufweist, heben sich diese beiden Messungenauigkeiten gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren beim Bestimmen der Deformation im Wesentlichen auf.
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Wird als Referenzobjekt beispielsweise eine Ebene durch die Referenzpunktwolke gebildet, und werden der erste Wert und der zweite Wert jeweils als mittlerer Abstand der Punkte der Referenzpunktwolke zu der Ebene und als mittlerer Abstand der Punkte der Deformationspunktwolke zu der Ebene bestimmt, so „verschwindet“ die Messungenauigkeit quasi bei der Bestimmung der Deformation als Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert.
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Auf diese Weise kann die Auflösung, die im Rahmen der Deformationsbestimmung gemäß dem beschriebenen Verfahren erreicht werden kann, tatsächlich beträchtlich höher sein als die Messungenauigkeit der verwendeten Messinstrumente, was zunächst paradox klingt.
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Die oben angegebene Annahme hinsichtlich der in Art und Umfang vergleichbaren Messungenauigkeiten, z. B. einer im Wesentlichen gleichen Verteilung der Punkte der entsprechenden Anteile der Referenzpunktwolke und der Deformationspunktwolke in Bezug zu dem Gegenstand, sind in bevorzugten Anwendungsgebieten, beispielsweise bei einer Deformationsmessung im Windkanal, gegeben und experimentell nachgeprüft worden.
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Gleiches gilt für den tatsächlich erzielbaren Effekt einer Auflösung der Deformationsmessung. Die Messungenauigkeit verwendeter Messinstrumente war bis zu einem Faktor 10 höher als die erreichte Auflösung. Experimentelle Ergebnisse werden nachstehend mit Bezug zu 7 angegeben.
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Unter den obigen Annahmen, lässt sich bei einer Messungenauigkeit von ca. 2 mm mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens eine Deformation mit einer Auflösung von ca. 0,2 mm bestimmen.
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Das Verfahren kann weiterhin einen Schritt des Visualisierens der Deformation des Untersuchungsbereichs des Gegenstandes auf Basis der bestimmten Deformation des Anteils des Gegenstandes, und gegebenenfalls der bestimmten Deformationsrichtung, umfassen. Dazu kann das System eine entsprechend eingerichtete Visualisierungseinrichtung umfassen.
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Demzufolge umfasst ein Windkanal gemäß der Erfindung ein vorstehend beschriebenes System, welches in dem Windkanal derart angeordnet und eingerichtet ist, dass mittels des Systems gemäß einem vorstehend beschriebenen Verfahren eine Deformation eines Gegenstandes bestimmt werden kann, welche aus einer Luftanströmung des Gegenstandes in dem Windkanal resultiert.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und dazugehöriger Zeichnungen exemplarisch näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 schematisch einen Windkanal mit einer bevorzugten Ausführungsform eines Systems zur berührungslosen Deformationsmessung;
- 2 schematisch einen Schritt des Bestimmens eines Untersuchungsbereichs eines Gegenstandes;
- 3 schematisch eine 3D-Referenzpunktwolke und eine 3D-Deformationspunktwolke;
- 4 schematisch ein Referenzobjekt zu der 3D-Referenzpunktwolke mit Normalenvektor sowie Abstandsangaben von Punkten der 3D-Referenzpunktwolke und der 3D-Deformationspunktwolke zu dem Referenzobjekt;
- 5 Schritte einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zur berührungslosen Deformationsmessung;
- 6A, 6B Illustrationen resultierend aus einer konkreten technischen Umsetzung des Verfahrens nach 5, und
- 7 Messergebnisse einer Testmessung zur Überprüfung des Verfahrens gemäß 5.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt schematisch einen Windkanal 200 mit einem System 100 zur Deformationsmessung. Ein in dem Windkanal 200 angeordneter Gegenstand 40, wie z. B. ein Kraftfahrzeug, kann mittels des Systems 100 dahingehend untersucht werden, wie eine auf den Gegenstand 40 einwirkende Kraft, die von einer Luftanströmung des Gegenstandes 40 resultiert, zu einer Deformation zumindest eines Teils des Gegenstandes 40 führt.
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Das System 100 und ein mittels des Systems 100 durchführbares Verfahren werden nachfolgend mit Bezug auf die 1 bis 5 genauer beschrieben. Schritte des Verfahrens sich in 5 schematisch angegeben.
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Das System 100 umfasst eine Vermessungsvorrichtung 10 zum berührungslosen Vermessen eines Untersuchungsbereichs 42 des Gegenstandes 40. Das System 100 umfasst weiterhin eine Auswertungseinrichtung 20, welche eingerichtet ist, seitens der Vermessungsvorrichtung 10 erfasste Daten in der nachfolgend beschriebenen Weise zu verarbeiten und daraus eine Deformation des Gegenstandes 40 zu bestimmen. Entsprechende Ergebnisse können mittels der Visualisierungsvorrichtung 30 des Systems 100 dargestellt werden.
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Der Untersuchungsbereich 42 wird in der Regel ein Teil einer Oberfläche des Gegenstandes 40 sein, welcher z. B. durch eine Projektion eines vorgegebenen Ausschnitts auf den Gegenstand 40 bestimmt werden kann. Ein entsprechender Schritt S1 (vgl. 5) des Bestimmens des Untersuchungsbereichs 42 ist in 2 illustriert.
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Wie in 2 ebenfalls angedeutet, kann der Untersuchungsbereich 42 in mehrere Anteile 42A, 42B unterteilt werden. Eine solche Unterteilung kann mittels Rasterung erfolgen. Die Anteile können dabei gleichmäßig sein, oder aber verschiedene Form oder Größe besitzen, je nach Anwendungszusammenhang. Gemäß dem nachstehend noch genauer beschriebenen Verfahren wird für jeden der Anteile 42A, 42B des Untersuchungsbereichs 42 ein Ausmaß und gegebenenfalls eine Richtung einer Deformation bestimmt. In dem in 2 illustrierten Beispiel bildet ein Teil des Daches eines Kraftfahrzeugs den Untersuchungsbereich 42 (vgl. auch 6A, 6B, welche konkrete Experimente illustrieren). Ein solches Dach kann sich unter Luftanströmung merklich verformen.
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Als Vermessungsvorrichtung 10 wird in dem gezeigten Beispiel ein terrestrischer Laserscanner verwendet. Alternativ können andere, vorstehend erwähnte Vermessungsvorrichtungen verwendet werden. Wichtig ist, dass die Vermessungsvorrichtung 10 in dem Windkanal 200 zur Vermessung des Gegenstandes 40 derart angeordnet werden kann, dass eine Luftanströmung des Gegenstandes 40 durch die Anwesenheit der Vermessungsvorrichtung 10 praktisch nicht beeinträchtigt wird.
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Die Vermessungsvorrichtung 10 ist eingerichtet, den Gegenstand 40 zu vermessen und als Ergebnis einer Vermessung eine 3D-Punktwolke auszugeben, welche den vermessenen Untersuchungsbereich 42 beschreibt.
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Um eine Deformation des Gegenstandes 40 zu bestimmen, wird der Untersuchungsbereich 42 des Gegenstandes 40 mittels der Vermessungsvorrichtung 10 zweimal vermessen. In einem Schritt S2 erfolgt eine Vermessung des Gegenstands 40 in nicht deformiertem Zustand, im oben angegebenen Beispiel also ohne Luftanströmung. Ergebnis dieser ersten Vermessung ist eine erste 3D-Punktwolke, die im Folgenden als 3D-Referenzpunktwolke 500 bezeichnet wird, und welche in 3 schematisch durch die runden Punkte 501, 502 dargestellt ist.
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In einem zweiten Vermessungsschritt S4 wird der Gegenstand 40 erneut vermessen, nun unter Luftanströmung, d.h. im deformierten Zustand. Ergebnis dieser zweiten Vermessung ist eine zweite 3D-Punktwolke, die im Folgenden als 3D-Deformationspunktwolke 600 bezeichnet wird, und welche in 3 schematisch durch die kreuzförmigen Punkte 601, 602 dargestellt ist.
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3 soll andeuten und illustrieren, dass aus den beiden Punktwolken 500, 600 allein, auch wegen der Messungenauigkeit der Vermessungsvorrichtung 10, die Deformation nicht verlässlich bestimmt werden kann. Dies gilt auch, da eine solche Messungenauigkeit in der Regel größer ist als eine Auflösung, mit der die Deformation bestimmt werden soll. Die Messungenauigkeit liegt im Bereich weniger Millimeter, etwa im Bereich von 2 mm bis 5 mm. Die Auflösung, mit der die Deformation gemessen werden soll, liegt eine Größenordnung darunter, also etwa im Bereich vom 0,5 mm bis 0,2 mm.
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Daher wird in einem weiteren Schritt S3, welcher auch nach dem Schritt S4 durchgeführt werden kann, ein Referenzobjekt 510 zu der 3D-Referenzpunktwolke 500 bestimmt. Das Referenzobjekt 510 wird für die gesamte 3D-Referenzpunktwolke 500 bestimmt und soll diese quasi charakterisieren. Wie in 4, linke Seite, dargestellt wird in dem gezeigten Beispiel als Referenzobjekt 510 eine Ebene, beispielsweise eine durch die Punkte der 3D-Referenzpunktwolke 500 definierte Regressionsebene, bestimmt. Alternativ kann als Referenzobjekt 510 eine beliebige parametrisierte Fläche oder dergleichen bestimmt werden.
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In dem Fall, dass eine Fläche oder Ebene als Referenzobjekt 510 bestimmt wird, kann zusätzlich eine Deformationsrichtung mit Bezug auf das Referenzobjekt 510 in einfacher Weise angegeben werden, nämlich entlang eines Normalenvektors N (vgl. 4). Im Falle einer Ebene ergibt sich somit eine einheitliche Deformationsrichtung. Im Falle einer gekrümmten Fläche als Referenzobjekt 510 ändert sich eine derart definierte Deformationsrichtung, abhängig von dem jeweiligen Normalenvektor in einem Punkt der Fläche.
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Um eine Deformation des Gegenstandes 40 in einem vorgegebenen Anteil 42B des Untersuchungsbereichs 42 zu bestimmen, wird nun in einem ersten Teilschritt S5.1 eines Schritts S5 die Lage von Punkten der 3D-Referenzpunktwolke 500 relativ zu dem Referenzobjekt 510 bestimmt, wobei die Punkte dem Anteil 42B entsprechen (vgl. 3), also diejenige Teilpunktwolke der 3D-Referenzpunktwolke bilden, die dem Anteil 42B zugeordnet ist bzw. in dem Anteil 42B angeordnet ist. Eine ermittelte Lagebeziehung wird in einem ersten Wert festgehalten. Dieser erste Wert kann ein oder mehrere Komponenten enthalten, kann also beispielsweise auch als Vektor oder Matrix bestimmt werden.
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In analoger Weise wird in einem zweiten Teilschritt S5.2 die Lage von Punkten der 3D-Deformationspunktwolke 600 relativ zu dem Referenzobjekt 510 bestimmt, wobei die Punkte (als Teilpunktwolke der 3D-Deformationspunktwolke) ebenfalls dem Anteil 42B entsprechen (vgl. 3). Eine ermittelte Lagebeziehung wird in einem zweiten Wert festgehalten. Auch dieser zweite Wert kann ein oder mehrere Komponenten enthalten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, welche in 4, rechte Seite, angedeutet ist, wird als erster Wert d1 ein mittlerer Abstand der dem Anteil 42B entsprechenden Punkte der 3D-Referenzpunktwolke zu dem Referenzobjekt 510, d.h. der Ebene, bestimmt.
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In analoger Weise wird als zweiter Wert d2 ein mittlerer Abstand der dem Anteil 42B entsprechenden Punkte der 3D-Deformationspunktwolke zu dem Referenzobjekt 510, d.h. der Ebene, bestimmt.
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In einem dritten Teilschritt S5.3 werden nun der erste Wert d1 und der zweite Wert d2 zueinander ins Verhältnis gesetzt, wodurch sich ein Ausmaß der Deformation des Gegenstandes 40 in dem Anteil 42B des Untersuchungsbereichs 42 ableiten lässt. Konkret wird in der beschriebenen Ausführungsform eine Differenz D zwischen erstem Wert D1 und zweitem Wert d2 bestimmt, welche dann das Ausmaß der Deformation angibt. Auf diese Weise kann ein Messungenauigkeit, welche sich bei der Bestimmung der 3D-Referenzpunktwolke und der 3D-Deformationspunktwolke jeweils ergibt, und welche zumindest mit Bezug auf einen entsprechenden Anteil 42B des Untersuchungsbereichs 42 als im Wesentlichen gleichartig (gleiche Verteilung der Punkte) angesehen werden darf, bei der Bestimmung der Deformation im Wesentlichen eliminiert werden (vgl. 4, rechte Seite).
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Eine Deformation des Gegenstandes 40 in dem Anteil 42B ist in 4, linke Seite, mittels des Vektors angedeutet. Die Deformationsrichtung entspricht der Normalen N auf die Ebene 510, die Länge D des Vektors quantifiziert die Deformation in dem Anteil 42B.
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In 6B ist eine entsprechende Deformationsmessung nochmals anschaulich gemacht. Die berechneten Deformationswerte werden mit Hilfe der Normalen der Referenzebene als Vektorenfeld direkt auf ein CAD-Modell bzw. die Punktwolke des Fahrzeugs projiziert. Jeder der dort gezeigten Vektoren veranschaulicht die bestimmte Deformation in einen entsprechenden Anteil eines der Untersuchungsbereiche 42 (vgl. 6A). Auf diese Weise können die Ergebnisse eines vorstehend exemplarisch beschriebenen Verfahrens leicht fassbar anschaulich gemacht werden. Weiterhin ist eine schnelle und einfache Bewertung der Messergebnisse möglich. Alle Daten können zudem als Messreport in Form einer PDF-Datei abgelegt werden, zudem ist ein Export als CSV-Datei zur weiteren Verarbeitung möglich.
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Zum Überprüfen des vorstehend beschriebenen Verfahrens wurden zwei Messsysteme verwendet: ein Lasertracker (Faro Vantage) und ein TLS (Faro Focus 3D). Der Lasertracker bildet die Referenz, gegen welche die Messung des TLS ausgewertet wird.
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Es wurde jeweils der mittlere Abstand der ermittelten Punktwolke zur Referenzebene berechnet. Der erste Scan bildet die Referenzmessung zur Bestimmung der Differenz zwischen den Messungen. Zur Erzeugung einer Differenz wurde der Gegenstand, ein Kraftfahrzeug, mittels eines Wagenhebers auf einer Seite angekippt. Die y-Richtung des Lasertracker-Koordinatensystems zeigt senkrecht zur Referenzebene, deswegen wird nur diese Komponente zum Bilden der Referenzdifferenzen genutzt. Es ist in der nachstehend angegebenen Tabelle zu erkennen, dass die Abweichung der Differenzen jeweils unter 0,1 mm liegen.
7 illustriert die Messergebnisse.
| Lasertracker Positionsmessung | Komponenten Differenz | TLS Messung | Mittlerer Abstand zur Ebene | Differenz der Anstände | Abweichung zum Lasertracker |
| Point 2 - Center.x | 1356,18 | | | | | |
| Point 2 - Center.y | 8604,90 | | 18 | 11,67 | | |
| Point 2 - Center.z | -450,61 | | | | | |
| Point 3 - Center.x | 1356,69 | -0,51 | | | | |
| Point 3 - Center.y | 8604,25 | 0,65 | 19 | 12,26 | 0,59 | 0,06 |
| Point 3 - Center.z | -450,01 | -0,60 | | | | |
| Point 4 - Center.x | 1357,28 | -0,60 | | | | |
| Point 4 - Center.y | 8603,55 | 0,70 | 20 | 12,98 | 0,72 | -0,02 |
| Point 4 - Center.z | -449,14 | -0,87 | | | | |
| Point 5 - Center.x | 1357,78 | -0,49 | | | | |
| Point 5 - Center.y | 8603,06 | 0,50 | 21 | 13,53 | 0,55 | -0,05 |
| Point 5 - Center.z | -448,46 | -0,69 | | | | |
| Point 6 - Center.x | 1358,28 | -0,50 | | | | |
| Point 6 - Center.y | 8602,49 | 0,57 | 22 | 14,11 | 0,58 | -0,02 |
| Point 6 - Center.z | -447,74 | -0,72 | | | | |
| Point 7 - Center.x | 1358,78 | -0,50 | | | | |
| Point 7 - Center.y | 8602,07 | 0,42 | 23 | 14,55 | 0,44 | -0,02 |
| Point 7 - Center.z | -447,11 | -0,62 | | | | |
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung nochmals in nummerierten Absätzen angegeben (nicht zu verwechseln mit den nachfolgend angegebenen Patentansprüchen).
- 1. Verfahren zur Bestimmung einer Deformation eines Gegenstandes in einem Windkanal, wobei die Deformation aus einer Luftanströmung des Gegenstandes resultiert, umfassend die Schritte:
- - Bestimmen eines hinsichtlich der Deformation zu untersuchenden Untersuchungsbereichs des Gegenstandes;
- - Bestimmen einer 3D-Referenzpunktwolke durch berührungsloses Vermessen des Untersuchungsbereichs des Gegenstandes im nicht deformierten Zustand;
- - Bestimmen eines die Referenzpunktwolke charakterisierenden Referenzobjekts zu der Referenzpunktwolke;
- - Bestimmen einer 3D-Deformationspunktwolke durch berührungsloses Vermessen des Untersuchungsbereichs des Gegenstandes im deformierten Zustand unter Luftanströmung;
- - für einen vorgegebenen Anteil des Untersuchungsbereichs:
- - Bestimmen (eines Ausmaßes) einer Deformation für den Anteil des Untersuchungsbereichs auf Basis eines Verhältnisses eines ersten Wertes zu einem zweiten Wert,
- - wobei der erste Wert eine Lage einer dem Anteil des Untersuchungsbereichs entsprechenden Teilpunktwolke der Referenzpunktwolke zu dem Referenzobjekt beschreibt und wobei
- - der zweite Wert eine Lage einer dem Anteil des Untersuchungsbereichs entsprechenden Teilpunktwolke der Deformationspunktwolke zu dem Referenzobjekt beschreibt.
- 2. Verfahren nach Absatz 1, wobei das Bestimmen des Untersuchungsbereichs durch Projektion eines vorgegebenen Ausschnitts auf eine Oberfläche des Gegenstandes erfolgt.
- 3. Verfahren nach Absatz 1 oder 2, wobei als Referenzobjekt zu der Referenzpunktwolke eine auf Basis von Punkten der Referenzpunktwolke berechnete, die Referenzpunktwolke approximierende oder charakterisierende Fläche im dreidimensionalen Raum bestimmt wird.
- 4. Verfahren nach Absatz 3, wobei als Referenzobjekt eine Ebene, vorzugsweise eine Regressionsebene, bestimmt wird.
- 5. Verfahren nach einem der Absätze 3 oder 4, wobei eine Deformationsrichtung bestimmt wird auf Basis eines Normalenvektors der Fläche in einem vorgegebenen Punkt der Fläche in dem Anteil des Untersuchungsbereichs.
- 6. Verfahren nach einem der Absätze 1 bis 5, wobei das Vermessen des Untersuchungsbereichs mittels Laserscannens, vorzugsweise terrestrischen Laserscannens, erfolgt.
- 7. Verfahren nach einem der Absätze 1 bis 6, wobei das Vermessen des Untersuchungsbereichs mittels Streifenlichtprojektion erfolgt.
- 8. Verfahren nach einem der Absätze 1 bis 7, wobei das Verhältnis des ersten Wertes zu dem zweiten Wert als Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert gebildet wird.
- 9. Verfahren nach einem der Absätze 1 bis 8, wobei der erste Wert als mittlerer Abstand von Punkten der Referenzpunktwolke zu dem Referenzobjekt bestimmt wird.
- 10. Verfahren nach einem der Absätze 1 bis 8, wobei der erste Wert als Median oder gewichteter Mittelwert oder getrimmter Mittelwert von Abständen von Punkten der Referenzpunktwolke zu dem Referenzobjekt bestimmt wird.
- 11. Verfahren nach einem der Absätze 1 bis 10, wobei der zweite Wert als mittlerer Abstand von Punkten der Deformationspunktwolke zu dem Referenzobjekt bestimmt wird.
- 12. Verfahren nach einem der Absätze 1 bis 10, wobei der zweite Wert als Median oder gewichteter Mittelwert oder getrimmter Mittelwert von Abständen von Punkten der Deformationspunktwolke zu dem Referenzobjekt bestimmt wird.
- 13. Verfahren nach einem der Absätze 1 bis 12, wobei der Schritt des Bestimmens der Deformation für eine Mehrzahl verschiedener Anteile des Untersuchungsbereichs durchgeführt wird.
- 14. Verfahren nach Absatz 13, wobei die Mehrzahl der verschiedenen Anteile des Untersuchungsbereichs auf Basis einer gleichmäßigen oder adaptiven Rasterung des Untersuchungsbereichs gebildet wird.
- 15. Verfahren nach einem der Absätze 1 bis 14, umfassend einen Schritt des Visualisierens einer Deformation des Untersuchungsbereichs des Gegenstandes auf Basis der bestimmten Deformation des Anteils des Gegenstandes und gegebenenfalls der bestimmten Deformationsrichtung.
- 16. System, umfassend eine Vermessungsvorrichtung zum berührungslosen Vermessen eines Untersuchungsbereichs eines Gegenstandes und eine Auswertungseinrichtung, wobei die Vermessungsvorrichtung eingerichtet ist, in einem Windkanal derart angeordnet zu werden, dass mittels der Vermessungsvorrichtung eine Deformation eines Gegenstandes bestimmt werden kann, welche aus einer Luftanströmung des Gegenstandes in dem Windkanal resultiert, und eingerichtet ist, eine 3D-Referenzpunktwolke des Untersuchungsbereichs des Gegenstandes im nicht deformierten Zustand zu bestimmen sowie eine 3D-Deformationspunktwolke des Untersuchungsbereichs des Gegenstandes im deformierten Zustand zu bestimmen; und wobei
die Auswertungseinrichtung eingerichtet ist,
- - ein die Referenzpunktwolke charakterisierendes Referenzobjekt zu der Referenzpunktwolke zu bestimmen; und
- - für einen vorgegebenen Anteil des Untersuchungsbereichs eine Deformation für den Anteil des Untersuchungsbereichs auf Basis eines Verhältnisses eines ersten Wertes zu einem zweiten Wert zu bestimmen,
wobei der erste Wert eine Lage einer dem Anteil des Untersuchungsbereichs entsprechenden Teilpunktwolke der Referenzpunktwolke zu dem Referenzobjekt beschreibt und wobei
der zweite Wert eine Lage einer dem Ausschnitt des Untersuchungsbereichs entsprechenden Teilpunktwolke der Deformationspunktwolke zu dem Referenzobjekt beschreibt.
- 17. System nach Absatz 16, eingerichtet zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Absätze 1 bis 15.
- 18. System nach Absatz 16 oder 17, wobei die Vermessungsvorrichtung einen Laserscanner umfasst, vorzugsweise einen terrestrischen Laserscanner.
- 19. System nach Absatz 16 oder 17, wobei die Vermessungsvorrichtung einen Streifenlichtprojektor umfasst.
- 20. System nach einem der Absätze 16 bis 19, weiter umfassend eine Visualisierungseinrichtung, die eingerichtet ist, eine Deformation des Untersuchungsbereichs des Gegenstandes auf Basis der bestimmten Deformation des Anteils des Gegenstandes und gegebenenfalls der bestimmten Deformationsrichtung zu visualisieren.
- 21. Windkanal mit einem System nach einem der Absätze 16 bis 20, wobei das System in dem Windkanal derart angeordnet und eingerichtet ist, dass mittels des Systems eine Deformation eines Gegenstandes bestimmt werden kann, welche aus einer Luftanströmung des Gegenstandes in dem Windkanal resultiert.
- 22. Verwendung eines Systems nach einem der Absätze 16 bis 20 zur Bestimmung einer Deformation eines Gegenstandes in einem Windkanal, welche aus einer Luftanströmung des Gegenstandes in dem Windkanal resultiert.
