DE102018102789B4

DE102018102789B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Schwingungsanalyse eines schwingungsfähigen Objekts, insbesondere eines Bauwerks

Info

Publication number: DE102018102789B4
Application number: DE102018102789.3A
Authority: DE
Inventors: Ralf Herrmann; Alexander Moortgat-Pick
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2018-02-08
Filing date: 2018-02-08
Publication date: 2022-08-25
Anticipated expiration: 2038-02-09
Also published as: DE102018102789A1

Abstract

Verfahren zur Schwingungsanalyse wenigstens eines ersten schwingungsfähigen Objekts (3) mittels eines schwebeflugfähigen Fluggeräts (1) mit wenigstens den Schritten:Positionieren (100) des Fluggeräts (1) im Schwebeflug in einer vorbestimmten räumlichen Lage gegenüber einer ersten Messstelle (36) des ersten Objekts (3),Erfassen (200) eines zeitlichen Verlaufs (d(t)) eines Abstands (d), einer Geschwindigkeit und/oder einer Beschleunigung zwischen dem Fluggerät (3) und der ersten Messstelle (36) des ersten Objekts (1), undAnalysieren (700) des Schwingungsverhaltens des ersten Objekts (3) an der ersten Messstelle (36) basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf (d(t)) des Abstands (d), der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schwingungsanalyse eines schwingungsfähigen Objekts, insbesondere eines Bauwerks, gemäß des Patentanspruchs 1.
Es sind zahlreiche technische Gebiete bekannt, auf denen elastomechanische Objekte zu Schwingungen angeregt werden und somit Schwingungen ausführen können. Zu diesen Objekten bzw. Strukturen gehören Bauwerke des Bauingenieurwesens wie z.B. Hochhäuser, Brücken, Türme, Funkmasten, Strommasten, Windenergieanlagen und dergleichen. Auch können Objekte bzw. Strukturen wie Krane von Schwingungen betroffen sein. Die Schwingungen können z.B. durch den am Objekt angreifenden Wind hervorgerufen werden. Brücken können insbesondere durch die sie benutzenden Personen bzw. Fahrzeuge zu Schwingungen angeregt werden. Bei Windenergieanlagen können Schwingungen aus der Rotation des Rotors resultieren.
Derartige Schwingungen können die Nutzung des Objekts beeinflussen. Beispielsweise dürfen Kräne üblicherweise bei zu starken Windgeschwindigkeiten nicht mehr betrieben werden, weil sie durch den angreifenden Wind zu stark ins Schwanken gebracht werden können. Dies gilt vergleichbar für Windenergieanlagen, welche bei zu starken angreifenden Winden in der Leistung reduziert oder sogar aus dem Betrieb genommen werden können. Hierdurch soll die Sicherheit der Anlage und der Umgebung gewahrt werden. Dabei kann das Maß der Schwingungen, ab wann der Betrieb der Anlage als unsicher angesehen werden muss, von der Schwingungsanfälligkeit bzw. Schwingungsneigung des jeweiligen Objekts individuell abhängen.
Auch kann die Ermüdung des Materials der Objekte durch die Schwingungen gesteigert werden. Dies kann zu Beschädigungen des Objekts führen oder zumindest dessen Lebensdauer reduzieren.
Diese Nachteile können dadurch weiter verstärkt werden, dass z.B. Windenergieanlagen immer größer gebaut werden, wodurch sich auch die Amplitude der seitlichen Schwingungen, insbesondere der Gondel und der Rotorblätter, erhöhen kann. Ebenso können immer größere Zuggeschwindigkeiten zu immer stärkeren dynamischen Beanspruchungen von Bauwerke wie insbesondere von Brücken führen. Gleichzeitig geht der Trend dahin, aus Kosten- und Gewichtsgründen immer leichtere Bauwerke sowie Anlagen zu schaffen, welche aufgrund der hierdurch verminderten Steifigkeiten niedrigere Eigenfrequenzen aufweisen können. Dies kann die Schwingungsneigung der Objekte begünstigen sowie die Anfälligkeit für Resonanzanregungen erhöhen. Hieraus können eine geringere Ermüdungsfestigkeit und damit eine kürzere Lebensdauer der Objekte resultieren.
Aus diesen Gründen werden bei derartigen elastomechanischen Objekten üblicherweise messtechnische Untersuchungen des individuellen Schwingungsverhaltens durchgeführt. Hierdurch sollen die Eigenfrequenzen und Eigenformen der Schwingungen sowie deren Dämpfungen für das jeweilige Objekt messtechnisch erfasst werden, so dass das dynamische Verhalten des Objekts charakterisiert werden kann. Aus diesen Informationen können u.a. Aussagen zur prinzipiellen Funktionsfähigkeit eines Objekts, zu dessen Ermüdungsverhalten unter dynamischer Anregung sowie zur Abschätzung der Restlebensdauer des Objekts getroffen werden.
Derartige messtechnische Untersuchungen werden üblicherweise dadurch umgesetzt, dass Schwingwege, Schwinggeschwindigkeiten und bzw. oder Schwingbeschleunigungen als physikalische Schwingungsgrößen am Objekt erfasst werden. Dies kann jeweils in einer Richtung oder in mehreren Richtungen eines üblicherweise globalen kartesischen Koordinatensystems erfolgen. Diese Richtungen können auch als Freiheitsgrade oder englisch als Degrees-of-Freedom (DOF) bezeichnet werden. Zur Ausführung dieser Messungen können z.B. die entsprechenden Sensoren gemäß eines Messstellenplans an festen Positionen des Objekts angeordnet oder auf feste Positionen des Objekts ausgerichtet werden. Als Sensoren können Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensoren eingesetzt werden. Je nach Sensorart bildet das Objekt selbst die Messbasis oder es muss eine feste Referenzmessbasis gewählt werden, von der das Objekt sensorisch erfasst werden kann.
Ist die Sensoranordnung zur Erfassung der Schwingungen am Objekt vorbereitet, so kann die Schwingungsanregung erfolgen, um die hieraus resultierenden Schwingungen messtechnisch zu erfassen. Wird hierzu eine künstliche definierte Kraftanregung in das Objekt verwendet, um gezielt ein vorbestimmtes Frequenzspektrum anzuregen, spricht man von einer experimentellen Modalanalyse. Wird das Objekt durch die Umgebung wie z.B. durch Windanregung, durch Erschütterungen oder durch den Betrieb des Objekts wie z.B. durch dynamische Verkehrslasten oder durch unwuchtige Schwingungen angeregt, so spricht man von einer Betriebsschwingungsanalyse.
Nachteilig ist bei den zuvor beschriebenen Arten und Weisen der Durchführung von Schwingungsanalysen, dass diese bei schwierig zugänglichen Objekten gar nicht oder nur mit hohem Aufwand umgesetzt werden können. Sollen beispielsweise derartige Sensoren zur Schwingungsanalyse an den Messstellen einer Windenergieanlage angeordnet werden, so kann dies einen erheblichen Aufwand sowohl für die Anordnung der Sensoren selbst als auch für deren Verkabelung erfordern. Auch müssen die Sensoren samt Verkabelung nach Abschluss der Messung wieder entfernt werden. Dabei ist zu beachten, dass dieser Aufwand für jede Messung anfällt. Sollen Messungen z.B. zur Schwingungserfassung an dem Objekt über mehrere Jahre regelmäßig wiederholt werden, so fällt dieser Aufwand jedes Mal an.
Alternativ können die Sensoren dauerhaft an dem Objekt angeordnet werden, um regelmäßige Messungen durchführen zu können. Dies kann jedoch zu entsprechend hohen Anschaffungskosten der Messtechnik führen. Auch kann dies Wartungskosten der installierten Messtechnik verursachen. Somit können entweder der Montage- und Demontageaufwand der temporär montierten Messtechnik oder die Anschaffungs- und Wartungskosten der festinstallierten Messtechnik die Durchführung von sensorgestützten Schwingungsanalysen an derartigen Objekten verhindern.
Alternativ können berührungslose Messungen zur Schwingungsanalyse durchgeführt werden. Dies kann z.B. mittels sog. Laser-Doppler-Vibrometer (kurz: Vibrometer) erfolgen, um die Messung von Schwingungsfrequenz und -amplitude durchzuführen. Derartige Vibrometer enthalten einen Laser, der auf die zu messende Oberfläche fokussiert wird. Aufgrund des Doppler-Effekts verschiebt sich bei einer Bewegung der zu messenden Oberfläche die Frequenz des zurückgestreuten Laserlichts. Diese Frequenzverschiebung wird im Vibrometer mittels eines Interferometers ausgewertet.
Nachteilig ist bei der Verwendung von berührungslos wirkenden Sensoren, dass derartige Messgeräte üblicherweise deutlich teurer als die am Objekt anzuordnenden Sensoren sind. Dies kann gegen diese Messmethode sprechen. Ferner muss eine feste Referenzmessbasis vorhanden und zugänglich sein, von der aus alle Messstellen mittels des berührungslos arbeitenden Messgeräts erfasst werden können. Dies kann bei Objekten wie z.B. bei Windenergieanlagen oder Masten vom Boden aus gar nicht oder nur ungenau möglich sein, z.B. aufgrund eines sehr steilen Winkels vom Boden aus zu den Messstellen im oberen Bereich z.B. des Turms oder der Gondel der Windenergieanlage. Auch kann diese Messtechnik durch den maximalen Abstand zwischen Messgerät und Messstelle eingeschränkt sein. Somit können berührungslose Messungen auf derartige Objekte nur eingeschränkt bis gar nicht durchgeführt werden.
Die EP 2 824 326 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Inspektion von Rotorblättern einer Windkraftanlage. Die Rotorblätter sind in oder an einem Turm gelagert. Eine höhenverstellbare optische Sensoranordnung ist vorgesehen, mittels derer eine Inspektion der Rotorblätter über deren gesamte Längen durchführbar ist. Weiterhin sind Stellmittel für die Rotorblätter vorgesehen, welche dazu ausgebildet sind, die Rotorblätter um ihre Längsachsen in einem Winkelbereich von 360° zu drehen, so dass mit der optischen Sensoranordnung die gesamten Oberflächen der Rotorblätter erfassbar sind.
Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, dass diese Inspektionsvorrichtung an der Windenergieanlage bzw. an dessen Turm fest angeordnet ist und somit auch nur für diese Windenergieanlage verwendet werden kann. Dies führt zu entsprechenden Anschaffungs- und Wartungskosten der Inspektionsvorrichtung. Ferner kann lediglich eine rein optische Erfassung und Untersuchung der Rotorblätter durchgeführt werden, welche nicht zur Schwingungsanalyse geeignet ist. Auch können lediglich die Rotorblätter untersucht werden, jedoch nicht der Turm oder die Gondel der Windenergieanlage.
Die EP 3 002 455 A1 betrifft das Bestimmen von Betriebsparametern einer Windkraftanlage durch Aufnehmen von Bildern der Windkraftanlage, insbesondere während des Produktionsbetriebs der Windkraftanlage. Betriebsparameter im Sinne der EP 3 002 455 A1 sind insbesondere solche Betriebsgrößen, die während eines laufenden Betriebs veränderlich sind wie z.B. der Blattanstellwinkel. Eine gute Aussage über den Betrieb der Windkraftanlage ist dann möglich, wenn die Bilder von unterhalb der Gondel der Windkraftanlage aufgenommen werden und die optische Achse der Bilderfassung parallel oder in einem spitzen Winkel zur Turmachse der Windkraftanlage verläuft. Anhand der aufgenommenen Bilder können dann die Betriebsparameter bestimmt werden.
Nachteilig ist hierbei, dass ebenfalls eine rein optische Erfassung und Untersuchung erfolgt. Ferner werden auch hier lediglich die Rotorblätter einer Windenergieanlage betrachtet, jedoch nicht der Turm oder die Gondel. Auch werden Betriebsgrößen wie z.B. der Blattanstellwinkel erfasst und untersucht, jedoch keine physikalischen Größen, welche zur Charakterisierung des Schwingungsverhaltens einer Windenergieanlage geeignet sind.
Das US 6 505 130 B1 beschreibt ein Verfahren und ein System zur Ferninspektion der Integrität einer Struktur. Dies kann durch ein Verfahren durchgeführt werden, das eine Schwingungsantwort in der Struktur von einem entfernten Ort aus erzeugt und dann die Schwingungsantwort der Struktur aus der Ferne misst. Alternativ kann dies durch ein System zur Fernmessung der Unversehrtheit einer Struktur unter Verwendung eines Fahrzeugs und eines künstlichen neuronalen Netzes erfolgen, wobei das Fahrzeug mit einer Schwingungsantwortvorrichtung ausgestattet ist. Die Schwingungsantwort kann durch Infraschall- und Tonfrequenzen erzeugt werden, die zumindest von einem Fahrzeug, einem Motor oder einer Tonaufnahme erzeugt werden können. Die Schwingungsantwort kann mit einem Laservibrometer oder einem Tonaufzeichnungsgerät gemessen werden.
Die DE 10 2010 048 400 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überprüfung des baulichen Zustands von Windkraftanlagen in Form von mehrere Rotorblätter aufweisenden Windrädern, insbesondere von offshore Windkraftanlagen. Die Windräder werden dabei der Reihe nach von einem mobilen Standort aus erfasst, z. B. von einem Hubschrauber angeflogen, die Rotorblätter oder Teile von diesen werden einzeln von einer oder mehreren an und bzw. oder in dem Hubschrauber installierten Kameras erfasst. Die dabei ermittelten Daten werden gespeichert und anschließend einer Auswertung zugeführt.
Die US 2012 / 0 200 703 A1 beschreibt ein System zur Bereitstellung eines stabilisierten Videobildes mit kontinuierlich scrollbarer und automatisch steuerbarer Line-Of-Site (LOS) und einstellbarem Field-Of-View (FOV) zur Verwendung in einem unbemannten Luftfahrzeug (UAV), ohne bewegliche Teile.
Die EP 2 826 711 A1 beschreibt ein Fluggerät zum Befördern von einem oder mehreren Aufnahmegeräten, durch die Luft. Hierzu weist das Fluggerät einen oder mehrere Rotoren auf, welche die Flugbewegung steuern sowie eine Halterung für das Aufnahmegerät.
Das US 9 740 200 B2 beschreibt Verfahren, Systeme und Vorrichtungen, einschließlich Computerprogrammen, die auf Computerspeichermedien kodiert sind, für ein Inspektionssystem für unbemannte Luftfahrtsysteme. Eines der Verfahren wird von einem UAV durchgeführt und umfasst das Erhalten von Flugbetriebsinformationen von einem Benutzergerät, die eine durchzuführende Inspektion einer vertikalen Struktur beschreiben, wobei die Flugbetriebsinformationen Orte von einem oder mehreren sicheren Orten für die vertikale Inspektion enthalten.
Die EP 3 273 266 A1 beschreibt ein System und ein Verfahren zur Inspektion von Oberflächen aus der Luft, das Folgendes umfasst: ein unbemanntes Luftfahrzeug, das an Bord Folgendes umfasst: Farbbilderfassungsmittel zum automatischen Erfassen von Farbbildern einer Vielzahl von Bereichen der Oberfläche ; dreidimensionale Entfernungserfassungsmittel zum automatischen Erfassen dreidimensionaler Entfernungsdaten der Vielzahl von Bereichen der Oberfläche; und räumliche Positionierungsmittel; Verarbeitungsmittel zum Verarbeiten: die Bildfarbdaten, um darin charakteristische Bildpunkte der Oberfläche zu identifizieren, die dreidimensionalen Abstandsdaten, um jeden der identifizierten charakteristischen Bildpunkte mit seinen dreidimensionalen Abstandswerten zu korrelieren, wodurch eine Wolke von korrelierten Punkten bereitgestellt wird, unddie räumlichen Positionierungsdaten, um zumindest jedes der erfassten Farbbilder zu georeferenzieren.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Schwingungsanalyse wenigstens eines ersten schwingungsfähigen Objekts, insbesondere eines Bauwerks, der eingangs beschriebenen Art bereit zu stellen, welches einfacher, kostengünstiger, flexibler, genauer und bzw. oder schneller als bisher bekannt durchgeführt werden kann. Zumindest soll eine Alternative zu bekannten derartigen Verfahren geschaffen werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein schwebeflugfähiges Fluggerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Schwingungsanalyse wenigstens eines ersten schwingungsfähigen Objekts. Ein derartiges schwingungsfähiges Objekt kann ein elastomechanisches Objekt sein. Insbesondere kann es sich um ein Bauwerk handeln, d.h. eine von Menschen errichtete Konstruktion, die nur schwer lösbar mit dem Untergrund verbunden ist oder zumindest in ruhendem Kontakt mit ihm steht. Ein derartiges Bauwerk kann z.B. eine Brücke, ein Haus, insbesondere ein Hochhaus, ein Mast, eine Windenergieanlage oder dergleichen sein. Auch Anlagen wie z.B. Krane können ein derartiges Objekt darstellen. Derartige Objekte können für die eingangs beschriebenen Schwingungsanalysen aus den eingangs genannten Gründen von besonderem Interesse sein.
Das Verfahren zur Schwingungsanalyse wird mit einem schwebeflugfähigen Fluggerät durchgeführt. Ein derartiges Fluggerät oder Luftfahrzeug kann ein Fahrzeug sein, welches innerhalb der Erdatmosphäre fliegen oder fahren sowie einen Schwebeflug ausführen kann. Unter einem Schwebeflug ist ein Flugzustand zu verstehen, bei dem das Fluggerät an nahezu unveränderter Position und Lage in der Luft verbleibt. Als derartige Fluggeräte kommen beispielsweise Drehflügler wie z.B. Hubschrauber in Betracht, welche bemannt oder auch unbemannt, d.h. autonom fliegend oder ferngesteuert, sein können. Vorzugsweise kann ein derartiges Fluggerät ein unbemanntes Fluggerät sein, welches autonom fliegend oder ferngesteuert sein kann. Dabei ist ein autonomer unbemannter Flugbetrieb zu bevorzugen, weil er ausgeführt werden kann, ohne hierfür eine Personen zu benötigen.
Ein derartiges Fluggerät kann vorzugsweise ein Drehflügler in Form eines Multicopters und insbesondere eines Quadrocopters sein. Ein Multicopter ist ein Luftfahrzeug, das mehrere in einer Ebene angeordnete, senkrecht nach unten wirkende Rotoren oder Propeller benutzt, um Auftrieb und durch Neigung der Rotorebene auch Vortrieb zu erzeugen. Bei einem Quadrocopter sind vier in einer Ebene angeordnete, senkrecht nach unten wirkende Rotoren oder Propeller vorhanden. Derartige Fluggeräte sind mittlerweile für vergleichbar geringe Anschaffungskosten erhältlich und können an verschiedene Anwendungen angepasst werden, so dass auch das erfindungsgemäße Verfahren mittels eines derartigen Fluggeräts einfach und kostengünstig umgesetzt und ausgeführt werden kann.
Das Verfahren zur Schwingungsanalyse weist wenigstens die Schritte auf:

• Positionieren des Fluggeräts im Schwebeflug in einer vorbestimmten räumlichen Lage gegenüber einer ersten Messstelle des ersten Objekts,
• Erfassen eines zeitlichen Verlaufs eines Abstands, einer Geschwindigkeit und bzw. oder einer Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts, und
• Analysieren des Schwingungsverhaltens des ersten Objekts an der ersten Messstelle basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung.

Unter einer räumlichen Lage ist die Kombination von Position und Orientierung eines Objektes, hier des Fluggeräts, zu verstehen; die räumliche Lage kann auch als Pose bezeichnet werden. Eine erste Messstelle kann ein Stelle des ersten Objekts sein, welche auf Schwingungen zu untersuchen ist. Es können auch wenigstens zwei Messstellen eines ersten Objekts nacheinander sowie eine Messstelle oder mehrere Messstellen von wenigstens zwei Objekten nacheinander auf Schwingungen untersucht werden.
Der Abstand zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts stellt die Entfernung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts dar und kann daher auch als Relativabstand bezeichnet werden. Der Abstand wird vorzugsweise in einer kartesischen Raumrichtung betrachtet. Dies kann z.B. bei einem Mast oder bei einem Turm einer Windenergieanlage als Objekt der Abstand in der Horizontalen oder bei einer Brücke als Objekt der Abstand in der Vertikalen sein. Der Abstand kann als Verlauf über die Zeitdauer der Erfassung aufgezeichnet werden, was vorzugsweise mittels digitaler Sensortechnik in diskreten Zeitabständen mit einer Frequenz geschieht, so dass die im Folgenden näher zu erläuternden Verfahrensschritte derart ausgeführt werden können, dass eine aussagekräftige Schwingungsanalyse ausgeführt werden kann. Dies gilt entsprechend für die Geschwindigkeit bzw. die Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts, welche entsprechend als Relativgeschwindigkeit bzw. als Relativbeschleunigung bezeichnet werden können. Auch können dieser Abstand als Schwingweg, diese Geschwindigkeit als Schwinggeschwindigkeit und diese Beschleunigung als Schwingbeschleunigung bezeichnet werden.
Die Abtastfrequenz kann vorzugsweise unter Berücksichtigung des Nyquist-Shannon-Abtasttheorems angepasst an die relevanten Schwingungseigenfrequenzen gewählt werden. Vorzugsweise kann eine Abtastrate von ca. 500 Hz verwendet werden, um Eigenfrequenzen des Objekts bis ca. 30 Hz erfassen und analysieren zu können, da in diesem Frequenzbereich für derartige Objekte üblicherweise die relevanten Schwingungen zu erwarten sind.
Das Analysieren des Schwingungsverhaltens des ersten Objekts an der ersten Messstelle kann sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich erfolgen, wie im Folgenden näher erläutert werden wird. In jedem Fall werden üblicherweise die Messwertverläufe aller zur Messung eingesetzter Sensoren zeitsynchron aufgezeichnet und im Zeit- bzw. im Frequenzbereich abgespeichert. Aus den Zeit- bzw. Frequenzverläufen können dann durch Anwendung von Modalanalysealgorithmen wie z.B. der Stochastic Subspace Identification (SSI) im Zeitbereich oder der Aliasing Free Polynomial Method (AFP) im Frequenzbereich die Eigenfrequenzen, die Eigenformen und die Dämpfungen des Objekts als dessen dynamische Schwingungseigenschaften bzw. als dessen modale Schwingungsparameter bestimmt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass mittels eines schwebeflugfähigen Fluggeräts die Messtechnik zum Erfassen eines zeitlichen Verlaufs eines Abstands, einer Geschwindigkeit und bzw. oder einer Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts gegenüber der ersten Messstelle des ersten Objekts in eine vorbestimmte und ausreichend stabile räumliche Lage gebracht werden kann, um einen zeitlichen Verlaufs eines Abstands, einer Geschwindigkeit und bzw. oder einer Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts zu erfassen und hierauf basierend das Schwingungsverhalten des ersten Objekts an der ersten Messstelle zu analysieren. Mit anderen Worten kann ein Sensor bzw. können mehrere gleiche oder unterschiedliche Sensoren zur Schwingungsmessung durch ein schwebeflugfähiges Fluggerät derart positioniert und auf die erste Messstelle des ersten Objekts ausgerichtet werden, dass Relativschwingungen zwischen dem sich dynamisch bewegenden ersten Objekt und dem sich dynamisch bewegenden schwebeflugfähigen Fluggerät messtechnisch erfasst und mittels einer Schwingungsanalyse ausgewertet werden können. Das schwebeflugfähige Fluggerät bildet somit die Messbasis zum Einsatz berührungslos arbeitender Messtechnik zur Schwingungserfassung.
Auf diese Weise kann darauf verzichtet werden, Messtechnik an der ersten Messstelle des ersten Objekts anzubringen und nach der erfolgten Messung wieder zu entfernen. Auch kann die Ausrichtung einer berührungslos arbeitenden Messtechnik viel definierter auf die erste Messstelle erfolgen als bei dem Einsatz von z.B. einem Untergrund aus. Ferner kann die berührungslos arbeitende Messtechnik näher an der ersten Messstelle eingesetzt werden, was die Genauigkeit der Messung und damit der Schwingungsanalyse verbessern kann. Auch kann die Ausrichtung der Messachse der Messtechnik in einer kartesischen Raumrichtung erfolgen. Des Weiteren können mittels einer berührungslos arbeitenden Messtechnik, welche durch ein schwebeflugfähiges Fluggerät eingesetzt wird, Messstellen erreicht und erfasst werden, welche sonst gar nicht oder nur mit großem Aufwand bzw. mit eingeschränkter Qualität analysiert werden könnten.
Der vorliegenden Erfindung kommt dabei zu Gute, dass eine Modalanalyse weitgehend nach Raumrichtungen getrennt durchgeführt werden kann und deshalb auch die kartesischen Vektorkomponenten der Systemantwort des Objekts nach Raumrichtungen getrennt einzeln erfasst werden können. Dies kann mittels der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte sowie eines schwebeflugfähigen Fluggeräts umgesetzt werden.
Zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs eines Abstands, einer Geschwindigkeit und bzw. oder einer Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts kann hierfür jegliche geeignete Messtechnik eingesetzt werden. Diese Messtechnik kann einen Weg- bzw. Abstandssensor, einen Geschwindigkeitssensor und bzw. oder einen Beschleunigungssensor aufweisen. Es können auch mehrere gleichartige oder unterschiedliche derartige Sensoren verwendet und ggfs. miteinander kombiniert werden. Dabei können erfasste Wege bzw. Abstände, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen durch Integration bzw. Differentiation ineinander überführt werden, falls dies im Rahmen der Schwingungsanalyse erforderlich oder vorteilhaft ist.
Vorzugsweise wird als Messtechnik wenigstens ein Abstandssensor, vorzugsweise genau ein Abstandssensor, verwendet, welcher auch als Wegsensor bezeichnet werden kann. Insbesondere kann ein optischer Abstandssensor eingesetzt werden. Dies kann ein Infrarot-Sensor sein, welcher die erste Messstelle des ersten Objekts als Fläche erfassen kann, so dass aus der Tiefeninformation der Abstand bestimmt werden kann. Alternativ und vorzugsweise wird ein Laser-Sensor, vorzugsweise eine Laserpunkt-Sensor, verwendet. Hierdurch kann z.B. die Triangulation als Weg- bzw. Abstandsmessverfahren umgesetzt werden, was einfach, kostengünstig und mit hoher Qualität der Messung möglich sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann eine Laserlaufzeitmessung oder die Messung der Phasenlage des Laserstrahls zum Erfassen des Abstands zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts erfolgen.
Die Messdaten in Form des erfassten zeitlichen Verlaufs des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts sowie ggfs. weiterer hierauf basierender Daten können teilweise oder vollständig von dem schwebeflugfähigen Fluggerät gespeichert und z.B. nach Beendigung des erfindungsgemäßen Verfahrens drahtgebunden oder drahtlos z.B. an eine externe Datenverarbeitungseinheit übertragen werden. Dies kann, insbesondere drahtlos, während des Flugbetriebes des Fluggeräts oder, insbesondere drahtgebunden, in einem auf einem Untergrund aufgesetzten Zustand des Fluggerätes erfolgen. Auch können die Daten einer einzigen Messung oder auch von mehreren Messungen an mehreren Messstellen eines Objekts oder mehrerer Objekte übertragen werden. Hierdurch können die Messdaten bzw. hierauf basierende Daten extern genutzt und ggfs. weiterverarbeitet werden.
Hinsichtlich der Ausführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ist anzumerken, dass diese teilweise oder vollständig durch das schwebeflugfähige Fluggerät ausgeführt werden können. Auch können diese Schritte teilweise außerhalb des schwebeflugfähigen Fluggeräts z.B. durch eine externe Datenverarbeitungseinheit ausgeführt werden. In diesem Fall kann eine Übertragung der hierzu erforderlichen Daten von dem Fluggerät zu der externen Datenverarbeitungseinheit, insbesondere drahtlos, erfolgen.
Vorzugsweise ist das schwebeflugfähige Fluggerät ausgebildet, dynamische Translations- und Rotationsbewegungen mittels einer Regelung auszugleichen, so dass die vorbestimmte räumliche Lage gegenüber der ersten Messstelle des ersten Objekts selbsttätig möglichst genau für die Dauer der Messung gehalten werden kann. Hierdurch soll die Ausrichtung der Messtechnik auf die erste Messstelle des ersten Objekts für die Dauer der Messung gewährleistet werden. Dies kann die Qualität des erfassten zeitlichen Verlaufs eines Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts und damit die Schwingungsanalyse der ersten Messstelle des ersten Objekts verbessern.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner den weiteren Schritt auf:

• Kompensieren der Eigenbewegungen des Fluggeräts in dem erfassten zeitlichen Verlauf des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung.

Da die Schwingungsanalyse auf dem zeitlichen Verlauf des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts basiert, ist die Qualität der Schwingungsanalyse um so besser, desto statischer die räumliche Lage des schwebeflugfähigen Fluggeräts gehalten werden kann. Das schwebeflugfähige Fluggerät bewegt sich jedoch dynamisch und ist insbesondere Umwelteinflüssen wie z.B. Wind ausgesetzt, so dass sich die dynamischen Bewegungen des Fluggeräts als Störungen auf die Erfassung des zeitlichen Verlaufs des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts auswirken können. Diese Einflüsse können zu dynamischen Translationen sowie Rotationen des Fluggeräts führen. Um diese Störungen zu reduzieren und hierdurch die Qualität der Schwingungsanalyse zu steigern, können die dynamischen Bewegungen des schwebeflugfähigen Fluggerätes, d.h. dessen Eigenbewegungen, bestimmt und im erfassten zeitlichen Verlauf des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts kompensiert werden.
Vorzugsweise erfolgt das Kompensieren unter Berücksichtigung eines mathematischen Modells des Flugverhaltens des Fluggeräts und bzw. oder unter Berücksichtigung des erfassten Flugverhaltens des Fluggeräts. Unter einem Modell des Flugverhaltens des Fluggeräts ist eine mathematische Beschreibung des Flugverhaltens des schwebeflugfähigen Fluggeräts zu verstehen, welche für den jeweiligen aktuellen Zeitpunkt berechnet werden kann. Das erfasste Flugverhalten des Fluggerätes kann mittels Sensoren bestimmt werden, welche bei dem Fluggerät für dessen Funktion bereits vorhanden und bzw. oder im Rahmen der vorliegenden Erfindung zusätzlich an dem schwebeflugfähigen Fluggerät angeordnet sein können. Insbesondere können Flugdaten aus der „Inertial Measurement Unit (IMU)“ des Fluggerätes verwendet werden. Eine zusätzliche Sensorik kann zusätzlich oder alternativ auch direkt an der Messtechnik angeordnet sein, um das Flugverhalten des Fluggerätes möglichst nah an der zur Schwingungsanalyse eingesetzten Messtechnik als Ausgangspunkt der Messung zu erfassen. In allen Fällen können die Einflüsse des dynamischen Flugverhaltens des schwebeflugfähigen Fluggeräts auf das Erfassen des zeitlichen Verlaufs des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts reduziert werden, so dass der zeitliche Verlauf des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts dem tatsächlichen Schwingungsverhalten der ersten Messstelle des ersten Objekts möglichst gut angenähert werden kann. Dies kann die Qualität der Schwingungsanalyse verbessern.
Zu beachten ist hierbei, dass die dynamischen Bewegungen des schwebeflugfähigen Fluggerätes in Abhängigkeit der Messachse unterschiedliche Störeinflüsse verursachen können. Zu unterscheiden ist, ob die Flugbewegung entlang oder um die Messachse oder entlang bzw. um eine der übrigen Achsen erfolgt. Unter der Messachse ist dabei die Achse zu verstehen, entlang der das Erfassen des zeitlichen Verlaufs eines Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts erfolgt. Dabei stellen Translationsbewegungen entlang der Messachse sowie Rotationen um die übrigen beiden Achsen die wesentlichen Störeinflüsse dar. Bei einer horizontal ausgerichteten Messachse, welche als Roll-Achse des Fluggerätes angesehen werden kann, sind dies eine horizontale Translation entlang der Messachse sowie Nick- und Gierbewegungen des Fluggerätes. Bei einer vertikal ausgerichteten Messachse, welche als Gier-Achse des Fluggerätes angesehen werden kann, sind dies die vertikale Translation entlang der Messrichtung sowie Roll- und Nickbewegungen des Fluggerätes.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner den weiteren Schritt auf:

• Kompensieren der Geometrie des Objekts in dem erfassten zeitlichen Verlauf des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung.

Diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich in Abhängigkeit der Geometrie des schwingungstechnisch zu untersuchenden Objekts Störeinflüsse ergeben können. Diese können aus dem Verlauf bzw. aus der Erstreckung des Objekts im Bereich der ersten Messstelle resultieren, z.B. durch eine schräg verlaufende erste Messstelle. Indem ein Geometriemodell des zu untersuchenden Objekts erstellt und in die Auswertung des erfassten zeitlichen Verlauf des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts miteinbezogen wird, kann die Messgenauigkeit durch Kompensation der Geometrieeinflüsse verbessert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner den weiteren Schritt auf:

• Tiefpassfiltern des erfassten zeitlichen Verlaufs des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung.

Da Bauwerke als beispielsweise betrachtete schwingungsfähige Objekte üblicherweise Schwingungen in einem sehr niedrigen Frequenzbereich bis ca. 30 Hz ausführen, kann mittels einer Tiefpassfilterung dieses Frequenzbereichs auf sehr einfache Art und Weise die anschließende Schwingungsanalyse um Störungen sowie nicht-relevante Frequenzen bereinigt werden. Dies kann die anschließende Schwingungsanalyse vereinfachen, beschleunigen sowie deren Qualität steigern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner den weiteren Schritt auf:

• Durchführen einer Schwingungsanalyse im Zeitbereich.

Zur Schwingungsanalyse bzw. zur Modalanalyse im Zeitbereich stellt z.B. die „Stochastic Subspace Identification“ ein geeignetes mathematisches Verfahren dar. Mittels dieses Verfahrens kann die Schwingungsanalyse der modalen Eigenschaften des ersten Objekts robust, schnell und bzw. oder genau erfolgen, ohne dass hierzu eine Transformation in den Frequenzbereich erforderlich ist, sodass dieser Berechnungsaufwand vermieden werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner den weiteren Schritt auf:

• Transformation des erfassten zeitlichen Verlaufs des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung in den Frequenzbereich, vorzugsweise mittels Fourier-Transformation.

Auf diese Art und Weise kann eine Schwingungsanalyse im Frequenzbereich ermöglicht werden. Dies kann mittels einer Fourier-Transformation vergleichsweise einfach und schnell umgesetzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner den weiteren Schritt auf:

• Entfernen vorbestimmter Störfrequenzen aus dem Frequenzspektrum des frequenztransformierten Verlaufs des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung,

Diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass im Frequenzbereich die Eigenschwingungen des ersten Objekts und die Störeinflüsse aus dem Schwebeflug des Fluggeräts unterschiedliche Frequenzen besitzen. Somit können gewisse Frequenzen als Störungen erkannt und aus dem Frequenzspektrum des frequenztransformierten Verlaufs des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung entfernt werden. Dies kann die Schwingungsanalyse des bereinigten Frequenzspektrums erleichtern und verbessern.
Es werden diejenigen Störeinflüsse, die sich als harmonische Schwingungen darstellen, im Frequenzbereich durch einen Peak oder durch mehrere Peaks repräsentiert. Daher können diejenigen Peaks im Frequenzbereich vorab identifiziert werden, welche Störeinflüssen zugeordnet werden können. Diese Peaks sind entweder generell bekannt oder können durch Referenzschwingungsmessungen an Objekten mit bekanntem dynamischem Verhalten identifiziert werden. Nicht-harmonische Störeinflüsse hingegen besitzen hingegen keine charakteristische Eigenfrequenz und sind damit zufällig über den gesamten Frequenzbereich bzw. über einen Frequenzteilbereich verteilt, so dass sie nicht gezielt aus dem Frequenzspektrum des frequenztransformierten Verlaufs des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung entfernt werden können.
Auch können im Frequenzbereich Schwingungen, die aus der Eigenbewegung des Fluggerätes stammen, zusätzlich oder alternativ durch die Messverläufe der fluggeräteeigenen Sensorik, z.B. der IMU des Fluggerätes, und bzw. oder durch zusätzlich an dem Fluggerät installierter Sensorik identifiziert und von der Systemantwort des ersten Objekts unterschieden werden, so dass auch diese Störungen erkannt und aus dem Frequenzspektrum des frequenztransformierten Verlaufs des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung entfernt werden können. Eine derartige zusätzliche Sensorik kann zusätzlich oder alternativ auch direkt an der zur Schwingungsmessung eingesetzten Messtechnik angeordnet sein, um derartige Störungen möglichst unverfälscht erkennen und aus dem Frequenzspektrum des frequenztransformierten Verlaufs des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung entfernen zu können.
Die nun noch im bereinigten Messsignal, d.h. im erfassten zeitlichen Verlauf des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts im Frequenzbereich, verbleibenden Eigenmoden resultieren demnach aus der Schwingung des ersten Objekts und können mit geeigneten und allgemein bekannten Methoden der Modalanalyse mit hoher Qualität identifiziert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung erfolgt das Positionieren des Fluggeräts im Schwebeflug in einer vorbestimmten räumlichen Lage gegenüber der ersten Messstelle des ersten Objekts zumindest teilweise mittels einer optischen Erkennung der ersten Messstelle. Hierzu kann das Fluggerät eine optische Bilderfassungseinheit, vorzugsweise eine Kamera, aufweisen, welche zumindest im Wesentlichen parallel zur Messachse des Abstandssensors ausgerichtet ist. Auf diese Art und Weise kann die Einhaltung der vorbestimmten räumlichen Lage gegenüber der ersten Messstelle des ersten Objekt für die Dauer der Messung unterstützt bzw. ermöglicht werden, was sich entsprechend positiv auf die Qualität des Erfassens des zeitlichen Verlaufs des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts und damit auf das Ergebnis der Schwingungsanalyse auswirken kann.
Ferner kann die erste Messstelle erkannt und sicher angeflogen werden. Auch kann die erste Messstelle bei Wiederholungen der Messungen wiedererkannt werden. Dies kann die Durchführung der Messungen vereinfachen und bzw. oder beschleunigen.
Die erste Messstelle kann dabei selbst als solche optisch erkannt werden, z.B. weil die erste Messstelle selbst und bzw. oder deren unmittelbare Umgebung ausreichend charakteristisch ausgebildet ist, so dass die erste Messstelle optisch von dem übrigen ersten Objekt unterschieden werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Messstelle wenigstens eine zusätzliche optische Markierung wie z.B. eine farbliche Markierung, ein Muster, ein Zeichen, eine Schrift oder dergleichen aufweisen. Auch kann z.B. ein Bar-Code oder ein QR-Code verwendet werden, um die erste Messstelle zu kennzeichnen. Derartige Markierungen können einzeln oder auch miteinander kombiniert verwendet werden. Diese Markierungen können auch zusätzliche Informationen enthalten wie z.B. eine Höhen-, Längen- und bzw. oder Breitenangabe der ersten Messstelle in Relation zu dem ersten Objekt. Auch können mehrere Messstellen anhand ihrer Markierungen voneinander unterscheidbar sein. Insbesondere können die Messstellen anhand ihrer Markierung identifiziert werden. Dies alles kann einzeln oder in Kombination miteinander die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens begünstigen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren für wenigstens eine zweite Messstelle des ersten Objekts ausgeführt wird, wobei das Analysieren des Schwingungsverhaltens des ersten Objekts ferner basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung an der zweiten Messstelle erfolgt. Auf diese Art und Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren an demselben Objekt an wenigstens zwei Messstellen angewendet werden, um auch Schwingungsmessungen über die Länge, die Breite und bzw. oder die Höhe des ersten Objekts durchführen zu können.
Vorzugsweise ist das schwebeflugfähige Fluggerät dazu ausgebildet, wenigstens die beiden Messstellen des ersten Objekts selbsttätig, d.h. autonom, anzufliegen. Vorzugsweise ist das schwebeflugfähige Fluggerät ferner dazu ausgebildet, das erste Objekt bzw. dessen erste Messstelle selbsttätig anzufliegen, die Messungen an wenigstens zwei Messstellen durchzuführen und sich dann selbsttätig von dem ersten Objekt wieder zu entfernen. Dies kann die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vereinfachen und bzw. oder beschleunigen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren für wenigstens eine erste Messstelle eines zweiten Objekts ausgeführt, wobei das Analysieren des Schwingungsverhaltens des zweiten Objekts basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung an der ersten Messstelle des zweiten Objekts erfolgt. Auf diese Art und Weise können mehrere Objekte mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Schwingungen untersucht werden. Die beiden Objekte müssen sich hierzu in einer relativen räumlichen Nähe zueinander befinden, so dass diese von dem Fluggerät, vorzugsweise autonom, im Rahmen eines Fluges erreicht werden können. Hierdurch können auch mehrere Objekte möglichst einfach und bzw. oder schnell gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hinsichtlich ihres Schwingungsverhaltens untersucht werden. Dabei können durch eine nach den jeweiligen Gegebenheiten optimierte Flugtrajektorie möglichst lange Messzeiträume bei minimaler Flugstrecke bzw. Flugzeit erreicht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren für wenigstens zwei Messstellen eines ersten Objekts oder für wenigstens eine erste Messstelle eines ersten Objekts und für wenigstens eine erste Messstelle eines zweiten Objekts ausgeführt, wobei ein zeitlicher Verlauf des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung für wenigstens die beiden Messstellen erfasst wird, wobei der zeitliche Verlauf des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung in wenigstens einen ersten Abschnitt und in einen zweiten Abschnitt aufgeteilt wird, wobei die beiden Abschnitte des zeitlichen Verlaufs des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung in Abhängigkeit des Positionierens des Fluggeräts im Schwebeflug den jeweiligen Messstellen zugeordnet werden. Auf diese Art und Weise kann das Erfassen des zeitlichen Verlaufs des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung kontinuierlich über wenigstens zwei Messstellen sowie den zwischen den beiden Messstellen liegenden Bereich erfolgen. Dieser erfasste zeitliche Verlauf kann dann in kürzere Messabschnitte aufgeteilt und diese in Abhängigkeit der Position in einem definierten geometrischen Raster einander zugeordnet werden („Position Dependent Windowing (PDW)“. Somit können abschnittsweise Schwingungsmessdaten aufgezeichnet werden, ohne hierzu Einzelmessungen durchführen zu müssen. Dies kann die Durchführung der Messdatenerfassung vereinfachen und beschleunigen.
Unabhängig davon, ob lediglich eine Messstelle eines Objekts, mehrere Messstellen eines Objekts oder eine Messstelle oder mehrere Messstellen an mehreren Objekten untersucht werden sollen, können diese Schwingungsmessungen gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens sehr einfach und definiert wiederholt ausgeführt werden. Dies kann Langzeitmessungen bzw. Langzeitüberwachungen derartiger Objekte ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein schwebeflugfähiges Fluggerät, vorzugsweise einen Drehflügler, vorzugsweise einen Multicopter, ganz besonders vorzugsweise einen Quadrocopter, zur Durchführung eines Verfahrens zur Schwingungsanalyse wenigstens eines ersten schwingungsfähigen Objekts, insbesondere eines Bauwerks, wie zuvor beschrieben mit wenigstens einem Sensor, vorzugsweise einem Abstandssensor, besonders vorzugsweise wenigstens einem optischen Abstandssensor, welcher ausgebildet ist, einen Abstand zwischen dem Fluggerät und einer ersten Messstelle des ersten Objekts zu erfassen. Auf diese Art und Weise kann ein schwebeflugfähiges Fluggerät zur Verfügung gestellt werden, um die Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens zu ermöglichen. Wenigstens einige Eigenschaften und Vorteile eines entsprechenden schwebeflugfähigen Fluggeräts wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren näher erläutert und sollen daher an dieser Stelle nicht wiederholt werden. Hierbei als Sensor einen Weg- bzw. Abstandssensor, insbesondere einen optischen Weg- bzw. Abstandssensor, zu verwenden kann die Umsetzung des Erfassens des zeitlichen Verlaufs des Abstands zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts einfach, kostengünstig und mit hoher Qualität ermöglichen.
Dabei kann es ein besonderes Ziel der Umsetzung eines derartigen schwebeflugfähigen Fluggeräts zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens sein, dass das schwebeflugfähige Fluggerät eine möglichst stabile und genaue Positionierung der Messtechnik gegenüber der ersten Messstelle des ersten Objekts ermöglichen soll. Ebenso soll der Schwebeflug möglichst stabil und unter bestmöglicher Einhaltung der vorbestimmten räumlichen Lage durchgeführt werden können. Dies beides kann die Qualität des Erfassens des zeitlichen Verlaufs des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts begünstigen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das schwebeflugfähige Fluggerät wenigstens eine Sensorhalterung auf, über welche der Sensor an dem Fluggerät angeordnet ist, wobei die Sensorhalterung wenigstens einen Schwingungsdämpfer, vorzugsweise wenigstens ein elastisches Dämpferelement, besonders vorzugsweise wenigstens ein Elastomerelement, aufweist, welches schwingungsdämpfend zwischen dem Sensor und dem Fluggerät angeordnet ist, und bzw. oder wobei die Sensorhalterung eine kardanische Aufhängung aufweist, und bzw. oder wobei die Sensorhalterung zwischen einer horizontalen und einer vertikalen Ausrichtung schwenkbar ausgebildet ist.
Mittels einer Sensorhalterung kann der Sensor grundsätzlich am Fluggerät gehalten werden. Vorzugsweise kann der Sensor mittels der Sensorhalterung im unteren Bereich bzw. unterhalb des Fluggeräts angeordnet werden, so dass die eingesetzte Messtechnik durch Anordnung außerhalb des Wirkungsbereichs des Rotors bzw. der Rotoren bzw. des Propellers bzw. der Propeller durch diese möglichst wenig störend beeinflusst wird.
Die Sensorhalterung weist dabei wenigstens einen Schwingungsdämpfer, vorzugsweise wenigstens ein elastisches Dämpferelement, besonders vorzugsweise wenigstens ein Elastomerelement, auf, welches schwingungsdämpfend zwischen dem Sensor und dem Fluggerät angeordnet ist. Hierdurch kann ein passiv wirkender Schwingungsschutz realisiert werden, um Schwingungen, welche aus dem Flugbetrieb des schwebeflugfähigen Fluggeräts resultieren können, von dem Sensor als Messtechnik möglichst zu entkoppeln. Dies über wenigstens ein elastisches Dämpferelement und insbesondere wenigstens ein Elastomerelement umzusetzen kann einfach, kostengünstig und bzw. langlebig sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die Sensorhalterung eine kardanische Aufhängung aufweisen. Hierdurch kann eine selbsttätige Ausrichtung des Sensors in der horizontalen Ebene erreicht werden. Dies kann direkt für horizontal durchzuführende Messungen z.B. an Windenergieanlagen genutzt werden, um die Messachse trotz der dynamischen Bewegungen des Fluggeräts in der horizontalen Ausrichtung zu halten.
Alternativ oder zusätzlich kann die Sensorhalterung zwischen einer horizontalen und einer vertikalen Ausrichtung schwenkbar ausgebildet sein. Hierdurch kann eine Ausrichtung der Messtechnik sowohl für horizontale Messungen z.B. an Windenergieanlagen als auch für vertikale Messungen z.B. über Brücken erfolgen. Vorzugsweise kann genau zwischen diesen beiden Stellungen z.B. mittels eines elektrischen Antriebs umgeschaltet werden. Wird gleichzeitig eine kardanische Aufhängung der Sensorhalterung verwendet, so erfolgt das Schwenken der Messtechnik gegenüber der kardanischen Aufhängung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Sensor derart ausgebildet, so dass Beschleunigungen entlang der Messachse des Sensors und bzw. oder Neigungen der Messachse des Sensors sensorisch erfasst werden können. Auf diese Art und Weise können dynamische Störungen, welche an dem Sensor angreifen können, erfasst und in dem erfassten zeitlichen Verlauf des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts kompensiert werden. Dies kann die Qualität des erfassten zeitlichen Verlaufs des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts verbessern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das schwebeflugfähige Fluggerät wenigstens eine Satellitennavigationseinheit auf, welche ausgebildet ist, die Position des Fluggeräts dreidimensional zu erfassen, und bzw. oder wenigstens eine Höhenmesseinheit, vorzugsweise wenigstens ein Barometer, welche ausgebildet ist, die vertikale Position des Fluggeräts zu erfassen. Über die Berücksichtigung von Positionsdaten aus einer Satellitennavigationseinheit kann das schwebeflugfähige Fluggerät zum einen gegenüber der ersten Messstelle des ersten Objekts positioniert werden, um die Messstelle generell anzufliegen und die Messung zu ermöglichen. Während der Messung kann die Einhaltung der vorbestimmten räumlichen Lage des Fluggeräts gegenüber der ersten Messstelle des ersten Objekts durch eine Positionsregelung auf die Positionsdaten der Satellitennavigationseinheit verbessert werden, was die Qualität des erfassten zeitlichen Verlaufs des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts verbessern kann. Beide Effekte können durch die Berücksichtigung einer Höheninformation entlang der Hochachse des Objekts alternativ oder zusätzlich erreicht bzw. verbessert werden, wobei das Anfliegen einer ersten Messstelle des ersten Objekts in der Höhe bei der Schwingungsmessung an hohen Objekten wie z.B. an Windenergieanlagen relevant sein kann. Als Höhenmesseinheit bzw. als Höhenmessgerät, auch Altimeter genannt, kann ein Barometer verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das schwebeflugfähige Fluggerät wenigstens eine optische Bilderfassungseinheit, vorzugsweise eine Kamera, auf, welche zumindest im Wesentlichen parallel zur Messachse des Sensors ausgerichtet ist, wobei die optische Bilderfassungseinheit vorzugsweise unmittelbar am Sensor angeordnet ist. Unter dem Sensor ist die zur Schwingungsanalyse eingesetzte Messtechnik zu verstehen. Auch hierdurch kann eine erste Messstelle des ersten Objekts zunächst angeflogen werden, indem eine entsprechende optische Markierung wie zuvor beschrieben in der unmittelbaren Nähe der ersten Messstelle des ersten Objekts angeordnet ist und durch die optische Bilderfassungseinheit erkannt werden kann. Während der Messung kann die Einhaltung der vorbestimmten räumlichen Lage des Fluggeräts gegenüber der ersten Messstelle des ersten Objekts durch eine Positionsregelung auf die erkannte optische Markierung verbessert werden, was die Qualität des erfassten zeitlichen Verlaufs des Abstands, der Geschwindigkeit und bzw. oder der Beschleunigung zwischen dem Fluggerät und der ersten Messstelle des ersten Objekts verbessern kann.
Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den folgenden Figuren erläutert. Darin zeigt:

1 eine seitliche schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen schwebeflugfähigen Fluggeräts zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 die Darstellung der 1 von oben;
3 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen schwebeflugfähigen Fluggeräts zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Objekt in Form einer Windenergieanlage;
5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen schwebeflugfähigen Fluggeräts zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Objekt in Form einer Brücke;
6 die Darstellung der 1 im Fall einer Neigung des schwebeflugfähigen Fluggeräts;
7 die Darstellung der 1 im Fall einer Drehung des schwebeflugfähigen Fluggeräts um die Hochachse; und
8 die Darstellung der 1 im Fall einer Höhenabweichung des schwebeflugfähigen Fluggeräts.

Die o.g. Figuren werden in kartesischen Koordinaten betrachtet. Es erstreckt sich eine Längsrichtung X, welche auch als Tiefe X bezeichnet werden kann. Senkrecht zur Längsrichtung X erstreckt sich eine Querrichtung Y, welche auch als Breite Y bezeichnet werden kann. Senkrecht sowohl zur Längsrichtung X als auch zur Querrichtung Y erstreckt sich eine vertikale Richtung Z, welche auch als Höhe Z bezeichnet werden kann. In der Längsrichtung X erstreckt sich eine Längsachse X', welche bei Fluggeräten auch als Rollachse X' bezeichnet werden kann. In der Querrichtung Y erstreckt sich eine Querachse Y', welche bei Fluggeräten auch als Nickachse Y' bezeichnet werden kann. In der vertikalen Richtung Z erstreckt sich eine Hochachse Z', welche bei Fluggeräten auch als Gierachse Z' bezeichnet werden kann. Senkrecht zur Hochachse Z' erstreckt sich eine radiale Richtung R von dieser weg.
1 zeigt eine seitliche schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen schwebeflugfähigen Fluggeräts 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 2 zeigt die Darstellung der 1 von oben. Als schwebeflugfähiges Fluggerät 1 wird ein Multicopter 1 und genauer gesagt ein Quadrocopter 1 betrachtet. Der Quadrocopter 1 weist mittig einen Körper 10 auf, von dem sich in der horizontalen Ebene vier Ausleger 11 radial weg strecken. Der Körper 10 kann auch als Gestell 10 bezeichnet werden. Die Ausleger 11 sind jeweils 90° zueinander versetzt angeordnet, siehe z.B. 2. Jeder Ausleger 11 weist an seinem oberen Ende einen Propeller 12 auf. An dem unteren Ende weist jeder Ausleger 11 einen Fuß 13 auf, um auf einem Untergrund aufstehen zu können (nicht dargestellt). Das Gestell 10 trägt eine inertiale Messeinheit 14 des Quadrocopters 1, welche für den Flugbetrieb erforderlich ist. Ein derartiger Quadrocopter 1 ist bekannt und insbesondere in dieser Form handelsüblich zu erwerben.
Erfindungsgemäß weist der Quadrocopter 1 zusätzlich einen optischen Sensor 20 in Form eines Abstandssensors 20 bzw. eines Wegsensor 20 auf, welcher mittels eines Laserstahls unter Anwendung des Triangulationsverfahrens einen Weg bzw. einen Abstand entlang einer Messachse erfassen kann. Der Abstandssensor 20 ist mittels einer Sensorhalterung 21 von unten an dem Gestell 10 des Quadrocopters 1 angeordnet. Dabei ist die Sensorhalterung 21 in dem betrachteten Ausführungsbeispiel schwenkbar ausgebildet, so dass der Abstandssensor 20 zwischen einer horizontalen Ausrichtung seiner Messachse und einer vertikal nach unten zeigenden Ausrichtung seiner Messachse umgeschwenkt werden kann. Ferner ist die schwenkbare Sensorhalterung 21 mittels Schwingungsdämpfern 22 in Form von elastischen Dämpfungselementen 22, welche als Elastomerelemente 22 ausgebildet sind, an dem Gestell 10 des Quadrocopters 1 angeordnet. Hierdurch können durch einfache passive Maßnahmen Schwingungen insbesondere von den Propellern 12 zumindest teilweise von dem Abstandssensor 20 ferngehalten werden.
Parallel zum Abstandssensor 20 ist eine optische Bilderfassungseinheit 23 in Form einer Kamera 23 angeordnet, welche entlang der Messachse des Abstandssensors 20 ausgerichtet ist. Mittels dieser Kamera 23 kann optisch erfasst werden, worauf die Messachse des Abstandssensors 20 gerichtet ist.
Der Quadrocopter 1 weist ferner eine Satellitennavigationseinheit 24 sowie eine Höhenmesseinheit 25 in Form eines Barometers 25 auf, deren Funktionen weiter unten erläutert werden. Ferner weist der Quadrocopter 1 eine Datenverarbeitungseinheit 26 auf, um das erfindungsgemäße Verfahren zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig durchführen zu können. Auch ist eine drahtlose Signalübertragungseinheit 27 vorgesehen, über welche Daten sowie Anweisungen empfangen und bzw. oder ausgesendet werden können.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 4 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen schwebeflugfähigen Fluggeräts 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Objekt 3 in Form einer Windenergieanlage 3.
Bei dem Objekt 3 handelt es sich um ein schwingungsfähiges elastomechanisches Objekt 3 in Form eines Bauwerks 3, welches gemäß der 4 eine Windenergieanlage 3 ist. Die Windenergieanlage 3 weist einen Turm 30 auf, welcher auf einem Untergrund 33 steht. An der Spitze des Turms 30 ist eine Gondel 31 angeordnet, welche drei Rotorblätter 32 trägt.
Wie in der 4 durch die beiden gestrichelten Darstellungen der Windenergieanlage 3 angedeutet, kann die Windenergieanlage 3 z.B. durch Umwelteinflüsse wie den angreifenden Wind zu Schwingungen in seitlicher Richtung angeregt werden. Um diese Schwingungen messtechnisch mittels einer Modalanalyse untersuchen zu können wird nun das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Fluggerät 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wie folgt eingesetzt:
Zunächst wird die Windenergieanlage 3 von dem Fluggerät 1 selbsttätig angeflogen. Dies kann über eine Positionsvorgabe erfolgen, welcher das Fluggerät 1 aufgrund von Satellitennavigationsdaten folgen kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Windenergieanlage 3 auch optisch durch die Kamera 23 erkannt und angeflogen werden.
Bei der Windenergieanlage 3 angekommen positioniert sich das Fluggerät 1 in einem ersten Schritt 100 im Schwebeflug in einer vorbestimmten räumlichen Lage gegenüber einer ersten Messstelle 36 der Windenergieanlage 3 als erstes Objekt 3. Dies kann ebenfalls mittels Positionsvorgabe und bzw. oder durch optische Erkennung einer Markierung (nicht dargestellt) der ersten Messstelle 36 erfolgen. In dieser vorbestimmten räumlichen Lage ist die Messachse des Abstandssensors 20 in der horizontalen Ebene auf die erste Messstelle 36 ausgerichtet, so dass in einem zweiten Schritt 200 ein zeitlicher Verlauf d(t) eines Abstands d zwischen dem Fluggerät 1 und der ersten Messstelle 36 des ersten Objekts 1 erfasst werden kann. Dabei ergibt sich der zeitliche Verlauf d(t) des Abstands d zwischen dem Fluggerät 3 und der ersten Messstelle 36 des ersten Objekts 3 aus dem Weg X₀(t) des Objekts 3 in der Längsrichtung X und dem Weg X₁(t) des Fluggeräts 1 in der Längsrichtung X, siehe 4. Die dynamischen Bewegungen in der Längsrichtung X, welche das Fluggerät 1 dabei ausführen kann, sind durch die beiden seitlich äußeren Darstellungen des Fluggeräts 1 mit dünneren Linien angedeutet.
Dieser erfasste zeitliche Verlauf d(t) des Abstands d kann durch das Fluggerät 1 weiterverarbeitet werden. So können in einem dritten Schritt 300 die Eigenbewegungen des Fluggeräts 1 in dem erfassten zeitlichen Verlauf d(t) des Abstands d kompensiert werden, um die Qualität des erfassten Abstands d zu verbessern. Das Kompensieren 300 kann dabei unter Berücksichtigung eines mathematischen Modells des Flugverhaltens des Fluggeräts 1 und bzw. oder unter Berücksichtigung des erfassten Flugverhaltens des Fluggeräts 1 erfolgen. Ferner kann in einem vierten Schritt 400 aus denselben Gründen ein Kompensieren der Geometrie der Windenergieanlage 3 in dem erfassten zeitlichen Verlauf d(t) des Abstands d erfolgen.
Der qualitativ verbesserte erfasste zeitliche Verlauf d(t) des Abstands d kann nun entweder im Zeitbereich oder im Frequenzbereich weiterverarbeitet werden. Im Zeitbereich kann in einem fünften Schritt 500a ein Tiefpassfiltern des erfassten zeitlichen Verlaufs d(t) des Abstands d erfolgen, da bei Bauwerken üblicherweise lediglich Schwingungen bis ca. 30 Hz von Interesse sind und die folgenden Schritte mittels einer entsprechenden Tiefpassfilterung auf diesen Frequenzbereich beschränkt werden können. Anschließend kann in einem sechsten Schritt 600a eine Schwingungsanalyse bzw. Modalanalyse im Zeitbereich durch das Durchführen einer Stochastic Subspace Identification erfolgen, wodurch ein Analysieren 700 des Schwingungsverhaltens des ersten Objekts 3 an der ersten Messstelle 36 basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf d(t) des Abstands d im Zeitbereich erreicht werden kann.
Zur Durchführung einer Analyse 700 des Schwingungsverhaltens des ersten Objekts 3 an der ersten Messstelle 36 im Frequenzbereich basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf d(t) des Abstands d wird der erfasste zeitliche Verlauf d(t) des Abstands d in einem alternativen fünften Schritt 500b zunächst in den Frequenzbereich transformiert, was vorzugsweise mittels einer Fourier-Transformation geschieht. Anschließend werden in einem alternativen sechsten Schritt 600b vorbestimmte Störfrequenzen aus dem Frequenzspektrum des frequenztransformierten Verlaufs d(t) des Abstands d entfernt, um die Qualität des erfassten Abstands d zu verbessern. Im Rahmen dieses sechsten Schrittes 600b wird vorzugsweise wenigstens eine Störfrequenz entfernt, welche mittels wenigstens einer Referenzmessung und bzw. oder mittels eines mathematischen Modells des Flugverhaltens des Fluggeräts 1 und bzw. oder mittels des erfassten Flugverhaltens des Fluggeräts 1 bestimmt wurde bzw. wird.
In jedem Fall kann auf diese Art und Weise eine Schwingungsanalyse eines Objekts 3 wie in der 4 einer Windenergieanlage 3 einfacher, schneller, genauer und bzw. oder kostengünstiger als bisher bekannt ausgeführt werden. Dabei kann das Verfahren auch für mehrere Messstellen 36 desselben Objekts 3 und bzw. oder für Messstellen 36 an mehreren Objekten 3 ausgeführt werden.
5 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen schwebeflugfähigen Fluggeräts 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens an einem ersten Objekt 3 in Form einer Brücke 3. Die Brücke 3 weist einen Brückenüberbau 34 auf, welcher in der Querrichtung Y an seinen Enden jeweils durch ein Brückenwiderlager 35 gelagert wird. Die Schwingungsanalyse einer Brücke 3 erfolgt vergleichbar der zuvor beschriebenen Schwingungsanalyse einer Windenergieanlage 3, wobei in diesem Fall der Abstandssensor 20 vertikal nach unten ausgerichtet wird. In diesem Fall ergibt sich der zeitliche Verlauf d(t) eines Abstands d zwischen dem Fluggerät 1 und der ersten Messstelle 36 des ersten Objekts 3 aus dem Weg Z₀(t) des Objekts 3 in der vertikalen Richtung Z und dem Weg Z₁(t) des Fluggeräts 1 in der vertikalen Richtung Z, siehe 5. Dabei ist dasselbe Fluggerät 1 in der 5 an zwei verschiedenen ersten Messstellen 36 dargestellt.
6 zeigt die Darstellung der 1 im Fall einer Neigung des schwebeflugfähigen Fluggeräts 1. Unter der Neigung ist eine Rotation des Fluggeräts 1 um die Querachse Y' als Nickachse Y' um einen Winkel β zu verstehen. Da hierdurch die Messachse aus der horizontalen Lage abgelenkt wird, wie im Fall der 6 nach unten, wird in dieser Situation ein größerer Abstand d zur ersten Messstelle 36 des ersten Objekts 1 erfasst als in der horizontalen Richtung vorhanden ist. Diese Abstandsdifferenz Δ d_β kann durch das Erfassen des Nickwinkels β erkannt und berechnet werden, so dass der zeitliche Verlauf d(t) des Abstands d zwischen dem Fluggerät 1 und der ersten Messstelle 36 des ersten Objekts 3 um diesen Fehler korrigiert werden kann. Dabei ist dasselbe Fluggerät 1 in der 6 in einer horizontalen Ausrichtung mit gestrichelten Linien und in einer geneigten Ausrichtung mit durchgezogenen Linien dargestellt.
7 zeigt die Darstellung der 1 im Fall einer Drehung des schwebeflugfähigen Fluggeräts 1 um die Hochachse Z'. In diesem Fall kommt es, vergleichbar der Situation der 6, zu einer Vergrößerung des Abstands d zwischen dem Fluggerät 1 und der ersten Messstelle 36 des ersten Objekts 3, indem das Fluggerät 1 um seine Hochachse Z' als Gierachse Z' eine Drehung in Form eines Gierens um einen Winkel γ ausführt. Diese Abstandsdifferenz Δ d_γ kann ebenfalls erkannt, berechnet und korrigiert werden. Dabei ist dasselbe Fluggerät 1 in der 7 in einer geradlinigen Ausrichtung mit gestrichelten Linien und in einer gedrehten Ausrichtung mit durchgezogenen Linien dargestellt.
8 zeigt die Darstellung der 1 im Fall einer Höhenabweichung des schwebeflugfähigen Fluggeräts 1. In diesem Fall wird eine Positionsabweichung des Fluggeräts 1 in der vertikalen Richtung Z bei einer horizontalen Messung betrachtet. Diese hat bei einer senkrechten ersten Messstelle 36 keine Auswirkungen auf den zeitlichen Verlauf d(t) des Abstands d zwischen dem Fluggerät 1 und der ersten Messstelle 36 des ersten Objekts 3. In dem dargestellten Fall wird jedoch der konisch nach oben hin zulaufende Turm 30 einer Windenergieanlage 3 als erstes Objekt 3 betrachtet, welcher schräg und nicht senkrecht verläuft. Hierdurch kommt es bei einer Positionsabweichung des Fluggeräts 1 in der vertikalen Richtung Z nach oben zu einer Vergrößerung des Abstands d zwischen dem Fluggerät 1 und der ersten Messstelle 36 des ersten Objekts 3. Diese Abstandsdifferenz Δ d_z kann ebenfalls erkannt, berechnet und korrigiert werden. Dabei ist dasselbe Fluggerät 1 in der 8 in einer geradlinigen Ausrichtung mit gestrichelten Linien und in einer in der Höhe Z nach oben versetzten geradlinigen Ausrichtung mit durchgezogenen Linien dargestellt.
Bezugszeichenliste

R: radiale Richtung zur Hochachse Z'
X: Längsrichtung; Tiefe
X': Längsachse; Rollachse
Y: Querrichtung; Breite
Y': Querachse; Nickachse
Z: vertikale Richtung; Höhe
Z': Hochachse; Gierachse
β: Nickwinkel des Fluggeräts 1
γ: Gierwinkel des Fluggeräts 1
d: Abstand zwischen Fluggerät 1 und Objekt 3 in der Längsrichtung X bzw. vertikalen Richtung Z
d(t): zeitlicher Verlauf des Abstands d
Δ dβ: Abstandsdifferenz aufgrund von Nicken des Fluggeräts 1
Δ dγ: Abstandsdifferenz aufgrund von Gieren des Fluggeräts 1
Δ dz: Abstandsdifferenz aufgrund von Vertikalbewegung des Fluggeräts 1
X0(t): Weg des Objekts 3 in der Längsrichtung X
X1(t): Weg des Fluggeräts 1 in der Längsrichtung X
Z0(t): Weg des Objekts 3 in der vertikalen Richtung Z
Z1(t): Weg des Fluggeräts 1 in der vertikalen Richtung Z
1: schwebeflugfähiges (unbemanntes) Fluggerät; Multicopter; Quadrocopter
10: Körper; Gestell
11: Ausleger
12: Propeller
13: Füße
14: inertiale Messeinheit; Inertial Measurement Unit (IMU)
20: Sensor; (optischer) Abstandssensor; (optischer) Wegesensor
21: (schwenkbare) Sensorhalterung
22: Schwingungsdämpfer; elastisches Dämpfungselement; Elastomerelement
23: optische Bilderfassungseinheit; Kamera
24: Satellitennavigationseinheit
25: Höhenmesseinheit; Höhenmessgerät; Altimeter; Barometer
26: Datenverarbeitungseinheit
27: drahtlose Signalübertragungseinheit
3: schwingungsfähiges Objekt; Bauwerk; Windenergieanlage; Brücke
30: Turm der Windenergieanlage 3
31: Gondel der Windenergieanlage 3
32: Rotorblätter der Windenergieanlage 3
33: Untergrund
34: Brückenüberbau
35: Brückenwiderlager
36: Messstelle; Messposition

Claims

Verfahren zur Schwingungsanalyse wenigstens eines ersten schwingungsfähigen Objekts (3) mittels eines schwebeflugfähigen Fluggeräts (1) mit wenigstens den Schritten: Positionieren (100) des Fluggeräts (1) im Schwebeflug in einer vorbestimmten räumlichen Lage gegenüber einer ersten Messstelle (36) des ersten Objekts (3), Erfassen (200) eines zeitlichen Verlaufs (d(t)) eines Abstands (d), einer Geschwindigkeit und/oder einer Beschleunigung zwischen dem Fluggerät (3) und der ersten Messstelle (36) des ersten Objekts (1), und Analysieren (700) des Schwingungsverhaltens des ersten Objekts (3) an der ersten Messstelle (36) basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf (d(t)) des Abstands (d), der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: Kompensieren (300) der Eigenbewegungen des Fluggeräts (1) in dem erfassten zeitlichen Verlauf (d(t)) des Abstands (d), der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung.
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: Kompensieren (400) der Geometrie des Objekts (3) in dem erfassten zeitlichen Verlauf (d(t)) des Abstands (d), der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung.
Verfahren nach einem der vorherigen Schritte, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: Tiefpassfiltern (500a) des erfassten zeitlichen Verlaufs (d(t)) des Abstands (d), der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: Durchführen (600a) einer Schwingungsanalyse im Zeitbereich.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: Transformation (500b) des erfassten zeitlichen Verlaufs (d(t)) des Abstands (d), der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung in den Frequenzbereich.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: Entfernen (600b) vorbestimmter Störfrequenzen aus dem Frequenzspektrum des frequenztransformierten Verlaufs (d(t)) des Abstands (d), der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung.
Verfahren nach einem der vorherigen Schritte, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionieren (100) des Fluggeräts (1) im Schwebeflug in einer vorbestimmten räumlichen Lage gegenüber der ersten Messstelle (36) des ersten Objekts (3) zumindest teilweise mittels einer optischen Erkennung der ersten Messstelle (36) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Schritte, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für wenigstens eine zweite Messstelle des ersten Objekts (3) ausgeführt wird, wobei das Analysieren (700) des Schwingungsverhaltens des ersten Objekts (3) ferner basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf (d(t)) des Abstands (d), der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung an der zweiten Messstelle erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Schritte, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für wenigstens eine erste Messstelle (36) eines zweiten Objekts (3) ausgeführt wird, wobei das Analysieren (700) des Schwingungsverhaltens des zweiten Objekts (3) basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf (d(t)) des Abstands (d), der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung an der ersten Messstelle (36) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Schritte, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für wenigstens zwei Messstellen (36) eines ersten Objekts (3) oder für wenigstens eine erste Messstelle (36) eines ersten Objekts (3) und für wenigstens eine erste Messstelle (36) eines zweiten Objekts (3) ausgeführt wird, wobei ein zeitlicher Verlauf (d(t)) des Abstands (d), der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung für wenigstens die beiden Messstellen (36) erfasst wird, wobei der zeitliche Verlauf (d(t)) des Abstands (d), der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung in wenigstens einen ersten Abschnitt und in einen zweiten Abschnitt aufgeteilt wird, wobei die beiden Abschnitte des zeitlichen Verlaufs (d(t)) des Abstands (d), der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung in Abhängigkeit des Positionierens (100) des Fluggeräts (1) im Schwebeflug den jeweiligen Messstellen (36) zugeordnet werden.
Schwebeflugfähiges Fluggerät (1) zur Durchführung eines Verfahrens zur Schwingungsanalyse wenigstens eines ersten schwingungsfähigen Objekts (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem Sensor (20), welcher ausgebildet ist, einen Abstand (d), der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung zwischen dem Fluggerät (3) und einer ersten Messstelle (36) des ersten Objekts (1) zu erfassen.
Schwebeflugfähiges Fluggerät (1) nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch wenigstens eine Sensorhalterung (21), über welche der Sensor (20) an dem Fluggerät (1) angeordnet ist, wobei die Sensorhalterung (21) wenigstens einen Schwingungsdämpfer (22), aufweist, welches schwingungsdämpfend zwischen dem Sensor (20) und dem Fluggerät (1) angeordnet ist, und/oder wobei die Sensorhalterung (21) eine kardanische Aufhängung aufweist, und/oder wobei die Sensorhalterung (21) zwischen einer horizontalen und einer vertikalen Ausrichtung schwenkbar ausgebildet ist.
Schwebeflugfähiges Fluggerät (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) ausgebildet ist, so dass Beschleunigungen entlang der Messachse des Abstandssensors (20) und/oder Neigungen der Messachse des Sensors (20) sensorisch erfasst werden können.
Schwebeflugfähiges Fluggerät (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch wenigstens eine Satellitennavigationseinheit (24), welche ausgebildet ist, die Position des Fluggeräts (1) dreidimensional zu erfassen, und/oder wenigstens eine Höhenmesseinheit (25), welche ausgebildet ist, die vertikale Position des Fluggeräts (1) zu erfassen.
Schwebeflugfähiges Fluggerät (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, gekennzeichnet durch wenigstens eine optische Bilderfassungseinheit (23), welche zumindest im Wesentlichen parallel zur Messachse des Abstandssensors (20) ausgerichtet ist.