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Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches System
zur Unterstützung
der Positionierung von Rohren.
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Als Fernsteuerung wird alternativ
sowohl eine Funkübertragung
von Steuer- und
Messdaten als auch eine kabelbasierte Übertragung derselben angesehen.
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Im Stand der Technik werden im Rohrleitungsbau
Kanalbaulaser mit Zieltafeln zur Unterstützung der Ausrichtung und Positionierung
von zu verlegenden Rohren verwendet. Dabei wird der Kanalbaulaser üblicherweise
in den Startschacht einer Kanalhaltung rohrzentriert ausgerichtet.
Aus dem Lot und dem manuell vorgebbaren Neigungswinkel wird automatisch
ein genau ausgerichteter Laserstrahl als Bezugsachse erzeugt, mit
dessen Hilfe die nächsten zu
verlegenden Rohre exakt positioniert werden können. Dazu wird in das Ende
des neu zu verlegenden Rohres eine ebenfalls zentrierte Zieltafel
eingesetzt. Diese besteht in der Regel aus einem halblichtdurchlässigem Material,
oft in der Farbe des Laserstrahls eingefärbt, sodass auf der Rohrendenseite
der auftreffende runde Laserstrahl im Bezug zu einer aufgedruckten,
meist weißen,
Zielmarkierung ersehen werden kann. Das Rohr ist genau positioniert,
wenn der Bezugs-Laserstrahl genau in der Mitte der Zielmarkierung
auftrifft. Oft werden Kanalbaulaser und Zielscheibe einfach auf
die Rohrsohle gestellt, da aber die Außendurchmesser der Rohre nicht
genormt sind und größere Toleranzen
aufweisen können,
ist dieses Verfahren entsprechend ungenauer.
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Die Positionierung der Zielscheibe
erfolgt durch das Personal in der Baugrube. Bei der herkömmlichen
Rohrverlegung werden hierzu in der Regel zwei Mann eingesetzt: der
Bediener des Baggers oder Krans zum Ablassen und Ausrichten des
Rohres im Graben, und ein zusätzlicher
Helfer zum Vorbereiten des Rohrauflagers, zur manuellen Korrektur des
Rohres beim Ablassen durch den Bagger oder Kran und zur Übermittlung
der Positionen auf Zuruf. Bei alternativen Verlegeverfahren unter
Nutzung eines Rohrmanipulators, der alle Bewegungsmöglichkeiten
einschließlich
der axialen ermöglicht,
und von Fixiermörtel,
wäre ein
zweiter Mann zwar nicht mehr notwendig, es ist aber weiterhin ein
Hinabsteigen in den Graben notwendig.
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Es ist bekannt, dass in einigen Sonderfällen Videokameras
eingesetzt werden, die von oben auf das Rohr schauen, und auch einen
Laserstrahl auf einer Auftrefffläche
indirekt von vorne darstellen können.
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Bei Positionsveränderungen müssen diese jeweils nachjustiert
werden, und zudem bilden wechselnde Lichtverhältnisse einen erheblichen Störfaktor.
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Weiterhin Stand der Technik im Rohrleitungsbau
sind Fernsteuerungen für
Krane mit lokalen Anzeigen (LEDs, grafikfähige Displays).
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In
DE 102 40 652 A1 wird eine Vorrichtung und
ein Verfahren zum Verlegen und Führen
von Rohren in wieder zu verfüllende
Gräben
oder dergleichen beschrieben, die eine neue Möglichkeit zur Vereinfachung
und Unterstützung
der Rohrpositionierung eröffnet.
Es ist damit prinzipiell möglich,
den gesamten Verlege- und Positioniervorgang des Rohres mit nur
einer Person auszuführen,
die neben dem Graben steht und sämtliche
notwendigen Arbeitsvorgänge
mittels Fernbedienung steuern kann.
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Zur Ausrichtung des Rohres muss jedoch
der Bediener oder eine zweite Person weiterhin die Zieltafel in
das zu verlegende Rohr hineinstellen und die Lage des Lasers beobachten.
Bei der Verlegung von Rohren in mehreren Ebenen übereinander und in mit Stützwänden versehenen,
schmalen Gräben
gestaltet sich zudem das Hinabsteigen in den Graben als sehr schwierig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der dem Bediener
eines mobilen Rohrverlegesystems zu jedem Zeitpunkt alle notwendigen
Informationen zur Positionierung eines zu verlegenden Rohres geliefert
wird, ohne dass er in den Graben steigen muss.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung,
welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale enthält, gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind
in den Unteransprüchen
angegeben.
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Eine Videokamera, bei der die optische
Achse starr parallel zur Längsachse
eines zu verlegenden Rohres ausgerichtet ist und deren Objektiv
in Richtung der Rohröffnungen
weist, ermöglicht
die Sicht entlang der Innenseite eines zu verlegenden Rohres. Ist
dabei zwischen der Videokamera und dem Rohr ein planflächiger,
optisch teildurchlässiger Schirm
als Mattscheibe angeordnet, der von der Videokamera scharf abgebildet
wird und wird auf dem Videomonitor das Bild der Kamera angezeigt,
wobei der Videomonitor vorzugsweise abgesetzt platziert ist, so
kann der Bediener den Auftreffpunkt des Lasers auf dem Schirm und
somit die Ausrichtung des zu verlegenden Rohres erkennen. Durch
die starre Anordnung der Einheit aus Kamera und Schirm relativ zu
den zu verlegenden Rohren entfällt
das jeweilig erneute Einsetzen und Ausrichten der Zieleinrichtung an
den Rohren im Graben. Durch die Möglichkeit der abgesetzten Beobachtung
per Kabel oder Funk muss sich keine Person mehr vor Ort in den Graben
begeben.
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Allgemein ergeben sich Zeit- und
Personalersparnisse. Die Unfallgefahr wird erheblich verringert.
Zudem ist die Erfindung auch für
den Einsatz in herkömmlichen
Verlegeverfahren geeignet.
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Weist die Videokamera ein Motorzoom-Objektiv
auf, das durch eine Fernsteuereinheit wenigstens hinsichtlich Zoom
und Schärfe
steuerbar ist, so kann zusätzlich
zur Feinausrichtung mittels der Zieleinrichtung zuvor auch eine
Grobausrichtung vorgenommen werden, indem das Objektiv auf den Fernbereich
gestellt wird, wodurch die Innenkonturen der beiden aneinanderzufügenden Rohrenden
auf dem Videomonitor zu sehen sind. Im Falle der achsenzentrierten
Anordnung der Kamera ergeben sich konzentrische Kreise, wenn beide
Rohre koaxial liegen. Eine weitere Hilfe ist die räumliche
Darstellung des Innenmantels des zu verlegenden Rohres. Mit diesen
Informationen kann das Rohr bereits ziemlich genau vorpositioniert
werden.
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Dadurch, dass der Videomonitor und
die Fernsteuereinheit für
das Motorzoom zu einer Einheit zusammengefasst sind, wird dem Bediener
eine einfachere Handhabung der Videosteuerung ermöglicht.
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Weist der Schirm auf seiner der Videokamera
zugewandten Seite eine bezüglich
des optischen Systems der Videokamera zentrierte Zielmarkierung auf
und ist der Schirm in einem festen Abstand von der Videokamera angeordnet,
so kann der Bediener durch einfachen Vergleich des Laserauftreffpunktes mit
der zentrierten Zielmarkierung eine Abweichung von der zu erreichenden
Position feststellen und die Lage des zu verlegenden Rohres exakt
anpassen.
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Alternativ kann auf dem Videomonitor
mittels Bildverarbeitungskomponenten in den Konturen des Rohres
zentriert eine Zielmarkierung angezeigt werden, womit in analoger
Weise eine Abweichung von der Sollposition des Rohres ermittelt
werden kann. Dadurch ergeben sich weitere Vorteile: Die Kamera und
die Zielscheibe müssen
nicht mehr genau für jede
Rohrgröße mechanisch
ausgerichtet werden. Außerdem
entsteht eine völlige
Unabhängigkeit
von den Toleranzen der Rohraußenmäntel. Bei
der mechanischen Lösung
entsteht eine solche Abhängigkeit
dadurch, dass sich die Rohrmitte des mit Greifzangen aufgegriffenen
Rohres bei geringfügig
variierenden Außendurchmessern
entsprechend verschieben kann, während
die Kameraeinheit stets starr am Rohrmanipulator befestigt ist.
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Stimmt die optische Achse der Videokamera mit
der zentralen Längsachse
des Rohres überein, sind
also Kameraoptik und Rohr koaxial, so sind alle Teile ideal zentriert,
was eine optimale Genauigkeit ergibt, da Abweichungen symmetrischer
Formen voneinander für
den Gesichtssinn des Bedieners besser auszumachen sind.
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Ist zwischen dem Schirm und dem Objektiv ein
einstellbarer, linearer Polarisationsfilter angeordnet, so kann
die in die Kamera fallende Intensität eines polarisierten Lichtes
stufenlos geregelt werden, insbesondere, um ein Überstrahlen des Bildes zu vermeiden,
die Kamera vor Schäden
zu bewahren und eine Feineinstellung der Laserdarstellung im Videobild
zu ermöglichen.
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Dadurch, dass eine zweite Videokamera
in der Nähe
des von der ersten Kamera abgewandten Endes des zu verlegenden Rohres
starr angeordnet ist, wobei das Sichtfeld der zweiten Kamera das
genannte Ende des zu verlegenden Rohres und das Ende eines in der
Nähe befindlichen,
bereits verlegten Rohres, an das das zu verlegende Rohr anzufügen ist,
einschließt,
stehen weitere Informationen für die
Grobpositionierung zur Verfügung,
insbesondere über
den Abstand der beiden Rohrenden.
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Durch ein Wetterschutzgehäuse mit
einer Heizung sind Videokameras vor wetterbedingten Einflüssen geschützt.
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Weist die erste, achsenparallele
Videokamera ein Wetterschutzgehäuse
mit einer Heizung auf, so kann der Schirm innerhalb des Wetterschutzgehäuse verschmutzungsfrei
angeordnet werden.
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Ist auf der ersten und/oder der zweiten
Videokamera oder deren Wetterschutzgehäusen eine Lampe angeordnet,
die das Sichtfeld der Kamera wenigstens teilweise beleuchtet, kann
das zu verlegende Rohr von innen beleuchtet werden, womit bei der Grobpositionierung
eine größere Unabhängigkeit
von den äußeren Lichtverhältnissen
möglich
ist.
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Durch einen durch eine Fernsteuereinheit steuerbaren
Videoumschalter kann entweder das Bild der ersten oder der zweiten
Videokamera zum Videomonitor weitergeleitet werden, wodurch mit
nur einem Videomonitor beide Ansichten abwechselnd genutzt werden
können.
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Durch einen durch eine Fernsteuereinheit steuerbaren
Vierfach-Videosplitter kann das Bild der ersten und/oder der zweiten
Videokamera zum Videomonitor weitergeleitet werden, wodurch mit
nur einem Videomonitor beide Ansichten abwechselnd oder wahlweise
auch simultan genutzt werden können.
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Bildet die Fernsteuereinheit, durch
die der Videoumschalter beziehungsweise der Videosplitter steuerbar
ist, mit dem Videomonitor eine Einheit, so wird die Bedienung vereinfacht,
insbesondere, wenn noch weitere mögliche Fernsteuerungen in dieser Einheit
integriert werden.
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Ist mindestens die erste Videokamera
an einer Vorrichtung zur Positionierung von zu verlegenden Rohren
befestigt, die eine Hydraulik aufweist, so steht damit ein fertiges
Gerät insbesondere
auch zum mobilen Einsatz zur Verfügung.
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Dadurch, dass Teile der Steuerung
der Hydraulik und des Kamerasystems zu einer Einheit zusammengefasst
sind, können
Synergieeffekte hinsichtlich der Stromversorgung, Steuerung und
dergleichen erreicht werden.
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Ist der Videomonitor mit einer Fernsteuereinheit
für die
Hydraulik zu einer Einheit zusammengefasst, wird die gesamte Positionierungssteuerung vereinfacht,
insbesondere auch noch weiter, wenn auch die Fernsteuerung der Videokomponenten,
also Motorzoom und Videoumschalter beziehungsweise Videosplitter,
in diese Einheit integriert ist.
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Dadurch, dass mittels Bildverarbeitungskomponenten
und entsprechenden Steuerungserweiterungen die Hydraulik automatisch
gesteuert wird, ist eine automatisierte Positionierung möglich. Das
bedeutet eine erhebliche Zeitersparnis und eine höhere Genauigkeit
im Einmessen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand
eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Dazu zeigen
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1 eine
Schnittansicht eines optoelektronischen Systems mit erfindungsgemäßer Ausrüstung und
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2 ein
Blockschaltbild des optoelektronischen Systems.
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Der in 1 schematisch
dargestellte Rohrmanipulator 5, der an einem Kran befestigt
ist, greift das zu verlegende Kanalrohr 10. An seinen Auslegern
ist zum einen die erste CCD-Videokamera 13 mit automatischer
Blende in einem beheizten Wetterschutzgehäuse 14 befestigt.
Ihre optische Achse ist koaxial zum Rohr 10 ausgerichtet
und fällt
in diesem Beispiel mit seiner Mittellängsachse zusammen, ihr Motorzoom-Objektiv 12 weist
zum Rohr 10. Vor dem Objektiv 12 ist ein linearer
Polarisationsfilter angeordnet. Auf der Innenseite des Gehäuses 14 befindet sich
eine Zielscheibe 11 in Form einer Mattscheibe mit aufgedrucktem
Fadenkreuz. Auf dem Gehäuse 14 ist
eine Lampe 8 befestigt, die in das Rohrinnere leuchtet.
Zum anderen sind an den Auslegern des Rohrmanipulators ein Systemschaltschrank 7 und Antennen 6 angebracht,
zudem eine zweite CCD-Videokamera 4, die die Sicht auf
die Enden der zu verbindenden Rohre ermöglicht.
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Die Zielscheibe 11 besteht
aus einem geeigneten Material wie beispielsweise Papier, Pappe, oder
Folie, das einen auftreffenden Laserstrahl zwar durchlässt, aber
derart dämpft,
dass er von der Kamera scharf und deutlich dargestellt werden kann. Bei
einem Kanalbaulaser mit rotem Laserstrahl hat sich rotes Papier
als besonders geeignet erwiesen. Auf das Material ist eine Zielmarkierung,
in diesem Falle ein schwarzes Fadenkreuz mit Kreisen aufgedruckt.
Die Zielscheibe 11 ist rund und wird mit der bedruckten
Seite zur Kamera gewandt in einer festen Entfernung und Größe, die
jeweils von den optischen Gegebenheiten abhängen, angebracht.
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Der Schaltschrank 7 enthält unter
anderem einen Videosplitter, einen Video-Funksender, einen Fernsteuerungs-Funkempfänger und
eine Hydrauliksteuerung. Die Abbildungen der Videokameras 13 und 4 werden über den
Funksender und eine Antenne 6 zur Kranfernsteuerung 9 übertragen
und dort auf einem Videomonitor angezeigt. Die Fernsteuerung 9 ermöglicht sowohl
die kabellose Steuerung des Krans als auch des Rohrmanipulators 5 einschließlich des
Zooms und der Schärfe
der Videokamera 13, indem Funksignale von ihr über eine
Antenne 6 durch den Funkempfänger im Schaltschrank 7 die
jeweiligen Steuerungseinheiten übertragen
werden. Von der Fernsteuerung 9 aus kann auch der Videosplitter angesteuert
werden, der wahlweise entweder das Bild der Kamera 13 oder
der Kamera 4 oder eine Darstellung beider Bilder in einem
an den Sender liefert.
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Der Kanalbaulaser 1 wird
bekannterweise in den Startschacht 2 gesetzt und ausgerichtet,
er liefert den Referenzlaserstrahl 3 für die Positionierung der Rohre 10.
Der Laserstrahl 3 wird indirekt über die Zielscheibe 11 durch
die Videokamera 13 erfasst, wobei durch das Motorzoom-Objektiv 12 und
unter Nutzung optischer Gegebenheiten wahlweise auch das entgegengesetzte
Ende des zu verlegenden Rohres 10 zu ersehen ist.
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Für
die Rohrpositionierung können
mit dieser Einheit folgende Informationen zur Verfügung gestellt werden:
Für die
Grobpositionierung wird das Objektiv auf den Fernbereich gestellt,
es sind dann die Innenkonturen der beiden aneinander zu fügenden Rohrenden
in Form von konzentrischen Kreisen zu ersehen. Eine weitere Hilfe
ist die ebene Darstellung des Innenmantels des zu verlegenden Rohres.
Mit diesen Informationen kann das Rohr bereits ziemlich genau vorpositioniert
werden. Für
die Feinpositionierung wird das Objektiv auf den Nahbereich gestellt,
es kann dann auf der scharf gestellten Zielscheibe der auftreffende
Laserstrahl ersehen werden. Mit dieser Darstellung kann das Rohr
exakt ausgerichtet werden.
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Durch die optische Unschärfe der
Abbildung des Schirms im Fernbereich der Videokamera sind beide
Arbeitsweisen, Fernbereich zur Grobausrichtung und Nahbereich zur
Feinausrichtung, gegenseitig ungestört durchführbar.
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In 2 ist
der Informationsfluss des gesamten Systems wie oben beschrieben
dargestellt.
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Für
die Fernsteuerungseinheit 9 kann eine herkömmliche
Kranfernsteuerung einfach um die zusätzlichen Bestandteile Videomonitor
und -empfänger,
Videokamera- und -splittersteuerung erweitert werden. Steuerungstasten
für die
Umschaltung zwischen den Kameras oder dem Multibild und für die Einstellung
von Zoom und Schärfe
sind als Bedienelemente am Sender möglich. Weiterhin sind Steuerungselemente
für den
Polarisator und die Lampen denkbar. Dadurch entsteht eine kompakte
Steuerungs- und Informationseinheit, mit Hilfe derer der Bediener
stets alle notwendigen Steuerungsmöglichkeiten hat, und stets
alle Informationen einsehen kann. Für den erhöhten Strombedarf einer solchen Einheit
kann ein entsprechend dimensionierter externer Akku eingesetzt werden.
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Analog kann die Steuerung einer herkömmlichen
Hydraulik im Schaltenkasten 7 um Steuerungsfunktionen für das Videosystem
erweitert werden, zusätzliche
Steuerungsleitungen werden vom Funkempfänger zugeführt. Dabei können alle
zentralen Einheiten der Hydrauliksteuerung und des Kamerasystems
zu einer kompakten Einheit zusammen gefasst werden. Eine weitere
Ausgestaltung ist die Erweiterung durch eine elektronische Zielscheibeneinblendung.
Statt einer fest angebrachten Zielscheibe, die optisch erfasst wird,
wird hierbei mittels Bildverarbeitungs-Komponenten aus den Konturen
des Rohrendes stets genau die Bildmitte errechnet und eine Zielscheibe
elektronisch eingeblendet.
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Bei einem Einsatz von Bildverarbeitungskomponenten
können
desweiteren Informationen zu einer automatisierten Steuerung der
Hydraulik verwendet werden. In Verbindung mit entsprechenden Steuerungserweiterungen
wird eine automatische Positionierung des Rohres möglich.
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- 1
- Kanalbaulaser
- 2
- Startschacht
- 3
- Laserstrahl
- 4
- Außenkamera
- 5
- Rohrmanipulator
mit Auslegern
- 6
- Funkantennen
- 7
- Systemschaltschrank
- 8
- Lampe
- 9
- Kranfernsteuerung
- 10
- Zu
verlegendes Rohr
- 11
- Zielscheibe
- 12
- Motorzoom-Objektiv
mit linearem Polarisationsfilter
- 13
- Videokamera
- 14
- Wetterschutzgehäuse