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B: Systemtechnik und Auslegung

B02 – Schätzung des Systemzustands und optische Deformationsmessung

Im Teilprojekt B02 wird untersucht, mit welchen Methoden sich der Systemzustand eines Gebäudes möglichst genau schätzen lässt und welche Messprinzipien sich eignen, um die Gebäudedeformation zu bestimmen.

Um die Struktur eines adaptiven Tragwerks gezielt anpassen zu können, muss der aktuelle Gebäudezustand bekannt sein. Da sich einige Größen nicht direkt messen lassen, sind systemdynamische Methoden der Zustandsschätzung und Sensorfusion notwendig. Um Messgrößen bereitzustellen, wird eine neuartige optische Messtechnik entwickelt und mit Methoden der konventionellen Sensorik (Beschleunigungsgeber, Gyroskope, Dehnmessstreifen) kombiniert. Die optische Messtechnik soll zusammen mit der Zustandsschätzung auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen eine hochgenaue und zuverlässige Positionsbestimmung für Bauwerke großer Dimensionen garantieren. Vor dieser Herausforderung werden zwei sich ergänzende Ansätze untersucht, um die optische Distanzmessung zu erfassen.

Das Ziel dieses Teilprojekts ist es, die insgesamt verfügbaren Sensorinformationen zu fusionieren und das Ergebnis als Schätzung des Systemzustands wiederzugeben. Diese Fusion muss in Echtzeit durchgeführt werden, da der Systemzustand zu jedem Zeitpunkt für die Steuerung und Regelung (Teilprojekt B04) zur Verfügung stehen muss.

Daraus ergeben sich für das Teilprojekt B02 folgende Fragestellungen:

  • Welche Ansätze eignen sich, um die präzise optische Distanzmessung von Bauwerken großer Dimensionen zu ermöglichen?
  • Wie lässt sich Lichtstreuung vermeiden um bei ausgedehnten Bauwerken trotz schwieriger Umgebungsbedingungen eine möglichst genaue Positionsbestimmung zu erzielen?
  • Wie lassen sich konventionelle Sensorik und das optische Messsystem bei der Bestimmung der Gebäudedeformation in Echtzeit fusionieren?

Der zunächst und vorrangig untersuchte Ansatz zur optischen Distanzmessung basiert auf der möglichst genauen Positionsbestimmung von kleinen, im Gebäude stationär befestigten, aktiven Lichtemittern. Diese können z. B. an der Fassade oder in Aufzugsschächten befestigt sein. Die Position wird durch eine bildverarbeitungsbasierte Auswertung ermittelt. Hierzu strahlen die mit preisgünstigen computergenerierten Hologrammen realisierten Emitter in Richtung der bildaufnehmenden Kamera optimierte Lichtmuster. Indem die sequentiell aufgenommenen Bilder verrechnet werden, können wetterbedingte Störungen teilweise eliminiert werden.

Im Rahmen eines zweiten, komplementären Ansatzes wird untersucht, wie sich Lichtstreuungen trotz widriger Wetterbedingungen vermeiden lassen. Da die Messung durch eine holografische Erfassung an beliebigen Punkten auf der Fassade erfolgen kann, muss das Gebäude nicht modifiziert werden. Ziel ist es, mit kurzkohärentem Licht die Streuung bei ungünstigen Wetterbedingungen bestmöglich zu unterdrücken um eine ideale Distanzmessung zu ermöglichen. Messstellen auf großflächigen Strukturen können durch ein Scansystem sequentiell abgetastet werden. Für diese Methodik sollen im Rahmen des Projekts erste Voruntersuchungen durchgeführt werden.

Positionsbestimmung von kleinen am/im Gebäude stationär befestigten aktiven Lichtemittern (c) ILEK
Optische Sensorik zur Messung der Bauwerksdeformation durch ein Emittersystem mit computergenerierten Hologrammen sowie ein kurzkohärentes digital-holografisches System. Beide Systeme sollen auch bei schwierigen Umgebungsbedingungen (Nebel, Schnee, Regen) eine Entfernungsbestimmung ermöglichen.

Um die Gebäudedeformation zu bestimmen, erfolgt eine Fusion der Distanzinformationen des optischen Messsystems und der konventionellen Sensorik. Während das optische Messsystem Informationen über die Distanz zur Gebäudehülle gewinnt, kann die konventionelle Sensorik auch im Inneren des Gebäudes angebracht werden. Im Vergleich zur kontinuierlich hohen Abtastrate der konventionellen Sensorik, tastet das optische Messsystem Messpunkte niederfrequent ab. Das Filter kennt die physikalischen Gleichungen, die das Verhalten des Bauwerks beschreiben und soll so ausgelegt werden, dass das optische Messsystem die Messpunkte dynamisch adaptiert, um ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis zu erlangen. Ziel ist es, das System mit Hilfe von verteilten Ansätzen modularisierbar sowie rekonfigurierbar zu machen und die konventionellen Sensoren mit neuartigen Messprinzipien zu fusionieren. In einem ersten Schritt wird ein klassisches, globales Filter entworfen. Anschließend werden sinnvolle Subsysteme und Schnittstellen definiert, um die Filter lokal zu implementieren, wodurch Robustheit und Leistung erhöht werden sollen.

Die Ergebnisse des vorliegenden Projekts, die geschätzten Zustandsgrößen, werden direkt für die Steuerung bzw. Regelung der Aktoren in Teilprojekt B04 verwendet und an Teilprojekt B05 zur dynamischen Multiskalenvisualisierung weitergegeben.

Teilprojektleiter

  • Prof. Dr.-Ing. Cristina Tarín, Institut für Systemdynamik
     
  • Dr. Wolfgang Osten
     
  • Dr.-Ing. Tobias Haist, Institut für Technische Optik

Ansprechpersonen

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Dr.-Ing.

Tobias Haist

Teilprojektleiter

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M. Sc.

Alexander Warsewa

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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M. Sc.

Flavio Guerra

Wissenschaftlicher Mitarbeiter