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Robotergestützte Montage optischer Systeme mittels Prädiktor-Korrektor-Verfahren

Prototypischer Aufbau eines Michelson-Interferometer
Fehlerhafte Ausrichtung einer optischen Komponente führt zu einer veränderten Wellenfront
Makro-mikro-Manipulator mit Greifer für das Platzieren optischer Komponenten

Problematik 

Heutzutage ist noch kein individualisierter und automatisierter Prozess zur Herstellung optischer Systeme möglich. Dies ist einerseits bedingt durch den stetigen Drang zur Miniaturisierung optischer Systeme, andererseits kommt es aufgrund individuellen Fertigungswünschen zu hohen Ausschussraten optischer Komponenten während des Montageprozesses. Zur Lösung der Problematik werden  gegenwärtig kostenintensive aktive oder passive Verstellmechanismen verbaut. Diese müssen teilweise noch händisch feinjustiert werden, was auch zu erhöhten Personalkosten führt.

Ziel

Dieses Forschungsprojekt beschäftigt sich mit dem funktionsorientierten Aufbau optischer Systeme und zielt darauf ab, die hohen geforderten Toleranzen sowohl der optischen Komponenten als auch der Positioniersysteme zu verringern. Des Weiteren soll auch eine geringere Ausschussrate optischer Komponenten während des Herstellungsprozesses gewährleistet werden.

Ansatz

Um das genannte Vorhaben umzusetzen wird ein Prädiktor-Korrektor-Verfahren für den Montageprozess eingesetzt. Dieses beruht auf dem schrittweisen Aufbau des optischen Systems, bei dem ein Simulationsmodel parallel zum Montageprozess mitläuft und ständig mittels Identifikationsverfahren an die Realität angeglichen wird. Somit werden Vorhersagen für die Platzierung zukünftiger optischer Komponenten möglich (Prädiktionsschritt). Unter Prüfung der gewünschten Forderungen (z.B. an die Wellenfront) kann somit immer eine Änderung der nominellen Position berechnet werden (Korrekturschritt) um ständig die Funktionalität des optischen Systems zu gewährleisten.

Experimenteller Aufbau 

Der experimentelle Aufbau besteht im Wesentlichen aus einem Positioniersystem und einem optischen System, welches es aufzubauen gilt. Als Positioniersystem wird ein Makro-mikro-manipulator inklusive Greifer eingesetzt, welcher sich einerseits durch einen großen Arbeitsraum und andererseits durch hochpräzise Verfahrwege auszeichnet. Als optisches System wird prototypisch ein Michelson-Interferometer verwendet, welches mittels eines Wellenfrontsensors ausgelesen wird. Dieser kann benutzt werden um mittels Identifikationsverfahren Rückschlüsse auf die Position einzelner optischer Komponenten  zu ziehen.  

 

Ansprechpartner: Dipl.-Tech. Math. Christopher Schindlbeck

Bildrückgeführte Regelung eines optomechanischen Derotators zur Messung an rotierenden Bauteilen

IMR-Bildderotator gelagert auf Hexapod
Messergebnis einer Thermografiemessung mittels einer Infrarot Kamera an einem Zylinderrollenlager: Thermografiemessungen stellen ein gutes Beispiel für Messungen dar, bei denen Bewegungsunschärfe auftritt, da die hohe Belichtungszeit fest durch den aufzulösenden Temperaturbereich vorgegeben ist.
Messergebnis einer Laser Doppler Vibrometer-Messung an einem Bliskmodell: Mit Hilfe des Derotators kann der Messstrahl des Laser Vibrometers auf einen festen Punkt auf dem Messobjekt fokussiert werden, sodass Vibrationsmessungen unverfälscht durchgeführt werden können.

Rotierende Bauteile sind in einer Vielzahl von Maschinen verbaut. Um einen effizienten und sicheren Betrieb zu gewährleisten ist eine Überprüfung dieser unerlässlich. Dieses lässt sich am zuverlässigsten durch Messungen erreichen, insbesondere wenn diese berührungslos und während des eigentlichen Betriebs durchgeführt werden. So kann sichergestellt werden, dass die Ergebnisse nicht durch das Messsystem verfälscht werden.

Konventionelle Messmethoden geraten bei sich bewegenden Bauteilen, vor allem wenn diese einer Rotationsbewegung unterliegen, jedoch schnell an ihre Grenzen. Die Ursache bei Bildaufnahmen (mit gewöhnlichen Hochgeschwindigkeits- oder Thermografiekameras) liegt in der Entstehung von Bewegungsunschärfe. Rotieren Objekte mit einer hohen Geschwindigkeit oder ist es notwendig eine lange Belichtungszeit zu wählen (aufgrund schlechter Beleuchtungsverhältnisse oder bedingt durch die Arbeitsweise der Kamera), entsteht eine in den Messdaten wahrnehmbare Bewegung des Objektes. Messverfahren, die einen Messstrahl aussenden (wie zum Beispiel Laser Doppler Vibrometer), können nicht auf einen Punkt auf dem rotierenden Objekt fokussiert werden und verfälschen dadurch das Ergebnis. Eine Lösungsmöglichkeit bietet ein optomechanischer Derotator. Durch eine rotierende Spiegelanordnung ist der Derotator dazu in der Lage optisch die Bewegung eines drehenden Messobjektes zu kompensieren.

Dazu ist es notwendig, dass sich der Derotator mit genau der halben Geschwindigkeit des zu messenden Objektes bewegt. Um diese zu bestimmen, wird am Institut für Mess- und Regelungstechnik (IMR) ein bildgestützter Ansatz verwendet. Feature auf dem Messobjekt, entweder spezifische Strukturen auf dem Objekt oder extern angebrachte Marker, müssen dafür zunächst erkannt und dann weiter verfolgt werden, um so die Winkellage des Objektes zu ermitteln. Die so ermittelte Position wird dann einem Regler als Führungsgröße übergeben, um so den Derotator auf die entsprechende Lage und Geschwindigkeit zu regeln.

Weiterhin ist es notwendig, dass die optische Achse des Derotators koaxial zur Rotationsachse des rotierenden Objektes ausgerichtet wird. Aus diesem Zweck wird der Derotator auf einer 6-Achs-Parallelkinematik, einem sogenannten Hexapod, gelagert. Dieser kann seine Position in allen sechs Raumrichtungen hochgenau anpassen. Hierfür werden am IMR optische Verfahren eingesetzt, die translatorische und rotatorische Abweichungen in einem zweistufigen Optimierungsprozess eliminieren

Sind diese Voraussetzungen getroffen, kann der Derotator zur Unterstützung an vielfältigen Messaufgaben genutzt werden. Am IMR werden diese Messungen vorbereitet, durchgeführt, ausgewertet und interpretiert. Besonders Messungen, bei denen

  • Bewegungsunschärfe auf Grund von langen Belichtungszeiten und hohen Geschwindigkeiten auftritt,
  • Messstrahlung emittiert und auf ein Objekt fokussiert wird (zum Beispiel Laser Doppler Vibrometrie),
  • hohe Bildwiederholraten notwendig sind,

können durch den Einsatz des Derotators verbessert oder erst ermöglicht werden.

Simultan-Lokalisation und Kartierung System unter Verwendung von Luftkamera

Gerade in den Bereichen der Roboternavigation, der Lokalisation und Kartierung, sowie im Augmented oder Virtual Reality hat in den letzten Jahren die Nachfrage nach Echtzeit-3D-Rekonstruktionsmethoden stark zugenommen. Ein vielversprechender Ansatz zur Implementierung von 3D-Rekonstruktionsmethoden ist das Prinzip des Simltaneous Localization and Mapping, kurz SLAM genannt. Das Ziel dieser Methode ist einerseits die 3D-Rekonstruktion der Umgebung und anderseits die zu ihr relative Lokalisierung und Verfolgung bewegender Objekte.

Aufgrund vieler Vorteile, wie beispielsweise der Verfügbarkeit, den Anschaffungs- und Unterhaltungskosten, sind visuelle Sensoren, wie Farbkameras, im Zusammenhang mit SLAM Systemen weit verbreitet. In dem Kontext werden solche Systeme Visual SLAM oder vSLAM genannt.Die Verbreitung von visuellen Echtzeitsysteme zur simultanen Lokalisation und Kartierung (VSLAM) in der Forschung ) in letzter Zeit stark zugenommen. Damit einhergehenden hat die 3D Rekonstruktion gerade in Verbindung mit der Navigation von Robotern (wie bei ferngesteuerten, unbemannten Flugkörpern (UAV) eine gro0e Bedeutung erlangt. Aktuelle VSLAM-Systeme verwenden jedoch herkömmliche Bildverarbeitungsalgorithmen zur Poseschätzung, wie z.B. ORB-SLAM. Allerdings ist die Leistungsfähigkeit solcher Algorithmen bei Bildern mit vielen unterschiedlichen und komplexen Texturen stark eingeschränkt. Somit ist die Genauigkeit herkömmlicher Algorithmen bei komplexen und halb-komplexen Umgebungen sehr begrenzt.

Im Vergleich zu solchen, auf Merkmalen basierenden, indirekten VSLAM Lösungen, soll ein direktes SLAM System entwickelt werden, das sowohl auf Basis von halb-komplexen oder gar komplexen Umgebungen 3D Modelle entwickelt und hochgenaue Poseschätzungen vornimmt.

Im Rahmen des Projekts werden direkte Farbdaten genutzt, um zeitlich aufeinander folgende Frames des Videostreams zu registrieren, ohne eine zeitaufwendige Merkmalsextraktion durchzuführen. Durch die mit Hilfe der Tiefendaten gewonnenen Poseschätzungen lassen sich 3D Modelle der Umgebung rekonstruieren. Eine anschließende Sliding-Window-Optimierung erlaubt die Berechnung einer lokalen Transformationsmatrix, wodurch der Schätzungsfehler minimiert werden kann. Für eine hochgenaue 3D-Rekonstruktion wird der Ansatz des Bundle Adjustments genutzt.

Um den Algorithmus in halb-komplexen, bzw. komplexen Umgebungen zu evaluieren, soll ein Mikro-UAV mit MiniPC und einer Farbkamera mit integriertem Tiefensensor ausgestattet werden. Durch den Einsatz von Tiefendaten lässt sich das von herkömmlichen SLAM Lösungen bekannte scale-drift-Problem auf einfachem Weg umgehen. Um Daten in Echtzeit zu verarbeiten, wird der Algorithmus zweigeteilt. Die Kartierung und Poseschätzung werden direkt auf dem Mini-Computer des UAVs berechnet, wohingegen der Optimierungsalgorithmus mit einem stationären PC auf dem Boden durchgeführt wird. Die Kommunikation beider Computer wird mittels Funkübertragung durchgeführt.

 

Ansprechpartner: M.Eng. Hang Luo

DJI MAVIC PRO Drone
Kinect XBOX ONE

3D Geometrieerfassung rotierender Bauteile mittels rotationssymmetrischer Streifenprojektion

Systemdiagramm

Im Rahmen dies Projektes die Frage beantworten, ob mit Hilfe des am IMR entwickelten optischen Bild-Derotators eine dreidimensionale Geometrieerfassung von schnell rotierenden Objekten durch Streifenprojektion möglich ist.

Schnell Rotierende Objekte erfahren durch den Einfluss von Fliehkräften eine Deformation. In vielen technischen Anwendungsbereichen ist die genaue Ausprägung der Geometrieänderungen von großen Interesse, z.B. um Eigenspannungen, Kräfteverläufe oder die Integrität des Objektes zu überwachen. Im Rahmen des Projektes soll gezeigt werden, inwieweit die klassische Streifenprojektion weiterentwickelt werden kann, um auch schnell rotierende Objekte flächig dreidimensional zu erfassen. Hierfür müssen verschiedene Streifenmuster auf das Werkstück projiziert und unter einem Triangulationswinkel beobachtet werden, wobei eine optische Kompensation/Invarianz gegenüber der Objektrotation notwendig ist.

Zu diesem Zweck wird eine katadioptische Projektionseinheit genutzt, um rotationssymmetrische Streifenmuster auf das Objekt zu projizieren. Die Abbildung verdeutlicht das Grundkonzept der Anordnung.

Dieses Projekt wird vom Humboldt-Stiftung unterstützt.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Yongkai Yin