AT510115B1 - Opto-elektronisches vermessungsverfahren - Google Patents

Abstract

Opto-elektronisches Vermessungsverfahren insbes. für das sogen. mobile Laser-Scanning mittels mindestens eines Laser-Scanners (1), der auf einem Trägerfahrzeug, beispielsweise einem Landfahrzeug, einem Boot oder einem Luftfahrzeug angeordnet wird, wobei der Laser-Scanner (1) einen optoelektronischen Entfernungsmesser nach einem Signal-Lautzeitverfahren und eine Scan-Einrichtung (5, 9 und 10) zur Ablenkung der optischen Achsen der Sende- und Empfangsstrahlenbündel (4 bzw. 11) umfasst und aus diesen Entfernungsmesswerten in Verbindung mit den zugehörigen Ablenkwinkel (a) der Scan-Einrichtung Punktwolken ermittelt werden, wobei die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Laser-Scanner (1) gemessen wird und der Nenngeschwindigkeit eine definierte Anzahl von Messungen pro Zeiteinheit zugeordnet werden und bei Untersehreiten der Nenngeschwindigkeit die mittlere Anzahl der Messungen pro Zeiteinheit entsprechend reduziert wird, so dass die Anzahl der Messungen über einen bestimmten, vom Laser-Scanner (1) zurückgelegten Weg, im Wesentlichen konstant und unabhängig von der aktuellen Geschwindigkeit ist.

Description

österreichisches Patentamt AT510115B1 2013-03-15

Beschreibung OPTO-ELEKTRONISCHES VERMESSUNGSVERFAHREN.

[0001] Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Vermessungsverfahren insbes. für das sogen, mobile Laser-Scanning mit mindestens einem Laser-Scanner, der auf einem Trägerfahrzeug, beispielsweise einem Landfahrzeug, einem Boot oder einem Luftfahrzeug angeordnet wird, wobei der Laser-Scanner einen opto-elektronischen Entfernungsmesser nach einem Signal-Laufzeitverfahren und eine Scan-Einrichtung zur Ablenkung der optischen Achsen der Sende- und Empfangsstrahlenbündel umfasst und aus den gemessenen Entfernungswerten in Verbindung mit den zugehörigen Ablenkwinkel der Scan-Einrichtung Punktwolken ermittelt werden.

[0002] Bei solchen Vermessungsarbeiten fallen außerordentlich große Mengen von Daten an, die teilweise völlig überflüssig sind und in der Regel auch die Qualität der Vermessung, insbes. deren Auflösung nicht verbessern können. Da diese großen Datenmengen sehr leistungsfähige Rechner und Speicher mit extrem großen Kapazitäten erfordern, ist es ein Ziel der Erfindung die Datenmengen bei konstanter Qualität der Vermessung zu reduzieren.

[0003] Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Fortbewegungsgeschwin-digkeit des Laser-Scanners gemessen wird und der Nenngeschwindigkeit des Laser-Scanners eine definierte Anzahl von Messungen pro Zeiteinheit zugeordnet wird. Unterschreitet die Fortbewegungsgeschwindigkeit des des Laser-Scanners die Nenngeschwindigkeit, so wird die mittlere Anzahl der Messungen pro Zeiteinheit entsprechend reduziert, so dass die Anzahl der Messungen über einen bestimmten, vom Laser-Scanner zurückgelegten Weg, im Wesentlichen konstant und unabhängig von der aktuellen ist.

[0004] Vorzugsweise wird die Sendeeinrichtung des Entfernungsmessers von der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Laser-Scanners gesteuert. In Abhängigkeit von der aktuellen Fortbewegungsgeschwindigkeit des Laser-Scanners wird die Aussendung von Laser-Impulsen periodisch unterdrückt, während die Scanrate konstant bleibt.

[0005] In einer modifizierten Form des Erfindungsgegenstandes wird die Sendeeinrichtung des Entfernungsmessers in Abhängigkeit von der Fortbewegungsgeschwindigkeit der Laser-Scanner derart gesteuert, dass die Aussendung von Laserimpulsen periodisch unterdrückt wird, während die Scanrate im selben Verhältnis reduziert wird.

[0006] In einer alternativen Ausführung der Erfindung wird die Auswerteeinrichtung des Entfernungsmessers bzw. eine nachgeschaltete Elektronikeinheit in Abhängigkeit von der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Laser-Scanners derart gesteuert, dass bei Unterschreiten der Nenngeschwindigkeit die empfangenen Echosignale periodisch verworfen werden, so dass sie bei der weiteren Verarbeitung der Messdaten nicht berücksichtigt werden.

[0007] Bei einer weitere Ausführungsform wird die Fortbewegungsgeschwindigkeit des Laser-Scanners von einer Satelliten-Navigationseinrichtung GNSS und bzw. oder von einem Trägheitsmesssystem IMU abgeleitet, welche an Bord des Trägerfahrzeugs angeordnet sind.

[0008] Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

[0009] Die Fig. 1 veranschaulicht in einem Blockschaltbild den Aufbau der neuen

Einrichtung und die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens.

[0010] Die Fig. 2 zeigt die vom Laserscanner abgegebenen Impulsfolgen in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit.

[0011] Die Figuren 3 bis 5 zeigen Scanmuster am Ziel unter verschiedenen Betriebsbedingun gen. 1 /6 österreichisches Patentamt AT510115B1 2013-03-15 [0012] Das Blockschaltbild gemäß der Fig. 1 zeigt ein optisches System, bei welchem der Sendestrahl 4 und die optische Achse des Empfängers koaxial verlaufen und gemeinsam vom rotierenden Spiegel 5 abgelenkt werden. Im Strahlengang des Lasers sind zwei Umlenkspiegel 37 angeordnet. Im Empfängerstrahlengang liegt dem rotierenden Spiegel 5 ein Spiegel 18 gegenüber, der eine zentrale Bohrung 15 aufweist, durch welche der Sendestrahl 4 durchtritt und vom Spiegel 5 abgelenkt wird. Über einen zweiten Umlenkspiegel 19 gelangt die von einem Ziel reflektierte Laserstrahlung zur Optik 12, weiche diese auf die Fotodiode 13 fokussiert. In der Verstärkerstufe 14 werden die Empfangs-Signale verstärkt und gegebenenfalls nach Digitalisierung in einer Stufe 23 ausgewertet, Aus einem vom Laser-Sender abgeleiteten Start-Impuls und den Echo-Impulsen wird die Impulslaufzeit und aus dieser die Entfernung zu den verschiedenen Zielen ermittelt.

[0013] Gesteuert wird das System vom Controller 20, der vom Winkel-Decoder 10 ein Drehzahlsignal des rotierenden Spiegels 5 ableitet und den Motor 9 auf eine vorgegebene, definierte Drehzahl regelt. Im Pulsgenerator 21, welcher ebenfalls vom Controller 20 gesteuert wird, werden Impulsfolgen generiert, welche dem Lasertransmitter 3 zugeleitet werden, der die Emission der entsprechenden Laser-Impulsfolgen durch die Laser-Diode 2 bewirkt. Da sich das Trägerfahrzeug im normalen Verkehrsgeschehen bewegt (der Vektor der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Laser-Scanners 1 ist in der Fig. 1 mit 16 bezeichnet), fährt es mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten und kommt auch verkehrsbedingt oder vor Ampelanlagen und Bahnübergängen immer wieder zum Stillstand. Da die Scanrate als auch die Pulsrate zur Erzielung einer bestimmten Auflösung auf die maximale Fahrgeschwindigkeit (Nenngeschwindigkeit VN) abgestimmt sind, werden bei Unterschreiten dieser Geschwindigkeit und im extremen Fall bei Stillstand des Trägerfahrzeuges große Mengen von Daten erzeugt, die wohl die Rechenwerke des Systems und auch die entsprechenden Speicher belasten, ohne die Qualität der Vermessung wesentlich zu verbessern. Um die Produktion solch riesiger Datenmengen einzudämmen, kann eine Anpassung des Datenreduktionsmechanismus an die momentane Fahrgeschwindigkeit in verschiedener Weise erfolgen: [0014] Der Controller 20 kann den Pulsgenerator 21 so ansteuern, dass dieser bei reduzierter Fahrgeschwindigkeit die Pulsrate in analoger Weise reduziert, wobei auch die Drehzahl des Spiegels 5 (Scanrate) entsprechend verringert wird. Der Controller 20 erhält zu diesem Zweck Signale eines Fahrgeschwindigkeitssensors 22 des Trägerfahrzeuges. Nach einer alternativen Methode wird bei konstanter Pulsrate periodisch die Weiterleitung von Impulsfolgen an den Lasertransmitter 3 unterbunden, so dass sich eine reduzierte mittlere Impulsrate ergibt. Die Unterdrückung der Aussendung von Laser-Impulsen erfolgt dabei in Pulspaketen, die z.B. einer kompletten Umdrehung des rotierenden Spiegels 5 entsprechen, wobei die Scanrate konstant gehalten wird. Anhand der Fig. 2 wird dies weiter unten näher erläutert werden.

[0015] Im Computer 24 wird jedem Entfernungsmesswert der zugehörige, vorn Winkel-Decoder abgeleitete Winkel α zugeordnet. Schließlich werden zu jedem dieser Werte die Position und die räumliche Lage in einem übergeordneten Koordinatensystem registriert. Die Positionsdaten werden von einem Satellitennavigations-System GNSS 25 abgeleitet, die Lage des Laser-Scanners im Raum von einem Trägheitsmesssystem IMU 26. Um auch in engen Straßenschluchten und in Tunnelstrecken eine entsprechende Ortsbestimmung zu ermöglichen, werden dem Computer 24 zusätzlich Signale vom Rad-Sensor 22 des Trägerfahrzeuges zugeführt.

[0016] In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird der Lasertransmitter 3 vom Impulsgeber 21 mit Impulsen mit einer konstanten Pulsrate angesteuert, so dass auch der Laser-Sender 3 eine Impulsfolge mit konstanter Pulsrate aussendet. Diese Impulse werden an den Zielen reflektiert, durch die Fotodiode 13 in elektrische Signale transformiert und im Verstärker 14 verstärkt. Zwischen dem Verstärker 14 und der Auswertestufe 23 ist ein elektronischer Schalter 27 vorgesehen, der vom Controller 20 gesteuert wird. Durch ihn können bei geringerer Fahrgeschwindigkeit Impulsfolgen verworfen werden, so dass sie der weiteren Verarbeitung nicht mehr zugeführt werden und damit das System kapazitätsmäßig entlastet.

[0017] In der Fig. 2 sind die Impulsfolgen für verschiedene Fahrgeschwindigkeiten des Träger- 2/6

Claims (8)

1. österreichisches Patentamt AT510115B1 2013-03-15 fahrzeuges gezeigt. Die im Beispiel a) gezeigte kontinuierliche Pulsfolge entspricht einer Fahrgeschwindigkeit gleich der Nenngeschwindigkeit, beispielsweise einer Geschwindigkeit von 50 km/h. Wird die Fahrgeschwindigkeit auf die halbe Nenngeschwindigkeit, z.B. auf 25 km/h reduziert, wird die mittlere Pulsrate ebenfalls halbiert. Dies geschieht durch periodische Unterdrückung von Sendeimpulsen bzw. durch periodisches Verwerfen von Echoimpulsen. In dem obigen Beispiel wird jedes zweite Impulspaket unterdrückt, wobei ein Impulspaket einer vollen Umdrehung des rotierenden Spiegels 5 entspricht. Die Impulszahl pro Impulspaket kann natürlich auch in anderer Weise festgelegt werden. In den Beispielen b) und d) ist die Situation für eine Fahrgeschwindigkeit von 75 % bzw. 25 % der Nenngeschwindigkeit gezeigt. Bei Stillstand des Trägerfahrzeuges unterbleibt jede Messung. [0018] Die Fig. 3 zeigt ein gewünschtes Scanmuster bei Nenngeschwindigkeit, wobei die Kreise 102 die Messpunkte am Ziel veranschaulichen. Die Pfeile bezeichnen dabei die Scanrichtung, die Fortbewegungsrichtung 101 verläuft im Allgemeinen normal hierzu In der Fig. 4 ist das Scanmuster am Ziel bei blockweiser Ausblendung von Laserschüssen dargestellt. Beispielsweise bei einer Geschwindigkeit v = 0,5 v N muss jede zweite Zeile 105 ausgeblendet werden. Die strichliert dargestellten Messpunkte entfallen somit, sodass bei unveränderter Scanrate (Drehzahl des Spiegels 5) und Laser-Impulsrate das Nennmuster erhalten bleibt. [0019] Wird bei reduzierter Fortbewegungsgeschwindigkeit die Scanrate reduziert erhält man am Ziel das in Fig. 5 gezeigte Raster von Messpunkten (102 und 106). Um wieder auf das Nennmuster zu kommen, muss zusätzlich die Laserpulsrate reduziert werden um die strichliert dargestellten Messpunkte 106 auszublenden. [0020] Die Erfindung ist nicht auf die obigen Beispiele beschränkt. So können die periodisch ausgesendeten bzw. verworfenen Pulspakete abweichend von denen entsprechend einer vollen Umdrehung des Spiegels 5 in gewissen Grenzen eine beliebige Pulszahl aufweisen bzw. einem beliebigen Drehwinkel des rotierenden Spiegels 5 entsprechen. [0021] In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Fahrgeschwindigkeit abweichend vom obigen Beispiel auschließlich von der Satellitennavigationsanlage GNSS und bzw. vom Trägheitsmesssystem abgeleitet werden. Da bei der Fahrt in scharfen Kurven die Geschwindigkeit der abtastenden Laserstrahlen im Kurveninneren in Richtung Kurvenradiusmittelpunkt sich entsprechend des Kurvenradius und des resultierenden Hebelarmes reduziert und jene sich im Kurvenäußeren dementsprechend reziprok vergrößert, wird in diesem Fall keine oder nur eine geringfügige Messdatenreduktion angewendet. [0022] Des Weiteren kann die Reduktion der Messdaten auch auf andere, an das System gekoppelte Sensoren angewendet werden, wie z.B. Fotokameras oder Videokameras. Patentansprüche 1. Opto-elektronisches Vermessungsverfahren insbes, für das sogen, mobile Laser- Scanning mittels mindestens eines Laser-Scanners, der auf einem Trägerfahrzeug, beispielsweise einem Landfahrzeug, einem Boot oder einem Luftfahrzeug angeordnet wird, wobei der Laser-Scanner einen optoelektronischen Entfernungsmesser nach einem Signal-Laufzeitverfahren und eine Scan-Einrichtung zur Ablenkung der optischen Achsen der Sende- und Empfangsstrahlenbündel umfasst und aus diesen Entfernungsmesswerten in Verbindung mit den zugehörigen Ablenkwinkel der Scan-Einrichtung Punktwolken ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Laser-Scanner (1) gemessen wird und der Nenngeschwindigkeit eine definierte Anzahl von Messungen pro Zeiteinheit zugeordnet werden und bei Unterschreiten der Nenngeschwindigkeit die mittlere Anzahl der Messungen pro Zeiteinheit entsprechend reduziert wird, so dass die Anzahl der Messungen über einen bestimmten, vom Laser-Scanner (1) zurückgelegten Weg, im Wesentlichen konstant und unabhängig von der aktuellen Geschwindigkeit ist. 3/6 österreichisches Patentamt AT510115B1 2013-03-15
2. 2. Opto-elektronisches Vermessungsverfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (3) des Entfernungsmessers in Abhängigkeit von der Fortbewegungsgeschwindigkeit der Laser-Scanner (1) derart gesteuert wird, dass die Aussendung von Laser-Impulsen blockweise unterdrückt wird während die Scanrate konstant bleibt. (Fig. 1 und 4)
3. 3. Opto-elektronisches Vermessungsverfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (3) des Entfernungsmessers in Abhängigkeit von der Fortbewegungsgeschwindigkeit der Laser-Scanner (1) derart gesteuert wird, dass die Aussendung von Laser-Impulsen periodisch unterdrückt wird während die Scanrate im selben Verhältnis reduziert wird. (Fig. 5)
4. 4. Opto-elektronisches Vermessungsverfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (13, 14 bzw. 23) des Entfernungsmessers bzw. eine nachgeschaltete Elektronikeinheit (27) in Abhängigkeit von der Fortbewegungsgeschwindigkeit der Laser-Scanner (1) derart gesteuert wird, dass die empfangenen Echosignale periodisch verworfen werden, so dass sie bei der weiteren Verarbeitung der Messdaten nicht berücksichtigt werden.
5. 5. Opto-elektronisches Vermessungsverfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Laser-Scanner (1) von einer Satelliten-Navigationseinrichtung GNSS (25) und bzw. oder von einem Trägheitsmesssystem IMU (26), welche an Bord des Trägerfahrzeuges angeordnet sind, abgeleitet wird.
6. 6. Opto-elektronisches Vermessungsverfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Laser-Scanner (1) von einem Fahrgeschwindigkeitssensor (22) des Trägerfahrzeugs abgeleitet wird.
7. 7. Optoelektronisches Vermessungsverfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung der Reduktionsrate auch Änderungen der Fortbewegungsrichtungen berücksichtigt werden, dass beispielsweise in scharfen Kurven die Messrate nicht oder nur geringfügig reduziert wird.
8. 8. Opto-elektronisches Vermessungsverfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messrate anderer mit dem systemgekoppelter Sensoren wie z.B. Kameras entsprechend der Fortbewegungsgeschwindigkeit reduziert wird. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6