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Eingeladener Vortrag
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In der vorliegenden Dissertation Lokalisierung sich bewegender Objekte innerhalb und außerhalb von Gebäuden wird die Herausforderung thematisiert ohne Nutzung lokaler Infrastruktur eine genaue Lokalisierung sich bewegender Objekte innerhalb von Gebäuden durchzuführen.
Eine der wichtigsten Fragestellungen, die Grundlage dieser Arbeit ist, beschäftigt sich mit der Möglichkeit, eine Indoor-Lokalisierung mit Low-Cost-Sensoren zu realisieren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist diese Aufgabenstellung entsprechend den nachfolgend beschriebenen Schritten abgearbeitet worden.
Zuerst wurde die mathematische Abbildung der verschiedenen Koordinatensysteme (Sensorsystem, Weltkoordinaten) näher betrachtet und die Überführungsmöglichkeiten (Quaternion) analysiert. Um der Herausforderung gerecht zu werden, ohne die Nutzung lokaler Infrastruktur ein sich bewegendes Objekt zu lokalisieren, musste eine eigene Testplattform realisiert werden. Für die Testplattform ist eine eigene Hardware mit ausgewählten handelsüblichen Low-Cost-Sensoren entworfen worden. Diese BodyGuard-System genannte Testplattform dient zur Überführung und Überprüfung der entwickelten mathematischen Algorithmen. Bei anschließenden ersten Tests stellte sich heraus, dass die Qualität der Ortsbestimmung (Genauigkeit) nur durch eine Kalibrierung der Sensoren sichergestellt werden kann. Aufgrund dieser Tatsache ist ein automatisches Kalibrierverfahren entwickelt worden. Weiterführend werden die unterschiedlichen Sensoren mittels Plausibilitätsprüfung miteinander fusioniert, um zum Beispiel das Driftverhalten zu eliminieren. Aufbauend auf diesen kalibrierten, plausibilisierten und fusionierten Bewegungsdaten ist der Betrachtungszeitraum für unterschiedliche Bewegungsmerkmale eingeführt worden, um so die Akkumulation von Lokalisierungsunsicherheiten als Funktion der Zeit zu vermeiden. Im letzten Schritt ist eine Validierung der Algorithmen in Experimenten durchgeführt worden.
Das Ergebnis der Arbeit lässt sich wie folgt zusammenfassen. Unter Anwendung der Kalibriermethode zur Charakterisierung der Sensoren, deren Eigenschaften und Verhalten bei Bewegungen, lässt sich eine Position auch über einen längeren Zeitraum ausreichend genau bestimmen und eine Indoor-Lokalisierung auch mit Low-Cost-Sensoren realisieren. Die über diese Methode erzielte Genauigkeit liegt bezogen auf den zurückgelegten Weg bei ±1 % Abweichung über einen Zeitraum von 15 Minuten.
A fibre Bragg grating (FBG) strain patch specially adapted for long-term and high-strain applications was developed and characterised. Additionally, in the case of unknown main stress axis, two fibre optic strain rosettes were developed. The design concept for the patch and the rosettes is based on a glass fibre reinforced plastic (gfrp) carrier material. The patches were characterised due to their strain gauge factor and fatigue behaviour. As a result, FBG strain patches with linear strain behaviour and excellent fatigue resistance were developed and can be used as part of a monitoring system for aerospace structures or wind turbine power plants. The rosettes were designed to be small in geometrical size and their strain transfer behaviour was characterised.
Ein stereo-fotogrammetrisches Messverfahren wurde zur quantitativen Analyse der Bewegungssignale eines elektrischen Multi-Sensorsystems eingesetzt. Der Vergleich von Weg- und Winkel-Zeitverläufen zeigte bereits eine recht gute Übereinstimmung, verdeutlichte jedoch auch die Notwendigkeit einer weiterzuentwickelnden Kalibriermethodik. Die Stereo-Videogrammetrie hat sich als Referenzverfahren zur Analyse und Validierung dreidimensional ausgelegter elektrischer Bewegungssensorik für den Nahbereich bewährt.
Ultrasonic testing of adhesively bonded joints using air-coupled cellular polypropylene transducers
(2014)
In air-coupled ultrasonic testing, the impedance mismatch between the transducer and the air is commonly being solved by adding matching layers to composite transducers. To avoid the difficult technological procedure regarding matching layers, some new piezoelectric materials have been proposed. Most promising are ferroelectrets, which are charged cellular polymers, having ferroelectric and consequently piezoelectric properties. In particular, the extreme softness of cellular polypropylene (cPP) leads to a high piezoelectric constant and to a good impedance match with the air, making matching layers redundant. Its elasticity modulus below 1 MPa causes an additional effect not observed with common piezoelectric materials: that is the electrostrictive effect, here defined as the thickness change due to the attractive force between the transducer electrodes. This effect exceeds the piezoelectric effect at excitation voltages over 1 kV. The extreme softness of cPP leads also to high flexibility, enabling easy focusing by bending the transducer.
We have developed air-coupled ultrasonic transducers based on cPP. This includes the electrical matching networks for the transmitter and for the receiver. The transmitter is excited with voltages up to 2.5 kV, so that the electrostrictive effect dominates, leading to sound pressure around 145dB at the transducer surface. These transducers have been applied for testing carbon-fiber-reinforced polymer plates, adhesive joints and other composite structures. Here we report about ultrasonic transmission of two types of adhesive joints. The first one is multi-layer aluminium components with some artificial disbonds, which are common in aerospace industry, and the second one is an aluminium-steel joint with polyurethane adhesive, which is used in automotive industry.
Air-coupled ultrasound has been applied increasingly as a non-destructive testing method for lightweight construction in recent years. It is particularly appropriate for composite materials being used in automotive and aviation industry. Air-coupled ultrasound transducers mostly consist of piezoelectric materials and matching layers. However, their fabrication is challenging and their signal-to-noise ratio often not sufficient for many testing requirements. To enhance the efficiency, air-coupled ultrasound transducers made of cellular polypropylene have been developed. Because of its small density and sound velocity, this piezoelectric ferroelectret matches the small acoustic impedance of air much better than matching layers applied in conventional transducers. In our contribution, we present two different methods of spherical focusing of ferroelectret transducers for the further enhancement of their performance in NDT applications. Measurements on carbon-fiber-reinforced polymer (CFRP) samples and on metal adhesive joints performed with commercially available focused air-coupled ultrasound transducers are compared to measurements executed with self-developed focused ferroelectret transducers.
Location estimation and navigation, especially on smartphones has shown great progress in the past decade due to its low cost and ability to work without additional infrastructure. However, a challenge is the positioning, both in terms of step detection, step length approximation as well as heading estimation, which must be accurate and robust, even when the use of the device is varied in terms of placement or orientation. In this paper, we propose a scheme for retrieving relevant information to detect steps and to estimate the correct step length from raw inertial measurement unit (IMU) data. This approach uses Bidirectional Long Short-Term Memory Recurrent Neural Networks (BLSTM-RNNs). Designed to take contextual information into account, the network can process data gathered from different positions, resulting in a system, which is invariant with respect to transformation and distortions of the input patterns. An experimental evaluation on a dataset produced from 10 individuals demonstrates that this new approach achieves significant improvements over previous attempts and increase the current state-of-the-art results even in the presence of variations and degradations. We achieved a mean classification rate of 98.5% and a standard deviation of 0.70 for 10000 different test sequences and an average error of 1.45% regarding the step length. Thus is the best result on the task gathered in the experiments compared with competing techniques.
In Glasfasern eingeschriebene Bragg-Gitter (FBG: fibre-based Bragg gratings) sind über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge in der Lage, Stauchungen und Dehnungen von Glasfasern hochgenau zu erfassen. In Kompositwerkstoffe eingebettete faseroptische Sensoren können Bauteile bezüglich ihrer mechanischen Integrität überwachen und früh-zeitig Informationen über Materialveränderungen gewinnen.
Um die Zuverlässigkeit eines solchen Sensors zu gewährleisten, ist es wichtig, die korrekte Funktion des Sensors im Verbund mit der Werkstoff-Matrix on-line und in-situ sicherzu-stellen. Im Rahmen des DFG-Projekts FAMOS² (FAser-basierter Magneto-Optischer SchichtSensor) wurde ein selbstdiagnosefähiger Schichtsensor entwickelt, der mit Hilfe von magnetostriktiven Aktorschichten aus Nickel bzw. Eisen-Nickel validiert werden kann.
Der FAMOS²-Schichtsensor wird durch ein PVD (physical vapour deposition)/ECD (electro-chemical deposition) Hybridschichtsystem realisiert, das auf dem Fasermantel im Bereich des FBG haftfest, homogen und langzeitfunktional abzuscheiden ist. Dabei wird in einem ersten Schritt ein etwa 100 Nanometer dünnes PVD-Schichtsystem aus Chrom und Kupfer als Haftvermittler auf der Glasfaser bzw. als leitfähige Startschicht für den nachfolgenden ECD-Prozess abgeschieden. Um eine rotationssymmetrische Schich-tabscheidung zu gewährleisten, erfolgt während der PVD-Beschichtung eine Rotation der Glasfasern. In einem zweiten Schritt wird dann unter Verwendung eines klassischen Watts-Elektrolyten in einer speziell entwickelten ebenfalls rotationssymmetrisch aufgebau-ten ECD-Durchströmungszelle dann die etwa 30 Mikrometer dicke, magnetostriktive Ak-torschicht auf dem PVD-Schichtsystem abgeschieden, im Vergleich sowohl reine Nickel-Schichten als auch Nickel-Eisen-Schichten.
Ein äußeres Magnetfeld dehnt die magnetostriktive Aktorschicht und damit auch die Faser reversibel. Diese Dehnung führt zu einer Verschiebung der Bragg-Wellenlänge, welche direkt mit der Stärke eines zu messenden oder zu Validierungszwecken vorgegebenen Magnetfeldes korreliert. Die Anpassung der Beschichtungsverfahren an die Fasergeome-trie und die mechanischen Eigenschaften der Hybridschichten werden hinsichtlich der me-chanischen Integrität des faseroptischen Sensors diskutiert und der Nachweis der Selbst-diagnosefähigkeit erbracht.
Zur Untersuchung der Sicherheit von Behältern für den Transport und die Lagerung von Gefahrstoffen und -gütern werden Fallprüfungen durchgeführt. Die Aufpralldynamik und die strukturmechanischen Einwirkungen auf den Behälter werden mittels Beschleunigungsaufnehmern und Dehnungsmessstreifen erfasst. Dabei kommen derzeit Vielkanalmesssysteme zum Einsatz, die eine Verkabelung jeder einzelnen Messstelle und somit das Mitfallen eines Kabelbaums erfordern, wodurch Probleme bei der Versuchsvorbereitung und Durchführung entstehen. Die Verwendung eines Messsystems mit Datenbus und dezentraler Datenspeicherung bietet diesbezüglich einen vielversprechenden Lösungsansatz.
Limited access to the object of relevance is often an essential problem in testing routines, e.g. for non-destructive testing of industry facilities or components of means of transportation. The presented project is about the development of a non-destructive testing method for application over great distances (up to 100 m). The method is based on directed excitation and measuring of Lamb waves (guided waves). It enables an effective differentiation of structural and defective indications as well as a classification of different defect types.
The advantage of guided waves is the ability of propagation over great distances. This offers innovative possibilities for the investigation of large or difficult to access constructions. The testing method can be helpful in a broad variety of applications. It is useable for the characterization of plane or cylindrical, thin-walled surfaces of metal or fiber laminated materials. Particularly the investigation of aircraft wings and other aerospace components as well as the investigation of pipelines are addressed fields of application.
The combination of different types of sensors to multi-sensor devices offers excellent potential for monitoring applications. This should be demonstrated by means of four different examples of actual developments carried out by Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM): monitoring and indoor localization of relief forces, a micro-drone for gas measurement in hazardous scenarios, sensor-enabled radio-frequency identification (RFID) tags for safeguard of dangerous goods, and a multifunctional sensor for spatially resolved under-surface monitoring of gas storage areas. Objective of the presented projects is to increase the personal and technical safety in hazardous scenarios. These examples should point to application specific challenges for the applied components and infrastructure, and it should emphasize the potential of multi-sensor systems and sensor data fusion.
Wireless sensor network for long-term structural health monitoring of buildings and infrastructures
(2009)
Damage commonly occurs in buildings when a component fails suddenly with a
partial or total collapse as a consequence. This type of event leads to serious damage to property
and if it is a bridge or a large hall, then people in particular are at risk. The often great age of
bridges and the increasing volume of traffic (particularly heavy traffic) which they are expected
to carry are in clear contradiction to each other. Thus the probability increases that the loadbearing
capacity of a bridge decreases rapidly and often unnoticed with sometimes dire
consequences.
In order to prevent such accidents, the Federal Institute for Materials Research and Testing is
currently developing a special radio-based, self-configuring measuring system in cooperation
with the Berlin-based ScatterWeb Company. This measuring system consists of a number of
identically designed sensor nodes which are self-sustaining, need no wiring, can act as both
transmitters and receivers and are equipped with a special sensor technology making long-term
monitoring of buildings or engineering facilities possible. The sensor unit uses strain gauges for
stress analysis and contains interfaces for additional sensors. The system in particular applies to
buildings and structures for transport and traffic and large-scale industrial facilities, where a
subsequent wiring installation is difficult or impossible.