Kameras

Kalibrierte 2D- und 3D-Bewegungsanalyse bei Crash-Tests

Die berührungslose Messung mittels Kameras bietet zahlreiche Vorteile gegenüber taktilen Sensoren, wie etwa Seilzugsensoren. Ein innovativer Ansatz von Limess mit speziellen 6D-Markern liefert präzise kalibrierte 2D- und 3D-Koordinaten u.a. bei Crash-Tests – zum Beispiel beim ADAC – oder Schlittenversuchen und vereinfacht die Messung sowie die Vorbereitungszeit.

Die Messung von Bewegungen anhand von Kamerabildern ist eine etablierte Technik, die inzwischen in vielen Bereichen der Industrie und Wissenschaft Anwendung findet. Hochgeschwindigkeitskameras werden beispielsweise für Crash-Tests und dynamische Komponentenprüfungen eingesetzt, während hochauflösende Kameras bei quasistatischen Anwendungen für präzise Deformationsmessungen sorgen. „Ein gutes Beispiel für eine 2D-Bewegungsanalyse ist der Wiplash-Test. Bei normgerechter Durchführung verursacht dieser einen erheblichen Versuchsaufwand“, erläutert Ralf Lichtenberger, CEO der Krefelder Limess Messtechnik und Software GmbH. „Der Wiplash-Test simuliert einen Auffahrunfall und wird zur Sicherheitsqualifizierung von Sitzen nach dem EURO NCAP-Standard durchgeführt. Dabei werden unter anderem die Relativgeschwindigkeit zwischen Dummykopf und Schlitten sowie der Verstellwinkel der Sitzlehne gemessen.“

Grenzen der klassischen 2D-Bewegungsanalyse

Bisher beschränkt sich die Bildauswertung beim Wiplash-Test und bei vielen anderen Komponententests zumeist auf die 2D-Bewegungsanalyse, bei der Marker oder Muster in der Bildsequenz verfolgt und daraus zeitlich aufgelöste Koordinaten, Geschwindigkeiten, Abstände, Winkelbeziehungen usw. bestimmt werden. Die 2D-Auswertung ist jedoch nur in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Kamera möglich. Bewegungen in Kamerarichtung werden bei der 2D-Analyse nicht erfasst und führen zu Messfehlern. Eine perspektivisch schräge Sicht auf die Bewegungsebene verursacht ebenfalls Messfehler, weshalb die Kamera präzise senkrecht zur Bewegungsebene ausgerichtet sein muss.

6D-Marker erfassen Position und Orientierung

6D-Marker liefern hingegen 3D-Koordinaten sowie die drei Orientierungswinkel der Marker mit nur einer Kamera. Dies wird durch den speziellen Aufbau der 6D-Marker ermöglicht, der vier Referenzpunkte umfasst: Diese befinden sich in den Ecken des Markers und liefern kalibrierte 2D- und 3D-Koordinaten des Markers im Raum. Die Marker sind werkskalibriert, sodass die 3D-Koordinaten direkt in Millimetern erfasst werden. Die bisher aufwändige Maßstabs-Kalibrierung entfällt somit, auch bei einer 2D-Bewegungsanalyse. Die Referenzprunkte liefern zusammen mit den Moiré-Feldern die Orientierung (Roll x, Pitch y und Yaw, z) des Markers zur Kamera und damit präzise Winkelmessungen. Zudem gibt eine 32-kodierte Binärmarkierung dem Marker eine eindeutige ID und ermöglicht so die vollautomatische Markerdetektion und -zuordnung für das nachgelagerte Post-Processing.

Weniger Aufwand bei der Durchführung

Dank dieser Merkmale vereinfacht die 2D-Bewegungsanalyse beim Wiplash-Test dem Anwender die Durchführung, verbessert die Robustheit und gewährleistet einen normgerechten Ablauf – hinzu kommt eine erhebliche Zeitersparnis. Die Bildverzerrungen durch das Objektiv werden durch eine Kamerakalibrierung mit etwa zehn Bildern einer Kalibrierplatte berechnet. So wird sichergestellt, dass die Messgenauigkeit des 6D-Markersystems unabhängig vom eingesetzten Objektiv bleibt.

3D-Bewegungsanalyse bei Crash-Tests

Die 6D-Marker ermöglichen zudem eine präzise 3D-Bewegungsanalyse aus Videos von On-Board-Kameras bei Crash-Tests oder Schlittenversuchen. Diese Kameras sind häufig starken Beschleunigungen ausgesetzt, die zu unerwünschten Bewegungen und Vibrationen relativ zum Fahrzeug oder Schlitten führen. Diese überlagerte Kamerabewegung erschwert oder verzerrt eine 2D- und 3D-Auswertung. Mit am Fahrzeug montierten 6D-Markern kann jedoch die Relativbewegung bestimmt und in die Bewegungsanalyse einbezogen werden. Eine im Fahrzeug montierte Kamera (Onboard-Highspeedkamera) kann so die 3D-Bewegung der Dummies relativ zu den Fahrzeugstrukturen präzise messen – daraus wird zum Beispiel das Eintauchen des Dummykopfes in den Airbag bestimmt.

Freie Kamerapositionierung eröffnet neue Möglichkeiten

Da 6D-Marker direkt 3D-Koordinaten liefern, können Kameras nun freier positioniert werden. Bei Messungen im Fahrzeug ist es zudem möglich, den Sitzwinkel aus einer Kameraposition hinter dem Sitz oder mit schrägem Blickwinkel auf die Sitzlehne zu bestimmen. Auch wenn sich die Sitzlehne zur Kamera oder schräg durchs Bildfeld bewegt, ermöglicht die 3D-Markerkoordinaten-Transformation eine präzise Messung. Diese erlangte Positionierfreiheit eröffnet neue Möglichkeiten für die 2D- und 3D-Bewegungsanalyse. Bei statischen Deformationsmessungen an mechanischen Strukturen, Simulationen von Überrolltests und bei dynamischen Droptests liefern die 6D-Marker ebenfalls hochwertige Messdaten bei vergleichsweise geringem Versuchsaufwand. „6D-Marker bieten für viele Anwendungen der 2D- und 3D-Bewegungsanalyse eine hohe Messgenauigkeit und tragen erheblich zur Reduzierung der Kosten und des Versuchsaufwands bei“, fasst Ralf Lichtenberger zusammen. „Selbst bei 2D-Anwendungen liefern die 6D-Marker robuste Messwerte. Im praktischen Einsatz – beispielsweise beim ADAC – führen sie zu einer einfacheren Versuchsvorbereitung, automatisierter Auswertung, verbesserter Wiederholbarkeit und einer Verringerung von Fehlerquellen.“