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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur computergestützten Erfassung von Querprofilen von Fließgewässern. Daneben betrifft sie eine Vorrichtung zur computergestürzten Erfassung von Querprofilen.
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Damit der Hochwasserschutz gewährleistet werden kann, wurden Bäche in Regeltrapezprofile ausgebaggert, womit ein Überwachen möglich war. Jedoch stellte man schnell fest, dass dies zum Nachteil der Biotope war und ging, auch auf Grund des Naturschutzes und der damit verbundenen Artenvielfalt dazu über, die Bäche wieder zu renaturieren.
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Bei aktuellen Messverfahren sind häufig mehrere Personen notwendig. Bei dem terrestrischen Verfahren hält eine Person in bestimmten Abständen eine Art Messlatte in das Fließgewässerquerprofil, während eine weitere Person die Wasserhöhe abliest. Die
DD 000000265463 A1 betrifft ein Verfahren zum Erfassen von Unterwasserprofilen mittels eines Tachymeters. Beide Vorgehensweisen sind ungenau und aufwendig, da man anschließend aus den Daten eigenständig ein Profil entwerfen muss. Desweiteren kann es zu starken Ungenauigkeit kommen, da die Messlatte nur in bestimmen Abständen ins Wasser gehalten wird. Aber auch der starke Zeitaufwand und die Beschädigung der Pflanzen durch die Messende Person auf dem Bachgrund ist ein wesentlicher Nachteil, welche nicht im Sinne der Renaturierung ist.
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Bei einer Messmethode nach
DE 000019929708 B4 wird das Bachprofil mittels akustischer Schallwellen aufgenommen. Ein ähnliches Verfahren führt Messungen auf Basis eines Echolotes durch. Dazu fährt ein Boot über den jeweiligen Fluss oder ein Flugzeug überfliegt das Gebiet. Diese Verfahren unterliegen oftmals Anforderungen, welche in renaturierten Gebieten nicht bedient werden können. So ist es an manchen Bächen nicht möglich das Bachprofil mittels eines Bootes aufzunehmen, da dieses einen höheren Wasserstand erfordert, um überhaupt in diesem zu schwimmen. Bei der Echolotmessung durch ein Flugzeug behindern oft Bäume oder höhere Schilfpflanzen den zu Messenden Bereich.
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Gegen solche Verfahren spricht auch das Problem des 2 Medien-Überganges von Luft zu Wasser, welcher aufgrund von Reflektion an der Grenze zu Messfehlern und Ungenauigkeiten führen kann. Korrekte Messungen können demnach nur innerhalb eines Mediums, also unterhalb des Bootes oder oberhalb des Wasserstandes, vorgenommen werden, womit eine Aufnahme des Komplettprofils nicht möglich ist. Der Aufwand und die Kosten für diese Methoden sind folglich auch dementsprechend hoch.
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Ziel des Erfindungsgegenstandes sind ein Verfahren zur Aufnahme vollständiger Querprofile von Fließgewässern und eine zur Durchführung des Verfahrens benötigte Vorrichtung. Dem Verfahren unterliegt eine kettenähnliche Konstruktion, welche an den beweglichen Übergängen zum Nächsten einen Sensor besitzt. Dieser ermittelt den Winkel zwischen diesen, wodurch sich eine einfache Vektorenmessung von Glied zu Glied ergibt. Die Kette wird über den Flussabschnitt hinüber ausgelegt um sich auf dem Flussboden abzutragen und durch die Sensoren eine präzise Profilermittlung durchzuführen. Voraussetzung dafür ist eine wasserbeständige und stabile Konstruktion.
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Bei einer möglichen Umsetzung kann es sich um folgend beschriebene Konstruktion handeln. Als Sensor für die Winkelmessung dienen Potentiometer. Dieser ist mithilfe von Winkeln an den Gliedern befestigt und befindet sich symmetrisch auf dem Drehpunkt des Gelenkes. Die Verbindung zum Folgeglied wird durch einen Stift hergestellt. Der Drehpotentiometer ändert seinen Widerstand bei Veränderung des Winkels zwischen den zwei Kettengliedern, an welchen er befestigt ist. Die aus dem Widerstand resultierende Spannung wird mithilfe eines Mikroprozessors ausgewertet und per Bus an das Kommunikationsmodul weitergegeben, in welchem sich der Hauptcontroller befindet. Diese Umsetzungsidee basiert auf der Zusammenfassung der Kettenglieder in ein Kettenmodul, welches sich in vorteilhafter Ausgestaltung aus 5 dieser Glieder zusammensetzt und einen Controller besitzt, womit es möglich ist, die Kette in ihrer Länge zu ändern. Die Controller auf der Kette werden vom Hauptcontroller des Kommunikationsmodules angesprochen, woraufhin die von den Potentiometern anliegende Spannung gemessen und an das Kommunikationsmodul zurückgegeben wird, welches diese Werte zentral speichert und im Ausleseprozess an die Software des Computers weitergibt. Die Spannungsversorgung wird mittels eines Akkus gewährleistet.
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Desweiteren wird das System in einer Umhüllung, wie ein flacher, rissfester Schlauch, oder durch das Einlassen in gegossene Hartplastik, welches möglichst wenig Auftrieb ermöglicht, vor etwaigen Umwelteinflüssen geschützt.
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Daraus ergeben sich folgende Vorteile: Der Erfindungsgegenstand ergibt eine neue Möglichkeit der Querprofilanalyse. Zudem können in der Anwendung die Daten vollständig digital erfasst und weiterverarbeitet werden. Es sind keine Justierungen und Abstandsmessungen vor Ort notwendig. Bei der Profilkette handelt es sich um eine verständliche Konstruktion, welche nur wenig Fachwissen des Anwenders voraussetzt. Eine Kettenkonstruktion bietet eine leichte Transportmöglichkeit und lässt sich auch ohne Befahren des Geländes mit einem PKW einsetzen. Durch Änderungsmöglichkeiten in der Länge, kann sie der Flussbreite angepasst werden. Die Messung ist unabhängig vom Wasserstand und der Vegetation.
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Daneben ist auch einen Reihe von Erweiterungen denkbar. So kann, um die Kette mobiler zu machen, in das Kommunikationsmodul ein Display und eine Steuerungseinheit integriert werden, mit dessen Hilfe Profile auch ohne einen PC oder Laptop aufgenommen werden können. Es ergibt sich daraus auch das Speichern mehrerer Profile im Kommunikationsmodul. Eine weitere Erweiterung ist, die Hardware mithilfe eines GPS-Empfangsmodules auszustatten, wodurch die Bestimmung der Position in die Profilinformation aufgenommen werden kann. Die Erweiterung der Computersoftware durch eine positions- und zeitbestimmte Verwaltungsfunktion gibt die Möglichkeit, Profile in ihrem zeitlichen Verlauf zu beobachten und zu vergleichen. Desweiteren ist eine Software nötig, welche das Bachprofil darstellt, verarbeitet und somit die Durchlaufmenge berechnet.
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Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu werden Zeichnungen herangezogen. Die Zeichnungen zeigen:
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in 1 eine Draufsicht auf einen Abschnitt der Vorrichtung zur computergestützten Erfassung von Querprofilen
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in 2 einen Schaltplan des Kommunikationsmoduls
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in 3 einen Schaltplan des Kettenmoduls
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in 4 einen Programmablaufplan für das Kettenmodul und
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in 5 einen Programmablaufplan im Kommunikationsmodul
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Das Kettenmodell ist nach einem Modulprinzip aufgebaut. Neben dem Computer, welcher zum Verarbeiten der Werte zuständig ist, benötigt der Anwender zum einen das Kommunikationsmodul, als auch als Minimum ein Kettenmodul um ein kleineres Profil aufzunehmen. Ein Kettenmodul besteht aus fünf Kettengliedern. Bei dem Modell besteht ein Kettenglied aus Holz mit zwei Aluminiumschienen als seitlicher Abschluss. Diese Schienen stehen an beiden Holzenden über und dienen zum Verbinden der Kettenglieder. Dabei ist jedes zweite Kettenglied um die doppelte Materialstärke der Aluminiumschiene dünner als die normalen Kettenglieder. Somit ist ein Verbinden der Glieder durch selbstsichernde Muttern und Schrauben möglich. Zwischen den beiden Gliedern befindet sich ein Drehpotentiometer 6. Ein Potentiometer 6 bezeichnet einen linear-regelbaren Widerstand, welcher nach Auswerten dessen den Winkel zwischen den beiden Gliedern angibt. Der Potentiometer 6 ist mithilfe von Winkeln an den Gliedern befestigt. Da die Länge eines Kettenmoduls im Model auf 1,1 m festgelegt ist, sind für die effektive Arbeit mindestens zehn Kettenglieder somit zwei Module erforderlich.
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Die Kette soll so variabel wie möglich gestaltet sein, damit sie verschiedenen Anforderungen entspricht. Somit ist es von der Idee und von der Software theoretisch möglich, bis zu 99 Kettenmodule mit dem Kommunikationsmodul zu verknüpfen. Dies entspricht einer Gesamtlänge von knapp 110 m. Für das Modell haben wurden aus Kostengründen nur zwei Module gefertigt, dabei handelt es sich um ein funktionierendes, schematisches Vorführungsmodell der Konstruktion. Wie zu erkennen bestehen die einzelnen Bauteile für das Model aus einfachen Mitteln, da die Vorführung der Funktionsweise im Vordergrund steht. Trotzdem war es das Ziel, dieses Modell so realitätsnah wie möglich umzusetzen. Die meisten Bauteile sind dabei handgefertigt und an das Modell angepasst.
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Das Kommunikationsmodul, welches in einem kleinen Gehäuse untergebracht ist, übernimmt die Aufgabe, Befehle vom Terminal – der Software für den PC – entgegenzunehmen und zu verarbeiten. Des Weiteren liest es die Daten von den Modulen aus, um sie an das Terminal zu übergeben.
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Die gesamte Peripherie basiert auf Mikrocontrollern 15. Im Gehäuse des Kommunikationsmodules befinden sich der Anschluss für die 5 V Spannungsversorgung der Peripherie, die USB-Buchse 12 für den Datenaustausch mit dem Rechner und die Verbindungsbuchse für das erste Kettenglied. Für etwaige Updates und Änderungen der Software, welche auf den Mikrocontroller 15 ausgeführt werden, ist eine Programmierschnittstelle vorhanden. Um die Funktion des Kommunikationsmoduls zu überprüfen, sind zwei Leuchtdioden mit dem USB Anschluss 12 und eine am Mikrocontroller 15 verbunden. Im Falle eines Senden- oder Empfangsprozesses oder beim Verbinden mit einem PC leuchten die jeweiligen LEDs kurzzeitig auf. Gegen mögliche Spannungsschwankungen, welche einen störungsfreien Betrieb beeinträchtigen können, befinden sich mehrere Kondensatoren auf der Platine. Sie glätten diese und halten damit die Spannungsversorgung konstant. Über einen Taster ist ein manuelles Zurücksetzten des Mikrocontrollers 15 möglich.
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Als Kommunikationsschnittstelle zwischen PC und dem Kommunikationsmodul dient das UART(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)-Protokoll auf der Seite des Mikrocontrollers 15. Da ein normaler Laptop oder PC eine solche Schnittstelle nicht besitzt, ist dem Mikrocontroller 15 im Kommunikationsmodul ein FT232RL 16, ein elektronsicher Chip, welcher für die Übersetzung zuständig ist, zwischengeschaltet. Ein Vorteil dieses Bauteils ist es, dass dieses Signal nicht über eine serielle Schnittstelle in den Rechner gelangen muss, sondern die Verbindung über die USB-Schnittstelle 12 erfolgt. Die serielle Schnittstelle wird virtuell in dem System eingerichtet und kann wie eine echte Schnittstelle über einen COM Port angesteuert werden, welches eine einfache und überschaubare Möglichkeit darstellt Daten zu übergeben.
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Um einen zuverlässigen Datenaustausch zu garantieren, wird ein externer Quarz als Taktgeber für den Mikrocontroller 15 eingesetzt.
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Die Software für das Kommunikationsmodul durchläuft eine einfache Schleife, deren Programmablauf sich im Anhang 3 befindet. Die Software beginnt mit der Initialisierung der Variablen und Funktionen, führt anschließend eine Startausgabe durch und wartet auf einen Befehl vom Terminal. Falls ein Befehlsbyte von der Software des Computers per UART empfangen wurde, wird dieser einer Aktion zugeordnet. Durch das Befehlsbyte kann zwischen 8 Bit, also 256 Befehlen unterschieden werden, angefangen bei 0 ergibt sich damit der Bereich von 0 bis 255. Grundlage für die Profilabfrage ist der Befehl 201. Er steht für die Anweisung, welche das Kommunikationsmodul zur Abfrage aller Kettenmodule veranlasst, die dann in seinen Speicher geschrieben werden. 203 entspricht demselben Vorgang, sichert jedoch diese Werte in dem Kalibrierungsspeicher. Wenn der Befehl im Bereich von 1–99 liegt, prüft der Mikrocontroller 15 ob dieser Wert einem Potentiometer 6 entspricht, also kleiner oder gleich der Gelenkanzahl ist. Falls dies zutreffen sollte, gibt er den Messwert per UART aus, welcher übersetzt an den Computer und damit wieder an das Terminal zurück gegeben wird. Das gleiche geschieht mit den Kalibrierungswerten, falls der Befehl im Bereich von 101 bis 199 liegen sollte. In einem solchen Fall wird, um auf das angefragte Gelenk schließen zu können, 100 vom Befehlsbyte abgezogen. Sonderbefehle sind unter anderem 202, die Übersichtsabfrage der Messwerte und 204 die Übersichtsabfrage der Referenzen. 205 gibt einen im Mikrocontroller 15 fest definierten Statusbericht aus, welcher sich bei Funktionskontrollen als sehr nützlich erweist. Ungültige Befehle führen zu einer verständlichen Fehlermeldung, welche an das Terminal gesendet wird.
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Für die Verarbeitung der Messdaten ist es erforderlich, Kalibrierungswerte auslesen zu können, um zu errechnen, für wie viel Grad eine 1 im Byte der Messung steht. Um einen einfachen Austausch des Potentiometers 6 im Modell zu ermöglichen oder dessen leichte Bewegungen in der Halterung auszugleichen, kann der Kalibrierungswert für 0° einfach durch das Aufnehmen des Profils im gestreckten, flachliegenden Zustand korrigiert werden.
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Diesem Profil wird im Kommunikationsmodul ein separater Speicherplatz zugewiesen und kann auch folglich mehrmals über das entsprechende Befehlsmenü des Terminals abgefragt werden. Die Kalibrierungswerte für die 90°-Stellung der Kettenglieder müssen separat erstellt werden und sind unter den Einstellungen einzutragen. Im real existierenden Produkt wäre es nicht nötig, diese Werte aufzunehmen, da sie in den Mikrocontroller 15 fest einprogrammiert werden.
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Der Datenaustausch zwischen dem Kommunikationsmodul und den Kettenmodulen basiert auf dem I2C-Bus (Inter Integrated Circuit). Der Mikrocontroller 15 im Kommunikationsmodul ist der Master, alle angeschlossenen Kettenmodule sind Slave. I2C kennt im Falle von nur einem Master zwei Möglichkeiten Daten zu vermitteln. Zum einem kann der Master einen Befehl in Form von mehreren Bytes an den Slave senden, zum anderen auf Anfrage die Daten vom Slave erhalten. Um die Werte von den Potentiometern 6 in das Terminal auf den Computer zu laden, verwenden wir das Transmitter-Prinzip, die zweite Möglichkeit. Im I2C gibt der Master den Takt über eine SCL(Clock)-Leitung vor und lässt sich die Bytes nach Aufforderung über eine zweite Leitung senden. Damit entfällt eine externe Taktversorgung zumindest für die Kettenmodule.
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Jedes Kettenmodul folgt sowohl in der Hardware, der Elektronik und der Software demselben Aufbau. Es befinden sich zwei Buchsen, eine an der Kommunikationsmodul zugewandten und eine an der abgewandten Seite der Kette. Die Anschlussbuchse, bestehend aus sechs Pins, von welchen einer keine Verwendung findet und für etwaige Erweiterungen reserviert ist. Diese Verbindung hat, wie dem Schaltplan gut zu entnehmen ist, zwei Pins für die Spannungsversorgung, zwei für die Kommunikation auf I2C (SDA und SCL) und ein weiterer für einen möglichen Reset aller Kettenmodule. Dieser kann bei einer möglichen Softwarefehlfunktion der Kettenmodule diese bequem über das Terminal auf den Ursprungszustand zurücksetzten und die Software neu starten. Dabei setzt das Kommunikationsmodul die Leitung, welche am RST(Reset)-Pin angeschlossen ist, kurzzeitig auf Masse.
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Um die Spannung, welche aus der Potentiometerstellung resultiert, zu messen und in einen Wert umzuwandeln greifen wir auf ADC (Analog To Digital) Eingänge zurück. Dieser Wandler benötigt eine Referenzspannung um sie mit der zu Messenden zu vergleichen. Als Ausgabe erhält man eine Zahl zwischen 0 und 1023, welcher im Modell auf 0–255 gewandelt wird, gleichzusetzen mit 0 V und der Referenzspannung von Fall 5 V.
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Der vom ADC übergebene und verrechnete Wert ist dementsprechend systemkonform und kann besser per I2C versendet und verarbeitet werden. Problematisch ist es, dass die erwähnten SDA und SCL Kommunikationspins des verwendeten Mikrocontrollers 15 hardwarebedingt auf zweien des ADC Wandlers liegen, womit nur die Möglichkeit offen ist, vier Potentiometer 6 abzufragen. Als Lösung dient dazu ein kleines Wechselrelais 17, welches zwischen dem ersten und zweiten Potentiometer 6 wechselt. Die Software folgt einem einfachen Programmablauf. Nach der Initialisierung der Kommunikation und dem Starten eines Timers beim Programmstart, durchläuft der Code eine Schleife. Am Schleifenbeginn findet die Abfrage des TWINT, einem Bit welches gesetzt wird, wenn die SDA Leitung vom Master – dem Kommunikationsmodul – auf Masse gesetzt wird, statt. Falls der Benutzer also den Befehl zur Profilaufnahme an diesen gesendet hat, fragt es die Module der Adressierung folgend ab. Bei dieser Anfrage erhält der Mikrocontroller 15 vom Master die gemeinte Adresse. Dies ist nötig, da alle Kettenmodule parallel mit den SDA und SCL Leitungen verbunden sind, aber nur einer seine Werte übermitteln kann und damit die Übertragung asynchron vonstattengeht. Ist die Adresse korrekt, übermittelt er den ersten Wert aus dem Sendespeicher. Das Kommunikationsmodul führt pro Kettenmodul fünf Anfragen aus. Nach jeder Werteübergabe begibt sich der AVR in eine neuen Zustand, welche jeweils als Case bezeichnet werden. In diesen neuen Verzweigungen schreibt er in das Senderegister den nächsten Byte, welcher dem neuen Potentiometerwert entspricht. Falls eine Übertragung fehlerhaft durchgeführt wurde, und sich die Software in einer falschen Case befindet, setzt sie der Timer nach einer kurzen Zeit wieder auf die erste Case. Falls keine Werteübergabe erwünscht ist, werden die Potentiometerspannungen per ADC nacheinander abgefragt und übernommen.
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Die Software wurde für das handelsüblichste Betriebssystem konzipiert. Sie hat die Aufgabe, den Messprozess zu starten und die Ergebnisse aus dem Kommunikationsmodul zu Laden. Die Peripherie ist plattformunabhängig, es kann damit die nötige Software für das jeweilige System nachgeschrieben werden.
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Die Verarbeitung im Terminal wird im Kern durch folgende Funktionen definiert: Die Funktion Winkelumrechnung() wandelt die von Potentiometer 6 erhaltenen Werte (0–255) in den Winkeln zwischen jedem Kettenglied um. Dabei errechnet die Funktion mithilfe der Kalibringungswerte, wie viel Grad eine 1 entspricht. Dieser Faktor wird für jeden Potentiometer 6 aus den Kalibrierungswerten errechnet. Die Formel dazu lautet: fak = kal90° – kal0°90°.
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Dieser Faktor wird mit der Messung multipliziert, wodurch sich der Winkel ergibt. Dieser Winkel wird des Weiteren für Folgeberechnungen in Bogenmaß umgerechnet und in eine Datenbank eingetragen.
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Die Funktion Punkteberechnen() errechnet die Position der Punkte und speichert diese auch in die Datenbank. Zuerst erstellen wir einen Anfangspunkt welcher durch einen Klick der rechten Maustaste auf die Position im Anzeigefeld umdefiniert werden kann. Der Anfangspunkt stellt einen ersten, virtuellen Potentiometer 6 und damit den Anfang der Kette dar, welcher sich auch in der Datenbank gesichert wird und der Ursprung aller weiteren Berechnungen darstellt. In dieser Funktion werden, mit Hilfe der Koordinaten Xn, Yn und dem Winkel, die Werte für den nächsten Punkt errechnet.
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Der jeweils neue Punkt errechnet sich aus der Formel für Xn: Xn = Xn – 1 + cos(Winkeldifferenz)·Länge Und für Yn: Yn = Yn – 1 + sin(Winkeldifferenz)·Länge
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Folgend werden die Punkte durch eine Schleife gezeichnet und miteinander verbunden, womit das Profil für weitere Berechnung zur Verfügung steht.
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Um mögliche Messungenauigkeiten anzupassen, kann durch die Wahl eines schwarzen Punktes – dem real existierendem Gelenk – der Winkel angepasst werden. Auch das Erstellen eines neuen Bachprofils ist damit möglich. Dazu muss im Anzeigefeld ein Punkt mit der linken Maustaste ausgewählt werden. Nachdem der Punkt markiert wurde, kann der Winkel durch ein erscheinendes Bearbeitungsmenü angepasst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- breites Kettenglied
- 2
- Schiene
- 3
- Elektronik mit Mikrocontroller
- 4
- Verbindung Potentiometer – Mikrocontroller
- 5
- Befestigung des Potentiometers am Folgeglied
- 6
- Potentiometer als Sensor
- 7
- Symmetrielinie des Gelenkes
- 8
- Verbindung der Gelenke durch Überlappen
- 9
- Halterung für den Potentiometer am Kettenglied
- 10
- schmales Kettenglied
- 11
- Stromversorgung
- 12
- USB-Anschluss
- 13
- Programmieranschluss
- 14
- Modulverbindung
- 15
- Mikrocontroller
- 16
- Übersetzungsbaustein
- 17
- Relais
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DD 000000265463 A1 [0003]
- DE 000019929708 B4 [0004]
