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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zur Durchführung des
Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Oberflächenvermessung, insbesondere
von Fahrbahnen, mit hoher Quer- und Höhenauflösung nach den Oberbegriffen
der Patentansprüche
1 und 7.
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Die
dreidimensionale Form von Produkten aus Industrie und Handel, sowie
ihre korrekte Lage ist heute ein entscheidendes Qualitätsmerkmal.
Um den hoch angesetzten Standards zu genügen und die Qualität der eigenen
Fertigung zu kontrollieren, bedarf es einer effizienten Möglichkeit,
räumliche
Objekteigenschaften, insbesondere deren Oberflächenstruktur, zu erfassen.
Zur berührungslosen
Geometrie- und Konturkontrolle werden in der 3D-Messtechnik bereits
seit über
70 Jahren Lichtschnitt-Verfahren eingesetzt. Das Lichtschnitt-Verfahren
ist ein 3D-Verfahren zur Profilmessung in einer Schnittebene. Nach
dem Prinzip der Laser-Triangulation registriert eine senkrecht über dem
zu vermessenden Objekt angeordnete Flächenkamera den Lateralversatz
beziehungsweise die Verformung einer in einem Winkel α auf die
Objektoberfläche
projizierte Linie, insbesondere eine von einem Laser erzeugte Laserlinie. Durch
die geometrische Anordnung nimmt die Kamera die Projektion der Linie
als eine, die Kontur der Oberfläche
nachbildende Höhenlinie
auf. Das gesuchte Höhenprofil
wird aus der Abweichung dieser Laserlinie von einer Nulllage, welche
eine plane Oberfläche
beschreibt, berechnet. Messbereich und Messauflösung werden durch den Triangulationswinkel α zwischen
der Ebene der Laserlinie und der optischen Achse der Kameraoptik
festgelegt („Lichtschnittsysteme
zur 3D-Oberflächeninspektion", Gesellschaft für Bild-
und Signalverarbeitung mbH, http://www.zbs-ilmenau./de/html/prod/lichtss.html, 23.06.2004;
oder „Laser-Lichtschnitt – eine Schlüsselfunktion
in der 3D-Lasermesstechnik",
Schäfter+Kirchhoff
GmbH, http://www.siliconsoftware.de/download/ archive/Laser_Lichtschnitt_d.pdf, 2004).
Je streifender das Laserlicht auf die Objektebene fällt, desto
größer ist
der bei einer Änderung
der Höhe
beobachtete Lateralversatz der Linie. Nachteilig wirkt sich hierbei
aus, dass diese Steigerung der Messauflösung, gleichzeitig in einer
Reduzierung des Höhenmessbereichs
resultiert.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine zur Durchführung des
Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Oberflächenvermessung, insbesondere
von Fahrbahnen, mit hoher Quer- und Höhenauflösung auf Basis des Lichtschnitt-Verfahrens zu finden,
bei welchem bei einer Steigerung der Messauflösung, eine Reduzierung des
Höhenmessbereichs
vermieden werden kann.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine zur Durchführung des
Verfahrens geeignete Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und
7 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden
in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Bei
der Oberflächenvermessung,
insbesondere von Fahrbahnen, mit hoher Quer- und Höhenauflösung auf
Basis des Lichtschnitt-Verfahrens, werden Objekte entlang einer
Messrichtung vermessen. Hierbei wird mittels des Lichtschnitt-Verfahrens
kontinuierlich mehrfach die Höhenkontur
der Objektoberfläche
quer entlang eines vorgegebenen Verlaufs vermessen. Die mit tels
des Lichtschnitt-Verfahrens ermittelten Messwerte werden sodann
mit Referenz auf den vermessenen Bereich der Oberfläche in einem
Speicher abgelegt, um aus den Messdaten die Oberfläche des
Objekts rekonstruieren zu können.
In erfinderischer Weise wird die Objektoberfläche zusätzlich mittels eines am Messfahrzeug
angebrachten Sensor mit guter Höhenauflösung (Höhensensor) vermessen.
Dabei werden die hierdurch erzeugten Messdaten ebenfalls mit Referenz
auf die Position des Messpunktes auf der Oberfläche in einem Speicher abgelegt.
Bei der Ausrichtung des Höhensensors
muss darauf geachtet werden, dass sich die mittels des Höhensensors
und des Lichtschnitt-Verfahrens vermessenen Oberflächenbereiche überlappen. Bei
der Rekonstruktion der Oberfläche
aus den Messdaten wird sodann die Höheninformation der durch das
Lichtschnitt-Verfahren
erfassten Daten in Bezug auf ihren relativen Höhenversatz zu örtlich versetzten
Messungen mittels der durch den Höhensensor erfassten Daten korrigiert.
Diese gewinnbringende Sensorfusion bewirkt einen Synergieeffekt, welcher
es in vorteilhafter Weise ermöglicht
die Ausrichtung des nach dem Lichtschnitt-Verfahren arbeitenden
Sensor in Bezug auf eine hohe Querauflösung zu optimieren, ohne die
daraus resultierende verringerte Höhenauflösung beachten zu müssen. Die
notwendige Höhenauflösung wird
durch situationsabhängige
geeignete Wahl des Höhensensors gewährleistet.
Die Erfindung eignet sich im Besonderen zur Vermessung der Oberfläche von
Fahrbahnen, insbesondere von Straßenoberflächen, mittels eines Messfahrzeuges,
in welche die Messanordnung integriert wird. Straßenoberflächen weisen
oft eine signifikante, zu vermessende Welligkeit auf, während gleichzeitig
durch die Messung möglichst präzise Information über die
Rauhigkeit ermittelt werden muss. In diesem Falle entspricht die
Messrichtung beziehungsweise der Verlauf unter welchem die Fahrbahn
vermessen wird, der Fahrtrichtung des Messfahrzeuges.
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Als
Höhensensor
eignet sich vor allem ein entfernungsauflösender Punktlaser, dessen Einzelmessungen
Höheninformation über einen
punktförmigen
Bereich der Objektoberfläche
liefern. Auf diese Weise kann die durch kontinuierliche Messung
erzeugte Datenmenge gering gehalten werden. Gleichsam kann als Höhensensor
jedoch auch ein Laserscanner verwendet werden, welcher in bekannter Weise
bei jeder Einzelmessung Höheninformation ausgedehnten
Bereich der Fahrbahn liefert. Gewinnbringend ist dieser Laserscanner
dabei so auszurichten, dass der vermessene Bereich quer zur Richtung unter
welcher das Objekt vermessen wird verläuft.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren
im Detail erläutert.
Dabei zeigt:
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1 die
mittels einer Einzelmessung durch die Sensoren erfassten Bereiche
(3, 5) auf einer Fahrbahn (1),
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2 die
mittels der Vermessung durch versetzt angeordneter Sensoren erfassbare überlappende
Bereich (7) auf einer Fahrbahn (1)
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Bei
der in 1 dargestellten Messsituation wird eine Fahrbahn
(1) durch ein sich in Fahrtrichtung (2) bewegendes
Messfahrzeug (nicht dargestellt) vermessen. Der mittels des Lichtschnitt-Verfahrens die
Oberfläche
vermessende Sensor tastet mit jeder Einzelmessung einen als Messbereich
(3) dargestellten Bereich der Fahrbahn ab. Die kurvige
Linie beschreibt die Projektion der Laserlinie auf der Fahrbahn;
hierbei ergibt sich in bekannte Weise aus der Welligkeit ein Maß für die Variation
der Oberfläche. Die
Querauflösung
des gemessenen Höhenprofils wird
im Wesentlichen durch die Kameraauflösung (Anzahl der Pixel in Querrichtung)
der dem Sensor zugehörigen
Kamera bestimmt. Parallel zur Fahrtrichtung versetzt (entlang der
Linie 4) wird die Fahrbahn zusätzlich durch einen Höhensensor,
insbesondere einen entfernungsauflösenden Einzellaser, vermessen.
Die Messdaten beider Sen soren werden mit Referenz auf den Messpunkt
in einem Speicher abgelegt, so dass bei der Rekonstruktion der Fahrbahnoberfläche diejenigen
Messdaten der beiden Sensoren miteinander korreliert werden können, welche
im wesentlichen an der selben Stelle der Fahrbahn erfasst wurden.
Bei der in 1 dargestellten beispielhaften
Ausrichtung der Sensoren, ist durch den Höhensensor an der Stelle (5)
aufgenommene Messwert mit demjenigen Messwert aus der Vielzahl durch
die Kamera mittels Laserlichtschnitt aufgenommen Messdaten korreliert,
welcher zeitlich versetzt an derselben Stelle aufgenommen wurde.
Selbstverständlich
kann die Gesamt-Messanordnung auch so ausgerichtet werden, dass
die einzelne Bereiche der Oberfläche
erst mittels des Lichtschnitt-Verfahrens und dann erst, zeitlich
versetzt durch den Einzellaser vermessen werden. Es ist durch das
Rekonstruktionsverfahren einzig sicher zustellen, dass die zu korrelierenden
Messdaten der beiden Sensoren von im Wesentlichen derselben Stelle
der Fahrbahn stammen. Wenn die Abtastrate (Messfrequenz) der Sensoren
nicht mit der Fahrgeschwindigkeit des Messfahrzeuges synchronisiert
ist, kann es passieren, dass die beiden Sensoren auch zeitlich versetzt
nicht den identischen Bereich auf der Fahrbahn vermessen, so dass
die im Rahmen der Rekonstruktion erfolgende Datennachberechnung
fehlerhaft ist. Der Fehler lässt
sich aber dadurch korrigieren, dass die Abtastgeschwindigkeit im
Verhältnis
zur Fahrgeschwindigkeit hoch gewählt
wird, so dass ein enges Raster an Abtastpunkten entsteht. So kann
sichergestellt werden, dass sich die Messpositionen nur wenig unterscheiden.
In den Fällen
einer stark ungleichförmigen
Fahrbahnoberfläche
wird das Messfahrzeug während
der Messfahrt Verkippungen erfahren, so dass die Messlinie (4)
nicht wie in 1 aufgezeigt linear, sondern
geschwungen verläuft.
Verfügt das
Messfahrzeug über
Sensoren, insbesondere ein Inertialmesssystem, welches dessen dynamische Winkellage
im Raum erfasst, so kann der Verlauf der Messlinie (4)
prädiziert werden.
Auf diese Weise wird es möglich,
aus der Vielzahl von mittels des Lichtschnitt-Verfahrens ermittelten
Messwerten denjenigen auszuwählen,
welcher an derselben Messposition auf der Fahrbahn erfasst wurde,
an welcher zuvor der Einzellaser seine Messung durchführte.
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Die
durch das Messsystem erfassbare Querausdehnung eines Objektes lässt sich
weiter steigern, wenn dieses zur Messrichtung (2) durch
mehrere nach dem Lichtschnitt-Verfahren arbeitende Sensoren vermessen
wird. In besonders vorteilhafter Weise werden die Sensoren dabei
so ausgerichtet, dass sie in Bezug auf die Messrichtung (2)
versetzt angeordnet sind und sich ihr Messbereich quer zur Messrichtung
(2) ausdehnt. Dabei werden die Sensoren zusätzlich so
ausgerichtet, dass sich ihr Messbereich über den zeitlichen Verlauf
der Messung überlappt.
In 2 ist eine derartige Ausgestaltung dargestellt.
Die Messbereiche (10) und (20) zweier nach dem
Lichtschnitt-Verfahren messender Sensoren finden sich auf einer
Fahrbahn (1) in Bezug auf die Fahrtrichtung (2)
des Messfahrzeuges versetzten Anordnung. Die Messbereiche sind dabei
so ausgerichtet, dass sie im zeitlichen Versatz innerhalb eines Messkorridors
(7) dieselben Messpositionen auf der Fahrbahnoberfläche vermessen.
Durch die Überlappung
der Messbereiche wird es in besonders vorteilhafter Weise möglich die
hieraus redundanten Daten zum einen dazu heranzuziehen um über eine
Mittelung der an derselben Messposition aufgenommenen Daten Störeinflüsse, insbesondere
Sensorrauschen, zu minimieren. Auch kann in gewinnbringender Weise
eine Verkippung der Sensoren quer zur Fahrtrichtung detektiert werden.
Denn für
den Fall einer Verkippung eines der nach dem Lichtschnitt-Verfahren messenden
Sensors werden dessen Messdaten bei einer Einzelmessung bei quer
zu Fahrtrichtung benachbarten Messpunkte einen monoton ansteigenden
bzw. abfallenden Offset zu den realen Profilhöhenwerten aufweisen. Dieses
monotone Ansteigen bzw. Abfallen wird im Überlappungsbereich (7)
jedoch in den Messdaten des anderen nach dem Lichtschnitt-Verfahren
messenden Sensors nicht zu sehen sein.
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Selbstverständlich ist
es nicht notwendig dass sich die Messpunkte (11, 21)
der Höhensensoren
im Überlappungsbereich
(7) befinden, eine derartige in 2 aufgezeigte
Anordnung erlaubt jedoch gewinnbringend weitere redundante Messungen
und erlaubt somit eine Qualitätsverbesserung
der Ergebnisse der Oberflächenrekonstruktion.
Werden wenigstens zwei Höhensensoren
verwand so bietet es sich in vorteilhafter Weise an, sie entlang
einer Messlinie (4) anzuordnen, so dass sie, zumindest
bei normalen Fahrsituationen, zeitlich versetzt im Wesentlichen
denselben Bereich der Fahrbahn vermessen. Auf diese Weise kann wie
zuvor für
die nach dem Lichtschnitt-Verfahren
arbeitenden Sensoren beschrieben über eine Korrelation der Daten
eine gewisse Unterdrückung
von Störeinflüssen auf
die Sensoren herbeigeführt
werden. Des Weiteren wird es aber auch gewinnbringend möglich, aus
der Differenz der durch die beiden Höhensensoren zeitlich versetzt,
an derselben Messposition erfasste Höheninformation auf den Nickwinkel
des Messfahrzeuges zu schließen.
Liegt das Fahrzeug eben auf der Fahrbahn (Nickwinkel =0) sollten
die Höhenwerte
beider Sensoren (nach Elimination der von aus der bekannten Einbauposition
resultierenden Höhendifferenz) an
derselben Messposition übereinstimmen.
Misst der in Fahrtrichtung vordere Sensor einen größeren Höhenabstand
als der versetzt, weiter hinten angeordnete, so kann davon ausgegangen
werden, dass sich das Messfahrzeug nach hinten neigt; zum Beispiel
bei Beschleunigung. Dementsprechend wird der vor dem anderen Höhensensor
angeordnete Höhensensor
einen vergleichsweise geringeren Höhenabstand messen, wenn das
Fahrzeug auf Grund eines Bremsvorganges nach vorne nickt. Zur Ermittlung
des Nickwinkels sind jedoch nicht unbedingt zwei Höhensensoren
notwendig, sonder der Nickwinkel kann gewinnbringend bereits aus
der Differenz der Messdaten des ersten nach dem Lichtschnitt- Verfahren arbeitenden
Sensors und dem ihm zugeordneten Höhensensor bestimmt werden.