3D-Messtechnik in der Fahrzeugsicherheit - AICON 3D Systems

MESS- UND PRÜFTECHNIK 3D-MESSTECHNIK
3D-MESSTECHNIK FÜR
KOMPONENTENVERSUCHE IN
DER FAHRZEUGSICHERHEIT
Produkt- und Entwicklungszyklen von Komponenten und Fahrzeugen werden immer kürzer.
Simulationen und Versuche für die Automobil- und Zuliefererindustrie müssen daher stetig
effizienter werden. Die damit verbundenen Kosten- und Zeiteinsparungen bei gleichzeitiger
Genauigkeitssteigerung der Versuchsergebnisse stellen besondere Anforderungen an alle
Prüfmittel. Durch den Einsatz optischer 3D-Koordinatenmesstechnik, speziell photogrammetrischer
Messsysteme, bietet die Aicon 3D Systems GmbH Lösungen, die sowohl die Versuchsvorbereitung
als auch Versuchsdurchführung vereinfachen.
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AUTOREN
DIPL.-ING. MATHIAS WOLFF
ist Key Account Manager im Bereich
Vehicle Testing bei der Aicon 3D Systems
GmbH in Braunschweig.
DR.-ING. ANDREAS RIETDORF
ist Produktmanager für MoveInspect
Technology bei der Aicon 3D Systems
GmbH in Braunschweig.
DIPL.-ING. CHRISTOPH KNOTZ
ist Geschäftsführer der Concept Tech
Group/Microsys Technologies Inc. in
Gratkorn (Österreich).
HINTERGRUND
Regelungen der Economic Commission
for Europe (ECE) definieren Mindestanforderungen
an Fahrzeuge, Bauteile oder
Baugruppen, die für den europäischen
Markt zugelassen werden sollen. Das
US-amerikanische Department of Transportation
(DOT) und die National Highway
Traffic Safety Administration
(NHTSA) sind für die Durchsetzung und
Einhaltung der Sicherheitsvorschriften
des Federal Motor Vehicle Safety Standard
(FMVSS) zuständig. Der FMVSS
bezieht sich auf Zulassungen von Neufahrzeugen,
die für den US-amerikanischen
Markt bestimmt sind. Möchte ein
deutscher Fahrzeughersteller seine Fahrzeuge
dort vermarkten, muss er der
amerikanischen Behörde die Einhaltung
der Prüfvorschriften nach FMVSS
nachweisen.
VERFAHREN ZUR
3D-KOORDINATENBESTIMMUNG
Die Photogrammetrie ist ein Verfahren
der optischen 3D-Koordinatenmesstechnik
und beschreibt allgemein Methoden,
aus einem oder mehreren Messbildern
eines beliebigen Objekts dessen Form
und Lage zu rekonstruieren [1]. Grundlage
aller photogrammetrischen Verfahren
ist die Kenntnis und Anwendung des
mathematischen Modells der Zentralprojektion.
Die Beschreibung des dreidimensionalen
Messobjekts gelingt über die
Rekonstruktion von Strahlenbündeln, die
einen Zusammenhang zwischen Bildund
Objektpunkten über das Projektionszentrum
herstellen. Werden mindestens
zwei korrespondierende Bildstrahlen
zum Schnitt gebracht, so lassen sich
die dreidimensionalen Koordinaten von
Objektpunkten ermitteln.
Die Bestimmung der Koordinaten von
charakteristischen Punkten eines Messobjekts,
❶ (hier kreisförmige codierte
und uncodierte Messmarken), geschieht
durch Bildmessung in den Kameras und
anschließende Berechnung in einer Bündelblockausgleichung.
Bei dieser werden
die Koordinaten aller Marken im Messvolumen
in einem mathematischen Optimierungsverfahren
durch Lösung eines
überbestimmten Gleichungssystems
bestimmt.
Es gibt Ein-, Zwei- und Mehrkamerasysteme,
wobei sich für ein Zweikamerasystem
auch der Begriff Stereokamerasystem
etabliert hat. Einkamerasysteme
sind typischerweise handgehaltene
Messsysteme, die um ein Objekt herumbewegt
werden und das Messobjekt von
unterschiedlichen Positionen aufnehmen.
Stereo- und Mehrkamerasysteme
sind meist auf einer stabilen Basis oder
in einem festen Verbund angeordnet
und „schauen“ auf einen bestimmten
Ausschnitt des Messobjekts. Mithilfe
des Triangulationsverfahrens lassen sich
die 3D-Koordinaten der Objektpunkte
erschließen. Basis hierfür sind die
er mittelten Bildkoordinaten der Messmarken,
die bekannten Positionen und
Orientierungen der Kameras sowie die
Mai 2013
Automotive Engineering Partners
❶ Bilder eines Stereokamerasystems mit gemessenen Targets und berechneten Objektpunkten an der Fahrzeugtür
in 3D-Darstellung
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MESS- UND PRÜFTECHNIK 3D-MESSTECHNIK
❷ Technische Anweisung zur Ermittlung versuchsrelevanter Hilfs- und Prüfpunkte (Auszug aus [2])
Modellierung des aus der Kalibrierung
bekannten Strahlengangs der optischen
Komponenten.
REGELUNG ZUM KOPFAUFSCHLAG
Der Kopfaufschlag im oberen Fahrzeuginnenraum
ist für den US-Markt in der
Richtlinie FMVSS 201 geregelt. Grundsätzlich
sind davon viele mögliche Kopfaufschlagbereiche
während eines Unfalls
im Fahrzeug betroffen (zum Beispiel A-,
B- und C-Säulen; vorderer, seitlicher und
hin terer Dachrahmen; oberer Dachbereich).
Aus diesem Grund werden in den
Fahrzeugen spezielle Schutzmaßnahmen
wie Kunststoffrippen, Schäume oder
andere Maßnahmen zur Energieabsorption
in diesen Bereichen entwickelt und
verbaut.
Um den Entwicklungs- und Prüfaufwand
sinnvoll zu begrenzen sowie eine
reproduzierbare Überprüfung zu ermöglichen,
wurden geometrische Messverfahren
seitens des Gesetzgebers zur Bestimmung
der Prüfpunkte beziehungsweise
Prüfbereiche vorgegeben [2], ❷.
Diese müssen von den Fahrzeugentwicklern,
Dienstleistern und Testlaboren
möglichst identisch und reproduzierbar
in das Fahrzeug eingemessen werden.
Auch für den Abgleich beziehungsweise
die Validierung mit der virtuellen Entwicklung
(Computer-Aided Engineering-/
Finite Elemente-Simulation, CAE-/FE-
Simulation) ist eine möglichst gute Übereinstimmung
erforderlich. Eine exakte
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Testdurchführung kombiniert mit einer
im Laufe der Jahre optimierten virtuellen
Darstellung ermöglicht eine kosteneffiziente
und zielgerichtete Entwicklung
der betroffenen Bauteile respektive
Deformationselemente.
MESS- UND VERSUCHSAUFBAU
NACH FMVSS 201U
Die Kombination aus optischem Messsystem
und einem für diese Anwendung
entwickelten Software-Tool bietet optimale
Möglichkeiten für kosten- und zeitsparende
Prüfungen nach FMVSS 201u.
Das von Concept Tech entwickelte Software-Tool
FMH-Wizard, ❸, unterstützt
die Ermittlung der geforderten Prüfpunkte
mithilfe des optischen Messsystems
namens MoveInspect HR. Das
Zusammenspiel verschafft dem Anwender
einen großen zeitlichen Vorteil, da
die zusätzliche Durchsicht des Gesetzes
und fehleranfälliges manuelles Berechnen
einzelner Passagen entfällt (Prozesssicherheit).
Somit vereinfacht sich die
gesamte Handhabung der Prüfpunktermittlung
am Fahrzeug laut Gesetzesvorgabe.
Vergleichsmessungen haben
ergeben, dass sich bei gleichzeitiger Steigerung
der Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit
der Messergebnisse Zeiteinsparungen
von circa 50 % ergeben.
Der Benutzer wird, gemäß den gesetzlichen
Anforderungen, schrittweise
durch den Arbeitsprozess geführt. Mit
dem Mehrkamerasystem und dem
getrackten, kabellosen Aktivtaster, ❹,
werden die von der Software berechneten
Punkte am Fahrzeug markiert und
dokumentiert. Die Lage der codierten
Messmarken auf der Tasteroberfläche ist
in der Software hinterlegt, die automatisch
die Koordinaten der Tastspitze
berechnet. Austauschbare Tastspitzen
ermöglichen das Messen schwer zugänglicher
Punkte. Durch visuelle Rot-Grün-
Anzeigen und einstellbare akustische
Signale wird der Aktivtaster durch den
Anwender in Echtzeit an die entsprechende
Position geführt.
Unter Verwendung klassischer,
mechanisch basierter Messhilfsmittel
❸ Screenshot aus dem Softwaretool FMH-Wizard zur Prüfpunktermittlung (linkes Fenster);
Online-Koordinatenanzeige vom kontinuierlich getrackten Aktivtaster (rechtes Fenster)

❹ Taktiles Messen
von Einzelpunkten mit
einem kabellosen
Aktivtaster
Um ein ergonomisches Arbeiten zu
gewährleisten, wird das Kamerasystem
daher vor dem Fahrzeug positioniert.
Wechselbare Tastspitzen ermöglichen
dem Anwender eine gute Erreichbarkeit
aller relevanten Punkte. Relativbewegungen
zwischen Kamerasystem und
Messobjekt werden dank dynamischer
Referenzierung automatisch kompensiert.
Sind alle Prüfpunkte beziehungsweise
Kopfaufschlagpunkte markiert
und vermessen, werden die Prüfstandsversuche
nach dem Positionieren des
FMVSS 201 Launchers durchgeführt.
(zum Beispiel Lot, Laserliner, Bandmaß)
hat sich die Bestimmung des inneren
Durchstoßpunkts AP1 (Aufprallpunkt 1)
als fehleranfällig herausgestellt, da sich
die Messfehler in Messketten aufsummieren.
Eine genaue Bestimmung des
AP1 ist besonders wichtig, da sich alle
nachfolgenden Punkte auf diesen beziehen.
Um diese mögliche Fehlerquelle
(Addieren von Messfehlern nach dem
Fehlerfortpflanzungsgesetz FFG) auszuschließen
beziehungsweise zu minimieren,
wird mithilfe einiger am Fahrzeug
eingerichteter Referenzpunkte eine
Homogenität aller Messergebnisse
erreicht. Zudem berechnet der FMH-
Wizard einen Vektor senkrecht zur
außenliegenden Ebene und bestimmt
automatisch die 3D-Koordinate für den
AP1 im Fahrzeuginnenraum.
Die Prüfpunktermittlung erfolgt in
teilweise engen Fahrzeuginnenräumen.
HERAUSSCHLEUDERN
VON INSASSEN
Die Anzahl der schweren Verletzungen
und Todesfälle infolge des Herausschleuderns
der Insassen aus den Seitenscheiben
bei einem oder mehreren aufeinanderfolgenden
Fahrzeugüberschlägen
(Rollover) soll reduziert werden. Daher
wurde 2011 die Richtlinie FMVSS 226
erlassen, die schrittweise von 2013 bis
2017 eingeführt wird. Aus Effizienz-,

MESS- UND PRÜFTECHNIK 3D-MESSTECHNIK
❺ Versuchsaufbau am hochmodernen Ejection-Mitigation-Prüfstand
❻ Mit Messmarken ausgestatteter EMI-Prüfstand; die Targets definieren
indirekt den Zielpunkt des Impaktors (Featureless Headform)
Kosten- und Reproduzierbarkeitsgründen
wird im Gesetz eine Ersatzprüfung vorgeschrieben
[3].
Hierfür wird ein geführter Impaktor
mit 18 kg bewegter Masse auf Geschwindigkeiten
von 16 beziehungsweise
20 km/h beschleunigt. Der Impaktor –
die sogenannte Featureless Headform,
die Kopf und oberen Torso darstellen
soll – bewegt sich mit der eingestellten
Geschwindigkeit aus dem Fahrzeuginnenraum
in Richtung eines definierten
Zielpunkts in der Fensteröffnung. Bis zu
vier Zielpunkte pro Seitenscheibe werden
vorher im Computer-Aided Design(CAD)
ermittelt und mit der Prüfanlage am realen
Fahrzeug abgeprüft, ❺. Beim Versuchsaufbau
am Ejection-Mitigation-
(EMI-)Prüfstand wird der EMI-Arm im
3D-Kamerasystem so angelegt, dass er
wie eine Tastspitze eingesetzt werden
kann. Die codierten Messmarken (Targets)
definieren indirekt den Zielpunkt
des Impaktors. Das optisch basierte System
überwacht online in 6D den Einund
Ausrichtprozess Fahrzeug zu EMI-
Prüfstand zu High-Speed-Kameras in
beliebiger Reihenfolge. Die jeweils ermittelten
Koordinaten der Zielpunkte lassen
sich in der Anlagensteuerung abspeichern
und beliebig oft wieder anfahren.
Bei der Prüfung darf der Impaktor einen
vorgegebenen maximalen Ausdringweg
von 100 mm nicht überschreiten.
MESS- UND VERSUCHSAUFBAU
NACH FMVSS 226
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Für die oben beschriebene Versuchsvorbereitung
und -durchführung muss die
mobile Koordinatenmesstechnik folgende
Anforderungen erfüllen: Die Fahrzeugkarosserie
muss zum Prüfstand mit einer
Winkelgenauigkeit von ± 1 ° ausgerichtet
werden. Die Auftreffpunkte des Im -
paktors müssen an dem Versuchsobjekt
nach CAD-Vorgabe oder nach der Örtlichkeit
gesucht, markiert und dokumentiert
werden. Die zur Versuchsdokumentation
vorgeschriebenen High-Speed-Ka -
meras sollen für Wiederholungsversuche
relativ zum Fahrzeug immer wieder an
die gleiche Position gebracht werden, um
den Versuch reproduzierbar zu machen.
Um diese Anforderungen effizient und
vereinfacht lösen zu können, wurde
bereits bestehende Software modular
um zusätzliche Funktionen erweitert.
MoveInspect wird zur 6D-Ausrichtung
von n-Starrkörpern (hier Fahrzeug/Teilkarosse,
Prüfstand und High-Speed-
Kameras) aller für den Test relevanten
Objekte eingesetzt. Der Anwender erhält
in Echtzeit Auskunft über die aktuelle
6D-Position des Objekts und sieht
anhand einer grafischen Darstellung, in
welche Richtung er den Starrkörper
bewegen muss, um die gewünschte Sollposition
zu erreichen.
Durch die integrierte Dynamic-Referencing-Technologie
kompensiert das System
DANKE
Die Autoren danken der Firma TRW Automotive
GmbH, Global Headquarters Occupant Safety
Systems (OSS), in Alfdorf für die Bereitstellung
der Abbildungen 5 und 6.
während der Mess- und Positi onierprozedur
des Prüfturms Bewegungen von
selbst. Egal ob sich die Position des Messobjekts
oder des Messsystems ändert, es
werden stets hochgenaue Mess ergebnisse
produziert und in Echtzeit angezeigt.
Das Kamerasystem nutzt dafür optische
Referenzpunkte, ❻, (passive Targets),
wodurch alle Messungen automatisch in
das Objekt-Koordinatensystem transformiert
werden. Damit weiß das Messsystem
jederzeit, wo sich Messobjekt und
Kameras zueinander im Raum befinden.
FAZIT
Der Einsatz optischer Messtechnik bietet
im Bereich der Komponentenversuche in
Prüfstandumgebungen viele Vorteile.
Besonders langlebige Sensorik bewirkt
eine schnelle Rentabilität. Dank der
berührungslosen Messung unterliegen
die eingesetzten Komponenten des Messsystems
keiner mechanischen Beanspruchung;
dadurch werden Wartungskosten
eingespart. Die gleichzeitige Verwendung
anwendungsspezifischer Softwaremodule
ermöglicht dem Nutzer ein effizientes
Arbeiten.
LITERATURHINWEISE
[1] Luhmann, T.: Nahbereichsphotogrammetrie,
Grundlagen, Methoden und Anwendungen.
3. Erweiterte Auflage, Berlin: Wichmann, 2010
[2] U.S. Department of Transportation, National
Highway Traffic Safety Administration, Laboratory
Test Procedure for FMVSS 201U, TP201U-01, April
3 rd 1998
[3] U.S. Department of Transportation, National
Highway Traffic Safety Administration, Laboratory
Test Procedure for FMVSS No. 226 Ejection Mitigation
Enforcement, TP226-00, March 1 st 2011