Rotierendes Kamerasystem zur Deformationsmessung von Rotorblättern
Ready for Take-off
Um die Deformation von Rotor- oder Propellerblättern zu ermitteln, hat ein Team des DLR ein optisches berührungsloses Mess- und Diagnostiksystem entwickelt, mit dem das Blatt eines Flugzeugpropellers unter realen Flugbedingungen beobachtet werden kann. Das mit einer speziellen stereoskopischen Kamera und einem Single-Board-Computer ausgestattete System wird dirket auf der Propellerachse montiert.
Starke Vibrationen bis 20g
Um die berührungslose Propellerdeformation im Freiflug durchführen zu können, wurde ein aufwendiges IPCT-Bildakquisitionssystem (Bild 3) entworfen. Das Stereokamerasystem arbeitet autark und wird anstelle des sogenannten Spinners auf der Propellerachse starr montiert, wodurch es zusammen mit dem Propeller rotiert. Die Stereokamera des Systems ist auf ein Blatt des Propellers ausgerichtet, das mit einem stochastischen Muster versehen ist. Im Gegensatz zu einem im Flugzeugrumpf statisch platzierten IPCT-Messsystem erlaubt die vorgestellte Lösung die Beobachtung des Blattes über den gesamten Umlauf. Das System musste komplett neu entworfen werden, da für eine Integration von Kameras auf der rotierenden Achse eines Flugzeugpropellers keine geeigneten Standardkomponenten verfügbar waren. Das patentierte System besteht überwiegend aus speziell für diesen Zweck entwickelten Komponenten, wie doppelter (Stereo-) CMOS-Kamera, digitaler Phasenschieber, Bilderfassungskarte, Reflexlichtschranke, um den Nullwinkel des Propellers zu bestimmen, und einem Single-Board-Computer (siehe Kasten). Das PCI/104-Express-Board basiert auf dem Intel-Core-i7 Prozessor der zweiten Generation und ist mit WLAN, GPS und zwei GBit/s LAN-Ports ausgestattet. Um einen vom Flugzeug autarken Betrieb zu ermöglichen, werden alle Bauteile von insgesamt vier aufladbaren LiFePO-Akkus mit insgesamt 14,8V und 3.500mAh gespeist. Der Betrieb des Systems erfolgt durch eine eigens dafür entwickelte Steuersoftware und ist so ausgelegt, dass die Bilder während des Fluges vollkommen selbsttätig akquiriert werden. Allerdings kann die Funktion von einem mitfliegenden Flugversuchsingenieur permanent überwacht werden. Das auf dem realen, rotierenden Propeller montierte System unterliegt starken Vibrationen (bis 20g im Bereich von 20 bis 150Hz). Darüber hinaus wird es bei einer Drehzahl von 2.700U/min erheblichen zentrifugalen Kräften ausgesetzt. Um die Beschädigung der Elektronik zu vermeiden, wurden die Platinen in einem steifen Metallrahmen verankert.
Wirkungsweise des Systems
Durch die Laserlichtschranke, die auf einen Reflektor am Motorgehäuse des Flugzeuges zielt, wird pro Umlauf ein Trigger-Impuls erzeugt. Je nach Einstellung des Phasenschiebers wird dann entweder direkt zum Zeitpunkt des Trigger-Pulses oder mit einer voreingestellten Phasenverschiebung simultan ein Stereobildpaar aufgenommen. Die Phasenverschiebung kann entweder auf einen festen Wert eingestellt werden, sodass die Bildaufzeichnung unabhängig von der Propellerdrehzahl immer zur gleichen Phasenlage des Propellerblattes erfolgt, oder die Phasenverschiebung ändert sich mit jedem Umlauf um ein voreingestelltes Inkrement, sodass über mehrere Umläufe ein gewisser Phasenwinkelbereich (auch bis zum vollen Umlauf) aufgezeichnet wird. Das Prinzip dieses Phasenschiebers wird von einem Patent in mehreren Ländern geschützt. Die aufgezeichneten Kamerabilder werden mittels zweier GigE-Schnittstellen an den Single-Board-Computer übermittelt und dort in Echtzeit zusammen mit den aktuellen GPS-Daten (Zeit, Position) auf eine SSD-Festplatte abgespeichert. Mittels der WLAN-Verbindung lassen sich die aufgezeichneten Bilder während des Fluges in der Kabine begutachten und gegebenenfalls die Bilderfassungsparameter ändern. Die gesamten erfassten Bilddaten können nach dem Test entweder via WLAN, USB-Verbindung oder über Austausch der SSD-Festplatte entnommen und der IPCT-Auswertung zugeführt werden.
