DE102020111207A1

DE102020111207A1 - Vorrichtung zur Messung von Schwingungen eines Objekts mittels Lichtleiter-gestützter Laser-Doppler-Vibrometrie

Info

Publication number: DE102020111207A1
Application number: DE102020111207.6A
Authority: DE
Inventors: Mohamed Alsayed Ahmed M. Ismail
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2021-10-28

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Messung von Schwingungen eines Objekts (11) weist eine Basisstation (2) auf, die eine Quelle für einen Messstrahl (15) und einen Analysator zum Analysieren eines von einer Oberfläche (13) des Objekts (11) reflektierten Anteils des Messstrahls (15) umfasst. Weiterhin weist die Vorrichtung (1) ein schwebefähiges unbemanntes Flugobjekt (3) auf, das einen Messkopf (16) zum Richten des Messstrahls (15) auf die Oberfläche (13) und zum Empfangen des von der Oberfläche (13) reflektierten Anteils des Messstrahls (15) trägt. Das unbemannte Flugobjekt (3) ist mit der Basisstation (2) über ein flexibles Verbindungskabel (4) verbunden, das ein Stromleiterkabel zur Versorgung des unbemannte Flugobjekts (3) mit elektrischer Energie und ein Lichtleiterkabel umfasst. Das Lichtleiterkabel leitet den Messstrahl (15) von der Basisstation (2) zu dem Messkopf (16) und den von der Oberfläche (13) reflektierten Anteil des Messstrahls (15) von dem Messkopf (16) zu der Basisstation (2).

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Schwingungen eines Objekts mit einer Basisstation, die eine Quelle für einen Messstrahl und einen Analysator zum Analysieren eines von einer Oberfläche des Objekts reflektierten Anteils des Messstrahls umfasst, und mit einem schwebefähigen unbemannten Flugobjekt, das einen Messkopf zum Richten des Messstrahls auf die Oberfläche und zum Empfangen des von der Oberfläche reflektierten Anteils des Messstrahls trägt.
Messungen von Schwingungen eines Objekts können aus verschiedenen Gründen durchgeführt werden, insbesondere um die Integrität des Objekts, wie beispielsweise eines Bauwerks, einer industriellen Anlage oder auch eines anderen größeren Objekts zu überprüfen, weil sich strukturelle Veränderungen an dem Objekt auf dessen Eigenschwingungen sowohl in Bezug auf deren Eigenfrequenzen als auch die zugehörigen Eigenschwingungsformen auswirken.
STAND DER TECHNIK
Eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 ist aus der DE 10 2018 113 244 B3 bekannt. Um eine Vorrichtung zur Messung von Schwingungen einer Oberfläche eines Objekts, bei der ein Messstrahl von einer Basisstation in einer Vorwärtsrichtung auf eine Strahlumlenkeinheit gerichtet wird, bei der der Messstrahl von der Strahlumlenkeinheit in eine Messrichtung umgelenkt wird, sodass der Messstrahl in der Messrichtung auf einen Bereich des Objekts trifft, und bei der ein von der Oberfläche entgegen der Messrichtung reflektierter Anteil des Messstrahls von der Strahlumlenkeinheit in eine der Vorwärtsrichtung entgegengesetzten Rückwärtsrichtung umgelenkt wird, sodass er als zurück zu der Basisstation gelangt, wo er hinsichtlich der Schwingungen der Oberfläche des Objekts analysiert wird, zur Messung von Schwingungen abgelegener Bereiche sehr großer Objekte, wie beispielsweise von Bauwerken, zu ertüchtigen, ist die Strahlumlenkeinheit an einem unbemannten Flugobjekt gelagert und wird die Strahlumlenkeinheit beim Umlenken des von der am Boden abgestützten Basisstation auf die Strahlumlenkeinheit gerichteten Abfragestrahls mit dem unbemannten Flugobjekt geflogen. Beim Analysieren des reflektierten Anteils des Messstrahls in der Basisstation werden Schwingungen der Strahlumlenkeinheit berücksichtigt. Konkret werden Einflüsse der Schwingungen der Strahlumlenkeinheit auf den reflektierten Anteil des Messstrahls anhand charakteristischer Frequenzen dieser Einflüsse separiert und/oder die Schwingungen der Strahlumlenkeinheit werden ihrerseits gemessen. Das beim Analysieren des reflektierten Anteils des Messstrahls angewandte Verfahren ist insbesondere Laser-Doppler-Vibrometrie. Es ist ein Nachteil der bekannten Vorrichtung, dass das schwebefähige unbemannte Flugobjekt, an dem die Strahlumlenkeinheit gelagert ist, bei elektrischem Antrieb, wie er zur Begrenzung der Schwingungen der Strahlumlenkeinheit zwingend erforderlich ist, eine durch die Kapazität von Akkumulatoren des unbemannten Flugobjekts eng begrenzte maximale Flugdauer aufweist, was das praktische Messen von Schwingungen abgelegener Bereiche sehr großer Objekte schwierig macht.
Aus der CN 106 370 602 A ist ein Ultraschall-Untersuchungssystem für großformatige Strukturen unter Verwendung unbemannter Luftfahrzeuge bekannt. Das Ultraschall-Untersuchungssystem umfasst einen Laser, ein erstes unbemanntes Luftfahrzeug, einen Ultraschallmesskopf und einen Datenanalysator. Mit einem von dem Laser bereitgestellten Laserstrahl wird eine Struktur bestrahlt, um einen Ultraschallpuls zu erzeugen. Von dem Laser zu dem ersten unbemannten Luftfahrzeug wird der Laserstrahl durch ein Lichtleiterkabel übertragen und von dort mit einem Laserrichtkopf auf die Struktur gerichtet. Der Ultraschallmesskopf ist ebenfalls auf dem ersten unbemannten Luftfahrzeug oder einem zweiten unbemannten Luftfahrzeug angeordnet, um Ultraschallwellen oder Oberflächenschwingungen der Struktur durch Laser-Doppler-Vibrometrie berührungslos zu messen. Der Datenanalysator analysiert, ob die Struktur defekt ist oder nicht, und analysiert Defektpositionen und Defektformen der Struktur auf der Grundlage der relevanten Daten der mit dem Ultraschallmesskopf gemessenen Ultraschallwellen oder -schwingungen der Struktur. Das Anregen der Ultraschallwellen mit dem Laserstrahl ist stark von dem Material der Oberfläche der bestrahlten Struktur abhängig und mit der Gefahr einer Beschädigung der Oberfläche der bestrahlten Struktur verbunden, da hohe Strahlintensitäten eingesetzt werden müssen. Diese hohen Strahlintensitäten verbieten die Verwendung des bekannten Ultraschall-Untersuchungssystems an Strukturen mit Explosionsgefahr, wie beispielsweise Gas- und Treibstofftanks. Zudem ist das bekannte Ultraschall-Untersuchungssystem speziell auf die Untersuchung der Außenhaut der bestrahlten Struktur abgestimmt und nicht der bestrahlten Struktur in ihrer Gesamtheit.
Als „Tethered Drone“ ist ein schwebefähiges unbemanntes Flugobjekt bekannt, das mit einer Basisstation über ein Verbindungskabel in Verbindung steht. Das Verbindungskabel umfasst ein Stromleiterkabel zur Versorgung des unbemannten Flugobjekts mit elektrischer Energie, insbesondere für elektrische Antriebe des unbemannten Flugobjekts. Weiterhin umfasst das Verbindungskabel ein Datenleiterkabel zur Datenkommunikation zwischen der Basisstation und dem unbemannten Flugobjekt, über das das unbemannte Flugobjekt von der Basisstation aus gesteuert werden kann. Dieses Datenleiterkabel kann ein Lichtleiterkabel umfassen, siehe https://www.gore.com/products/tethered-drone-cables. Durch die Stromversorgung des unbemannten Flugobjekts über das Verbindungskabel können bei dem unbemannten Flugobjekt Akkumulatoren eingespart werden, so kann die mögliche Zuladung des unbemannten Flugobjekts erhöht oder für eine bestimmte Zuladung ein grundsätzlich kleineres unbemanntes Flugobjekt eingesetzt werden. Eine Steuerung einer „Tethered Drone“ über ihr Verbindungskabel ist zudem unanfällig gegenüber Störungen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, mit der auch länger dauernde Messungen von insbesondere durch seismisches Rauschen angeregten Schwingungen an sehr großen Objekten und schwer zugänglichen Bereichen praktisch durchführbar sind.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Schwingungen eines Objekts mit einer Basisstation, die eine Quelle für einen Messstrahl und einen Analysator zum Analysieren eines von einer Oberfläche des Objekts reflektierten Anteils des Messstrahls umfasst, und mit einem schwebefähigen unbemannten Flugobjekt, das einen Messkopf zum Richten des Messstrahls auf die Oberfläche und zum Empfangen des von der Oberfläche reflektierten Anteils des Messstrahls trägt, ist das unbemannte Flugobjekt mit der Basisstation über ein flexibles Verbindungskabel verbunden, das ein Stromleiterkabel zur Versorgung des unbemannten Flugobjekts mit elektrischer Energie und ein Lichtleiterkabel umfasst. Das Lichtleiterkabel leitet den Messstrahl von der Basisstation zu dem Messkopf und den von der Oberfläche reflektierten Anteil des Messstrahls von dem Messkopf zu der Basisstation.
Durch die Versorgung des unbemannten Flugobjekts mit elektrischer Energie über das Verbindungskabel wird die maximale Flugdauer des unbemannten Flugobjekts auf quasi unendlich verlängert. Das Leiten sowohl des Messstrahls zu dem Messkopf als auch des von der Oberfläche reflektierten Anteils des Messstrahls von dem Messkopf zu der Basisstation über das Lichtleiterkabel des Verbindungskabels ermöglicht es, das unbemannte Flugobjekt auch ohne Sichtkontakt von der Basisstation zur Messung von Schwingungen zu verwenden. Dabei kann das unbemannte Flugobjekt beispielsweise über Kameras, Orts- und/oder Abstandssensoren navigiert werden. Es versteht sich, dass das Verbindungskabel beim Fliegen des unbemannten Flugobjekts zu berücksichtigen ist, insbesondere derart, dass sich das Verbindungskabel nicht an irgendwelchen Hindernissen fängt. Diese Berücksichtigung stellt sich jedoch verglichen mit der Möglichkeit, das unbemannte Flugobjekt auch ohne Sichtverbindung von der Basisstation aus zu fliegen, als leicht beherrschbare Herausforderung heraus.
Bei dem Lichtleiterkabel wird es sich in der Regel um eine faseroptisches Kabel handeln, so dass der daran angeschlossenen Messkoppf auch als faseroptischer Kopf bezeichnet werden kann.
Bei den mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessenen Schwingungen kann es sich insbesondere um durch seismisches Rauschen angeregte Schwingungen, d. h. sogenannte Umgebungsschwingungen (engl. „ambient vibrations“), des jeweiligen Objekts handeln, die immer vorhanden sind und keiner gesonderten Anregung bedürfen.
Dass das unbemannte Flugobjekt mit der Basisstation verbindende Verbindungskabel kann weiterhin ein Datenleiterkabel zur Datenkommunikation mit dem unbemannten Flugobjekt umfassen. Die Datenkommunikation kann dabei zur Steuerung des unbemannten Flugobjekts und aller daran angeordneten Einrichtungen genutzt werden. Die Datenkommunikation kann auch eine Übertragung von Bilddaten von einer Kamera des Flugobjekts der Basisstation umfassen. Das Datenleiterkabel kann grundsätzlich mit dem Stromleiterkabel zur Versorgung des unbemannten Flugobjekts mit elektrischer Energie oder mit dem Lichtleiterkabel zum Leiten des Messstrahls in der einen und zum Leiten des reflektierten Anteils des Messstrahls in der anderen Richtung identisch sein. Dann werden über diese Kabel zusätzliche Signale für die Datenkommunikation übertragen. Das Datenleiterkabel kann aber auch ein separates Datenleiterkabel neben dem Verbindungskabel und dem Lichtleiterkabel innerhalb des Verbindungskabels sein. Das Datenleiterkabel kann dabei ebenfalls als Lichtleiterkabel ausgeführt sein. Grundsätzlich kann das unbemannte Flugobjekt zur Datenkommunikation über eine drahtlose Signalübertragungsstrecke mit der Basisstation verbunden sein. Eine solche drahtlose Signalübertragungsstrecke kann auch zusätzlich zu dem Datenleiterkabel vorgesehen sein.
Das unbemannte Flugobjekt kann mehr als nur einen Messkopf tragen. So kann ein weiterer Messkopf zum Richten eines weiteres Messstrahls auf die Oberfläche und zum Empfangen eines von der Oberfläche reflektierten Anteils des weiteren Messstrahls an dem unbemannten Flugobjekt angeordnet sein. Die beiden Messköpfe können sich dabei ausschließlich in der Richtung unterscheiden, in der sie den jeweilige Messstrahl auf die Oberfläche richten. Diese Richtung bestimmt die Richtung der Schwingungen, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessen werden. Mit mehreren, in unterschiedlichen Richtungen ausgerichteten Messköpfen können gleichzeitig verschiedene Richtungskomponenten einer interessierenden Schwingung eines Objekts gemessen werden. Konkret können der Messkopf und der weitere Messkopf an dem unbemannten Flugobjekt so zueinander ausgerichtet oder ausrichtbar sein, dass der weitere Messstrahl unter einem Winkel von mindestens 5°, bevorzugt mindestens 10° und typischerweise maximal 30° zu dem Messstrahl verläuft.
Die mehreren Messköpfe an dem unbemannten Flugobjekt können auch dazu verwendet werden, räumlich-zeitliche Verläufe von Schwingungen des Objekts über seine Oberfläche hinweg aufzulösen.
Um den weiteren Messstrahl dem weiteren Messkopf zuzuführen bzw. den von der Oberfläche reflektierten Anteil des weiteren Messstrahls von dem weiteren Messkopf der Basisstation zuzuführen, können beide Messköpfe über einen Multiplexer an dasselbe Lichtleiterkabel angeschlossen sein. Alternativ ist für den weiteren Messkopf ein weiteres Lichtleiterkabel in dem Verbindungskabel vorzusehen, das den weiteren Messstrahl von der Basisstation zu dem weiteren Messkopf und den von der Oberfläche reflektierten Anteil des weiteren Messstrahls von dem weiteren Messkopf zu der Basisstation leitet. Dann kann ein Multiplexer für das wechselweise Anschließen der beiden Lichtleiterkabel an die Lichtquelle und den Analysator in der Basisstation angeordnet sein. Um mit beiden Messköpfen verschiedene Richtungskomponenten einer interessierenden Schwingung eines Objekts nicht nur quasi, sondern tatsächlich gleichzeitig messen zu können, müssen für die beiden Messköpfe aber zumindest separate Analysatoren in der Basisstation vorgesehen werden.
In jedem Fall ergeben sich durch deren Anschluss an die Basisstation über das Verbindungskabel keine Kollisionen zwischen mehreren an dem unbemannten Flugobjekt gelagerten Messköpfen, d. h. keine Konfusionen bezüglich ihrer Messstrahlen.
An dem unbemannten Flugobjekt kann eine Kamera angeordnet sein, deren Blickrichtung des von dem Messkopf ausgehenden Messstrahls auf die Oberfläche ausgerichtet oder ausrichtbar ist. Soweit ein Auftreffpunkt des Messstrahls auf die Oberfläche des Objekts in den Bildern der Kamera sichtbar ist, kann der Messstrahl über die Bilder der Kamera mit dem unbemannten Flugobjekt auf Punkte der Oberfläche des Objekts ausgerichtet werden, deren Schwingungen von besonderem Interesse sind. Wenn der Auftreffpunkt des Messstrahls auf die Oberfläche des Objekts in den Bildern der Kamera nicht sichtbar ist, kann eine entsprechende Markierung in die Bilder der Kamera eingeblendet werden.
Vorzugsweise ist der Messkopf an einer Grundstruktur des unbemannten Flugobjekts über eine Schwingungsentkopplungseinrichtung gelagert, um Schwingungen der Grundstruktur, wie sie von Antrieben des unbemannten Flugobjekts angeregt werden können, von dem Messkopf fernzuhalten. Zusätzlich können alle Maßnahmen getroffen werden, wie sie bereits aus der DE 10 2018 113 244 B3 bekannt sind, um Schwingungen des unbemannten Flugobjekts bei der Analyse des von der Oberfläche des Objekts reflektierten Anteils des Messstrahls zu berücksichtigen.
Der Messkopf kann weiterhin über ein motorisiertes Schwenkgelenk an der Grundstruktur des unbemannten Flugobjekts gelagert sein, das mindestens eine horizontal verlaufende Schwenkachse aufweist. Die Richtung des von dem Messkopf ausgehenden Messstrahls kann durch entsprechende Änderung der Fluglage des unbemannten Flugobjekts verändert werden. Der Winkel des Messstrahls zur Horizontalen kann so jedoch allenfalls in kleinen Grenzen variiert werden, da unbemannte Flugobjekte in der Regel mit fester horizontaler Ausrichtung zu fliegen sind. Mit dem Schwenkgelenk, das zumindest eine horizontal verlaufende Schwenkachse aufweist, kann die Richtung des Messstrahls zu der Oberfläche des Objekts in weiten Grenzen eingestellt werden. Um die Oberfläche des Objekts mit dem Messstrahl abzuscannen, kann es sinnvoll sein, dass das motorisierte Schwenkgelenk auch eine vertikale Schwenkachse aufweist. Zum kontrollierten Abscannen der Oberfläche kann das motorisierte Schwenkgelenk von der Basisstation aus angesteuert und/oder die Stellung des Schwenkgelenks an die Basisstation übermittelt werden. Die entsprechenden Daten können über das oder ein Datenleiterkabel des Verbindungskabels übertragen werden.
Die Basisstation kann eine Multiplexereinrichtung umfassen, um wechselweise verschiedene Quellen für den Messstrahl und/oder verschiedene Analysatoren zum Analysieren des von der Oberfläche reflektierten Anteils des Messstrahls mit dem Lichtleiterkabel zu verbinden. So können über den an dem unbemannten Flugobjekt angeordneten Messkopf verschiedene Messungen durchgeführt werden, neben den Messungen der Schwingungen der Oberfläche des Objekts auch andere Messungen, wie beispielsweise Kontour-Messungen und Messungen physikalischer Größen der Oberfläche. Die Multiplexereinrichtung der Basisstaion kann mit einem Multiplexer kombiniert werden, über den mehrere von dem unbemannten Flugobjekt getragenen Messköpfe wechselweise an das Lichtleiterkabel anschließbar sind.
Insbesondere ist der Analysator der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu ausgebildet, eine Doppler-Verschiebung zwischen dem Messstrahl und dem von der Oberfläche reflektierten Anteil des Messstrahls zu erfassen, also die interessierenden Schwingungen der Oberfläche des Objekts durch Laser-Doppler-Vibrometrie zu messen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zusätzlich ein weiteres schwebefähiges unbemanntes Flugobjekt umfassen, das einen zusätzlichen Messkopf zum Richten eines zusätzlichen Messstrahls auf die Oberfläche und zum Empfangen eines von der oder einer zusätzlichen Oberfläche des Objekts reflektierten Anteils des zusätzlichen Messstrahls aufweist. So können zeitgleich oder zumindest quasi zeitgleich verschiedene Richtungskomponenten der interessierenden Schwingungen einer Oberfläche oder von verschiedenen Oberflächen des Objekts und insbesondere räumlich-zeitliche Verläufe von Schwingungen des Objekts über seine Oberfläche gemessen werden. Dabei versteht es sich, dass das zusätzliche unbemannte Flugobjekt mit der Basisstation über ein zusätzliches Verbindungskabel verbunden ist, das ein zusätzliches Stromleiterkabel zur Versorgung des zusätzlichen unbemannten Flugobjekts mit elektrischer Energie und ein zusätzliches Lichtleiterkabel umfasst, welches den zusätzlichen Messstrahl von der Basisstation zu dem zusätzlichen Messkopf und den von der Oberfläche reflektierten Anteil des zusätzlichen Messstrahls von dem zusätzlichen Messkopf zu der Basisstation leitet. Dabei kann der oder ein Multiplexer der Basisstation dazu vorgesehen sein, die Quelle für den Messstrahl und den Analysator zum Analysieren des von der Oberfläche reflektierten Anteils des Messstrahls wechselweise mit dem Lichtleiterkabel und dem zusätzlichen Lichtleiterkabel zu verbinden. Für ein tatsächlich zeitgleiches Messen mit dem zusätzlichen Messkopf kann in der Basisstation aber zumindest ein zusätzlicher Analysator für den von der Oberfläche reflektierten Anteil des zusätzlichen Messstrahls vorgesehen sein.
Konkret kann der Analysator der Basisstation dazu ausgebildet sein, eine Doppler-Verschiebung zwischen dem jeweiligen Messstrahl und dem von der Oberfläche des interessierenden Objekts reflektierten Anteils des Messstrahls zu erfassen und diese Doppler-Verschiebung mathematisch in physikalische Schwingungsdaten, d. h. insbesondere in Form von Geschwindigkeit und Beschleunigung der Oberfläche, abzubilden. Durch Projizieren in der Richtung, in der der jeweilige Messstrahl auf die Oberfläche auftrifft, kann aus diesen Schwingungsdaten ein Schwingungssignal der Oberfläche quer zu ihren Haupterstreckungsrichtungen, d. h. ein „out-ofplane“ Schwingungssignal, abgeschätzt werden. Wenn die Schwingungen zeitgleich mit mehreren Messköpfen, die mehrere Messstrahlen in unterschiedlichen Richtungen auf die Oberfläche richten, gemesen werde, können aus den zugehörigen Schwingungssignalen die räumlichen Komponenten der Schwingungen der Oberfläche von dem Analysator geschätzt werden. So kann von dem Analysator ein dreidimensionales dynamisches Modell des schwingenden Objekts erzeugt werden, das z. b. eine Modenanalyse zur Integritätsüberwachung der Struktur des Objekts erlaubt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.
Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einer Kamera die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau eine Kamera, zwei Kameras oder mehre Kameras vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt sein oder die einzigen Merkmale sein, die die jeweilige Vorrichtung aufweist.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 illustriert eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Schwingungen mittels Lichtleiter-gestützter Laser-Doppler-Vibrometrie mit einem von einem unbemannten Flugobjekt getragenen Messkopf.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem weiteren von dem unbemannten Flugobjekt getragenen Messkopf und
3 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem weiteren, zwei zusätzliche Messköpfe tragenden unbemannten Flugobjekt.

FIGURENBESCHREIBUNG
Die in 1 illustrierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 weist eine Basisstation 2 und ein unbemanntes Flugobjekt 3 auf, die über ein flexibles Verbindungskabel 4 miteinander verbunden sind. Die Basisstation 2 umfasst ein Laser-Doppler-Vibrometer 5, das einerseits eine Quelle für einen Messstrahl und andererseits einen Analysator zum Analysieren eines von einer Oberfläche reflektierten Anteils des Messstrahls aufweist, die hier nicht separat dargestellt sind. Die Quelle für den Messstrahl und der Analysator für den reflektierten Anteil des Messstrahls sind über einen Lichtleiterschalter 6 an ein Lichtleiterkabel angeschlossen, das Teil des Verbindungskabels ist. Eine Stromversorgung 7, die ebenfalls Teil der Basisstation 2 ist, ist an ein Stromleiterkabel angeschlossen, das ebenfalls Teil der Basisstation 2 ist. Die Basisstation 2 weist weiterhin eine Fernsteuerung 8 für das unbemannte Flugobjekt 3, ein Lokalisierungssystem 9 für das unbemannte Flugobjekt und eine Auswerteeinrichtung 10 auf, die aus den Ergebnissen des Laser-Doppler-Vibrometers 5 und den geometrischen Daten des Lokalisierungssystems 9 ein dreidimensionales Schwingungsbild eines Objekts 11 erstellt, dessen Schwingungen mit der Vorrichtung 2 gemessen werden. Beispielhaft ist das Objekt 11 ist hier als eine Reihe von Gastanks 12 dargestellt. Um Schwingungen von Oberflächen 13 des Objekts 11 zu messen, die vom Boden 14 aus schwer zugänglich sind, wird der Messstrahl 15 von dem Laser-Doppler-Vibrometers 5 mit einem Messkopf 16 auf die Oberflächen 13 gerichtet, den das unbemannte Flugobjekt 3 trägt. Mit dem schwebefähigen unbemannten Flugobjekt 3 wird der Messkopf 16 so positioniert, dass der Messstrahl 15 in einer gewünschten Messrichtung auf die jeweilige Oberfläche 13 auftrifft. Dabei ist der Messkopf 16 gegenüber einer Grundstruktur 17 des unbemannten Flugobjekts 13 mit einem motorisierten Schwenkgelenk 18 von der Basisstation 2 aus gesteuert um eine horizontale Schwenkachse 19 verschwenkbar, um die Messrichtung gegenüber der Horizontalen einzustellen. Die weiteren Einstellungen des Messrichtung können durch Positionieren des unbemannten Flugobjekts 13 von der Basisstation 2 aus gesteuert erfolgen. Zwischen das motorisierte Schwenkgelenk 18 und die Grundstruktur 17 ist eine Schwingungsentkopplungseinrichtung 20 geschaltet, die den Messkopf 16 von Schwingungen der Grundstruktur 17 entkoppelt. Solche Schwingungen können von Antrieben 21 des unbemannten Flugobjekts 3 ausgehen. Die elektrisch ausgeführten Antriebe 21 des unbemannten Flugobjekts werden über das Stromversorgungskabel des Verbindungskabels 4 mit elektrischer Energie versorgt, ebenso der Motor des motorisierten Drehgelenks 18. Das Lichtleiterkabel des Verbindungskabels 4 leitet den Messstrahl 15 zu dem Messkopf 16 und den von der Oberfläche 13 des Objekts 11 reflektierten Anteil des Messstrahls 15, der zu dem Messkopf 16 gelangt, zurück zu dem Laser-Doppler-Vibrometer 5. Statt der hier drahtlos ausgebildeten Fernsteuerung 8 kann die Steuerung des unbemannten Flugobjekts 3 über ein Datenkommunikationskabel des Verbindungskabels 4 erfolgen. Durch die Versorgung des unbemannte Flugobjekts 3 über das Verbindungskabel 4 mit elektrischer Energie ist die Flugzeit des unbemannten Flugobjekts 3 grundsätzlich unbegrenzt. Durch die Übertragung des Messstrahls 15 bzw. seines von der Oberfläche 13 reflektierten Anteils über das Verbindungskabel 4 ist während der Messungen der Schwingungen der Oberfläche 13 keine Sichtverbindung zwischen der Basisstation 2 und dem unbemannten Flugobjekt 3 erforderlich.
Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß 2 unterscheidet sich von derjenigen gemäß 1 dadurch, dass über das motorisierte Schwenkgelenk 18 zwei Messköpfe 16 und 22 um die horizontale Schwenkachse 19 verschwenkbar an der Grundstruktur 17 des unbemannten Flugobjekts 3 gelagert sind. Die Messstrahlen 15 und 23, die von den beiden Messköpfen 16 und 22 ausgehen, treffen aus unterschiedlichen Messrichtungen auf die Oberfläche 13 des Objekts 11, bei dem es sich hier um ein Flugzeug 24 bei einem Schwingungstest am Boden 14 handelt. So werden unterschiedliche Richtungskomponenten der Schwingungen der Oberfläche 13 mit den beiden Messköpfen 16 und 22 gemessen. Dabei kann der Lichtleiterschalter 6, über den das Laser-Doppler-Vibrometer 5 an das Verbindungskabel 4 angeschlossen ist, als Multiplexer ausgebildet sein, um das Laser-Doppler-Vibrometer 5 wechselweise an getrennte, jeweils zu einem der Messköpfe 16 und 22 führende Lichtleiterkabel des Verbindungskabels 4 anzuschließen.
Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß 3 ist zusätzlich zu der Ausführungsform gemäß 2 ein weiteres schwebefähiges unbemanntes Flugobjekt 25 mit zwei zusätzlichen Messköpfen 26 und 27 vorhanden, das über ein weiteres flexibles Verbindungskabel 28 mit der Basisstation 2 verbunden ist. Mit Hilfe des zusätzlichen unbemannten Flugobjekts 25 und der davon getragenen Messköpfe 26 und 27 können die Schwingungen der Oberfläche 13 des Objekts 11, bei dem es sich hier um eine große Rakete 29 handelt, gleichzeitig in einem weiteren Bereich in zwei verschiedenen Messrichtungen gemessen werden, in denen die Messstrahlen 30 und 31 von den Messköpfen 26 und 27 auf die Oberfläche 13 auftreffen. Das Verbindungskabel 28 zwischen der Basisstation 2 und der zusätzlichen Drohne 25 umfasst auch hier zumindest ein Stromversorgungskabel für die Versorgung des unbemannten Flugobjekts 25 mit elektrischer Energie und ein Lichtleiterkabel. Typischerweise sind es zwei Lichtleiterkabel, von denen eines zu dem einen Messkopf 26 und das andere zu dem anderen Messkopf 27 führt, wobei der Lichtleiterschalter 6 der Basisstation 2 als Multiplexer zum wechselweisen Anschließen jeweils eines der Lichtleiterkabel der Verbindungskabel 4 und 28 an das Laser-Doppler-Vibrometer 5 ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Basisstation
3: Unbemanntes Flugobjekt
4: Verbindungskabel
5: Laser-Doppler-Vibrometer
6: Lichtleiterschalter
7: Stromversorgung
8: Fernsteuerung
9: Lokalisierungssystem
10: Auswerteeinrichtung
11: Objekt
12: Gastank
13: Oberfläche
14: Boden
15: Messstrahl
16: Messkopf
17: Grundstruktur
18: Schwenkgelenk
19: Schwenkachse
20: Schwingungsentkopplungseinrichtung
21: Antrieb
22: Weiterer Messkopf
23: Weiterer Messstrahl
24: Flugzeug
25: Weiteres unbemanntes Flugobjekt
26: Zusätzlicher Messkopf
27: Weiterer zusätzlicher Messkopf
28: Zusätzliches Verbindungskabel
29: Rakete
30: Weiterer Messstrahl
31: Zusätzlicher weiterer Messstrahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018113244 B3 [0003, 0018]
CN 106370602 A [0004]

Claims

Vorrichtung (1) zur Messung von Schwingungen eines Objekts (11) mit - einer Basisstation (2), die eine Quelle für einen Messstrahl (15) und einen Analysator zum Analysieren eines von einer Oberfläche (13) des Objekts (11) reflektierten Anteils des Messstrahls (15) umfasst, und - einem schwebefähigen unbemannten Flugobjekt (3), das ein Messkopf (16) zum Richten des Messstrahls (15) auf die Oberfläche (13) und zum Empfangen des von der Oberfläche (13) reflektierten Anteils des Messstrahls (15) trägt, gekennzeichnet durch - ein das unbemannte Flugobjekt (3) mit der Basisstation (2) verbindendes flexibles Verbindungskabel (4), das ein Stromleiterkabel zur Versorgung des unbemannten Flugobjekts (3) mit elektrischer Energie und ein Lichtleiterkabel umfasst, welches den Messstrahl (15) von der Basisstation (2) zu dem Messkopf (16) und den von der Oberfläche reflektierten Anteil des Messstrahls (15) von dem Messkopf (16) zu der Basisstation (2) leitet.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungskabel (4) ein Datenleiterkabel zur Datenkommunikation mit dem unbemannten Flugobjekt (3) umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Messkopf (22) zum Richten eines weiteren Messstrahls (23) auf die Oberfläche (13) und zum Empfangen eines von der Oberfläche (13) reflektierten Anteils des weiteren Messstrahls (23) an dem unbemannten Flugobjekt (3) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (15) und der weitere Messkopf (22) über einen Multiplexer und das Verbindungskabel (4) an die Basisstation (2) angeschlossen sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungskabel (4) ein weiteres Lichtleiterkabel umfasst, das den weiteren Messstrahl (23) von der Basisstation (2) zu dem weiteren Messkopf (22) und den von der Oberfläche (13) reflektierten Anteil des weiteren Messstrahls (23) von dem weiteren Messkopf (22) zu der Basisstation (2) leitet.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem unbemannten Flugobjekt (3) eine Kamera angeordnet ist, deren Blickrichtung längs des von dem Messkopf (16) ausgehenden Messstrahls (15) auf die Oberfläche (13) ausgerichtet oder ausrichtbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (16) über eine Schwingungsentkopplungseinrichtung (20) an einer Grundstruktur (17) des unbemannten Flugobjekts (3) gelagert ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (16) über ein mindestens einachsiges motorisiertes Schwenkgelenk (18) an der oder einer Grundstruktur (17) des unbemannten Flugobjekts (3) gelagert ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstation (2) eine Multiplexereinrichtung umfasst, die wechselweise verschiedene Quellen für den Messstrahl (15) und/oder verschiedene Analysatoren zum Analysieren des von der Oberfläche (13) reflektierten Anteils des Messstrahls (15) mit dem Lichtleiterkabel verbindet.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysator dazu ausgebildet ist, eine Dopplerverschiebung zwischen dem Messstrahl (15) und dem von dem von der Oberfläche (13) reflektierten Anteils des Messstrahls (15) zu erfassen.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres schwebefähiges unbemanntes Flugobjekt (25) einen zusätzlichen Messkopf (26) zum Richten eines zusätzlichen Messstrahls (30) auf die Oberfläche (13) und zum Empfangen eines von der Oberfläche (13) des Objekts (11) reflektierten Anteils des zusätzlichen Messstrahls (30) aufweist, wobei das zusätzliche unbemannte Flugobjekt (25) mit der Basisstation (2) über ein zusätzliches Verbindungskabel (28) verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden der Messköpfe (15, 22, 26, 27) ein Lichtleiterkabel in dem jeweiligen Verbindungskabel (4, 28) und eine Analysator in der Basisstation (2) vorhanden ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5 sowie 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysator der Basisstation dazu ausgebildet ist, - eine Doppler-Verschiebung zwischen dem jeweiligen Messstrahl (15, 23, 30, 31) und dem von der Oberfläche (13) des Objekts (11) reflektierten Anteils des jeweiligen Messstrahls (15, 23, 30, 31) zu erfassen und diese Doppler-Verschiebung mathematisch in physikalische Schwingungsdaten in Form von Geschwindigkeit und Beschleunigung der Oberfläche (13) abzubilden; - aus den physikalische Schwingungsdaten durch Projizieren in der Richtung, in der der jeweilige Messstrahl (15, 23, 30, 31) auf die Oberfläche (13) auftrifft, ein Schwingungssignal der Oberfläche (13) quer zu ihren Haupterstreckungsrichtungen abzuschätzen; - auf Grundlage der Schwingungssignale von den mehreren Messköpfen (15, 22, 26, 27), von denen die Messstrahlen (15, 23, 30, 31) in unterschiedlichen Richtungen auf die Oberfläche (13) auftreffen, räumliche Schwingungskomponenten der Oberfläche (13) abzuschätzen und - aus den räumlichen Schwingungskomponenten der Oberfläche (13) ein dreidimensionales dynamisches Modell des schwingenden Objekts (11) zu erzeugen.