DE102004048638A1 - 3D-Vermessung ausgedehnter Messflächen - Google Patents

Abstract

Bei der Vermessung des Höhenprofils einer ausgedehnten Fahrbahn wird die Oberfläche der Fahrbahn mit einer am Messfahrzeug angebrachten ersten Sensoranordnung, deren Messbereich sich quer zur Fahrbahn erstreckt, vermessen. Vor der Vermessung der Fahrbahn wird diese in mehrere Messbahnen längs zur Fahrtrichtung eingeteilt. Diese Messbahnen werden durch das Messfahrzeug sequentiell mittels der ersten Sensoranordnung vermessen, wobei gleichzeitig mittels einer zweiten Sensoranordnung in einer der zur aktuell durch die erste Sensoranordnung vermessenen Messbahn benachbarten Messbahn ein weiteres Höhenprofil ermittelt wird und dieses im Speicher abgespeichert wird. Bei der Rekonstruktion des Höhenprofils der Fahrbahnoberfläche werden die von der ersten Sensoranordnung als auch die von der zweiten Sensoranordnung ermittelten Messdaten miteinander korreliert. Hierbei werden die Höhenmesswerte von zwei Messüberfahrten über benachbarte Messbahnen korrigiert, so dass die Messdaten des Oberflächenprofils, welche aus den Messwerten der ersten Sensoranordnung abgeleitet werden, mit denen, welche an denselben Messpositionen aus den Messwerten der zweiten Sensoranordnung abgeleitet werden, übereinstimmen. Da jede der Messbahnen zumindest von der ersten Sensoranordnung als auch von der zweiten Sensoranordnung vermessen wurde, lassen sich aus der Kenntnis der geometrischen Verhältnisse der Sensoranordnungen zueinander die Messdaten der einzelnen Messbahnen mit korrekter Ablage und ...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Vermessung des Höhenprofils einer quer zur Verfahrrichtung eines Messsystems ausgedehnten Fahrbahn nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 7.
• Die Komforteigenschaften moderner Kraftfahrzeuge haben inzwischen ein Niveau erreicht das sich – zumindest auf guten Fahrbahnbelägen – mehr und mehr den menschlichen Merkschwellen annähert. Dies ermöglicht ein sehr entspanntes, störungsarmes Fahren, erfordert aber auf technischer Seite eine ganze Reihe von aufeinander abgestimmten Komponentenoptimierungen, um unvermeidlichen Störungsanregungen durch die Fahrbahn, Antrieb oder andere Systeme von den Passagieren fern zu halten. Die Unebenheiten der Straße werden über den Reifen auf das Fahrwerk und von dort weiter auf die Karosserie übertragen. Straßenanregungen jeglicher Art verursachen auf diese Weise eine Anregung der Karosserie. Damit kommt der genauen Abbildung dieses Übertragungsverhalten eine zentralen Bedeutung bei der Analyse der Fahrzeugschwingungen zu. Hierzu ist es notwendig die einzelnen Glieder der Übertragungskette von der Fahrbahn bis zum Fahrer im Detail zu kennen.
• Die japanischen Patentanmeldungen JP 03107711 A und JP 03107712 A beschreiben ein System zur Ermittlung von Oberflächenprofilen von Straßen, bei welchem an einem Messfahrzeug in einer Sensoraufnahme entlang einer Achse parallel zur Fahrtrichtung mehrere Abstandsensoren eingebracht sind. Die Sensoraufnahme wird während der Fahrt des Fahrzeuges kontinuierlich quer zur Fahrrichtung hin und her verschoben, so dass ein mäandrierendes Höhenprofil der Straße entlang der Fahrtrichtung erfasst wird. Durch die Mehrzahl von in Fahrtrichtung hintereinander angeordneten Sensoren wird ein enger Verbund von mehreren mäandrierenden Messprofilen erfasst. Aus diesem Verbund an Messdaten können sodann durch Kurvenapproximation Zwischenpositionen berechnet werden, so dass im Ergebnis ein Höhenprofil des gesamten mit dem Meßsystem überfahrenen Straßenbereichs ermittelt werden kann.
• In der JP 10168810 A wird ein fahrzeug-basiertes System zur Erfassung des Oberflächenprofils einer Fahrbahn beschrieben, bei welchem sich in einem Stoßfänger quer zur Fahrrichtung ausgerichtet mehrere Abstandssensoren befinden. Mittels der Sensoren wird das Höhenprofil des mittels des Messfahrzeugs überfahrenen Straßenabschnitts ermittelt. Durch die Anordnung einer Vielzahl von Messsensoren wird das Profil der Straße nicht nur entlang einer einzelnen Messspur erfasst, sondern es wird möglich die Kontur der Straße auch quer zur Fahrtrichtung zu ermitteln. Dadurch kann gegebenenfalls auch ein Abfall der Fahrbahn hin zu den Fahrbahnrändern erfasst und aus den Messdaten rekonstruiert werden.
• Da der Maximalabstand der Abstandssensoren durch die der Breite des Fahrzeuges bzw. durch die in etwa dieser Breite entsprechende Stoßfängerabmessung begrenzt ist, kann mit den aus dem Stand der Technik bekannten Messsystemen nur ein Fahrstreifen begrenzter Breite vermessen werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Vermessung des Höhenprofils einer Fahrabahnoberfläche zu finden, mittels welchem auch eine quer zur Fahrrichtung eines fahrzeug-basierten Messsystems ausgedehnte Fahrbahn vermessen werden kann.
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüchen 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildung der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
• Bei der Vermessung des Höhenprofils einer quer zur Verfahrrichtung eines Messsystems ausgedehnten Fahrbahn, wird die Oberfläche der Fahrbahn bei der Überfahrt mit einer am Messfahrzeug angebrachten ersten Sensoranordnung, deren Messbereich sich quer zur Fahrbahn erstreckt, vermessen. Jeder der hierdurch ermittelten Messwerte wird in einem Speicher gespeichert, um hieraus das Höhenprofil der Fahrbahn über die Messstrecke hinweg rekonstruieren zu können. Die Messdaten sind hierbei mit Referenz auf die Messposition abzulegen. In erfinderischer Weise wird vor der Vermessung der Fahrbahn diese in mehrere Messbahnen längs zur Fahrtrichtung eingeteilt. Nach dieser Einteilung werden diese Messbahnen durch das Messfahrzeug sequentiell mittels der ersten Sensoranordnung vermessen, wobei gleichzeitig mittels einer zweiten Sensoranordnung in einer der zur aktuell durch die erste Sensoranordnung vermessenen Messbahn benachbarten Messbahn ein weiteres Höhenprofil ermittelt wird und dieses im Speicher abgespeichert wird. Bei der sich an die Messdatenaufnahme anschließenden Rekonstruktion des Höhenprofils der Fahrbahnoberfläche werden die von der ersten Sensoranordnung als auch die von der zweiten Sensoranordnung ermittelten Messdaten gemeinsam korreliert. Im Rahmen der Korrelation werden die Höhenmesswerte von zwei Messüberfahrten über benachbarte Messbahnen korrigiert, so dass die Messdaten des Oberflächenprofils, welche aus den Messwerte der ersten Sensoranordnung abgeleiteten werden, mit denen welche an den selben Messpositionen aus den Messwerten der zweiten Sensoranordnung abgeleitet werden übereinstimmen. Da jede der Messbahnen zumindest von der ersten Sensoranordnung als auch von der zweiten Sensoranordnung vermessen wurde, lassen sich aus der Kenntnis der geometrischen Verhältnisse der Sensoranordnungen zueinander die Messdaten der einzelnen Messbahnen mit korrekter Ablage und Ausrichtung zueinander in Bezug setzen.
• Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen und der Figur soll die Erfindung nachfolgend im Detail erläutert werden. Die Figur zeigt auf der linken (a)) und rechten (b)) Seite eine Fahrbahn (1), welche in zwei zu vermessende Messbahnen (10, 11) eingeteilt wurde. Die Messbahnen stoßen nicht notwendigerweise aneinander. Diese gewinnbringende Auswahl entspricht auch der realistischen Anforderung an die Vermessung von Straßenoberflächen, bei welcher oft nur die Oberfläche in den durch die Fahrzeuge befahrenen Bereichen interessiert. Hier resultiert die Erfassung nicht oder wenig befahrener Bereiche in unnötigem Messaufwand und Speicherbedarf. Die Messbahnen (10, 11) sind in ihrer Ausdehnung so gewählt, dass sie durch die erste Sensoranordnung, dessen Messbereich (4) sich quer zur Fahrtrichtung erstreckt, bei einer Überfahrt vermessen werden kann. Bei einer ersten Messüberfahrt (Figur Teil a)) wird mittels der ersten Sensoranordnung die Messbahn (10) vermessen. Die zweite Sensoranordnung ist so am Fahrzeug angebracht, dass sich sein Messbereich (5) während der gesamten Messüberfahrt in einer zur Messbahn (10) benachbarten Messbahn (11) befindet. In einem weiteren Messlauf (Figur Teil b)) wird nun die andere Messbahn (11) durch die erste Sensoranordnung vermessen, während parallel dazu die zweite Sensoranordnung Messdaten aus deren Messbereich (5) in der Messbahn (10) aufzeichnet. Die Messfahrten sind nun so zu organisieren, dass zumindest von jeder Messbahn Oberflächenmessdaten sowohl durch die erste als auch durch die zweite Sensoranordnung erfasst und gespeichert werden. Da die geometrischen Verhältnisse der beiden Sensoranordnungen zueinander bekannt sind, können im Rahmen der nachträglichen Re konstruktion des Oberflächenprofils der Fahrbahn die auf der ganzen Breite der Messbahnen erfassten Messdaten der ersten Sensoranordnung unter Zuhilfenahme der Messdaten der zweiten Sensoranordnung lage-richtig miteinander in Verbindung gebracht werden. Selbstverständlich kann die durch die zweite Sensoranordnung erfasste Höhenprofillinie mit dem durch die erste Sensoranordnung erfassten zweidimensionalen Höhendiagramm auch dann korreliert werden, wenn die Fahrrichtungen (2) bei den einzelnen Messfahrten nicht absolut parallel zueinander ausgerichtet sind. Diese Korrelation ist insbesondere dann gewinnbringend ohne Probleme zu bewerkstelligen, wenn der Messbereich (4) der ersten Sensoranordnung eine hohe Querauflösung aufweist. Durch eine hohe Querauflösung lassen sich die einzelnen Messpunkte der Höhenlinie relativ lückenlos einzelnen Messpunkten des zweidimensionalen Höhendiagramms zuordnen. Deshalb eignen sich als erste Messanordnung insbesondere ein hochauflösender Laserscanner oder nach dem Lichtschnittverfahren arbeitende Oberflächenmesssensoren („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), welche teilweise eine subpixelgenau Auflösungen des Höhenprofils quer zur Blickrichtung der sensoreigenen Kamera ermöglichen.
• Obwohl es für die Funktionalität des Verfahrens des ausreicht, wenn jede Messbahn zumindest einmal sowohl mit der ersten Sensoranordnung als auch mit der zweiten Sensoranordnung vermessen wird, ist es von besonderem Vorteil, wenn eine Redundanz dadurch geschaffen wird, dass entsprechend der in der Figur dargestellten Situation jeweils im Verhältnis zweier Messbahnen zueinander, diese gegenseitig durch jeweilige Vermessung mit der zweiten Sensoranordnung zueinander referenziert werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die zweite Sensoranordnung an unterschiedlichen Positionen abnehmbar am Messfahrzeug befestigt werden kann, so dass er bei Vermessung von Messabschnitt (10) durch die erste Sensoranordnung eine Höhenlinie in Messabschnitt (11) erfassen kann und anders herum. Hierzu wäre es gleichsam aber auch denkbar die zweite Sensoranordnung schwenkbar am Messfahrzeug anzubringen, so dass diese links oder rechts vom Messfahrzeug liegende Messbahnen vermessen kann. Alternativ ist es aber auch denkbar die erhöhten Kosten der vorab beschrieben variabel gestaltbaren, aber notwendiger Weise dennoch präzisen Sensoranordnung zu umgehen, indem das Messverfahren zur Vermessung des Höhenprofils so durchgeführt wird, dass die einzelnen Messbahnen durch Überfahrt des Messfahrzeuges in entgegengesetzte Fahrtrichtungen vermessen werden.
• Selbstverständlich ist die Ausgestaltung der zweiten Sensoranordnung nicht auf einen Einzellaser oder einen vergleichbaren in seinem Messgebiet eng gebündelten Abstandssensor beschränkt, sondern es können sehr wohl auch wie bei der ersten Sensoranordnung auch, Abstandsmesssensoren verwendet werden, welche einen ausgedehnten Bereich quer zur Fahrtrichtung des Messfahrzeuges vermessen. Die Verwendung eines derartigen Sensors führt zwar zu einem erhöhten Aufkommen abzuspeichernder Messdaten, resultiert aber in einer erhöhten Redundanz der Messdaten und ermöglicht somit eine verbesserte Abstimmung der Messdaten der beiden Sensoranordnungen zueinander.

Claims (11)

1. Verfahren zur Vermessung des Höhenprofils einer quer zur Verfahrrichtung eines Messsystems ausgedehnten Fahrbahn, bei welchem die Oberfläche einer Fahrbahn bei der Überfahrt mit einer am Messfahrzeug angebrachten ersten Sensoranordnung, deren Messbereich sich quer zur Fahrbahn erstreckt, vermessen wird, und bei dem die Messwerte in einem Speicher gespeichert werden, um hieraus das Höhenprofil der Fahrbahn über die Messstrecke hinweg zu rekonstruieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrbahn in mehrere Messbahnen längs zur Fahrtrichtung eingeteilt wird, dass diese Messbahnen durch das Messfahrzeug sequentiell mittels der ersten Sensoranordnung vermessen wird, wobei gleichzeitig mittels einer zweiten Sensoranordnung in einer der zur aktuell durch die erste Sensoranordnung vermessenen Messbahn benachbarten Messbahn ein weiteres Höhenprofil ermittelt wird und dieses im Speicher abgespeichert wird, wobei bei der Rekonstruktion des Höhenprofils der Messbahnen aus den gespeicherten Messdaten, die zugehörigen Messdaten sowohl der ersten als auch der zweiten Sensoranordnung korreliert werden, wobei im Rahmen der Korrelation die Höhenmesswerte von Messüberfahrten über zwei benachbarte Messbahnen so kor reliert werden, dass die Messdaten des Oberflächenprofils, welche aus den Messwerte der ersten Sensoranordnung abgeleiteten werden, mit denen welche an den selben Messpositionen aus den Messwerten der zweiten Sensoranordnung abgeleitet werden in Übereinstimmung gebracht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messüberfahrten der Sensoranordnungen über die Fahrbahn so organisiert werden, dass zumindest von jeder Messbahn Oberflächenmessdaten sowohl durch die erste als auch durch die zweite Sensoranordnung erfasst und gespeichert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils im Verhältnis zweier Messbahnen zueinander, diese gegenseitig durch jeweilige Vermessung mit der zweiten Sensoranordnung zueinander referenziert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoranordnung an unterschiedlichen Positionen abnehmbar am Messfahrzeug befestigt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoranordnung zur Ausrichtung auf benachbarte Messbahnen in deren Richtung geschwenkt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Messbahnen durch Überfahrt des Messfahrzeuges in entgegengesetzte Fahrtrichtungen vermessen werden.
7. Vorrichtung zur Vermessung des Höhenprofils einer quer zur Verfahrrichtung eines Messsystems ausgedehnten Fahrbahn, umfassend wenigstens eine am Messfahrzeug angebrachte erste Sensoranordnung, deren Messbereich sich quer zur Fahrbahn erstreckt, und umfassend einen Speicher in dem die Messwerte der Sensoranordnung einem Speicher gespeichert werden, um hieraus das Höhenprofil der Fahrbahn über die Messstrecke hinweg zu rekonstruieren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit zur Einteilung der Fahrbahn in mehrere Messbahnen längs zur Fahrtrichtung vorhanden ist, um sodann diese Messbahnen durch das Messfahrzeug sequentiell mittels der ersten Sensoranordnung zu vermessen und gleichzeitig mittels einer zweiten Sensoranordnung in einer der zur aktuell durch die erste Sensoranordnung vermessenen Messbahn benachbarten Messbahn ein weiteres Höhenprofil zu ermitteln, dass ein Speicher zur Abspeicherung der durch die zweite Sensoranordnung erfassten Messdaten vorhanden ist, und dass die Vorrichtung eine Rekonstruktionseinheit umfasst um aus den gespeicherten Messdaten der ersten und der zweiten Sensoranordnung das Höhenprofil der Fahrbahn zu rekonstruieren, in dem die Messdaten der beiden Sensoren miteinander korreliert werden, um diese so zu korrigieren, dass die Messwerte welche von beiden Sensoranordnungen an den selben Messpositionen erfasst wurden in Übereinstimmung gebracht werden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoranordnung eine quer zur Fahrtrichtung ausgerichtete Anordnung aus Lasersensoren ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoranordnung ein Laserscanner oder ein auf Basis des Lichtschnitt-Verfahrens arbeitender Höhenprofilsensor ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass die zweite Sensoranordnung mit einer Sensoraufnahme in Verbindung steht, welche an unterschiedlichen Positionen am Fahrzeug angebracht werden kann.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoranordnung schwenkbar am Fahrzeug angeordnet ist.