DE19513116A1 - Verfahren zum berührungsfreien Vermessen von Tunnelprofilen oder Straßenoberflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum berührungsfreien Vermessen von Tunnelprofilen oder Straßenoberflächen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei schienengebundenen Verkehrsmitteln stellen die Einführung des Hochgeschwindigkeitsverkehrs im Personen- wie auch im Güterverkehr im Interesse eines hohen Sicherheitsstandards immer höhere Anforderungen bezüglich der Einhaltung enger Toleranzen des Gleissystems. Dazu gehört auch die Kontrolle des Lichtraumprofils von Tunnelbauwerken sowie eine Überwachung eventueller Änderungen im Lichtraumprofil aufgrund alterungsbedingter oder geologischer Vorgänge. Dies macht eine häufige und exakte Kontrolle der Bauwerke erforderlich. Die Kontrolle sollte lückenlos und bei schneller Fahrt möglich sein, um Zugpausen für die Kontrollfahrten nutzen zu können. Meßgeschwindigkeiten bis 100 km/h sind anzustreben.

Bisherige Systeme basieren zum Teil auf mechanischen Meßgeräten und sind damit nicht bei hohen Geschwindigkeiten einsetzbar. Optische Meßverfahren sind bekannt, dabei werden jedoch entweder nur bestimmte diskrete Positionen des Tunnelumfangs überwacht oder die Meßsysteme sind nur für eine kontinuierliche Messung bei kleinen Geschwindigkeiten geeignet, wie z. B. mit einem Scanner.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Vermessung von Tunnelprofilen und Straßenoberflächen, bspw. von Autobahnen zu schaffen, das lückenlos ist und Meßgeschwindigkeiten bis zu 300 km/h erlaubt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf einfache und kostengünstige Weise die berührungsfreie, kontinuierliche Vermessung des Profils von Tunnelbauten und Galerien, vorzugsweise bei gleisgeführten Verkehrssystemen, beispielsweise Eisenbahnen. In gleicher Weise ist das Profil von Fahrbahnoberflächen zu registrieren, beispielsweise von Autobahnen.

Bei dem Lichtschnittverfahren wird mittels einer geeigneten Optik ein Lichtfächer auf das Objekt beziehungsweise Gegenstand, wie Tunnelwand - projiziert. Damit wird eine Meßebene definiert. Wenn die so beleuchtete Tunnelwand mittels einer Video-Kamera unter einem definierten Winkel zur Meßebene beobachtet wird, kann das räumliche Profil des Objektes bestimmt werden.

Bei einem später beschriebenen Ausführungsbeispiel mit einer schematisch dargestellten Geometrie (Fig. 1) entspricht einer bestimmten Spaltenposition des Videobildes stets ein bestimmter Abstandswert. Ebenso entspricht jeder Zeilenposition des Videobildes eine bestimmte vertikale Position auf dem Objekt.

Somit ist in der durch den Lichtfächer definierten Ebene eine eindeutige Profilbestimmung gegeben.

Das Auslesen der kontinuierlich erfaßten Positionsdaten erfolgt standardmäßig im Zeitabständen von 40 ms (Videotakt).

Durch Variation der Fahrgeschwindigkeit kann der räumliche Abstand der Auslesepunkte der jeweils geforderten Auflösung angepaßt werden. Das System ist für Kontrollfahrten mit Geschwindigkeiten bis zu 300 km/h einsetzbar, da keine mechanischen Sensoren verwendet werden. Eine prinzipbedingte Höchstgeschwindigkeit für das Meßsystem liegt nicht vor.

Während der Meßfahrt werden die Profildaten an einer geeigneten digitalen Schnittstelle zur Aufzeichnung auf einem Datenband bereitgestellt. Auf einem Monitor im Fahrzeug wird das Signal der einzelnen Kameras in Real-time dargestellt, so daß eine Grobauswertung der Videodaten schon während der Fahrt möglich ist. Insbesondere kann auf dem Monitor zusätzlich das einzuhaltende Lichtraumprofil dargestellt werden, so daß jederzeit eine Entscheidung möglich ist, ob eine Unterschreitung dieses Profils vorliegt oder die Meßfahrt mit erhöhter Genauigkeit wiederholt werden sollte.

Das gewählte Meßverfahren verwendet als Lichtquelle einen stark divergenten Laserlicht-Fächer. Damit ist sichergestellt, daß außerhalb des Streckenbereiches, z. B. an Bahnübergängen keine Gefährdung von Personen während der Messung auftritt.

Das System ist aus handelsüblich erhältlichen Komponenten aufgebaut.

Die Beleuchtung des Gegenstandes erfolgt kontinuierlich. Das Bild der von den Kameras erfaßten Profillinie wird auf dem CCD-Chip ebenso kontinuierlich gespeichert. Dieses als Ladungs-Muster gespeicherte Bild wird im Video-Takt von 40 ms abgerufen, vorverarbeitet und zur Speicherung auf dem Magnetband bereitgestellt.

Es sind auch die Zwischenbereiche zwischen den Video-Auslesetakten von 40 ms ersichtlich, da die Kamera aufgrund ihrer Bauart jede Lichtintensität zwischen zwei Auslesetakten registriert und speichert. Sofern sich die Bildinformation zwischen zwei Auslesetakten ändert, werden sämtliche Zwischenbilder einander überlagert abgespeichert. Damit sind jeder Abschnitt und jede kritische Diskontinuität lückenlos feststellbar.

Zur Auswertung der Kamerasignale ist es bei dem gewählten Lichtschnittverfahren hinreichend, im Gesichtsfeld einer jeden Beobachtungskamera die Position einer Profillinie zu detektieren. Eine Mehrdeutigkeit kann systembedingt (Schnitt mit einer Lichtebene) nicht auftreten. Die Erkennbarkeit der Laserlinie gegenüber eventuell vorhandener anderer Lichtquellen (Beleuchtung, Tageslicht) kann darüberhinaus durch Filter verbessert werden.

Zur Identifikation des Bildes der Profillinie genügt eine Angabe der Zeilenzahl und der zugehörigen Spaltenposition des belichteten Pixels des CCD-Targets, insbesondere der Schwerpunktposition bei mehreren belichteten Pixeln.

Die von dem Kameras ermittelten Daten werden so aufbereitet, daß ein Schnittbild des Umgrenzungsprofils generiert werden kann. Die tangentiale Auflösung beträgt auf einem Radius von 4 m etwa 1 cm bei Verwendung heute üblicher 512 × 512 Pixel-Kameras.

Die Auflösung in Fahrtrichtung ist bezüglich der Erkennung von Objekten durch den Strahldurchmesser begrenzt; dieser beträgt etwa 1 cm. Die Auslesung erfolgt im Abstand von 8 cm.

Die Geometriedaten des schienenbezogenen Umgrenzungsprofils werden mit den von dem Inertialsystem gelieferten Daten zu absoluten Lagedaten verarbeitet.

Nach dem Anspruch 5 sind Abschattungen bei Nischen oder Mauervorsprüngen in der Tunnelwand weitgehend auszuschalten. Außerdem können die beiden Kameras eines Segmentes so synchronisiert werden, daß eine effektive Erhöhung der Abtastfrequenz um den Faktor 2 erreicht wird.

Entsprechend dem Anspruch 6 wird die Tunnelwand kontinuierlich vermessen, auch wenn Hindernisse zwischen der Tunnelwand und dem Gleiskörper angeordnet sind, beispielsweise Oberleitungsmaste.

Gemäß dem Anspruch 7 sind auch Systeme erfaßt, bei denen die Weiterleitung der Bildinformation zum Rechner durchgehend in digitaler Form erfolgt.

Eine einfache und kostengünstige Ausbildung und Anordnung eines Meßkopfes ergibt sich aus dem Anspruch 8. Vier oder sechs Kameras sind radial zu einer einzigen, zentralen Lichtquelle angeordnet. Mit vier Kameras ist ein 290°-Segment eines Tunnelprofils zu überwachen. Zur Vermessung des gesamten Lichtraumprofils von 360° sind sechs Kameras erforderlich. Durch zwei weitere Kameras ist die Schienenposition kontrollierbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Anordnung eines Meßkopfes für ein Tunnelprofil,

Fig. 2 eine weitere Prinzipdarstellung eines Meßkopfes mit zentral angeordneter Lichtquelle,

Fig. 3-5 einen Meßkopf in drei Ansichten und

Fig. 6, 7 Meßköpfe für bestimmte Anwendungen.

Nach Fig. 1 besteht das Meßsystem aus mindestens zwei Meßköpfen 10, welche jeweils eine fächerförmig aufgeweitete Lichtquelle in Form eines Lasers 1 und mindestens eine CCD- Videokamera 3 enthalten. In Fig. 1 ist nur ein Meßkopf 10 dargestellt. Die Meßköpfe 10 sind an dem Aufbau 20 eines schematisch dargestellten, schienengebundenen Meßfahrzeugs 21 befestigt.

Mittels des Lasers 1 wird jeweils ein Tunnelsegment 31 eines Tunnels 15 von einem schmalen, aufgefächerten Lichtband 2 in einem Bereich 4 beleuchtet, dessen Ebene 23 senkrecht zur Fahrzeug-Längsrichtung 24 steht. Die durch den Schnitt des Lichtbandes 2 mit dem Profil 22 erzeugte Lichtlinie 8 des Tunnelquerschnittes 25 wird auf das Target einer Videokamera 3 abgebildet. Die Kamera 3 ist bzw. kann in horizontaler und vertikaler Richtung um definierte Winkel 26 gegen die Fahrzeug- Längsachse 24 geneigt und kann zusätzlich um einen bestimmten Winkel um ihre eigene Längsachse gedreht sein. Durch die Abbildung ist jeder Punkt der Lichtlinie 8, die sich aus dem Schnitt der Ebene 23 des Lichtbandes 2 und dem Tunnelprofil 9 ergibt, eindeutig einem Punkt des Targets der Videokamera 3 zugeordnet. Durch eine geeignete geometrische Transformation kann somit in jedem Tunnelsegment 31 aus dem Bild der Lichtlinie 8 eindeutig das Tunnelprofil 9, rechtwinkelig zur Fahrzeug-Längsachse 24, bestimmt werden.

Bedingt durch die geometrische Anordnung der einzelnen Meßköpfe 10 am Meßfahrzeug 21 ist eine eindeutige Korrelation der von den verschiedenen Kameras 3 erfaßten Tunnelsegmente 31-34 gegeben. Damit ist im Koordinatensystem des Fahrzeugs 21 die Lage eines jeden Punktes der Tunnelwand 11 eindeutig bestimmt. Durch Vergleich der Positionsdaten der verschiedenen Meßköpfe 10 werden die überlappenden Bereiche 35 der verschiedenen Tunnelsegmente 31-34 (Fig. 2) erkannt und es wird eine kontinuierliche Profillinie 9.1 des gesamten Tunnelquerschnitts 25 erstellt. Die bereits meßtechnisch erfaßten Profillinien 9.1 sind gestrichelt dargestellt. Die noch zu vermessenden Profillinien gemäß der Fahrtrichtung 44 sind mit 9.2 bezeichnet.

Die Bildsequenz kann entweder der normalen Videofrequenz entsprechen oder durch den Einsatz digitaler Kameras wesentlich gesteigert werden.

Nach Fig. 2 weist das Meßfahrzeug 21 zur Vermessung des Tunnelprofils 9 stirnseitig nur einen Meßkopf 12 mit einem einzigen Laser 13 und vier Kameras 3 auf. Der Laserstrahl wird in nicht gezeigter Weise mittels eines Kreisprojektors und eines Kegelspiegels zu einem Lichtfächer 14 mit einem Winkelbereich von 360° geformt. Der Lichtfächer 14 steht in einer Ebene rechtwinklig zur Fahrtrichtung.

Das Tunnelprofil 9 wird von den Kameras 3 entsprechend den Tunnelsegmenten 31-34 in einem 290°-Segment 43 überwacht.

Durch zwei zusätzliche Kameras 16 ist das gesamte Lichtraumprofil 18 von 360° zu vermessen. Der Tunnelboden 45 trägt einen Gleiskörper 46 mit Schienen 47, wobei das Meßfahrzeug 21 schienengebunden ist.

Gemäß den Fig. 3-5 ist der Meßkopf 10 innerhalb eines Wagenaufbaus 19 - aerodynamisch geschützt - schwingungsarm befestigt. Der Aufnahmewinkel der Kamera 3 ist mit 17 bezeichnet. Das Lichtband 2 steht in einem 90°-Winkel 50 zur Fahrzeug- Längsrichtung 24. Die Kamera 3 erfaßt mit ihrem Aufnahmewinkel 17 die Tunnelwand 11 und damit die Lichtlinie 8. Sie steht in einem Winkel 26 zur Fahrzeug-Längsrichtung 24.

Zwei Kameras 3 und 3.1 sind nach Fig. 6 spiegelbildlich zur Ebene 23 des Lichtbandes 2 des Lasers 1 auf einem Meßkopf 5 angeordnet. Meßtechnisch erfaßt werden damit Nischen 6 oder Mauervorsprunge, wobei Abschattungen 7 weitgehend ausgeschaltet werden. - Synchronisiert man die Kameras 3 und 3.1, so ist die Abtastfrequenz um den Faktor 2 erhöht.

Mit dem Meßkopf 37 nach Fig. 7 ist die Tunnelwand 11 kontinuierlich zu vermessen, auch wenn ein Hindernis, wie ein Oberleitungsmast 38 zwischen der Tunnelwand 11 und einem Gleiskörper 46 angeordnet ist. Hierzu sind für jedes Tunnelsegment 31-34, vorzugsweise für die Tunnelsegmente 31 und 34 (Fig. 2), zwei Kameras 3, 3.1 und zwei Laser 1, 1.1 vorgesehen. Deren Lichtbänder 2 sind um einen definierten Winkel α gegeneinander geneigt.

Claims (8)

1. Verfahren zum berührungsfeien Vermessen von Tunnelprofilen oder Straßenoberflächen nach dem Lichtschnittverfahren mittels wenigstens einer fächerförmig aufgeweiteten Lichtquelle und mindestens einer digitalen Videokamera mit digitaler oder analoger Signalverarbeitung, wobei die Lichtquelle mittels einem schmalen Lichtband einen Bereich des zu untersuchenden Gegenstandes beleuchtet und wobei die Lichtquelle und die Videokamera an einem Fahrzeug angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• - jeder Punkt eines beleuchteten Bereiches (4) einem Punkt des Targets der Videokamera (3) zugeordnet ist,
• - mittels einer geeigneten Software eine geometrische Transformation aus dem Target der Videokamera (3) in der von dem Lichtband (2) aufgespannten Ebene (23) vorgenommen wird, wobei aus dieser Transformation die absolute Lage der Punkte des Profils (22) des Gegenstandes (15) in Bezug auf das Fahrzeug (21) ermittelt wird,
• - das gesamte Profil (9) in wenigstens ein Segment unterteilt wird,
• - jedes Segment (31-34) mit einem Lichtband (2) beleuchtet wird,
• - die durch den Schnitt des Lichtbandes (2) mit dem Profil (9) des Gegenstandes (15) erzeugte Lichtlinie (8) durch die Videokamera (3) registriert wird, wobei jeder Punkt eines beleuchteten Bereiches (4) einem Punkt des Targets der Videokamera (3) zugeordnet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Punkte mit gleichen Koordinaten der sich etwas überlappenden Lichtbänder (14) der Segmente (31-34) durch die Software erkannt werden und durch Korrelation dieser Punkte eine lückenlose Aneinanderreihung der Profillinien in jedem Auslesetakt das vollständige Profil (9) des Gegenstandes ergibt.

3. Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser (1) mit einer geeigneten Optik zur Generierung eines Lichtbandes (2) ist oder eine andere Lichtquelle.

4. Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera eine CCD-Kamera (1) ist oder eine Kamera, die der Arbeitsweise einer CCD-Kamera entspricht, jedoch ein anderes Aufzeichnungssystem verwendet, wie z. B. eine Röhren-Kamera.

5. Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Kamera (3.1/ Fig. 6) bezüglich der Ebene (23) des Lichtbandes (2) spiegelbildlich zu der jeweils ersten Kamera (3) eines Tunnelsegments (31-34) angeordnet ist.

6. Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Tunnelsegment zwei Kameras (3, 3.1) und zwei Lichtquellen (1, 1.1) vorgesehen sind, dergestalt, daß die Lichtbänder (2) der beiden Lichtquellen um einen definierten Winkel (α) gegeneinander geneigt sind.

7. Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß zur Registrierung des Bildes der Lichtlinie (8) eine digitale CCD-Kamera (1) verwendet wird, welche mit einem Auslesetakt arbeitet, der verschieden ist zu dem der Standard-Video-Norm.

8. Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, und zur Erfassung eines Tunnelprofils, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßkopf (12) einen einzigen Laser (13) mit entsprechender Optik zur Emittierung eines kreisförmigen Lichtfächers (14) und mehreren Kameras (3) aufweist.