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Die
Erfindung betrifft ein Meßsystem
sowie ein Verfahren zur geodätischen
Vermessung von Objekten, bei denen es sich insbesondere um Tunnellaibungen
oder andere linienhafte Objekte handeln kann, nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 44.
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Ein
Meßsystem
und ein Verfahren dieser Art sind aus der
DE 42 38 034 C1 bekannt.
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Vor
allem im Zusammenhang mit Bauvorhaben besteht häufig die Aufgabe, ausgedehntere
Objekte geodätisch
präzise
zu vermessen. Im Vorfeld von Bauvorhaben kann es beispielsweise
erforderlich sein, die Topographie der Umgebung, z. B. Felswände oder
Gebäudefassaden,
zu bestimmen. Während
der Bauarbeiten werden bis dahin errichtete Bauwerke oder Teile
davon häufig
geodätisch
vermessen, um deren Maßhaltigkeit
zu überprüfen. Besonders
wichtig ist die geodätische
Vermessung in Tunnelbauten. Zum einen muß der Tunnelquerschnitt exakt
den architektonischen Vorgaben entsprechen, um z. B. zuverlässig das
Lichtraumprofil von Schienenfahrzeugen aufnehmen zu können. Zum
anderen kann nur eine geodätische
Vermessung während
des Tunnelbaus gewährleisten,
daß zwei
in Gegenrichtung vorgetriebene Tunnelröhren sich präzise an
der gewünschten
Stelle treffen.
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Aus
der
EP 1 408 344 A1 ist
ein Verfahren zur geodätischen
Vermessung von Tunnellaibungen und anderen Hohlräumen bekannt, bei dem als Meßinstrument
ein Laserscanner eingesetzt wird. Bei dem bekannten Verfahren wird
der Laserscanner zunächst
in eine erste Lage gebracht, in welcher der Laserscanner das Objekt
mit einem Laserstrahl scannerartig erfaßt. Ermittelt wird dabei jeweils
der Abstand zwischen dem Laserscanner und Meßpunkten, an denen der Laserstrahl
auf das Objekt auftrifft. Anschließend wird der Laserscanner
durch Verdrehen um einen präzise
erfaßten
Winkel in eine zweite Lage überführt, in
der die Abstände
zu mehreren weiter entfernt liegenden Fixpunkten ermittelt werden
können,
deren Absolutpositionen bekannt sind. Auf der Grundlage der Abstandsmessungen
zu den Fixpunkten ermittelt eine Auswerteeinheit die Absolutposition des
Laserscanners. Aus den Abständen
des Laserscanners zu den Meßpunkten,
dem Drehwinkel des Laserscanners und dessen Absolutposition berechnet
die Auswerteeinheit die Absolutpositionen der Meßpunkte. Das bekannte Verfahren
hat sich in der Praxis durchaus bewährt und ermöglicht eine genaue Vermessung
von Tunnellaibungen und anderen Objekten.
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Nachteilig
bei dem bekannten Verfahren ist allerdings, daß die Vermessung ausgedehnter
Objekte, z. B. längerer
Tunnellaibungen, sehr zeitaufwendig ist. Dies hängt damit zusammen, daß der Laserscanner
immer nur einen relativ kleinen Bereich in seiner unmittelbaren
Umgebung mit dem Laserstrahl erfassen kann. Wird beispielsweise
bei der Vermessung einer Tunnellaibung der Laserstrahl zu weit nach
vorne oder nach hinten gerichtet, so treffen die Laserstrahlen unter
großen
Winkeln auf die Tunnellaibung auf. Dadurch kann es zur Abschattung
von Meßpunkten
und damit zu einer Verfälschung
der Meßergebnisse
kommen. Aus diesem Grund muß der
Laserscanner in relativ kurzen Abständen immer wieder neu entlang
der Tunnellaibung aufgebaut und mit Hilfe der Fixpunkte eingemessen
werden. Die Vermessung eines größeren Objekts
wird dadurch sehr langwierig.
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Aus
der
DE 699 15 156
T2 ist ein Meßfahrzeug
für die
Vermessung von Bergwerksstollen bekannt, das einen Laserscanner
und eine Initialmeßeinheit
mit einem Lasergyroskop enthält.
Zur Bestimmung einer Initialpositionasangabe für die Initalmeßeinheit
wird mit Hilfe einer Videokamera eine Markierung ausgemessen, deren
Koordinaten genau bekannt sind. Zu diesem Zweck fährt das
Meßfahrzeug unter
die Markierung und nimmt mit der Videokamera ein Bild auf.
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Aus
der eingangs bereits genannten
DE 42 38 034 C1 ist ein Schienenfahrzeug
mit einem Laserscanner zur Ermittlung von Profildaten in Tunnellaibungen
bekannt. Am Fahrgestell des Meßfahrzeugs ist
eine Referenzsystem-Einheit mit einem Kreiselsystem montiert. Das
Meßfahrzeug
startet an einer definierten Ausgangsposition, wobei mit Hilfe von
zusätzlichen
Vermessungsbolzen, deren Position genau bekannt ist, eine Zwischenkorrektur
der Positionsbestimmung durchgeführt
wird.
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In
der
DE 195 13 116
A1 ist ein Meßfahrzeug beschrieben,
mit dem sich mit Geschwindigkeit von bis zu 300 km/h Profillinien
von Tunnelbauten vermessen lassen. Ein Laser erzeugt einen Lichtfächer auf
der Tunnellaibung, der mit einer oder mehreren Kameras erfaßt wird.
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Die
JP 2004 138422 A beschreibt
eine Meßfahrzeug
zur Vermessung von Tunnellaibungen, dessen Ort mit Hilfe von drei
ortsfesten Zielpunkten erfolgt, die von dem Meßfahrzeug erfaßt werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs
genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine schnelle Vermessung
mit höherer
Genauigkeit durchgeführt
werden kann.
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Ein
diese Aufgabe lösendes
Meßsystem
umfaßt
- a) ein Meßfahrzeug,
- b) einen auf dem Meßfahrzeug
angeordneten Laserscanner, mit dem Abstände zwischen dem Laserscanner
und von dem Laserscanner auf dem Objekt angestrahlten Meßpunkten
bestimmbar sind, und
- c) eine von dem Laserscanner unabhängige Positionsmeßeinrichtung,
mit der die Absolutposition und die räumliche Orientierung des Laserscanners
bestimmbar ist,
wobei die Positionsmeßeinrichtung zur Bestimmung der
Absolutposition des Laserscanners einen ortsfest gegenüber dem
Laserscanner angeordneten Reflektor und ein externes elektronisches
Tachymeter umfaßt.
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Ein
diese Aufgabe lösendes
Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- a)
Aufstellen eines Meßfahrzeugs
in der Nähe
des Objekts;
- b) Bestimmen der Abstände
zwischen einem auf dem Meßfahrzeug
angeordneten Laserscanner und von dem Laserscanner auf dem Objekt
angestrahlten Meßpunkten;
- c) Bestimmen der Absolutposition und der räumlichen Orientierung des Laserscanners
mit einer von dem Laserscanner unabhängigen Positionsmeßeinrichtung;
- d) Bestimmen der Absolutpositionen der angestrahlten Meßpunkte
aus der Absolutposition und der räumlichen Orientierung des Laserscanners und
den in Schritt b) bestimmten Abständen;
wobei die in
Schritt c) verwendete Positionsmeßeinrichtung einen ortsfest
gegenüber
dem Laserscanner angeordneten Reflektor und ein externes elektronisches
Tachymeter umfaßt.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß man mit Hilfe einer von dem
Laserscanner unabhängigen
Positionsmeßeinrichtung
den Meßvorgang
wesentlich beschleunigen kann. Da der Laserscanner nicht dazu benötigt wird,
seine eigene Absolutposition zu bestimmen, kann die eigentliche
Vermessung des Objekts mit Hilfe des Laserscanners unabhängig und
vorzugsweise sogar gleichzeitig mit der Bestimmung der Absolutposition
des Laserscanners durchgeführt
werden. Dies wiederum erlaubt es, den Laserscanner auf einem Fahrzeug
anzuordnen, das an dem zu vermessenden Objekt entlang fährt.
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Ein
Meßvorgang
kann dabei beispielsweise so ablaufen, daß das Meßfahrzeug stehen bleibt, während der
Laserscanner die Abstände
zu den angestrahlten Meßpunkten
ermittelt. Gleichzeitig bestimmt die Positionsmeßeinrichtung die Absolutposition
und die räumliche
Orientierung des Laserscanners. Nachdem der Laserscanner den unmittelbar benachbarten
Bereich des Objekts vermessen hat, fährt das Meßfahrzeug eine kurze Strecke
an dem Objekt entlang und bleibt erneut stehen. Dort wird der vorstehend
geschilderte Meßvorgang
wiederholt usw. Da der Laserscanner, anders als bei dem oben beschriebenen
bekannten Verfahren, zur Bestimmung seiner Absolutposition nicht
verschwenkt werden muß,
läßt sich
die Meßzeit
annähernd
halbieren.
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Um
die Absolutposition des Laserscanners zu bestimmen, umfaßt die Positionsmeßeinrichtung einen
ortsfest auf dem Fahrzeug angeordneten Reflektor und ein außerhalb
des Meßfahrzeugs
angeordnetes elektronisches Tachymeter. Das elektronische Tachymeter
verfolgt den mit dem Meßfahrzeug mitbewegten
Reflektor automatisch und bestimmt dabei kontinuierlich die Position
des Reflektors relativ zum Standort des Tachymeters. Wenn die Absolutposition
des Tachymeters bekannt ist, kann in an sich bekannter Weise auf
die Absolutposition des Reflektors zurückgeschlossen werden.
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Da
die Absolutposition des Laserscanners während des Abscannens des Objekts
bestimmt werden kann, besteht die Möglichkeit, das Meßfahrzeug in
sehr kurzen Abständen
anzuhalten, um nur den wirklich unmittelbar nächstliegenden Bereich des Objekts
zu vermessen. Dies wirkt sich günstig
auf die Meßgenauigkeit
aus und erlaubt zudem die Verwendung preisgünstiger Laserscanner mit etwas
stärker divergierendem
Laserstrahl.
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Eine
von dem Laserscanner unabhängige Positionsmeßeinrichtung
erlaubt aber nicht nur einen schrittweisen, sondern sogar einen
kontinuierlichen Betrieb des Meßsystems.
Bei einem solchen kontinuierlichen Betrieb wird sowohl die Abstandsmessung zu
dem Objekt als auch die Bestimmung der Absolutposition und der räumlichen
Orientierung des Laserscanners während
einer Bewegung des Meßfahrzeugs
entlang des Objekts durchgeführt.
Ein solcher kontinuierlicher Betrieb führt nicht nur zu einer nochmaligen
Beschleunigung des Meßvorgangs,
sondern erhöht
gegenüber
einem schrittweisen Betrieb auch die Meßgenauigkeit, da der Laserscanner
nur solche Punkte auf dem Objekt anzustrahlen braucht, die – bei gedachtem
Stillstand des Fahrzeugs – in
einer vertikalen Meßebene
liegen, die vorzugsweise senkrecht zur Fahrzeuglängsachse des Meßfahrzeugs verläuft. Die
Fahrzeuglängsachse
liegt immer tangential zur Fahrkurve und kann im Falle sehr kurzer, aber
breiter Fahrzeuge auch die kürzere
Fahrzeugachse sein.
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Das
unabhängige
Positionsmeßsystem
ermöglicht
es zudem, das Meßfahrzeug
frei, d. h. nicht spurgebunden, fahren zu lassen. Somit entfällt zum einen
der Aufwand zum Verlegen von Schienen o. ä. Andererseits besteht die
Möglichkeit,
während
der Vermessung bestimmte Bereiche des Objekts genauer zu vermessen,
indem man mit dem Meßfahrzeug
an den betreffenden Bereich näher
und ggf. aus unterschiedlichen Richtungen heranfährt.
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Ferner
ist es bei dem erfindungsgemäßen Meßsystem
mit relativ geringem Aufwand möglich, eine
Messung zu wiederholen, wenn eine Auswerteeinheit des Meßsystems
feststellt, daß eine
Messung unvollständig
oder inkonsistent ist. Veranlaßt
sein kann eine solche Wiederholung auch dann, wenn benachbarte Meßpunkte
sehr unterschiedlich große Ab stände zu dem
Laserscanner haben, so daß die Gefahr
besteht, daß eine
Interpolation die tatsächliche
Form des Objekts nicht richtig erfaßt. Auch in einem solchen Fall
kann es günstig
sein, eine erneute Messung bei stehendem oder sich langsamer fortbewegendem
Meßfahrzeug
vorzunehmen.
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Vorzugsweise
wird ein herkömmlicher
Laserscanner eingesetzt, mit dem sich nacheinander einzelne Meßpunkte
auf dem Objekt anstrahlen lassen, die entlang einer Meßspur liegen.
Der von dem Laserscanner erzeugte Laserstrahl wird dabei üblicherweise
schrittweise oder kontinuierlich um eine Achse gedreht, die senkrecht
zu der Meßebene
verläuft. Insbesondere
bei einem kontinuierlichen Betrieb des Meßsystems in Hohlräumen wie
Tunneln ist es günstig,
wenn die Drehung des Laserstrahls ausschließlich in eine Drehrichtung
verläuft.
Dabei wird zwar teilweise auch ein Teil des Meßfahrzeugs und/oder der Untergrund
vermessen, jedoch erlaubt eine Drehung des Laserstrahls in nur eine
Drehrichtung eine helixartige und dadurch sehr gleichmäßig dichte
Anordnung von Meßpunkten
auf dem Objekt.
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Im
allgemeinen wird es am günstigsten
sein, wenn der Drehwinkel, mit dem sich der Laserstrahl dreht, konstant
ist. Im Einzelfall können
jedoch auch unterschiedlich große
Drehwinkel sinnvoll sein, etwa bei stark unterschiedlich beschaffenen
Objektflächen.
Kleinere Drehwinkel und damit eine genauere Abtastung kommen z.
B. in Betracht, wenn die Abstände
zu einem Bereich des Objekts bestimmt werden sollen, der besonders
stark zerklüftet
oder in anderer Weise unregelmäßig geformt
ist. In einem solchen Bereich kann es auch sinnvoll sein, die Geschwindigkeit
des Meßfahrzeugs
herabzusetzen, um den Abstand der Meßspuren in Fahrtrichtung des Meßfahrzeugs
zu verringern.
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Wenn
in diesem Zusammenhang von einer Drehung des Laserstrahls um diskrete
Winkel und einem Anstrahlen einzelner Meßpunkte die Rede ist, so soll
dies auch den Fall einschließen,
daß der
Laserstrahl zwar kontinuierlich gedreht wird, eine Abstandsbestimmung
aber nur in vorgegebenen zeitlichen Abständen stattfindet. Die Drehwinkel
im oben genanten Sinne sind dann mit den zeitlichen Abständen der
Messungen korreliert, so daß beispielsweise kürzere zeitliche
Abstände
kleineren Drehwinkeln entsprechen. Die angestrahlten Meßpunkte
sind bei einer kontinuierlichen Drehung diejenigen Punkte auf der
durchgängig
ausgeleuchteten Meßspur,
an denen eine Abstandsmessung stattfindet.
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Da
eine Verlangsamung der Fortbewegung des Meßfahrzeugs die Meßdauer insgesamt
erhöht, weist
das Maßsystem
bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
einen weiteren auf dem Meßfahrzeug
angeordneten Laserscanner auf, der im Prinzip wie der erste Laserscanner
ausgeführt
ist. Die Meßebene
des weiteren Laserscanners kann dabei entweder senkrecht oder parallel
zu der Fahrzeuglängsachse
des Meßfahrzeugs
verlaufen.
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Verlaufen
die Meßebenen
der Meßpunkte bei
beiden Laserscannern senkrecht zur Fahrzeuglängsachse in einem Abstand d
in Richtung der Fahrzeuglängsachse,
so beschreiben die Meßspuren
beider Laserscanner bei konstanter Geschwindigkeit des Meßfahrzeugs
und gleichmäßiger Drehung
der Laserstrahlen eine Art Doppelhelix, wobei die beiden Meßspuren
im Abstand d zueinander verlaufen. Bei gleicher Geschwindigkeit
läßt sich
somit im Vergleich zu der Variante mit nur einem Laserscanner eine
Verdoppelung der Meßpunktdichte
erzielen oder, wenn die Meßpunktdichte
eines Lasers genügt,
die Geschwindigkeit des Meßfahrzeugs
verdoppeln. Vorzugsweise sind die Meßpunkte außerdem winkelmäßig versetzt
zueinander angeordnet, so daß das
Objekt gleichmäßiger mit
Meßpunkten überdeckt
wird.
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Vorzugsweise
liegt die Meßebene
der Meßpunkte
des einen Laserscanners senkrecht zur Fahrzeuglängsachse und die Meßebene der
Meßpunkte des
weiteren Laserscanners parallel zu der Fahrzeuglängsachse des Meßfahrzeugs,
wobei der von dem weiteren Laserscanner erzeugte Laserstrahl schrittweise
oder kontinuierlich um eine Achse drehbar ist, die senkrecht zu
der Fahrzeuglängsachse
des Meßfahrzeugs
verläuft.
Da, wie eingangs bereits erwähnt,
die Meßgenauigkeit
abnimmt, wenn die Laserstrahlen die Meßpunkte zu schräg anstrahlen, sollten
die ausgewerteten Meßpunkte
innerhalb eines Winkelbereichs von nicht mehr als 90° liegen,
der bezüglich
der Vertikalen zentriert sein kann.
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Damit
der weitere Laserscanner das Objekt gleichmäßig mit Meßpunkten überdecken kann, kann die Meßebene des
weiteren Laserscanners um eine parallel zu der Fahrzeuglängsachse
liegende Kippachse verkippbar sein. Die Meßebene kann z. B. um einen
vorgegebenen Winkelbetrag verkippt werden, sobald alle Meßpunkte
in einer Meßebene
erfaßt sind.
Noch einfacher ist es, die Meßebene
kontinuierlich zu verkippen. Die Meßspur des weiteren Laserstrahls
verläuft
dann nicht parallel zur Fahrzeuglängsachse, sondern schräg hierzu.
In beiden Fällen
wird die schnelle Scanbewegung des Laserstrahls von einer langsamen
Schwenkbewegung der Meßebene überlagert.
Erreicht werden kann dies entweder dadurch, daß der gesamte Laserscanner um
eine Kippachse gedreht wird, oder es wird ein Laserscanner eingesetzt,
dessen Scanoptik so ausgelegt ist, daß der Laserstrahl die vorstehend
beschriebene Überlagerung
zweier Scanbewegungen vollzieht.
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Da
das Meßfahrzeug
in der Regel auf einer geneigten oder unregelmäßigen Oberfläche fahren wird,
muß die
räumliche
Orientierung des Laserscanners ermittelt werden.
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Zu
diesem Zweck kann die Positionsmeßeinrichtung mindestens einen
gegenüber
dem Laserscanner ortsfesten Neigungssensor umfassen. Bereits mit
zwei Neigungssensoren kann die Orientierung des Laserscanners bezüglich einer
Referenzfläche,
und zwar insbesondere der Horizontalen (Erdoberfläche), vollständig erfaßt werden.
Falls der Laserscanner auf einer Meßplattform befestigt ist, die ge genüber einem
Fahrgestell des Meßfahrzeugs
federnd gehalten ist, so muß der
mindestens eine Neigungssensor unmittelbar auf der Meßplattform
befestigt sein.
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Das
Tachymeter kann zusätzlich
oder alternativ auch dazu verwendet werden, die räumliche Orientierung
des Laserscanners zu bestimmen. In diesem Fall muß die Positionsmeßeinrichtung
mindestens drei bezüglich
des Laserscanners ortsfest angeordnete Reflektoren umfassen, die
für das
Tachymeter voneinander unterscheidbar sind. Wenn das Tachymeter
die Positionen der drei Reflektoren relativ zu dem Tachymeter bestimmt,
kann die Positionsmeßeinrichtung
unter Berücksichtigung
der relativen Lage der drei Reflektoren untereinander auf die räumliche
Orientierung des Laserscanners zurückschließen.
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Um
die Reflektoren für
das Tachymeter unterscheidbar zu machen, können diese beispielsweise in
einer vorgegebenen Reihenfolge aktiviert werden. Die Aktivierung
des Reflektors kann beispielsweise durch Aufklappen oder Freilegen
des Reflektors erfolgen.
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Zur
Bestimmung der Absolutposition des Laserscanners kann die Positionsmeßeinrichtung
alternativ oder zusätzlich
zu einem elektronischen Tachymeter auch eine Gruppe von mindestens
drei, vorzugsweise vier, nicht alle in einer Ebene liegenden und
voneinander unterscheidbaren Fixpunkten enthalten, die an dem Objekt
oder in der Umgebung des Objekts angeordnet und deren Absolutpositionen
bekannt sind. Eine auf dem Meßfahrzeug
angeordnete Digitalkamera erfaßt
gleichzeitig und voneinander unterscheidbar die Fixpunkte und erzeugt
daraus entsprechende Bilddaten. Eine Recheneinheit enthält einen
Speicher, in dem die Absolutpositionen der Fixpunkte hinterlegt
sind. Die Recheneinheit ist dabei so programmiert, daß sie die
Absolutposition und die räumliche
Orientierung des Laserscanners in an sich bekannter Weise auf der
Grundlage der Bilddaten und der gespeicherten Absolutpositionen
der Fixpunkte bestimmt.
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Eine
solche Positionsmeßeinrichtung
ist insbesondere dann vorteilhaft einsetzbar, wenn das Objekt oder
die Umgebung die Möglichkeit
bietet, Fixpunkte zu markieren, deren Absolutposition bereits bekannt
sind oder ohne weiteres ermittelt werden können. Je weiter die Fixpunkte
dabei aus einander liegen, desto höher ist die Genauigkeit der
Positions- und Lagebestimmung. Auf ein relativ teures elektronisches
Tachymeter kann dann ggf. verzichtet werden.
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Damit
die Fixpunkte voneinander unterschieden werden können, können diese z. B. selbstleuchtend
und sukzessive in einer vorgegebenen, der Recheneinheit bekannten
Reihenfolge einschaltbar sein, oder sie können in unterschiedlichen Farben leuchten.
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Bei
größeren Objekten
wie etwa Tunnellaibungen wird es im allgemeinen erforderlich sein, mehrere
Gruppen von Fixpunkten vorzusehen, die entlang des von dem Meßfahrzeug
abzufahrenden Weges angeordnet sind.
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Dieses
Meßprinzip
kann auch umgekehrt werden. Eine Gruppe von mindestens drei nicht
alle in einer Ebene liegenden Fixpunkten befindet sich dann nicht
auf dem Objekt oder dessen Umgebung, sondern auf dem Meßfahrzeug.
Dementsprechend ist die Digitalkamera nicht auf dem Meßfahrzeug, sondern
außerhalb
davon angeordnet. Eine Recheneinheit enthält auch bei dieser Variante
einen Speicher, in dem die relative Anordnung der Fixpunkte hinterlegt
ist. Ferner ist die Recheneinheit so programmiert, daß sie die
Absolutposition und die räumliche
Orientierung des Laserscanners auf der Grundlage der Bilddaten und
der gespeicherten relativen Anordnung bestimmt.
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Bei
dieser Variante entfällt
die Markierung von Fixpunkten an dem Objekt oder dessen Umgebung.
Die Meßgenauigkeit
kann aber etwas geringer sein, da die Fixpunkte auf dem Meßfahrzeug
keine sehr großen
Abstände
voneinander haben können.
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Das
Meßfahrzeug
kann in praktisch beliebiger Weise an dem zu vermessenden Objekt
entlang geführt
werden. Im allgemeinen wird das Meßfahrzeug einen eigenen Antrieb,
z. B. einen Rad-, Raupen- oder Kettenantrieb, haben.
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Das
Meßfahrzeug
kann von einem mitfahrenden Fahrer, manuell mit Hilfe einer Fernsteuerung oder
auch vollautomatisch an dem Objekt entlang fahren. Bei einer vollautomatischen
Steuerung muß dem
Meßfahrzeug
ein abzufahrender Weg vorgegeben werden, der absolut oder relativ
zu dem Objekt oder dessen Umgebung festgelegt sein kann.
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Eine
relative Festlegung zu dem Objekt kann beispielsweise darin bestehen,
daß der
abzufahrende Weg zu dem Objekt einen konstanten Abstand hat, oder
daß der
abzufahrende Weg in der Mitte zwischen zwei gegenüberliegenden
Teilen des Objekts liegt. Im Fall von Tunnellaibungen kann auf diese Weise
sichergestellt werden, daß das
Meßfahrzeug von
alleine in der Mitte des Tunnels entlangfährt. Zwar sollte, z. B. mit
Hilfe einer von dem Meßfahrzeug
mitgeführten
Kamera, stets die Möglichkeit
bestehen, den Weg des Meßfahrzeugs
extern mitzuverfolgen und ggf. das Meßfahrzeug korrigierend eingreifen
zu können,
jedoch steuert das Meßfahrzeug bei
dieser Ausgestaltung seine Fahrtrichtung und ggf. auch seine Geschwindigkeit
im wesentlichen selbst.
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Damit
das Meßfahrzeug
bei einer solchen Ausgestaltung den Weg relativ zu dem Objekt bestimmen
kann, kann auf dem Meßfahrzeug
eine Einrichtung zur Bestimmung der Relativposition relativ zu dem
Objekt angeordnet sein. Eine solche Einrichtung umfaßt vorzugsweise
eine Anordnung zur Erzeugung von drei Lichtstrahlen, die in einer
Ebene liegen. Mindestens eine ortsfest auf dem Meßfahrzeug
außerhalb
der Ebene angeordnete Digitalkamera erfaßt dann die Auftreffpunkte
der Lichtstrahlen auf dem Objekt. Ein Rechner ermittelt mittels
Triangulationsrechnungen die Abstände zwischen einem Punkt auf
dem Meßfahrzeug
und den Auftreffpunkten der Lichtstrahlen. Eine solche Einrichtung
zur Bestimmung der Relativposition ist besonders geeignet, um ein
Meßfahrzeug
in einem Tunnel oder einem ähnlichen
Hohlraum selbständig
einen Weg finden zu lassen, der möglichst in der Mitte des Tunnels
oder des Hohlraums liegt.
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Zwar
liefert der Laserscanner an sich bereits Daten, aus denen die Abstände des
Laserscanners zu dem zu vermessenden Objekt oder dessen Umgebung
ermittelbar sind. Im allgemeinen ist es jedoch günstig, diese relativ großen Datenmengen
nicht unmittelbar auf dem Meßfahrzeug
zu verarbeiten, sondern zunächst
drahtgebunden oder drahtlos an die Auswerteeinheit zu übermitteln.
Eine Steuerung des Meßfahrzeugs
in Echtzeit auf der Grundlage dieser Daten ist dann aber im allgemeinen
nicht mehr ohne weiteres möglich.
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Da
die mindestens eine auf dem Meßfahrzeug
angeordnete Digitalkamera auch zu anderen Zwecken genutzt werden
kann, z. B. zur Dokumentation der Meßfahrt oder zur zusätzlichen
Bestimmung von Meßdaten
mit Hilfe an sich bekannter Bildverarbeitungsverfahren, benötigt die
vorstehend beschriebene Einrichtung zur Bestimmung der Relativposition lediglich
noch eine einfache Anordnung zur Erzeugung von drei Lichtstrahlen,
bei der es sich z. B. um drei einfache Laserpointer handeln kann.
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Da
eine einzelne Digitalkamera mit einem verzeichnungsarmen und preisgünstigen
Objektiv im allgemeinen nicht in der Lage sein wird, die drei Auftreffpunkte
gleichzeitig zu erfassen, wird man im allgemeinen zwei Digitalkameras
benötigen,
deren Erfassungsbereiche aneinander angrenzen oder sich leicht überschneiden.
Man kann alle drei Auftreffpunkte aber auch mit nur einer Digitalkamera
erfassen, wenn man mindestens eine Strahlumlenkungseinrichtung auf
dem Meßfahrzeug
vorsieht, welche einen Teil des von der Digitalkamera erfaßbaren Bildbereichs
umlenkt. Mit Hilfe einer solchen Strahlumlenkeinrichtung, die beispielsweise
eine Anordnung von Spiegeln umfassen kann, kann eine einzige Digitalkamera
gewissermaßen ”um die
Ecke” schauen.
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Vorzugsweise
verläuft
die durch die Lichtstrahlen definierte Ebene senkrecht zur Achse
des Meßfahrzeugs.
Bei Meßfahrzeugen,
die ihre Position relativ zu zwei gegenüberliegenden Teilen des Objekts
oder dessen Umgebung bestimmen sollen, ist es zweckmäßig, wenn
ein Lichtstrahl nach oben und jeweils ein Lichtstrahl zu beiden
Seiten des Meßfahrzeugs
abgestrahlt wird.
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Falls
die Auftreffpunkte der Lichtstrahlen mit zwei Digitalkameras erfaßt werden
sollen, so können diese
so angeordnet werden, daß jede
Digitalkamera einen durch den nach oben abgestrahlten Lichtstrahl erzeugten
Auftreffpunkt und einen Auftreffpunkt erfaßt, der von einem zu einer
Seite abgestrahlten Lichtstrahl erzeugt wird.
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Bei
einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel
erfolgt die Steuerung des Meßfahrzeugs
entlang eines vorgebbaren Wegs mit Hilfe eines außerhalb
des Meßfahrzeugs
angeordneten Steuerlasers zur Erzeugung eines im wesentlichen horizontal
verlaufenden Steuerungs-Laserstrahls. Ein auf dem Meßfahrzeug
angeordneter Sensor erfaßt
den Steuerungs-Laserstrahl. Eine Steuerung steuert das Meßfahrzeug
dann so, daß der
Steuerungs-Laserstrahl stets in einem Erfassungsbereich des Sensors
liegt.
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Die
Fahrtrichtung des Meßfahrzeugs
läßt sich
auf diese Weise sehr präzise
durch die Lage des Steuerungs-Laserstrahls
vorgeben. Der Steuerlaser ist dabei vorzugs weise um mindestens eine
Achse verschwenkbar und ggf. auf einem eigenen Fahrzeug angeordnet.
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Der
auf dem Meßfahrzeug
angeordnete Sensor kann zwei hintereinander angeordnete Strahllagedetektoren
umfassen, die in der Lage sind, den Durchtrittspunkt des Steuerungs-Laserstrahls
durch die Detektorfläche
zu bestimmen. Fluchtet die Fahrtrichtung des Meßfahrzeugs nicht exakt mit
der Ausbreitungsrichtung des Steuerungs-Laserstrahls, so wandert
der Durchtrittspunkt auf der Detektorfläche nach außen, was von den Strahllagedetektoren
erfaßt
wird. Die Steuerung steuert das Meßfahrzeug dann so, daß der Laserstrahl
die Strahllagedetektoren wieder annähernd mittig durchtritt.
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Mit
zwei parallelen Steuerungs-Laserstrahlen ist es möglich, über den
Sensor auch die räumliche
Orientierung des Sensors und damit des Laserscanners zu bestimmen.
Neigungs- oder andere Orientierungssensoren sind dann ggf. entbehrlich.
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Wie
bereits erwähnt,
kann auf dem Meßfahrzeug
eine Digitalkamera angeordnet sein, mit der sich die Meßfahrt dokumentieren
läßt. Vorzugsweise umfaßt das Meßsystem
ferner einen Datenspeicher, in dem von der Digitalkamera erfaßte Bilder
Absolutpositionen des Laserscanners zugeordnet sind. Auf diese Weise
ist es möglich,
die von der Digitalkamera aufgenommen Bilder weiter auszuwerten,
indem die Bildinformationen in Beziehung zur Absolutposition der
Digitalkamera gesetzt werden.
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Aufgrund
der begrenzten Pixelauflösung
der Digitalkamera wirkt sich die Fahrzeugbewegung auf den Meßvorgang
günstig
aus, da die Schwankungen des Fahrzeugs durch die Integration der
erfaßten
Position der Meßpunkte
die Auflösung
effektiv über
die durch die Pixelanordnung vorgegebene Pixelauflösung hinaus
erhöht.
Erzeugt ein Bild in der Pixelebene der Digitalkamera beispielsweise
lediglich bei einem einzigen Pixel ein Signal, so kann nur der Schluß gezogen
werden, daß das
Bild nicht größer als
der Pixel ist. Wird die Digitalkamera hingegen gegenüber dem
Objekt bewegt, so können
aus der Anregung benachbarter Pixel weitere Schlüsse über die Größe und Form des Objekts gezogen
werden.
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Dieser
Effekt kann auch gezielt eingesetzt werden, indem die Digitalkamera
zur Erhöhung
der Meßauflösung in
eine ein- oder zweidimensionale Schwingung gesetzt wird, wobei eine
elliptische oder kreisförmige
Schwingungsbahn senkrecht auf die Betrachtungsachse vorteilhaft
ist. Ferner sollte eine Synchronisierung der Schwingungsbewegung
mit der Aufnahmefrequenz der Kamera oder umgekehrt durchgeführt werden.
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Vorzugsweise
ist die Digitalkamera so ausgerichtet, daß sie die von dem Laserscanner
angestrahlten Meßpunkte
zumindest teilweise erfassen kann. Die einzelnen Meßpunkte sind
dann auf den aufgenommenen Bildern erkennbar, so daß mit Hilfe von
bildverarbeitenden Verfahren zusätzliche
Absolutpositionen für
Punkte ableitbar sind, die zwischen den vom Laserscanner erfaßten Meßpunkten
liegen. Ferner ist auf den aufgenommenen Bildern erkennbar, ob bestimmte
ungewöhnliche
Umstände
eine Interpretation der Meßergebnisse
verlangen. Liegt ein Meßpunkt
beispielsweise auf dem Grund einer Sackbohrung, so könnte bei
der Interpretation der Meßwerte
der Eindruck entstehen, daß es
sich um eine größere Ausnehmung
handelt. Ein Abgleich mit den Bilddaten kann dann helfen, eine derartige
Fehlinterpretation zu vermeiden.
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Damit
die Digitalkamera die von dem Laserscanner angestrahlten Meßpunkte
tatsächlich
erfassen kann, sollte die Digitalkamera mit dem Laserscanner synchronisiert
sein. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß auf den von der Digitalkamera
aufgenommenen Bildern mindestens ein Meßpunkt erkennbar ist.
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Die
Aufnahmezeit der Digitalkamera ist in der Regel länger als
die Verweilzeit des Laserstrahls in einem Meßpunkt. Deswegen ist im Kamerabild
nicht nur ein Punkt, sondern eine Linie auf der Objektoberfläche sichtbar.
Die Lage der Linie im Kamerabild hängt vom Synchronisierungszeitpunkt
zwischen dem Laserscanner und der Digitalkamera ab und kann gezielt
erfindungsgemäß genutzt
werden, um die erfaßte
Linie in dem interessierenden Bereich des Ob jekts gezielt entlang
der Meßspur
auf der Objektoberfläche
zu verschieben.
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Im
Prinzip ist es möglich,
die Emissionsfrequenz des Laserscanners an die spektrale Empfindlichkeit
der Digitalkamera anzupassen. Im allgemeinen ist es jedoch günstiger,
standardisierte Laserscanner zu verwenden, deren Wellenlänge im Infrarotbereich
liegt, und eine Digitalkamera einzusetzen, die für diesen Wellenlängenbereich
empfindlich ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 eine
perspektivische schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Meßsystems;
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2 eine
perspektivische Teildarstellung eines erfindungsgemäßen Meßsystems
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel,
bei dem zwei Laserscanner mit parallelen Meßebenen auf dem Meßfahrzeug
angeordnet sind;
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3 eine
perspektivische Teildarstellung eines erfindungsgemäßen Meßsystems
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel,
bei dem zwei Laserscanner orthogonale Meßebenen haben;
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4 eine
perspektivische Darstellung eines Positionsmeßsystems mit einer auf dem
Meßfahrzeug
angeordneten Digitalkamera;
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5 eine
Prinzipskizze für
ein Steuerungssystem für
das Meßfahrzeug,
bei dem das Meßfahrzeug
an einem extern erzeugten Laserstrahl entlang geführt wird;
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6 eine
Einrichtung zur relativen Positionsbestimmung in einer perspektivischen
Darstellung;
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7 eine
Einrichtung zur relativen Positionsbestimmung gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
in einer schematischen Vorderansicht;
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8 eine
perspektivische Prinzipdarstellung einer Einrichtung zur relativen
Positionsbestimmung gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel mit
einer Spiegelanordnung und nur einer Digitalkamera.
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Die 1 zeigt
in einer perspektivischen schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Meßsystem,
das insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Zu dem Meßsystem 10 gehört ein Meßfahrzeug 12,
das über
einen eigenen Radantrieb verfügt
und in nicht näher
dargestellter Weise lenkbar ist. Mit seiner Fahrzeuglängsachse 14 weist
das Meßfahrzeug 12 stets
in Richtung der momentanen Fahrtrichtung.
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Auf
einer Fahrzeugplattform 16 des Meßfahrzeugs 12 ist
ein an sich bekannter Laserscanner 18 befestigt. Der Laserscanner 18 enthält einen
Laser zur Erzeugung eines Laserstrahls 20 und eine bewegliche
Spiegelanordnung, mit der sich der Laserstrahl in unterschiedliche
Richtungen richten läßt. Die von
dem Laserscanner 18 erzeugbaren Laserstrahlen 20 liegen
dabei in einer gemeinsamen Ebene, die im folgenden als Meßebene bezeichnet
wird. Die Meßebene
des Laserscanners 18 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
senkrecht zur Fahrzeuglängsachse 14 ausgerichtet.
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Die
Fahrzeugplattform 16 trägt
einen Retroreflektor 22, der mit einem externen elektronischen Tachymeter 24 zusammenwirkt.
Das Tachymeter 24 ist an einem Ort aufgebaut, dessen Absolutposition bekannt
ist.
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Auf
der Fahrzeugplattform 16 sind ferner ein erster Neigungssensor 26 und
ein zweiter Neigungssensor 28 befestigt, mit denen sich
der Winkel der Fahrzeugplattform 16 relativ zur Horizontalen
getrennt für
die Richtung entlang der Fahrzeuglängsachse 14 und senkrecht
hierzu bestimmen läßt.
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Zum
Meßsystem 10 gehört außerdem eine Auswerteeinheit 30,
die im dargestellten Ausführungsbeispiel
drahtlos mit dem Meßfahrzeug 12 und dem
Tachymeter 24 kommuniziert.
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Das
in der 1 gezeigte Meßsystem 10 funktioniert
wie folgt:
zunächst
wird ein Weg entlang des zu vermessenden Objekts festgelegt, entlang
dem das Meßfahrzeug 12 während des
Meßvorgangs
fahren soll. Im folgenden sei angenommen, daß es sich bei dem zu vermessenden
Objekt um eine Tunnellaibung handelt. Das Meßfahrzeug 12 wird
dann mittig am Tunneleingang positioniert.
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Das
Tachymeter 24 wird so aufgebaut, daß es möglichst lange bei einer Fahrt
des Meßfahrzeugs 12 durch
den Tunnel den Retroreflektor 22 verfolgen kann. Die Absolutposition
des Tachymeters 24 wird in an sich bekannter Weise geodätisch ermittelt.
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Mit
Hilfe einer in der 1 nicht gezeigten Fernsteuerung
wird das Meßzeug 12 nun
mit einer konstanten Geschwindigkeit, z. B. 10 cm/s oder 20 cm/s,
in den Tunnel gefahren. Das Tachymeter 24 verfolgt dabei
den Retroreflektor 22 und übermittelt fortwährend an
die Auswerteeinheit 30 Daten, aus denen diese die Relativposition
des Retroreflektors 22 zu dem Tachymeter 24 ermitteln
kann. Da die Absolutposition des Tachymeters 24 bekannt
ist, kann die Auswerteeinheit 30 aus den übermittelten
Daten die Absolutposition des Retroreflektors 22 und damit des
Meßfahrzeugs 12 kontinuierlich
ermitteln.
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Gleichzeitig
scannt der Laserscanner 18 mit dem Laserstrahl 20 das
Innere der Tunnellaibung ab. Der Laserstrahl wird dabei jeweils
für kurze
Zeit angeschaltet und fällt
auf die Tunnellaibung. Der Laserstrahl 20 hat eine geringe
Divergenz, so daß der
auf der Tunnellaibung erzeugte Lichtfleck vom Abstand des Laserscanners 18 von
dem angestrahlten Meßpunkt
auf der Tunnellaibung abhängt.
Aus dem reflektierten Signal gewonnene Daten werden drahtlos an
die Auswerteeinheit 30 übermittelt,
die daraus in an sich bekannter Weise den Abstand des Laserscanners 18 von
dem Meßpunkt
ermittelt, der an der Tunnellaibung von dem Laserstrahl 20 angestrahlt wird.
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Nach
erfolgter Messung wird die Spiegelanordnung in dem Laserscanner 18 so
verstellt, daß sich
der Laserstrahl 20 um eine Achse dreht, die parallel zur
Fahrzeuglängsachse 14 verläuft. Der
Drehwinkel kann dabei beispielsweise 1° oder 0,5° betragen. Die Auswerteeinheit 30 errechnet
für diesen nächsten Meßpunkt wieder
den Abstand zu dem Laserscanner 18. Anschließend wird
der Laserstrahl 20 erneut um den gleichen Winkel weitergedreht
usw.
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Alternativ
hierzu kann der Laserstrahl 20 auch kontinuierlich gedreht
werden. In diesem Fall wird nur in vorgegebenen zeitlichen Abständen der Abstand
von dem gerade angestrahlten Punkt ermittelt.
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Auf
diese Weise scannt der Laserscanner 18 die Tunnellaibung
entlang einer Meßspur 32 ab,
auf der die von dem La serstrahl 20 angestrahlten Meßpunkte
liegen. In der 1 sind n Meßpunkte mit MP1, MP2 ... MPn
+ 1 bezeichnet. Bei stehendem Meßfahrzeug 12 wird
die Meßspur 32 durch
die Schnittlinie zwischen der Meßebene des Laserscanners 18 und
der Tunnellaibung gebildet. Fährt
das Meßfahrzeug 12,
so liegt jeder einzelne Laserstrahl 20 weiterhin in der
Meßebene.
Die Meßspur 32 liegt aber
nur im Falle einer geradlinig gleichförmigen Bewegung des Meßfahrzeugs 12 und
gleichmäßiger Drehung
des Laserstrahls 20 in einer zu dessen Fahrzeuglängsachse 14 geneigten
Ebene. Im allgemeinen Fall ist die Projektion der Meßspur 32 auf
die Horizontale nicht eine Gerade, sondern eine Kurve mit wechselnden
Krümmungen.
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Wenn
der Laserstrahl 20 die gegenüberliegende Seite erreicht
(Meßpunkt
MPn + 1), wird er mit gleicher Drehrichtung weitergedreht. Der Laserstrahl 20 erfaßt dann
den Tunnelboden und ggf. die Fahrzeugplattform 16. Die
dabei gewonnen Meßwerte werden
von der Auswerteeinheit 30 verworfen. Der gleichmäßig rotierende
Laserstrahl 20 führt,
zusammen mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit des
Meßfahrzeugs 12,
zu einer helixartigen Meßspur
auf der Tunnellaibung. Je schneller dabei das Meßfahrzeug 12 fährt, desto
größer ist
die Steigung der Helix. Über
die Geschwindigkeit des Meßfahrzeugs 12 läßt sich
somit die Dichte der Meßpunkte
in der Fahrtrichtung des Meßfahrzeugs 12 bestimmen.
Die Dichte der Meßpunkte
auf der Meßspur 32 ist
durch den Drehwinkel zwischen zwei benachbarten Meßpunkten
und der Zeit zwischen zwei Drehungen gegeben.
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Damit
die Auswerteeinheit 30 aus den Abständen der Meßpunkte zu dem Laserscanner 18 die Absolutposition
der Meßpunkte
bestimmen kann, muß zusätzlich die
Absolutposition des Laserscanners sowie dessen Orientierung im Raum
bekannt sein. Die Absolutposition des Laserscanners 18 wird in
der oben beschriebenen Weise mit Hilfe des Tachymeters 24 und
des Retroreflektors 22 bestimmt. Zur Ermittlung der Orientierung
des Laserscanners im Raum werden von den Neigungssensoren 26, 28 erzeugte
Daten von der Auswerteeinheit 30 verwendet.
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Da
der Laserscanner 18, die Neigungssensoren 26, 28 und
das Tachymeter 24 nicht synchron Meßdaten erzeugen, müssen die
gewonnen Daten einer gemeinsamen absoluten Zeit zugeordnet werden.
Durch Interpolation der Daten über
die gewonnene Zeitachse ist es dann möglich, die Absolutposition
des Laserscanners 18 und dessen räumliche Orientierung genau
zu dem Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem der Abstand zu einem bestimmten
Meßpunkt MPi
ermittelt wird. Falls die Neigungssensoren 26, 28 eine
so große
Trägheit
haben, daß die
von ihnen zu erfassenden Winkelinformationen verzögert an
die Auswerteeinheit 30 weitergegeben werden, so kann es
sinnvoll sein, einen solchen zeitlichen Versatz in der Auswerteeinheit 30 als
Offset zu berücksichtigen.
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Da
die Meßebene
senkrecht auf der Fahrzeuglängsachse 14 steht,
erfaßt
das Meßsystem 10 nur
die jeweils nächstliegenden
Teile der Tunnellaibung. Die Laserstrahlen 20 treffen dadurch
im wesentlichen senkrecht auf die Tunnellaibung auf, wodurch Abschattungseffekte
vermieden werden. Durch den kurzen Abstand zur Tunnellaibung kann ferner
ein relativ preisgünstiger
Laserscanner 18 verwendet werden, dessen Strahl relativ
stark divergieren darf. Auf diese Weise wird ein preisgünstiges Meßsystem 10 bereitgestellt,
das mit hoher Geschwindigkeit und Meßgenauigkeit eine Vermessung der
Tunnellaibung ermöglicht.
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Im
folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele
erläutert,
wobei jeweils nur die Unterschiede zu dem in der 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
erläutert
werden.
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Die 2 zeigt
in einer perspektivischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel, bei dem auf
der Fahrzeugplattform 16 zwei voneinander unabhängige Laserscanner 18a, 18b hintereinander
angeordnet sind. Die Meßebenen
der beiden Laserscanner 18a, 18b sind parallel
zueinander und verlaufen senkrecht zur Fahrzeuglängsachse 14. Die von
den Laserscannern 18a, 18b erzeugten Laserstrahlen drehen
sich mit der gleichen Drehrichtung um eine zu der Fahrzeuglängsachse 14 parallele
Drehachse. Die an der Tunnellaibung von den Laserscannern 18a, 18b erzeugten
Meßspuren 32a, 32b haben
somit – bei
zumindest annähernd
konstanter Geschwindigkeit – die
Form einer Doppelhelix.
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Wie
in der 2 ferner erkennbar ist, liegen die von den Laserscannern 18a, 18b erzeugten
Meßpunkte
MPa bzw. MPb nicht auf zur Tunnellängsachse parallelen Graden,
sondern sind versetzt zueinander angeordnet. Ein derartiger Versatz
kann entweder durch entsprechende Ansteuerung der Laserscanner 18a, 18b oder
durch eine in Fahrzeugquerrichtung versetzte Anordnung der Laserscanner 18a, 18b auf
der Fahrzeugplattform 16 erzielt werden. Aufgrund der versetzten
Anordnung der Meßpunkte MPa,
MPb wird eine noch gleichmäßigere Überdeckung
der Tunnellaibung mit Meßpunkten
erzielt. Ferner erlaubt die in der 2 gezeigte
Anordnung mit zwei Laserscannern 18a, 18b bei
gleicher Meßpunktdichte
im Vergleich zu dem in der 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
eine verdoppelte Geschwindigkeit des Meßfahrzeugs 12.
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Die 3 zeigt
in Anlehnung an die 2 ein drittes Ausführungsbeispiel,
bei dem auf der Fahrzeugplattform 16 ebenfalls zwei Laserscanner 18a', 18b' angeordnet
sind. Der erste Laserscanner 18a' entspricht dabei in Aufbau und
Funktion den Laserscannern 18 und 18a, wie sie
in den 1 und 2 gezeigt sind.
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Die
von dem zweiten Laserscanner 18b erzeugten Laserstrahlen
liegen in einer Meßebene,
die parallel zur Fahrzeuglängsachse 14 verläuft. Ferner ist
die Meßebene
des zweiten Laserscanners 18b' um eine zu der Fahrzeuglängsrichtung 14 parallele Drehachse 34 verkippbar,
wie dies in der 3 mit Pfeilen 36 angedeutet
ist.
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Die
von dem zweiten Laserscanner 18b' erzeugten Laserstrahlen 20b' drehen sich
ebenfalls kontinuierlich innerhalb der Meßebene, es werden jedoch nur
Meßpunkte
innerhalb eines Winkelbereichs von etwa 80° ausgewertet. Durch diesen relativ
kleinen Winkelbereich ist gewährleistet,
daß die
Laserstrahlen 20b' nicht
zu schräg
auf die Tunnellaibung auftreffen, so daß die Wahrscheinlichkeit für Meßfehler
in Folge von Abschattungen gering ist.
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Die
in einer bestimmten Drehstellung der Drehachse 34 vom zweiten
Laserscanner 18b' erfaßten Meßpunkte
MPb' liegen auf
einer horizontalen Meßspur 32b' auf der Tunnellaibung.
Nach Überstreichen
des gesamten Winkelbereichs wird der zweite Laserscanner 18b' um die Drehachse 34 gedreht, und
zwar vorzugsweise um einen konstanten Drehwinkel, und der Scannvorgang
wiederholt. Die auf diese Weise nacheinander erzeugten Meßspuren 32b' verlaufen somit
waagerecht und parallel zueinander auf der Tunnellaibung, wie dies
in der 3 gut erkennbar ist. Alternativ hierzu kann der
zweite Laserscanner 18b' auch
kontinuierlich um die Drehachse 34 gedreht werden, wodurch
die Meßspuren nicht
mehr parallel zur Tunnellaibung verlaufen.
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Die Überlagerung
des Scanvorgangs mit der Drehung um die Drehachse 36 führt dazu,
daß – bei stehendem
Meßfahrzeug 12 – der zweite
Laserscanner 18b' einen
breiten streifenförmigen
Bereich auf der Tunnellaibung erfaßt. Fährt das Meßfahrzeug 12 während der
Vermessung, so beschreibt der von dem zweiten Laserscanner 18b' überstrichene
Bereich ebenfalls ein helixförmiges
Band, das sich vorzugsweise leicht überlappt. Der zweite Laserscanner 18b' liefert auf
diese Weise einen unabhängigen
Satz von Meßwerten,
wodurch die Meßpunktdichte
erhöht wird.
Da sich die Meßpunkte
ggf. überlappen,
besteht die Möglichkeit,
durch Mittelwertbildung die Meßgenauigkeit
zu erhöhen.
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Die 4 zeigt
in einer perspektivischen und stark schematisierten Darstellung
ein anderes Ausführungsbeispiel
für eine
Positionsmeßeinrichtung, die
anstelle des Tachymeters 24 und des Retroreflektors 22 oder
zusätzlich
hierzu verwendet werden kann.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist auf der Fahrzeugplattform 16 eine Digitalkamera 34 angeordnet,
deren Bilddaten an die Auswerteeinheit 30 übermittelt
werden. In dem Tunnel sind in größeren Abständen polygonartige
Anordnungen selbstleuchtender Fixpunkte 36 befestigt, die
für die
Kamera 34 unterscheidbar sind. Zu diesem Zweck können die Fixpunkte 36 beispielsweise
in unterschiedlichen Farben leuchten.
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Wenn
die Digitalkamera 34 die Fixpunkte 36 gleichzeitig
in einem Bild erfaßt,
so kann die Auswerteeinheit 30 daraus sowohl die Absolutposition
der Kamera 34 (und damit des dazu relativ ortsfesten Laserscanners 18)
und auch die räumliche
Orientierung der Fahrzeugplattform 16 ermitteln. Zu diesem Zweck
benötigt
die Auswerteeinheit 30 lediglich die Absolutpositionen
der Fixpunkte 36. Voraus setzung ist ferner, daß mindestens
drei Fixpunkte 36 gleichzeitig von der Kamera 34 erfaßt und unterschieden werden
können.
Eine Verbesserung der Meßgenauigkeit
ergibt sich, wenn wenigstens vier Fixpunkte 36 eine Gruppe
bilden, die gemeinsam von der Digitalkamera 34 erfaßt werden
kann.
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Die
in der 4 gezeigte Anordnung kann auch in dem Sinne vertauscht
werden, daß die
Fixpunkte auf dem Fahrzeug sind und eine externe Kamera die Fixpunkte
erfaßt.
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Die 5 zeigt
in einer stark schematisierten Darstellung ein Steuersystem für das Meßfahrzeug 12.
Mit 38 ist eine Sensoreinheit bezeichnet, die auf der Fahrzeugplattform 16 befestigt
ist. In der Sensoreinheit 38 ist der Retroreflektor 22 integriert,
auf den das Tachymeter 24 einen Lichtstrahl 40 richtet.
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Zwei
Steuerungslaser 44, 46 erzeugen Steuerungs-Laserstrahlen 48 bzw. 50,
die zueinander parallel verlaufen. In der 2 sind die
Steuerungslaser 44, 46 in unmittelbarer Nähe des Tachymeters 24 gezeigt.
Die beiden Steuerungslaser 44, 46 können aber
auch unabhängig
davon angeordnet und beispielsweise auf einem eigenen Fahrzeug befestigt sein.
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In
der Sensoreinheit 38 sind ein erster halbdurchlässiger Spiegel 52 und
ein zweiter vollständig reflektierender
Spiegel 54 angeordnet, denen jeweils ein Strahllagedetek tor 56 bzw. 58 zugeordnet
ist. Für die
Strahllagedetektoren 56, 58 sind die beiden Steuerungs-Laserstrahlen 48, 50 unterscheidbar.
Dies kann beispielsweise durch unterschiedliche Pulsrasen der Steuerungslaser 44, 46 erreicht
werden.
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Durch
Erfassung der Auftreffpunkte der beiden Steuerungs-Laserstrahlen 48, 50 auf
den Strahllagedetektoren 56 bzw. 58 ist es möglich, die
räumliche
Orientierung der Sensoreinheit 38 (und damit des Laserscanners 18)
exakt zu bestimmen. Es sind dann keine zusätzlichen Neigungssensoren erforderlich.
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Ferner
kann die in der 5 gezeigte Anordnung dazu. verwendet
werden, daß Meßfahrzeug 12 entlang
der Steuerungs-Laserstrahlen 48, 50 zu führen. Eine
Steuerung des Meßfahrzeugs 12 stellt
dabei sicher, daß das
Meßfahrzeug 12 so
gelenkt wird, daß die
beiden Steuerungs-Laserstrahlen 44, 46 stets beide
von den Strahllagedetektoren 56, 58 erfaßt werden
können.
Wenn die Bestimmung der räumlichen
Orientierung durch andere Einrichtungen erfolgt, so genügt zum Zwecke
der Steuerung des Meßfahrzeugs 12 ein
einziger Laserstrahl 48 oder 50.
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Die 6 zeigt
eine Einrichtung zur relativen Positionsbestimmung des Meßfahrzeugs
in einer perspektivischen Darstellung. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind auf der Fahrzeugplattform 16 in der Nähe des Laserscanners 18 drei
Laserpointer 601, 602, 603 in einer zur Fahrzeuglängsachse 14 senkrechten
Ebene angeordnet. Die Laserpointer 601, 602, 603 bilden
zwischen sich einen rechten Winkel, wobei die beiden Laserpointer 601, 603 zu entgegengesetzten
Seiten hin strahlen und der in der Mitte angeordnete Laserpointer 602 nach
oben strahlt. Auf der Tunnellaibung erzeugen die drei Laserpointer 601, 602, 603 Auftreffpunkte 621, 622 bzw. 623.
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Auf
der Fahrzeugplattform 16 sind außerhalb der durch die Laserpointer 601, 602, 603 festgelegten
Ebene zwei Digitalkameras 641, 642 angeordnet, die
als Kreise angedeutet sind. Der räumliche Erfassungsbereich der
Digitalkamera 641 ist in der 6 durch
gestrichelte Linien 661 gekennzeichnet. Die andere Digitalkamera 642 hat
einen hierzu symmetrischen Erfassungsbereich. Die beiden Erfassungsbereiche
der Digitalkameras 641, 642 überlappen sich in der Mitte,
so daß jede
Digitalkamera den oberen Auftreffpunkt 622 erfassen kann.
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Durch
Auswertung gleichzeitig von den beiden Digitalkameras 641, 642 aufgenommener
Bilder der Auftreffpunkte 621, 622, 623 kann
mittels triangulatorischer Berechnungen der Abstand des Meßfahrzeugs 12 von
den Auftreffpunkten 621, 622, 623 und damit
von der Tunnellaibung bestimmt werden. Eine Steuerung des Meßfahrzeugs 12 kann
dann beispielsweise so ausgelegt sein, daß das Meßfahrzeug 12 selbständig einen
genau in der Mitte des Tunnels liegenden Weg nimmt. Auf eine Steuerung
des Meßfahrzeugs 12 durch
einen mitfahrenden Fahrer oder mit Hilfe einer externen Steuerung
kann dann verzichtet werden.
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Da
auch die Meßpunkte
MP des Laserscanners 18 im Erfassungsbereich 66 der
Digitalkamera 641, 642 liegen, können die
von den Kameras 641, 642 gelieferten Digitalbilder
auch dazu verwendet werden, zusätzliche
Informationen zur Form der Tunnellaibung zu erhalten. Da die Absolutpositionen
der Meßpunkte
MP von der Auswerteeinheit 30 ermittelt werden, kann jedes
Bild, in dem ein Meßpunkt
MP liegt, präzise
lokalisiert werden.
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Die 7 zeigt
in einer schematischen Vorderansicht eine Einrichtung zur relativen
Positionsbestimmung des Meßfahrzeugs
gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel.
Von dem in der 6 gezeigten Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich die in der 7 gezeigte
Einrichtung lediglich dadurch, daß zwei Digitalkameras 641', 642' derart auf
der Fahrzeugplattform 16 ausgerichtet sind, daß ihr Erfassungsbereich
auf der jeweils anderen Fahrzeuglängsseite liegt. Auf diese Weise
können
Digitalkameras mit einer Kameraoptik verwendet werden, deren Weitwinkelwirkung
kleiner ist, wodurch Verzerrungen bei der Abbildung verringert werden.
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Die 8 zeigt
in einer perspektivischen schematischen Darstellung eine Einrichtung
zur relativen Positionsbestimmung des Meßfahrzeugs gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel.
Im Gegensatz zu den in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispielen
ist hier nur eine einzige Digitalkamera 64 vorhanden. Da
eine einzelne Kamera die weit auseinander liegenden Auftreffpunkte 621, 622, 623 nicht
gleichzeitig erfassen kann, ohne daß es dabei zu beträchtlichen
Bildfehlern kommt, wird der von der Digitalkamera 64 erfaßbare Bildbereich mit
Hilfe einer Spiegelanordnung 66 in drei Bereiche 701, 702 und 703 aufgeteilt.
Die Spiegelanordnung 66 umfaßt zu diesem Zweck zwei Prismenspiegel 681, 682,
die jeweils einen seitlichen Bereich des Bildfeldes um etwa 90° umlenken.
Auf diese Weise kann die Digitalkamera 64 alle Auftreffpunkte 621, 622, 623 gleichzeitig
erfassen.