WO2018189249A1 - Verfahren und eine vorrichtung zur messung von rotorblattbewegungen eines fluggerätes - Google Patents

Verfahren und eine vorrichtung zur messung von rotorblattbewegungen eines fluggerätes Download PDF

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WO2018189249A1
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measuring
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Andreas Voigt
Florian KNAAK
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0016—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings of aircraft wings or blades

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for measuring rotor blade or propeller blade movements of aircraft, such as helicopters with various rotor configurations, gyroplanes or slowly rotating propellers, over the entire rotor rotation in flight.
  • a rotor is understood as any rotating element rotating about an axis of rotation and equipped with one or more blades, such as e.g. a rotor of a helicopter, gyroplane or similar aircraft, or a propeller of an aircraft.
  • the term "rotor blade” covers rotor blades of every kind, in particular also propeller blades.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved method and an improved device for measuring rotor blade movements. Furthermore, to develop a method especially for multiple rotors with significant overlap and small space on the rotor.
  • the measuring device has a camera arranged co-moving with the rotor blade. This makes it possible to 360 ° of Rotorazi- muts, i. To record a permanent all-round observation in all rotational angular positions, with low overall height.
  • the rotor blade movements which can be measured according to the invention include in particular rotor blade deformations during operation of the rotor blade by air forces acting on the rotor blade.
  • the method for measuring rotor blade movements accordingly provides that an image acquisition unit (eg camera) moves together with the rotor blade to be measured and records images of the rotor blade during rotor movement, and that the sequence of images is evaluated with regard to characteristic features and a determination of the rotor blade movement in dependence on the displacement of the characteristic markings is carried out relative to the moving image recording unit or a reference point of the rotor blade.
  • an image acquisition unit eg camera
  • Such additional markings should, given the small angle of the camera relative to the rotor blade surface, result in the highest possible color contrast and / or light-darkening Contrast be formed. They should preferably be applied to the underside of the rotor blade.
  • the markings may be, for example, perpendicular projecting from the plane of the rotor blade elements.
  • These markings can be adjusted in number and size for higher measurement accuracy.
  • the original rotor blades can be measured without changing them - except for the optional application of markings - structurally and structurally.
  • the mechanical and flight mechanical properties of the rotor blades or of the aircraft changes only slightly due to the additional attachments and can generally be neglected. Any type of rotors or propellers can be measured.
  • the co-rotating with the rotor blade to be measured camera preferably has a viewing angle of less than 10 ° to the rotor blade plane.
  • the optional markers should then be substantially perpendicular to the rotor blade. They are preferably arranged on the rotor blade edge (front edge and / or rear edge).
  • the camera is preferably fastened to the rotor head, on which the rotor blades are optionally articulated via a joint driven by the swashplate.
  • Each rotor blade to be observed may have its own camera aligned with the associated rotor blade.
  • the camera moves relatively little. Therefore, the requirements for the exposure time or the "shutter" are much lower than for non-rotating cameras, which film the rotor blade at a relatively steep viewing angle.
  • FIG. 1 shows a sketch of a revolving rotor blade with a moving camera
  • Figure 2 perspective view of a rotor blade with markers and moving camera on the rotor head
  • FIG. 5 shows a sketch of the synchronization with an azimuth marking point
  • FIG. 6 shows a sketch of part of the rotor head with associated measured variables
  • FIG. 7 shows coordinate transformations of image coordinates to camera coordinates and of camera coordinates to rotor blade coordinates
  • FIG. 8 shows a sketch of the calculation variables of the rotor blade deformation.
  • FIG. 1 shows a sketch of a device 1 for measuring rotor blade movements of a rotor blade 2, which is rotatably arranged on a rotor head 3.
  • the rotor head 3 is symbolized by the center of rotation of the axis of rotation.
  • An image pickup unit 4 in the form of a camera is arranged to be movable relative to the rotor blade 2 to be measured.
  • the image recording unit 4 may be attached to the rotor head 4, for example. It is aligned with the rotor blade 2 to be measured at a viewing angle of less than 10 ° to the longitudinal axis of the rotor blade 2, which intersects the center of rotation of the rotor head 4.
  • markers 5 are arranged on the rotor blade 2 . Over the length of the rotor blade 2 more markers can be arranged at a distance from each other. In this way, twists, twisting and other vibration movements during the rotation of the rotor blade during the angular movement ⁇ rotor can be determined by analyzing the movements of the markers 5 in the sequence of images taken with the image recording unit 4 of the rotor blade 2 together with its markers 5.
  • an evaluation unit 6 is connected or connectable to the image recording unit 2.
  • the images of the image recording unit can also be temporarily stored in a storage medium and later transferred to a separate evaluation unit 6.
  • the evaluation unit 6 may be a suitably programmed computer.
  • FIG. 2 shows a perspective view of the rotor blade 2 with the image recording unit 4 arranged co-rotating on the rotor head 3. It becomes clear that this is light (0-10 ° and preferably approximately 5 ° + -2 °) on the underside of the rotor blade 2 is aligned.
  • the markers 5 project vertically downwards from the underside of the rotor blade 2 to be measured.
  • markers 5 may also be arranged on the front and / or rear end edge of the rotor blade.
  • a high-speed camera is attached to the rotor head 3 or the rotor blade holder as an image recording unit 4.
  • the rotor blades 2 are equipped with optical markers 5.
  • Another marker may be present in the non-rotating system for azimuthal assignment. This can be realized with a laser that illuminates the rotor blade 2.
  • Rotor blade motion is determined by a camera (such as the GoPro Hero 4 Black Edition model) over the entire rotor azimuth and most of the radius of the rotor blade being tested (i.e., its extension length).
  • a camera such as the GoPro Hero 4 Black Edition model
  • the device can be used to examine Flettner twin rotors. From the determined rotor blade movement data, a calculation of the aerodynamic forces can be carried out by solving suitable differential equations.
  • the axis assignment for a rotor blade is outlined in FIG.
  • the rotor blades are long, straight and slim. They consist of a homogeneous and isotropic material and have a symmetrical blade profile. There are only moderate shifts. The distortion function can be neglected. The shift in the y-direction is zero, i. there is no shift. By the way, an approximate solution for the displacement in the x-direction is considered. The determined rotor blade movement is valid only in the marked area of the rotor blade.
  • the shear center, area centroid, area moment of inertia, mass distribution, center of mass, and lag angle are known.
  • the evaluation of the image data can be done eg with Matlab.
  • a "Circle Hough Transformation” is suitable, and then a transformation can take place the image coordinates and the rotor blade coordinates are performed. This is followed by a calculation of the displacements, a determination of the displacement functions and the solving of the differential equations.
  • the movements or forces are assigned to the flight data, a consideration of the rotor speed and the videos recorded with the at least one camera, an assignment of the movements or the forces to the rotor azimuth and the consideration of an azimuth marking point in the non-rotating system for detecting the rotation angle or the rotor blade revolutions.
  • FIGS. 6 to 8 show the same relationships as FIG. 4, but divided into three individual illustrations.
  • FIG. 6 shows a side view of the parts of the rotor head 3 which are essential for the explanation of the invention. Shown is a gear unit 7 of the rotor, which is coupled via a rotor mast 8 to a central attachment 10 of the rotor head 3. The rotor blades 2 are coupled via blade holder 1 1 with the central attachment 10. On the rotor mast 8, a measuring element 9 for detecting the bending of the rotor mast 8 is arranged, e.g. in the form of a strain gauge. On the rotor blade 2, a further measuring element 13 for detecting a bend in the leaf root area of the rotor blade 2 is arranged. The further measuring element 13 may, for example, also be designed as strain gauges.
  • Reference numeral 12 denotes the attachment position of the image acquisition unit 4. Furthermore, it can be seen that a plurality of markers 5 are arranged on the rotor blade 2.
  • FIG. 6 also reveals various geometric parameters which have the following meaning:
  • the bending angle .beta.B is determined by the method described below with evaluation of the images of the image recording unit 4.
  • the image pickup unit 4 is to be arranged at the position 12, thus at the sheet holder 11.
  • a marker 5 is used as a reference marker for determining a reference azimuth position.
  • the rotor blades 2 can, for example, each be equipped with five pairs of markers 5.
  • the measuring elements 9, 13 are used to determine the bending of the rotor mast 8 and the blade holder 1 1.
  • the bending angle ⁇ BG is determined indirectly on the basis of the measurement results of the measuring element 13.
  • These measurements with the measuring elements 9, 13 are calibrated in order additionally to determine the lateral offset ⁇ on the rotor head 3, the elastic pole bending angle ⁇ ivi and the elastic bending angle ⁇ BG of the blade holder 11.
  • the resolution of the image capture unit 4, eg a camera, can be 1280 * 720 pixels at a frame rate of 240 fps (frames per second). At such a capture rate, approximately 15 images per revolution of the rotor become nominal Rotor speed recorded.
  • the shutter mechanism of commercially available cameras is sufficient for such an application since the relative movement of the rotor blade is sufficiently slow that no image disturbances are generated.
  • one or more of the aforementioned evaluation methods can be used, eg the "Circle Hough Transformation.”
  • the positions of the markers 5 are determined. Right. If an absolute determination of the rotor blade movement is to be carried out, the reference positions of the markers 5 can initially be determined if the rotor blade has no deformation, for example when the rotor rotates and the rotor blades 2 are loaded neutrally. For such a determination of the reference positions, adjustments should be made the rotor blades, such as cyclic and collective adjustments can be avoided.
  • FIG. 7 shows the variables used for this purpose in a rotor blade coordinate system 14, a camera coordinate system 15 and an image coordinate system 16.
  • a transformation from the image coordinate system 16 with the coordinates n, m into the camera Coordinate system 15 with the coordinates Xc, y c , z c performed.
  • an intrinsic parameter matrix Mint of the image acquisition unit 4 is used, which is determined in advance by calibration measurements with the image acquisition unit 4. With the known positions m, n of the markers 5 in the image coordinate system 16, the solution can be determined as follows:
  • a rotation of the coordinates is carried out together with a displacement:
  • Both the aforementioned rotation matrix Mrot and the shift vector can by means of a CAD model of the rotor taking into account the parameters the attachment of the image pickup unit 4 can be determined. Another possibility is the calculation of the displacement vector due to a calibration, as described above.
  • the process of coordinate transformation is additionally shown in FIG.
  • the rotor blade profile is shown in a neutral line in the neutral bending state, and with dotted line the rotor blade profile under load when a rotor blade movement or -verbiegung occurs.
  • the reference numeral 17 indicates the neutral point of the profile (shear center).
  • the quantity dLE designates the center position of the marker 5 arranged at the front on the rotor blade 2 relative to the neutral point 17.
  • the size dTE denotes the center position of the marker 5 mounted on the rotor blade at the rear relative to the neutral point 17.
  • a reference torsion angle is determined in a corresponding manner from the reference positions of the markers 5.
  • the final torsion angle to be determined is corrected with the torsion angle of a pair of markers 5 in their reference position, as follows:
  • the front and back markers 5 are used to determine a horizontal neutral point shift vscmeas and a vertical shift xscmeas. Accordingly, the offset of the neutral point is determined using the positions of the front and back markers 5 as follows:
  • an azimuth position can also be determined on the basis of each image. There are several ways to determine the azimuth position:
  • the method has the following results in the experimental experiment with validation:
  • the absolute error is related to the rotor radius.
  • IBDM 0.1 1 to 1, 2 0.045 to 0.26 The movement of the camera is negligible as a cause of measurement deviations if this has been checked.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Messung von Rotorblattbewegungen eines Fluggerätes über die gesamte Rotordrehung im Flug mit mindestens einem drehbar angeordneten Rotorblatt (2) und einer Bildaufnahmeeinheit (4) zur Auf nahme von Abbildungen des zu vermessenden Rotorblattes (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmeeinheit (4) mitbewegbar mit dem zu vermessenden Rotorblatt (2) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Messung von Rotorblattbewegungen, gekennzeichnet durch - Aufnehmen von Abbildungen des Rotorblatts (2), wobei sich eine Bildaufnahmeeinheit (4) zusammen mit dem zu vermessenden Rotorblatt (2) mitbewegt, und - Auswertung einer aufgenommenen Folge von Abbildungen des Rotorblatts (2) hinsichtlich charakteristischer Merkmale und - Ermitteln der Rotorblattbewegung in Abhängigkeit von der Ortsverlagerung der charakteristischen Merkmale relativ zu der sich mitbewegenden Bildaufnahmeeinheit (4) oder einem Referenzpunkt des Rotorblattes (2).

Description

Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Rotorblattbewegungen ei- nes Fluggerätes
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Rotorblatt- oder Propellerblattbewegungen von Fluggeräten, wie beispiels- weise Hubschrauber mit verschiedenen Rotorkonfigurationen, Tragschraubern o- der langsam drehende Propeller, über die gesamte Rotordrehung im Flug.
Als Rotor im Sinne der vorliegenden Erfindung wird jedes um eine Drehachse dre- hende, mit einem oder mehreren Blättern bestückte rotierende Element verstan- den, wie z.B. ein Rotor eines Hubschraubers, Tragschraubers oder ähnlichen Fluggerätes, oder ein Propeller eines Fluggerätes. Insoweit erfasst daher der Be- griff„Rotorblatt" Rotorblätter jeder Art insbesondere auch Propellerblätter.
Es besteht ein Bedarf die Rotorblattbewegung im Flug zu messen, um detaillierte Modelle der Flugmechanik und Flugleistungen zu erstellen. Ferner wird bei der Entwicklung von neuartigen Rotor-/Propellerblättern diese Form der Analyse benö- tigt.
Es sind vielfältige Technologien zur Messung der Rotorblattbewegung bekannt.
Diese lassen sich grob einteilen in:
Verfahren, bei denen die Rotorblätter stark mit Dehnungsmessstreifen und/o- der Beschleunigungssensoren oder anderen Messeinrichtungen instrumen- tiert werden. Nachteilig ist, dass die originalen Rotorblätter nicht verwendet werden können und ressourcenaufwändig neue Rotorblätter hergestellt wer- den müssen.
Optische Verfahren, die auf Stereokameras basieren und photogrammetrisch die Oberfläche erfassen. Nachteilig ist die verhältnismäßig große Bauhöhe über der Rotordrehachse, so dass Anwendungen bei Koaxialen- oder Flett- ner-Rotoren nicht möglich sind.
Optische Verfahren, die mit Markern auf den Rotorblättern arbeiten und in ei- nem steilen Winkel die Rotorblätter aufnehmen. Nachteilig ist die große Bau- höhe über bzw. unter der Rotorebene. Daher sind Anwendungen bei Koaxia- len- oder Flettner-Rotoren nicht möglich, sofern eine 360°-Rundum-Messung gefordert ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren und eine verbes- serte Vorrichtung zur Messung von Rotorblattbewegungen zu schaffen. Ferner ein Verfahren speziell für mehrere Rotoren mit signifikanten Überlapp und geringem Bauraum am Rotor zu entwickeln.
Es wird vorgeschlagen, dass die Messeinrichtung eine sich mit dem Rotorblatt mit- bewegend angeordnete Kamera hat. Dadurch ist es möglich, 360° des Rotorazi- muts, d.h. eine dauerhafte Rundumbeobachtung in allen Umdrehungswinkellagen, bei geringer Bauhöhe zu erfassen.
Die Rotorblattbewegungen, die erfindungsgemäß gemessen werden können, bein- halten insbesondere Rotorblattverformungen im laufenden Betrieb des Rotorblat- tes durch auf das Rotorblatt einwirkende Luftkräfte.
Das Verfahren zur Messung von Rotorblattbewegungen sieht entsprechend vor, dass sich eine Bildaufnahmeeinheit (z.B. Kamera) zusammen mit dem zu vermes- senden Rotorblatt mitbewegt und Abbildungen des Rotorblatts während der Rotor- bewegung aufnimmt, und dass die Folge von Abbildungen hinsichtlich charakteris- tischer Merkmale ausgewertet wird und eine Ermittlung der Rotorblattbewegung in Abhängigkeit von der Ortsverlagerung der charakteristischen Markierungen relativ zu der sich mitbewegenden Bildaufnahmeeinheit oder einem Referenzpunkt des Rotorblattes erfolgt.
Als charakteristische Markierungen können vorhandene Merkmale des Rotorblat- tes verwendet oder zusätzliche Markierungen an dem Rotorblatt angebracht wer- den.
Solche zusätzliche Markierungen sollten bei dem geringen Winkel der Kamera zur Rotorblattfläche in einem möglichst hohen Farbkontrast und/oder Hell-Dunkel- Kontrast ausgebildet sein. Sie sollten vorzugsweise an der Unterseite des Rotor- blattes aufgebracht sein. Die Markierungen können beispielsweise senkrecht von der Ebene des Rotorblattes abragende Elemente sein.
Diese Markierungen können in Anzahl und Größe angepasst werden, um so hö- here Messgenauigkeiten zu erzielen.
Es können die originalen Rotorblätter vermessen werden, ohne diese - bis auf das optionale Aufbringen von Markierungen - konstruktiv und strukturell zu verändern. Die mechanischen und flugmechanischen Eigenschaften der Rotorblätter bzw. des Fluggerätes (z.B. Hubschrauber) ändert sich durch die zusätzlichen Anbauten nur gering und können im Regelfall vernachlässigt werden. Dabei sind jede Art von Rotoren oder Propellern vermessbar.
Die mit dem zu vermessenden Rotorblatt mitdrehend angeordnete Kamera hat vorzugsweise ein Blickwinkel von weniger als 10° zur Rotorblattebene. Die optio- nalen Marker sollten dann im Wesentlichen senkrecht auf dem Rotorblatt aufge- bracht sein. Sie sind vorzugsweise an der Rotorblattkante (Vorderkante und/oder Rückseitenkante) angeordnet.
Die Kamera ist vorzugsweise am Rotorkopf befestigt, an dem auch die Rotorblät- ter ggf. über ein von der Taumelscheibe angesteuertes Gelenk angelenkt sind. Für jedes zu beobachtende Rotorblatt kann eine eigene, auf das zugeordnete Rotor- blatt ausgerichtete Kamera vorhanden sein.
Mit der Vorrichtung und dem Verfahren bewegt sich die Kamera relativ wenig. Da- her sind die Anforderungen an die Belichtungszeit oder den "Shutter" wesentlich geringer, als bei sich nicht mitdrehenden Kameras, die in einer relativ steilen Be- obachtungswinkel das Rotorblatt abfilmen.
Die Vorrichtung und das Verfahren sind auch einsetzbar, wenn ein Überlappen der Rotoren existiert, wie bei einem Koaxial- oder Flettner-Rotor. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläu- tert. Es zeigen: Figur 1 - Skizze eines umlaufend bewegbaren Rotorblattes mit sich mitbe- wegender Kamera;
Figur 2 - perspektivische Ansicht eines Rotorblattes mit Markern und sich mitbewegender Kamera am Rotorkopf;
Figur 3 - Skizze der Achsenzuordnung für ein Rotorblatt;
Figur 4 - Skizze der Zusammenhänge der Koordinatentransformationen und Verschiebungen;
Figur 5 - Skizze der Synchronisation mit einem Azimutmarkierungspunkt; Figur 6 - Skizze eines Teils des Rotorkopfes mit zugehörigen Messgrößen; Figur 7 - Koordinatentransformationen von Bildkoordinaten zu Kamerakoor- dinaten und von Kamerakoordinaten zu Rotorblattkoordinaten; Figur 8 - Skizze der Berechnungsgrößen der Rotorblattverformung.
Figur 1 zeigt eine Skizze einer Vorrichtung 1 zur Messung von Rotorblattbewegun- gen eines Rotorblattes 2, das rotierbar an einem Rotorkopf 3 angeordnet ist. Der Rotorkopf 3 ist durch das Drehzentrum der Rotationsachse symbolisiert. Eine Bild- aufnahmeeinheit 4 in Form einer Kamera ist relativ zu dem zu vermessenden Ro- torblatt 2 mitbewegbar angeordnet. Die Bildaufnahmeeinheit 4 kann beispiels- weise an dem Rotorkopf 4 angebracht sein. Sie ist in einem Blickwinkel von weni- ger als 10° zur Längsachse des Rotorblattes 2, die das Drehzentrum des Rotor- kopfes 4 schneidet, auf das zu vermessende Rotorblatt 2 ausgerichtet.
An dem Rotorblatt 2 sind Marker 5 angeordnet. Über die Länge des Rotorblattes 2 können mehrere Marker im Abstand zueinander angeordnet sein. Damit lassen sich Verdrehungen, Verwindungen und sonstige Vibrationsbewegungen bei der Rotation des Rotorblattes während der Winkelbewegung ΨRotor ermitteln, indem die Bewegungen der Marker 5 in der Folge von mit der Bildaufnahmeeinheit 4 auf- genommenen Abbildungen des Rotorblattes 2 mitsamt seiner Marker 5 analysiert werden. Zur Auswertung der Abbildungen ist eine Auswerteeinheit 6 mit der Bildaufnahme- einheit 2 verbunden oder verbindbar. Die Abbildungen der Bildaufnahmeeinheit können auch in einem Speichermedium zwischengespeichert und später an eine separate Auswerteeinheit 6 übertragen werden. Die Auswerteeinheit 6 kann ein geeignet programmierter Computer sein.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Rotorblattes 2 mit der an dem Ro- torkopf 3 mitdrehend angeordneten Bildaufnahmeeinheit 4. Deutlich wird, dass diese leicht (0-10° und bevorzugt ca. 5° +-2°) auf die Unterseite des Rotorblattes 2 ausgerichtet ist.
In dem Ausführungsbeispiel ragen die Marker 5 von der Unterseite des zu vermes- senden Rotorblattes 2 senkrecht nach unten. Alternativ können Marker 5 auch den der vorderseitigen und/oder rückseitigen Stirnkante des Rotorblattes angeordnet sein. Denkbar ist aber auch eine flächige Markierung an der Oberfläche des Rotor- blattes oder die Nutzung vorhandener sichtbarer Merkmale, wie bspw. Stege, Nu- ten o.ä..
Erkennbar ist, dass eine Hochgeschwindigkeitskamera als Bildaufnahmeeinheit 4 an dem Rotorkopf 3 bzw. dem Rotorblatthalter befestigt ist. Die Rotorblätter 2 sind mit optischen Markern 5 ausgestattet. Ein weiterer Marker kann im nicht drehen- den System vorhanden sein, um eine azimutale Zuordnung durchzuführen. Dies kann mit einem Laser realisiert werden, der das Rotorblatt 2 beleuchtet.
Die Bestimmung der Rotorblattbewegung erfolgt mit einer Kamera (beispielsweise dem Modell GoPro Hero 4 Black Edition) über den gesamten Rotorazimut und den Großteil des Radius des untersuchten Rotorblattes (d.h. seine Erstreckungslänge).
Mit der Vorrichtung lassen sich Flettner-Doppelrotoren untersuchen. Aus den er- mittelten Rotorblattbewegungsdaten kann eine Berechnung der aerodynamischen Kräfte durch Lösen von geeigneten Differentialgleichungen durchgeführt werden.
Für die Differentialgleichungen der Rotorblattbewegung eignen sich z.B. die von Hodges und Dowell angegebenen grundlegenden Gleichungen (Hodges, D. H.; and Dowell, E. H.: "Nonlinear Equations of Motion for the Elastic Bending and Tor- sion of Twisted Nonuniform Rotor Blades," NASA TN D-7818, 1974).
Es sollten Differentialgleichungen genutzt werden, die bis zur 2. Ordnung gültig sind. Mit einem Differentialgleichungssystem ist eine Unterscheidung der Schwer- punkte möglich. Zudem kann die veränderliche Masse über den Radius der unter- suchten Rotorblätter berücksichtigt werden. Die Kräfte werden in x-, y- und z-Rich- tung des dreidimensionalen Koordinatensystems betrachtet. Das Moment wird um die x-Achse, Verschiebungen in x-, y- & z-Richtung und eine Verdrehung um die x- Achse betrachtet.
Die Achsenzuordnung für ein Rotorblatt ist in Figur 3 skizziert.
Es können folgende Vereinfachungen und Annahmen getroffen werden:
Die Rotorblätter sind lang, gerade und schlank. Sie bestehen aus einem homoge- nen und isotropen Material und haben ein symmetrisches Blattprofil. Es treten nur moderate Verschiebungen auf. Die Verzerrungsfunktion kann vernachlässigt wer- den. Die Verschiebung in y-Richtung beträgt Null, d.h. es tritt keine Verschiebung auf. Es wird im Übrigen eine Näherungslösung für die Verschiebung in x-Richtung betrachtet. Die ermittelte Rotorblattbewegung ist nur im markierten Bereich des Rotorblattes gültig.
Für die Rotorblattdaten können folgende Annahmen getroffen werden:
Es besteht eine Torsions-, Zug- und Biegesteifigkeit;
Der Schubmittelpunkt, Flächenschwerpunkt, die Flächenträgheitsmomente, die Massenverteilung, der Massenschwerpunkt und der Nacheilwinkel sind bekannt.
Die Gültigkeit dieser Daten kann anhand einer Anzahl von z.B. mindestens drei weiten baugleichen Rotorblättern überprüft werden. Zudem sollte eine verglei- chende
Verdrehung und Verschiebung ermittelt werden.
Die Auswertung der Bilddaten kann z.B. mit Matlab erfolgen. Zur Punkterkennung eignet sich eine„Circle Hough Transformation". Es kann dann eine Transformation der Bildkoordinaten und der Rotorblattkoordinaten durchgeführt werden. Anschlie- ßend erfolgt eine Berechnung der Verschiebungen, eine Ermittlung der Verschie- bungsfunktionen und das Lösen der Differentialgleichungen.
Die Zusammenhänge der Koordinatentransformationen und Verschiebungen sind in Figur 4 skizziert.
Es kann weiterhin eine Synchronisation durchgeführt werden. Dies ist in Figur 5 skizziert. Hierzu erfolgt eine Zuordnung der Bewegungen bzw. der Kräfte zu den Flugdaten, eine Betrachtung der Rotordrehzahl und der mit der mindestens einen Kamera aufgenommenen Videos, eine Zuordnung der Bewegungen bzw. der Kräfte zu dem Rotorazimut und die Berücksichtigung eines Azimutmarkierungs- punktes im nicht drehenden System zur Erfassung des Rotationswinkels bzw. der Rotorblattumdrehungen.
Die in Figur 4 in überlagerter Weise dargestellten Zusammenhänge werden nach- folgend anhand der Figuren 6 bis 8 im Einzelnen erläutert. Die Figuren 6 bis 8 zei- gen die gleichen Zusammenhänge wie die Figur 4, jedoch aufgeteilt in drei Einzel- abbildungen.
Die Figur 6 zeigt in Seitenansicht die für die Erläuterung der Erfindung wesentli- chen Teile des Rotorkopfes 3. Dargestellt ist eine Getriebeeinheit 7 des Rotors, die über einen Rotor-Mast 8 mit einer Zentralbefestigung 10 des Rotorkopfes 3 ge- koppelt ist. Die Rotorblätter 2 sind über Blatthalter 1 1 mit der Zentralbefestigung 10 gekoppelt. Am Rotor-Mast 8 ist ein Messelement 9 zur Erfassung der Biegung des Rotor-Masts 8 angeordnet, z.B. in Form eines Dehnungsmessstreifens. Am Rotorblatt 2 ist ein weiteres Messelement 13 zur Erfassung einer Biegung im Blatt- wurzel-Bereich des Rotorblattes 2 angeordnet. Das weitere Messelement 13 kann bspw. ebenfalls als Dehnungsmessstreifen ausgebildet sein. Mit dem Bezugszei- chen 12 wird die Befestigungsposition der Bildaufnahmeeinheit 4 gekennzeichnet. Ferner ist erkennbar, dass am Rotorblatt 2 mehrere Marker 5 angeordnet sind. Die Figur 6 lässt außerdem verschiedene geometrische Größen erkennen, die fol- gende Bedeutung haben:
ßM Biegewinkel des Rotor-Masts 8, erfasst durch das Messelement 9 Δχ In Folge der Biegung des Rotor-Masts 8 auftretender seitlicher Versatz des Rotorkopfes 3, gemessen an der Oberseite der Zentralbefestigung 10 ßB Durch die Rotorblattbewegung auftretende Verbiegung des Rotorblattes 2, gemessen durch den Biegewinkel ßB
ßBG Am Blatthalter 1 1 auftretender Biegewinkel, gemessen durch das weitere Messelement 13
Der Biegewinkel ßB wird anhand des nachfolgend beschriebenen Verfahrens unter Auswertung der Bilder der Bildaufnahmeeinheit 4 ermittelt. Wie erläutert, soll die Bildaufnahmeeinheit 4 an der Position 12 angeordnet werden, somit am Blatthalter 1 1 . Hierbei wird ein Marker 5 als Referenzmarker zur Bestimmung einer Refe- renzazimut-Position genutzt. Die Rotorblätter 2 können bspw. jeweils mit fünf Paa- ren von Markern 5 bestückt sein.
Zur Absicherung der Messergebnisse werden die Messelemente 9, 13 genutzt, um die Biegung des Rotor-Masts 8 und des Blatthalters 1 1 zu bestimmen. Der Biege- winkel ßBG wird dabei indirekt anhand der Messergebnisse des Messelementes 13 bestimmt. Diese Messungen mit den Messelementen 9, 13 werden kalibriert, um zusätzlich den seitlichen Versatz Δχ am Rotorkopf 3, den elastischen Mast-Biege- winkel ßivi sowie den elastischen Biegewinkel ßBG des Blatthalters 1 1 zu bestim- men.
Die Auflösung der Bildaufnahmeeinheit 4, z.B. einer Kamera, kann 1280 * 720 Pi- xel bei einer Aufnahmerate (frame rate) von 240 fps (frames per second) betra- gen. Bei einer solchen Aufnahmerate werden ungefähr 15 Bilder pro Umdrehung des Rotors bei nominaler Rotorgeschwindigkeit erfasst. Der Verschlussmechanis- mus handelsüblicher Kameras ist ausreichend für eine solche Anwendung, da die Relativbewegung des Rotorblattes ausreichend langsam ist, sodass keine Bildstö- rungen erzeugt werden.
In der Bildnachbearbeitung können eines oder mehrere der zuvor erwähnten Aus- werteverfahren genutzt werden, z.B. die„Circle Hough Transformation". Für die Berechnung der Rotorblattbewegung werden die Positionen der Marker 5 be- stimmt. Soll eine Absolutbestimmung der Rotorblattbewegung erfolgen, kann zu- nächst eine Bestimmung der Referenzpositionen der Marker 5 erfolgen, wenn das Rotorblatt keine Deformation hat, z.B. bei drehendem Rotor und neutraler Belas- tung der Rotorblätter 2. Für eine solche Bestimmung der Referenzpositionen soll- ten Verstellungen der Rotorblätter, z.B. zyklische und kollektive Verstellungen, vermieden werden.
Nachfolgend werden die benötigten Koordinatentransformationen näher erläutert. Die Figur 7 zeigt die hierfür verwendeten Größen in einem Rotorblatt-Koordinaten- system 14, einem Kamera-Koordinatensystem 15 sowie einem Bild-Koordinaten- system 16. Zunächst wird eine Transformation vom Bild-Koordinatensystem 16 mit den Koordinaten n, m in das Kamera-Koordinatensystem 15 mit den Koordinaten Xc, yc, zc durchgeführt. Hierbei wird eine intrinsische Parametermatrix Mint der Bild- aufnahmeeinheit 4 genutzt, die vorab durch Kalibrierungsmessungen mit der Bild- aufnahmeeinheit 4 bestimmt wird. Mit den bekannten Positionen m, n der Marker 5 im Bild-Koordinatensystem 16 kann die Lösung wie folgt bestimmt werden:
Figure imgf000011_0001
Sodann erfolgt eine Koordinatentransformation vom Kamera-Koordinatensystem 15 in das Rotorblatt-Koordinatensystem 14 mit den Koordinaten x, y, z. Dieses Ro- torblatt-Koordinatensystem ist ein Rotorblatt-festes oder genauer gesagt ein Blatt- halter-festes Koordinatensystem, wobei der Ursprung des Koordinatensystems zur Rotationsachse des Rotors verschoben ist, wenn kein Biegewinkel ßBG vorhanden ist (ßBG = 0). Für diese Koordinatentransformation wird eine Rotation der Koordina- ten zusammen mit einer Verschiebung durchgeführt:
Figure imgf000011_0002
Sowohl die zuvor genannte Rotationsmatrix Mrot als auch der Verschiebevektor
Figure imgf000011_0003
kann mittels eines CAD-Modells des Rotors unter Berücksichtigung der Parameter der Befestigung der Bildaufnahmeeinheit 4 bestimmt werden. Eine andere Mög- lichkeit ist die Berechnung des Verschiebevektors aufgrund einer Kalibrierung, wie zuvor beschrieben.
Der Prozess der Koordinatentransformation ist zusätzlich in Figur 8 dargestellt. Dabei ist in durchgezogener Linie das Rotorblatt-Profil im neutralen Biegezustand dargestellt, und mit gepunkteter Linie das Rotorblatt-Profil unter Last, wenn eine Rotorblattbewegung bzw. -verbiegung auftritt. Mit dem Bezugszeichen 17 ist da- bei jeweils der Neutralpunkt des Profils (shear center) gekennzeichnet. Die Größe dLE bezeichnet die Mittenposition des am Rotorblatt 2 vorne angeordneten Mar- kers 5 relativ zum Neutralpunkt 17. Die Größe dTE bezeichnet die Mittenposition des am Rotorblatt hinten angebrachten Markers 5 relativ zum Neutralpunkt 17.
Um die Rotorblattbewegung zu bestimmen, wird der Torsionswinkel an jeder radi- alen Position i = {1 , 2, 3, 4, 5} für jedes der Paare von Markern 5 des Rotorblattes wie folgt bestimmt:
Figure imgf000012_0001
Ein Referenztorsionswinkel wird in entsprechender Weise aus den Referenzpositi- onen der Marker 5 bestimmt.
Der letztendlich zu bestimmende Torsionswinkel wird korrigiert mit dem Torsions- winkel eines Paares von Markern 5 in deren Referenzposition, wie folgt:
Figure imgf000012_0002
Die vorderen und hinteren Marker 5 werden benutzt, um eine horizontale Neutral- punktverschiebung vscmeas sowie eine Vertikalverschiebung xscmeas zu bestimmen. Dementsprechend wird der Versatz des Neutralpunktes unter Verwendung der Po- sitionen der vorderen und hinteren Marker 5 wie folgt bestimmt:
Figure imgf000013_0001
Die auf diese Weise bestimmten„gemessenen" Werte der Verschiebungen des Neutralpunktes in horizontaler und vertikaler Richtung werden wie folgt bestimmt:
Figure imgf000013_0002
Für die Bestimmung der Rotorblattbewegung kann außerdem aufgrund jedes Bil- des eine Azimutposition bestimmt werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die Azimutposition zu bestimmen:
Triggerung der Kamerabilder bei bestimmten Winkeln
optische Marker, die am Fluggerät befestigt sind
Aufzeichnen zusätzlicher Daten, außer den Kameradaten (elektrische, akus- tische, sonstige Daten).
Das Verfahren hat im experimentellen Versuch bei Validierung zu folgenden Er- gebnissen:
Zur Bestimmung des Messfehlers kann eine Messung der Verschiebung & Verdre- hung im Stand erfolgen. Der Vergleich erfolgte mit anderen Systemen. Der absolute Fehler wird auf den Rotorradius bezogen.
System Messfehler der Verschie- Messfehler der Verdre- bung [mm] /Rotorra- hung [mm] /Rotorra- dius [m] dius [m]
Feste Messverfahren: 0,2 bis 1 ,36 0,143 bis 0,26
Stereo Pattern Recognition;
Fringe Correlation Method;
Projection Moire Interferom- etry
Mitbewegt Messverfahren: 0,1 1 bis 1 ,2 0,03 bis 1 ,3
Blade Deformation Measu- ring System; Strain Pattern
Analysis
IBDM 0,1 1 bis 1 ,2 0,045 bis 0,26 Die Bewegung der Kamera ist als Ursache für Messabweichungen vernachlässig- bar sofern dies geprüft wurde.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Rotorblatt
3 Rotorkopf
4 Bildaufnahmeeinheit
5 Markierungen/Marker
6 Auswerteeinheit
7 Getriebeeinheit des Rotors
8 Rotor-Mast
9 Messelement zur Erfassung der Mast-Biegung
10 Zentralbefestigung des Rotorkopfes
1 1 Blatthalter
12 Befestigungsposition der Bildaufnahmeeinheit
13 Messelement zur Erfassung der Blattwurzel-Biegung
14 Rotorblatt-Koordinatensystem
15 Kamera-Koordinatensystem
16 Bild-Koordinatensystem
17 Neutralpunkt des Rotorblatt-Profils

Claims

Patentansprüche 1 . Vorrichtung (1 ) zur Messung von Rotorblattbewegungen eines Fluggerätes über die gesamte Rotordrehung im Flug mit mindestens einem drehbar ange- ordneten Rotorblatt (2) und einer Bildaufnahmeeinheit (4) zur Aufnahme von Abbildungen des zu vermessenden Rotorblattes (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmeeinheit (4) mitbewegbar mit dem zu vermessenden Ro- torblatt (2) angeordnet ist.
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bildauf- nahmeeinheit (4) mit einem Blickwinkel von weniger als 10° zu dem zu ver- messenden Rotorblatt (2) ausgerichtet ist.
3. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt (2) optisch sichtbare Markierungen (5) hat.
4. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Markie- rungen (5) auf das Rotorblatt (2) aufgeklebt sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mar- kierungen (5) senkrecht von der Rotorblattfläche abragende Elemente sind.
6. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen (5) an der Stirnkante und/oder an der Profilendkante des Rotorblattes (2) angeordnet sind.
7. Verfahren zur Messung von Rotorblattbewegungen, gekennzeichnet durch Aufnehmen von Abbildungen des Rotorblatts (2), wobei sich eine Bildauf- nahmeeinheit (4) zusammen mit dem zu vermessenden Rotorblatt (2) mitbewegt, und
Auswertung einer aufgenommenen Folge von Abbildungen des Rotor- blatts (2) hinsichtlich charakteristischer Merkmale und
Ermitteln der Rotorblattbewegung in Abhängigkeit von der Ortsverlage- rung der charakteristischen Merkmale relativ zu der sich mitbewegenden Bildaufnahmeeinheit (4) oder einem Referenzpunkt des Rotorblattes (2).
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