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 Ψ _Rotor 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, y _c , z _c 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:

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:

Sowohl die zuvor genannte Rotationsmatrix Mrot als auch der Verschiebevektor 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:

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:

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:

Die auf diese Weise bestimmten„gemessenen" Werte der Verschiebungen des Neutralpunktes in horizontaler und vertikaler Richtung werden wie folgt bestimmt:

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