WO2013139563A1 - Abstandsermittlungsverfahren, abstandsregelverfahren und verfahren zum untersuchen eines gefluteten tunnels damit sowie abstandsermittlungseinrichtung, abstandsregeleinrichtung und unterwasserfahrzeug damit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abstandsermittlungsverfahren (94), das als Teil eines Abstandsregelverfahrens (92) für ein Verfahren (90) zum Untersuchen eines gefluteten Tunnels (4), insbesondere einer Pipeline oder eines Trinkwasserstollens, mittels eines, insbesondereautonomen, Unterwasserfahrzeugs (1) eingesetzt werden kann. Ferner betrifft die Erfindung das Abstandsregelverfahren (92) und das Verfahren (90) zum Untersuchen des Tunnels (4) sowie das Unterwasserfahrzeug (1) mit entsprechenden Einrichtungen (32, 34) und diese Einrichtungen (32, 34). Abstände (40, 42, 44) zwischen dem Unterwasserfahrzeug (1) und einem das Unterwasserfahrzeug (1) um seine Längsachse (Z) umgebenden Tunnelkörper (6) des Tunnels (4) werden in unterschiedlichen Richtungen jeweils optisch mit einem Laser (46, 48, 50) und einer Kamera (58, 60, 62) mittels Lasertriangulation ermittelt.

Description

Abstandsermittlungsverfahren, Abstandsregelverfahren und Verfahren zum Untersuchen eines gefluteten Tunnels damit sowie Abstandsermittlungseinrichtung,

Abstandsregeleinrichtung und Unterwasserfahrzeug damit

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Inspizieren eines gefluteten Tunnels. Der Tunnel ist insbesondere eine mit Trinkwasser gefüllte Pipeline bzw. ein mit Trinkwasser gefüllter Trinkwasserstollen. Mögliche Schäden am Tunnel könnten Trinkwasser austreten lassen, das Trinkwasser verschmutzen oder den Fluss des Trinkwassers behindern und somit die Trinkwasserversorgung gefährden. Es ist daher sinnvoll, den baulichen Zustand des Tunnels zu überwachen, um mögliche Schäden rechtzeitig feststellen und beheben zu können. Hierfür sollte der Tunnel von innen inspiziert werden.

Tunnel, die nicht geflutet sind, können bei ausreichender innerer Höhe von Menschen begangen und manuell auf mögliche Schäden untersucht werden. Bei Tunneln, die über Jahre dauerhaft geflutet sind, besteht jedoch die Gefahr, dass sie beim Entleeren aufgrund verringerten Innendrucks einen Teil ihrer Stabilität verlieren und einstürzen. Das Inspizieren eines gefluteten Tunnels mittels Tauchern ist hingegen sehr aufwendig, gar nicht möglich oder zumindest mit sehr großen Gefahren verbunden, insbesondere da derartige Tunnel oftmals Längen von mehreren Kilometern aufweisen.

Weiter besteht die Möglichkeit, einen gefluteten Tunnel mit einem unbemannten Unterwasserfahrzeug zu untersuchen. Kabelgebunden operierende Unterwasserfahrzeuge können eine Kamera aufweisen, Kamerasignale durch das Kabel leiten und somit Bilder der Kamera für einen Bediener verfügbar machen. Der Bediener kann umgekehrt Steuersignale durch das Kabel zum Unterwasserfahrzeug senden und das Unterwasserfahrzeug somit visuell steuern. Allerdings ist die Reichweite durch das Kabel stark begrenzt. Außerdem kann es sein, dass das Kabel nach dem Einsatz im Tunnel zurückbleiben muss, was unerwünscht ist.

Autonome Unterwasserfahrzeuge weisen zwar nicht den Nachteil des Kabels auf. Jedoch ist das Navigieren mittels bekannter autonomer Unterwasserfahrzeuge im Tunnel sehr schwierig oder gar unmöglich, da herkömmlich an autonomen Unterwasserfahrzeugen angeordnete Sensoren, beispielsweise akustische Sensoren, durch die Enge des Tunnels gestört werden könnten.

Der Erfindung liegt nach alledem die Aufgabe zugrunde, einen gefluteten Tunnel, insbesondere einen mit Trinkwasser gefüllten Trinkwasserstollen, der auch eine Länge von mehreren Kilometern aufweisen kann, zuverlässig und sicher von innen zu inspizieren.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Abstandsermittlungsverfahren nach Anspruch 1 , mit einem das Abstandsermittlungsverfahren umfassenden Abstandsregelverfahren nach Anspruch 6, mit einem das Abstandsermittlungsverfahren bzw. Abstandsregelverfahren umfassenden Verfahren zum Untersuchen eines gefluteten Tunnels nach Anspruch 8, mit einer Abstandsermittlungseinnchtung nach Anspruch 10, mit einer die Abstandsermittlungseinnchtung umfassenden Abstandsregeleinrichtung nach Anspruch 15 und mit einem die Abstandsermittlungseinnchtung oder die Abstandsregeleinrichtung aufweisenden Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 17.

Der Erfindung liegt zunächst die Erkenntnis zugrunde, dass der geflutete Tunnel auf vorteilhafteste Weise mittels eines Tauchroboters bzw. mittels eines, insbesondere autonomen, Unterwasserfahrzeugs untersucht werden kann. Weiter liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass dies jedoch nur gilt, wenn das Unterwasserfahrzeug, insbesondere in autonomer Ausbildung, dazu in der Lage ist, zuverlässig durch den Tunnel zu navigieren, ohne mit dem Tunnelkörper bzw. Wänden des Tunnels zu kollidieren. Die Erfindung hat erkannt, dass eine Abstandsmessung zwischen dem Unterwasserfahrzeug und dem Tunnelkörper in wenigstens zwei, vorzugsweise drei, unterschiedlichen Richtungen erfolgen sollte, um das Unterwasserfahrzeug ausreichend beabstandet vom Tunnelkörper durch den Tunnel zu manövrieren.

Die Erfindung macht sich weiter die Erkenntnis zunutze, dass die so genannte Lasertriangulation eine kostengünstige und robuste Abstandsmessung, insbesondere auch im relevanten Bereich zwischen 0, 1 m bis 10 m, ermöglicht. Bei der Lasertriangulation beleuchtet wenigstens ein Laser mit wenigstens einem fokussierten, beispielsweise punktförmigen oder zu einer Linie aufgeweiteten, Laserstrahl ein Objekt, welches von einem abseits des Lasers angeordneten Sensor, insbesondere einer Kamera, beobachtet wird. Zumindest eine beleuchtete Stelle des beleuchteten Objekts, zumindest ein Laser und die Kamera bilden ein Dreieck, wobei sich die Seiten- und Winkelverhältnisse im Dreieck in Abhängigkeit vom Abstand des beleuchteten Objekts zum Laser verändern. Eine Entfernungsänderung des beleuchteten Objekts relativ zum Laser bewirkt daher einen veränderten Einfallswinkel des von dieser beleuchteten Stelle des Objekt auf die Kamera einfallenden Lichts und damit eine Verschiebung einer abgebildeten Stelle des Objekts in einer mittels der Kamera bereitgestellten Bildebene. Aus dieser Verschiebung oder aus einer Abstandsänderung zu einer weiteren Stelle des Objekts in der Bildebene kann auf eine Abstandsänderung zwischen dem Laser und dem beleuchteten Objekt geschlossen werden.

Messungen mittels Lasertriangulation können kontinuierlich erfolgen. Auch deshalb ist die Lasertriangulation besonders gut zur Abstandsmessung in dem relativ zum Laser und zur Kamera bewegten Tunnelkörper geeignet.

Die Erfindung hat erkannt, dass die Lasertriangulation für die Abstandsmessung im gefluteten Tunnel eingesetzt werden kann, obwohl Licht vom beleuchteten Tunnelkörper sich zunächst durch die Flüssigkeit, insbesondere das Wasser, im Tunnel zum Unterwasserfahrzeug ausbreitet, wohingegen die Kamera, insbesondere zusammen mit ihrem Objektiv, von Luft umgeben ist. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindices der Flüssigkeit im Tunnel und der die Kamera umgebende Luft sowie eines die Luft vom Wasser trennenden transparenten Mediums und des in Abhängigkeit der Entfernung zwischen dem Laser und dem Tunnelkörper unterschiedlichen Einfallswinkels des Lichts durch das transparente Medium auf die Kamera wird das Licht gebrochen bzw. breitet sich nicht geradlinig vom Tunnelkörper bis zur Kamera bzw. bis zu einer Photodiode bzw. CCD-Zeile der Kamera aus. Die Erfindung hat jedoch erkannt, dass hierdurch auftretende Messfehler korrigiert bzw. kompensiert werden können, sodass sich die Lasertriangulation dennoch für den Einsatz am Unterwasserfahrzeug eignet.

Das Unterwasserfahrzeug kann dabei zusätzlich wie ein kabelgebunden operierendes Unterwasserfahrzeug ausgebildet sein und über ein Kabel eine visuelle Steuerung des Unterwasserfahrzeugs ermöglichen, wobei über das Kabel Bilder einer Kamera am Unterwasserfahrzeug zu einem Bediener gesendet und umgekehrt Steuersignale an das Unterwasserfahrzeug gesendet werden können. Dies kann vorteilhaft sein, um zunächst manuell an Engstellen im Eingangsbereich des Tunnels vorbei zu manövrieren. Danach kann das Unterwasserfahrzeug vom Kabel getrennt werden und autonom seine Mission, nämlich das Inspizieren bzw. Untersuchen des Tunnels, fortsetzen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ermittelt die Abstandsermittlungsein- richtung einen, im Wesentlichen horizontalen, ersten Abstand, insbesondere querab zu einer Längsachse des Unterwasserfahrzeugs, zu einer linken Tunnelwand des Tunnelkörpers. Unter Kenntnis des ersten Abstands kann zuverlässig einer Kollision mit der linken Tunnelwand entgegen gewirkt werden. Vorzugsweise ermittelt die Abstandsermittlungseinrichtung auch einen, im Wesentlichen vertikalen, zweiten Abstand, insbesondere querab zu dieser oder einer anderen Längsachse des Unterwasserfahrzeugs, zu einer Tunneldecke des Tunnelkörpers. Mit Kenntnis des zweiten Abstands kann das Unterwasserfahrzeug zuverlässig dem Höhenverlauf im Tunnel folgen, wobei etwaig am Boden des Tunnels liegende alte Leitungen oder andere Hindernisse den Kurs des Unterwasserfahrzeugs nicht ungünstig beeinflussen. Vorzugsweise ermittelt die Abstandsermittlungseinrichtung auch einen, im Wesentlichen horizontalen, dritten Abstand, insbesondere querab zu einer der genannten Längsachsen oder zu einer anderen Längsachse des Unterwasserfahrzeugs, zu einer rechten Tunnelwand des Tunnelkörpers, sodass auch ein ausreichender Abstand zur rechten Tunnelwand gewahrt bleiben kann.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist die Abstandsermittlungseinrichtung einen ersten Sensor und eine erste Kamera zum Ermitteln des ersten Abstands und/oder einen zweiten Sensor und eine zweite Kamera zum Ermitteln des zweiten Abstands und/oder einen dritten Laser und eine dritte Kamera zum Ermitteln des dritten Abstands auf. Alternativ werden jeweils zwei Laser zum Ermitteln des jeweiligen Abstands benötigt. Der oder die Laser können ferner mehrere Projektionen zur Ermittlung mehrerer Abstände in unterschiedlichen Richtungen erzeugen, so dass mittels des ersten Lasers beispielsweise auch der zweite und der dritte Abstand bestimmt werden.

Sofern der Tunnel eine über seine Länge konstante Breite aufweist oder eine mittige Durchfahrt durch den Tunnel nicht notwendig ist, kann entweder auf das Bestimmen des ersten Abstands und somit ggf. auf den ersten Laser und die erste Kamera oder auf das Bestimmen des dritten Abstands und somit ggf. auf den dritten Laser und die dritte Kamera verzichtet werden. Das Bestimmen sowohl des ersten als auch des dritten Abstands bzw. jeweils eines Abstands zur linken und zur rechten Tunnelwand gibt jedoch eine zusätzliche Sicherheit, nicht unbeabsichtigt mit der rechten oder linken Tunnelwand zu kollidieren.

Ferner ist es alternativ möglich, statt des ersten, zweiten und dritten Abstands zwei oder mehr als zwei Abstände zu bestimmen, die vorzugsweise auch querab zu einer Längsachse des Unterwasserfahrzeugs verlaufen, jedoch beide sowohl eine horizontale als auch eine vertikale Komponente aufweisen können, insbesondere schräg nach links oben und schräg nach rechts oben bezogen auf die Längsachse des Unterwasserfahrzeugs ausgerichtet sein können. Die Abstände in den unterschiedlichen Richtungen können mittels jeweils einem Laser oder mehreren Lasern je Richtung ermittelt werden. Gemäß einer besonderen Ausführungsform werden mehrere Abstände in unterschiedlichen Richtungen mittels eines gemeinsamen Lasers ermittelt. Vorzugsweise wird der Laserstrahl hierzu mittels einer hierzu üblichen Optik zu einer Linie aufgeweitet. Somit wird eine Linie auf die Tunnelwand projiziert, die aufgrund des Versatzes von Laser und Kamera sowie aufgrund einer Krümmung der Tunnelwand in der Regel als Kurve in der Bildebene abgebildet wird. An jedem abgebildeten Punkt kann auf einen Abstand des Unterwasserfahrzeugs zum Tunnelkörper in der jeweils zugeordneten Richtung geschlossen werden. Ferner wird vorzugsweise aus der Krümmung der Kurve bzw. aus der Anordnung der Punkte in der Bildebene auf die Form des Tunnels bzw. auf die Krümmung sowie auf den Durchmesser des Tunnelkörpers geschlossen und die Position und/oder Ausrichtung des Unterwasserfahrzeugs im Tunnelkörper bestimmt.

Alternativ zum Aufweiten des Laserstrahls zu einer Linie kann der Laserstrahl auch, bspw. mittels eines drehenden bzw. rotierenden Umlenkungsspiegels, verschwenkt werden, so dass nacheinander mittels desselben Lasers Abstände in unterschiedlichen Richtungen ermittelt werden. Für die Messungen der Abstände in zwei oder mehr als zwei unterschiedlichen Richtungen können unterschiedliche Kameras und/oder dieselbe Kamera vorgesehen sein.

Gemäß einer Ausführungsform wird direkt von der Position einer bzw. jeder in der Bildebene abgebildeten beleuchteten Stelle des Tunnelkörpers auf jeweils einen Abstand des Unterwasserfahrzeugs zum Tunnelkörper in einer jeweiligen Richtung geschlossen werden.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform werden für jede Abstandsbestimmung Abbildungen mehrerer Laserprojektionen am Tunnelkörper in der Bildebene herangezogen. Insbesondere wird mittels des Abstands von jeweils zwei in der Bildebene abgebildeten beleuchteten Punkten des Tunnelkörpers auf jeweils einen Abstand des Unterwasserfahrzeugs zum Tunnelkörper geschlossen. Vom Begriff Lasertriangulation ist vorliegend auch eine derartige Abstandsbestimmung umfasst. Die Punkte werden ausgehend von unterschiedlichen Quellen, insbesondere von separaten Lasern, am Unterwasserfahrzeug auf den Tunnelkörper projiziert. Optional werden mehrere Linien bzw. Schare von Punkten auf den Tunnelkörper projiziert. Zumindest eine der Quellen bzw. ein Laser ist dabei mit einem Versatz zur Kamera am Unterwasserfahrzeug angeordnet, so dass ein Triangulationsdreieck entsteht.

In Abhängigkeit vom Abstand des Unterwasserfahrzeugs zum Tunnelkörper ändert sich der Öffnungswinkel, unter dem von der Kamera die beleuchteten Stellen am Tunnelkörper gerade noch erfasst werden. Damit ändert sich auch der Abstand der zugehörigen Abbildungen in der Bildebene, aus dem daher mittels Lasertriangulation auf den Abstand des Unterwasserfahrzeugs zum Tunnelkörper rückgeschlossen werden kann. Die Quellen bzw. Laser projizieren dabei die Punkte bzw. Linien vorzugsweise in paralleler Richtung zueinander zur Tunnelwand, so dass der tatsächliche Abstand der projizierten Punkte oder Linien am Tunnelkörper vorzugsweise unabhängig vom Abstand des Unterwasserfahrzeugs zum Tunnelkörper ist.

Vorzugsweise ermittelt die Erfindung mittels des Abstands der abgebildeten Punkte bzw. Linien in der Bildebene, insbesondere in Kombination mit einer ermittelten Krümmung abgebildeter Linien, auch eine Ausrichtung des Unterwasserfahrzeugs relativ zum Tunnelkörper.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Abstands- ermittlungseinrichtung erste Korrekturmittel auf, mittels denen wenigstens ein Pixel bzw. Bildpunkt in einem von der jeweiligen Kamera aufgenommenen Bild, auf dem das vom jeweiligen Laser auf dem Tunnelkörper auftreffende Licht abgebildet wird, um einen additiven Korrekturwert korrigiert wird. Diese Korrektur dient der Berücksichtigung eines Schielens der Kamera, wenn nämlich die Kamera nicht exakt wie vorgesehen ausgerichtet ist. Dank der ersten Korrekturmittel ist es daher möglich, eine kostengünstige Standardkamera für die Erfindung einzusetzen, die gewisse Fertigungsungenauigkeiten bezüglich der exakten Ausrichtung ihrer Blickrichtung aufweist. Auch die Montage der Kamera am Unterwasserfahrzeug bzw. an der Abstandsermittlungseinrichtung kann mit entsprechend geringeren Anforderungen an die Präzision und damit kostengünstig erfolgen. Die Abstandsermittlungseinrichtung ermittelt den jeweiligen Abstand mit dem somit korrigierten Pixel.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Abstandsermittlungseinrichtung zweite Korrekturmittel auf, die den verfälschten Einfallswinkel von Licht, das sich auf dem Weg vom Tunnelkörper zur Kamera ausbreitet, durch einen multiplikativen Korrekturwert korrigieren. Dieser Weg, den das Licht vom Tunnelkörper zur Kamera zurücklegt, verläuft dabei durch ein erstes Medium, insbesondere Wasser, mit dem der Tunnel geflutet ist. Weiter verläuft der Weg durch eine transparente Scheibe, insbesondere aus Acrylglas bzw. aus einem thermoplastischen Kunststoff. Die Scheibe ist Teil des Unterwasserfahrzeugs bzw. Teil einer Hülle des Unterwasserfahrzeugs und trennt ein zweites Medium, insbesondere Luft, das im Unterwasserfahrzeug angeordnet ist, vom ersten Medium. In diesem zweiten Medium und somit innerhalb des Unterwasserfahrzeugs ist die Kamera angeordnet, sodass der Weg weiter durch das zweite Medium zur Kamera verläuft. Aufgrund unterschiedlicher Brechungsindices des ersten Mediums, der Scheibe und des zweiten Mediums wird das Licht an den Grenzflächen der Scheibe zum ersten Medium sowie zum zweiten Medium gebrochen, sodass der Einfallswinkel des Lichts auf die Kamera verfälscht wird. Dieser verfälschte Einfallswinkel wird mittels der zweiten Korrekturmittel bzw. durch den multiplikativen Korrekturwert bei der Abstandsermittlung korrigiert. Die ersten und/oder die zweiten Korrekturmittel werden vorzugsweise von einer Recheneinrichtung bereitgestellt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Abstandsermittlungseinrichtung wenigstens ein Echolot auf, mittels dem, insbesondere zur Unterstützung der Abstandsermittlung, elektroakustisch wenigstens ein Abstand des Unterwasserfahrzeugs zum Tunnelkörper und/oder zu etwaigen Hindernissen im Tunnelkörper überwacht wird. Vorzugsweise sind mehrere Echolote derart kurzer Reichweite vorgesehen, dass aufgrund dieser kurzen Reichweite Störungen durch Reflektionen, insbesondere durch Mehrwegeausbreitung, am Tunnelkörper minimiert bzw. unter einem vorgegebenen Grenzwert gehalten sind. Vorzugsweise wird mittels des Echolots zumindest ein, im Wesentlichen vertikaler, Abstand querab zur Längsachse des Unterwasserfahrzeugs zum Tunnelkörper bestimmt. Dank des Echolots können etwaige Hindernisse, insbesondere am Grund des Tunnelkörpers, erkannt werden, sodass das Unterwasserfahrzeug ggf. unter Veränderung, insbesondere Reduzierung, eines Abstands des Unterwasserfahrzeugs zum Tunnelkörper, insbesondere zur Tunneldecke, an diesem Hindernis vorbeigeführt werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Abstandsregeleinrichtung wenigstens einen Sensor, bspw. eine Kamera, am Bug des Unterwasserfahrzeugs auf zum Erkennen eines etwaigen Hindernisses vor dem Unterwasserfahrzeug.

Die Abstandsermittlungseinrichtung und das Abstandsermittlungsverfahren sind ebenso wie die Abstandsregeleinrichtung und das Abstandsregelverfahren für ein autonom in einem gefluteten Tunnel navigierendes bzw. manövrierendes, insbesondere autonomes, Unterwasserfahrzeug vorgesehen. Die Abstandsregeleinrichtung umfasst dabei die Abstandsermittlungseinrichtung. Das Abstandsregelverfahren umfasst das Abstandsermittlungsverfahren.

Die Abstandsregeleinrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass mittels der Abstandsregeleinrichtung wiederholt ermittelte Abstände mit vorgegebenen oder vorgebbaren Soll-Abständen verglichen werden. Die Abstandsermittlungseinrichtung erkennt, wenn sich der ermittelte Abstand um mehr als einen Toleranzwert vom Soll-Abstand unterscheidet.

Im Falle einer über dem Toleranzwert erkannten Abweichung wenigstens eines ermittelten Abstands vom zugehörigen Soll-Abstand erzeugt die Abstandsermittlungseinrichtung Ansteuersignale für wenigstens eine Steuereinrichtung des Unterwasserfahrzeugs, um den jeweiligen Abstand zum Soll-Abstand zurückzuführen. Die Erfindung kann daher den jeweils gewünschten Abstand zu den Tunnelwänden halten und beispielsweise mittig durch den Tunnel fahren. Ferner kann die Erfindung ggf. den einen oder mehrere Soll-Abstände in Abhängigkeit von einem oder mehreren ermittelten Abständen anpassen. Beispielsweise kann die Erfindung in Erwiderung auf gegenüber vorangegangenen Messungen ermittelte größere erste und dritte Abstände und somit in Erwiderung auf eine lokale Verbreiterung des Tunnels die zugehörigen Soll-Abstände vergrößern, um das Unterwasserfahrzeug weiterhin mittig durch den Tunnel zu führen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Unterwasserfahrzeug bzw. weisen die Steuermittel, im Wesentlichen vertikal wirkende, erste Schubmittel auf. Alternativ oder zusätzlich weist das Unterwasserfahrzeug bzw. weisen die Steuermittel, im Wesentlichen horizontal wirkende, zweite Schubmittel auf. Die ersten und die zweiten Schubmittel wirken jeweils vorzugsweise querab zur Längsachse des Unterwasserfahrzeugs und ermöglichen ein Halten des Unterwasserfahrzeugs auf dem jeweils vorgegebenen Kurs, insbesondere in der Vertikalen bzw. in der Horizontalen. Insbesondere können dank der Schubmittel Abweichungen von den Soll-Abständen gering bzw. unter einem Toleranzwert gehalten werden. Die querab zur Längsachse des Unterwasserfahrzeugs wirkenden Schubmittel können das Unterwasserfahrzeug nämlich schneller und zielgerichteter quer zur Längsachse verschieben, als dies durch Manövrieren mittels der üblichen Steuerungsruder bzw. Antriebe am Unterwasserfahrzeug möglich ist. Diese üblichen Steuerungsmittel und Antriebe sind jedoch vorzugsweise zusätzlich vorgesehen und dienen insbesondere dem Vortrieb und einer Richtungsänderung des Unterwasserfahrzeugs.

Die Abstandsregeleinrichtung ist ferner vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass das Unterwasserfahrzeug ein im Tunnelkörper erkanntes Hindernis bei möglicher zeitweiliger Veränderung, insbesondere Verringerung, wenigstens eines Abstands umfährt. Dank dieser Ausführungsform der Erfindung wird die Gefahr einer Kollision des Unterwasserfahrzeugs mit dem Tunnelkörper bzw. mit Hindernissen im Tunnelkörper weiter verringert.

Das Unterwasserfahrzeug weist eine erfindungsgemäße Abstandsermittlungsein- richtung oder eine erfindungsgemäße Abstandsregeleinrichtung gemäß vorstehender Beschreibung auf. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Unterwasserfahrzeug ferner Sensoren auf zum Sammeln von Daten, die Aufschluss über den baulichen Zustand des Tunnels geben können. Diese Sensoren umfassen vorzugsweise die erste, zweite und dritte Kamera sowie vorzugsweise eine vierte Kamera, die zum Grund im Tunnelkörper ausgerichtet ist. Die Kameras ermöglichen zusammen vorzugsweise eine Rundumsicht im Tunnel, wobei mittels der Kameras benachbart beobachtete Abschnitte des Tunnelkörpers sich vorzugsweise geringfügig gegenseitig überlappen, so dass eine lückenlose Inspektion sichergestellt ist. Alternativ oder zusätzlich umfassen die Sensoren wenigstens eine schwenkbare Kamera oder eine Kamera mit, beispielsweise über einen schwenkbaren Spiegel, schwenkbarer Beobachtungsrichtung.

Ferner weist das Unterwasserfahrzeug vorzugsweise einen Datenspeicher auf, in dem die Daten gespeichert werden können. Die Sensoren umfassen vorzugsweise wenigstens einen Laserpointer und/oder wenigstens eine weitere optische Kamera und/oder wenigstens ein Echolot und/oder wenigstens einen akustischen Sensor.

Dank der Sensoren kann das Innere des Tunnels bzw. der bauliche Zustand des Tunnelkörpers, beispielsweise in Bezug auf Risse, Löcher oder Einbrüche untersucht werden bzw. wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Untersuchen eines gefluteten Tunnels entsprechend untersucht. Die sensierten Daten werden vorzugsweise zusammen mit Positionsdaten des Unterwasserfahrzeugs im Datenspeicher gespeichert, sodass die sensierten Daten bei einer späteren Auswertung einem Ort im Tunnel zugeordnet werden können. Im Falle eines ermittelten Schadens kann somit gezielt eine Reparatur am zugehörig gespeicherten Ort durchgeführt werden.

Vorzugsweise weist das Unterwasserfahrzeug Mittel zum Sensieren eines optischen Abbruchsignals auf. Das optische Abbruchsignal wird beispielsweise durch das Einschalten einer Lichtquelle erzeugt, von der ausreichend Licht auf den Sensor trifft. Vorzugsweise weist das Unterwasserfahrzeug ferner Mittel zum Erkennen eines gewünschten Abbruchs des Verfahrens und zum Beenden des Durchfahrens des Tunnels in Erwiderung auf das Sensieren des optischen Abbruchsignals auf. Insbesondere entscheidet eine Recheneinrichtung des Unterwasserfahrzeugs bei einem über einem Grenzwert liegenden sensierten Lichtgradienten und/oder bei einer über einem Grenzwert liegend erkennten Lichtstärke, dass ein Abbruchsignal vorliegt und stoppt daraufhin den Vortrieb des Unterwasserfahrzeugs. Das Unterwasserfahrzeug steigt vorzugsweise nachfolgend selbsttätig auf. Der Abbruch des Verfahrens bzw. das Auftauchen erfolgt somit lichtgesteuert bzw. erfolgt getriggert durch das Einschalten der Lichtquelle. Somit kann das Unterwasserfahrzeug an seinem Zielort bzw. nach Durchfahren des zu inspizierenden Tunnels geborgen werden.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus dem anhand der Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispiel. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein autonomes Unterwasserfahrzeug mit Abstandsermittlungsein- richtung aufweisender Abstandsregeleinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Ansicht;

Fig. 2 eine Veranschaulichung der Abstandsermittlung mittels

Lasertriangulation mit der Abstandsermittlungseinrichtung des ersten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 ;

Fig. 3 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung grundlegender

Verfahrensschritte bei einem Verfahren zum Untersuchen eines gefluteten Tunnels mit einem Abstandsregelverfahren, das ein Abstandsermittlungsverfahren umfasst, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 4 ein autonomes Unterwasserfahrzeug mit Abstandsermittlungsein- richtung aufweisender Abstandsregeleinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein autonomes Unterwasserfahrzeug 1 , das autonom in einem mit einer Flüssigkeit 2, beispielsweise Trinkwasser, als erstes Medium gefluteten bzw. gefüllten Tunnel 4 navigieren kann. Der Tunnel 4 ist beispielsweise ein Trinkwasserstollen, kann jedoch auch ein beliebiges anderes Rohr bzw. eine Pipeline sein, die mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und das autonome Unterwasserfahrzeug 1 derart in seinem Inneren aufnehmen kann, dass dem autonomen Unterwasserfahrzeug ausreichend Platz zum Navigieren verbleibt. Beispielsweise hat das autonome Unterwasserfahrzeug einen Durchmesser von 0,3 m und der Tunnel einen von einem Tunnelkörper 6 begrenzten Innendurchmesser von 2,0 bis 2,5 m. Die Länge des autonomen Unterwasserfahrzeugs 1 beträgt beispielsweise 2,5 m und kann somit länger sein als der Tunnel 4 breit bzw. hoch ist. In Fig. 1 ist der Durchmesser des Tunnels 4 vergleichsweise schmaler dargestellt. Fig. 1 ist somit nicht als maßstabsgetreu anzusehen, sondern dient lediglich zur beispielhaften Veranschaulichung von Merkmalen der Erfindung. Ferner ist ein Teil des Tunnelkörpers 6 ausgeschnitten bzw. nicht dargestellt, um den Blick auf das im Inneren des Tunnels 4 befindliche autonome Unterwasserfahrzeug 1 freizugeben.

Das autonome Unterwasserfahrzeug 1 weist einen in Fig. 1 nicht dargestellten bzw. nicht sichtbaren Antrieb, wie beispielsweise wenigstens eine Schraube, zum Vortrieb sowie Steuermittel, wie beispielsweise Ruder, und eine Energiespeichereinrichtung zur Versorgung des Antriebs, zur Versorgung der Steuermittel sowie zur Versorgung weiterer elektrischer Einrichtungen des autonomen Unterwasserfahrzeugs 1 mit elektrischer Energie auf. Das autonome Unterwasserfahrzeug 1 ist somit in der Lage, bei einer Geschwindigkeit von beispielsweise 2,5 km/h eine Strecke von mehr als 20 km im Tunnel 4 selbstständig zurückzulegen, sofern die Flüssigkeit 2 im Tunnel 4 im Wesentlichen unbewegt ist. Bei der Durchfahrt durch den Tunnel 4 kann das autonome Unterwasserfahrzeug 1 den Tunnelkörper 6 von innen mittels wenigstens eines Sensors 8 untersuchen, wobei dieser Sensor 8 beispielsweise wenigstens eine Kamera oder ein anderes optisches Detektionsmittel und/oder wenigstens ein akustisches Detektionsmittel aufweist, um beispielsweise Risse oder Löcher im Tunnelkörper 6 detektieren zu können. Ferner ist ein Datenspeicher 10 vorgesehen, auf dem mittels des Sensors 8 sensierte Daten zusammen mit dem jeweils zurückgelegten Weg und/oder einer Zeitmarkierung gespeichert werden, dem bzw. der später ein Wegpunkt zugeordnet werden kann, um möglicherweise sensierte Auffälligkeiten am Tunnelkörper 6 bei einer späteren Datenauswertung zumindest ungefähr Positionen im Tunnel 4 zuordnen zu können.

Am Bug 12 des autonomen Unterwasserfahrzeugs 1 ist eine Bugkamera 14, insbesondere des Sensors 8, angeordnet, die in Fahrtrichtung des autonomen Unterwasserfahrzeugs 1 ausgerichtet ist und somit ein evtl. vor dem autonomen Unterwasserfahrzeug 1 befindliches Hindernis erkennen kann. Am Grund 16 im Tunnelkörper 6 liegt beispielhaft ein nicht mehr benötigtes Kabel 18. Ferner ist denkbar, dass auch größere Hindernisse am Grund 16 im Tunnel 4 liegen, beispielsweise Material, das sich aus dem Tunnelkörper 6 gelöst hat. Derartige am Grund 16 liegende Hindernisse können mittels eines Echolots 20, insbesondere des Sensors 8, zuverlässig erkannt werden. Ggf. steuert das autonome Unterwasserfahrzeug 1 selbsttätig über derartige Hindernisse hinweg.

Zur Verbesserung der Manövrierbarkeit des autonomen Unterwasserfahrzeugs 1 gegenüber einem Manövrieren allein mit den üblichen o.g. Antriebs- und Steuermitteln weist das autonome Unterwasserfahrzeug 1 bzw. die Steuereinrichtung optional darüber hinaus, vertikal wirkende, erste Schubmittel 22 sowie entsprechend ausgebildete, jedoch horizontal wirkende, zweite Schubmittel 24 auf. Die Schubmittel 22, 24 wirken dabei jeweils querab zu einer Längsachse Z des autonomen Unterwasserfahrzeugs 1 und können das autonome Unterwasserfahrzeug 1 somit effektiv auf einen geeigneten Kurs zurückbewegen, wenn sich das autonome Unterwasserfahrzeug 1 beispielsweise zu nah an eine Tunneldecke 26 oder an eine linke Tunnelwand 28 oder rechte Tunnelwand 30 heranbewegen sollte. Einen geeigneten Kurs kann das autonome Unterwasserfahrzeug 1 auch dank einer Abstandsregeleinrichtung 32 zuverlässig einnehmen. Die Abstandsregeleinrichtung 32 umfasst die Kamera 14 oder einen anderen Sensor am Bug 12 des autonomen Unterwasserfahrzeugs 1 und sorgt für das Umfahren etwaiger Hindernisse. Weiter weist die Abstandsregeleinrichtung 32 eine Abstandsermitt- lungseinrichtung 34 auf. Eine Recheneinrichtung 36 der Abstandsregeleinrichtung 32 bzw. der Abstandsermittlungseinrichtung 34 stellt Steuersignale 38 bereit, anhand derer die Steuereinrichtung, insbesondere die ersten Schubmittel 22 und/oder die zweiten Schubmittel 24, angesteuert wird. Die Ansteuerung erfolgt in Abhängigkeit von ermittelten Abständen des autonomen Unterwasserfahrzeugs 1 zum Tunnelkörper 6 sowie in Abhängigkeit von entsprechenden Soll- Abständen, die vorgegeben oder vorgebbar sind und die von der Abstandsregeleinrichtung 32 ggf. auch selbsttätig in Abhängigkeit von den ermittelten Abständen angepasst werden können. Die Recheinrichtung 36 stellt erste und zweite Korrekturmittel für Korrekturen beim Ermitteln der Abstände bereit.

Das autonome Unterwasserfahrzeug 1 ermittelt einen ersten Abstand 40 zwischen dem autonomen Unterwasserfahrzeug 1 und der linken Tunnelwand 28, einen zweiten Abstand 42 zwischen dem autonomen Unterwasserfahrzeug 1 und der Tunneldecke 26 und einen dritten Abstand 44 zwischen dem autonomen Unterwasserfahrzeug 1 und der rechten Tunnelwand 30. Hierfür weist die Abstandsermittlungseinrichtung 34 im Inneren des autonomen Unterwasserfahrzeugs 1 einen ersten Laser 46, einen zweiten Laser 48 und einen dritten Laser 50 auf. Ein vom jeweiligen Laser 46, 48, 50 ausgehender erster Laserstrahl 52, zweiter Laserstrahl 54 bzw. dritter Laserstrahl 56 trifft auf den Tunnelkörper 6, sodass Licht gestreut wird, das mittels einer ersten Kamera 58, zweiten Kamera 60 bzw. dritten Kamera 62 der Abstandsermittlungseinrichtung 34 detektiert werden kann. Die Kameras 58, 60, 62 sind hinter einer Scheibe 64, insbesondere Acrylglasscheibe, angeordnet, durch die das am Tunnelkörper 6 gestreute Licht des Lasers 46, 48, 50 entlang eines Weges 70, 72 bzw. 74 auf die jeweilige Kamera 58, 60, 62 trifft. Mittels Lasertriangulation wird somit der Abstand zu den Tunnelwänden 28, 30 und zur Tunneldecke 26 ermittelt. Diese Anordnung der Laser 46, 48, 50 und Kameras 58, 60, 62 ist lediglich als beispielhaft anzusehen. Alternativ sind andere Anordnungen möglich, bei denen zumindest zwei Abstände in unterschiedlichen Richtungen mittels Lasertriangulation ermittelt werden.

Wenn wenigstens einer der ermittelten Abstände 40, 42, 44 um mehr als einen Toleranzwert von einem jeweils zugehörigen Soll-Abstand abweicht, führt die Abstandsregeleinrichtung durch das Generieren entsprechender Steuerbefehle das autonome Unterwasserfahrzeug 1 auf einen gewünschten Kurs zurück. Insbesondere wird das autonome Unterwasserfahrzeug 1 in ausreichendem Abstand zum Tunnelkörper 6 gehalten, sodass das autonome Unterwasserfahrzeug 1 zum einen aus ausreichendem Abstand den Zustand des Tunnelkörpers 6 erfassen kann und zum anderen die Gefahr einer Kollision mit dem Tunnelkörper 6 minimiert wird.

Der Sensor 8 umfasst die Bugkamera 14 und die Kameras 58, 60, 62 sowie ggf. eine nicht dargestellte nach unten gerichtete vierte Kamera, die zusammen eine Rundumsicht radial um die Längsachse Z des Unterwasserfahrzeugs 1 durch einander überlappende Bilder des Tunnelkörpers 6 erstellen. Dabei sind die Kameras 58, 60, 62 weitgehend zentral im Bereich der Längsachse Z angeordnet.

Fig. 2 zeigt die Anordnung des ersten Lasers 46 und der ersten Kamera 58 zur beispielhaften Veranschaulichung der Lasertriangulation bzw. der Ermittlung des ersten Abstands 40 zwischen dem autonomen Unterwasserfahrzeug 1 und dem Tunnelkörper 6. Entsprechendes gilt jedoch auch für die Ermittlung des zweiten Abstands 42 und des dritten Abstands 44 mittels des zweiten Lasers 48 und der zweiten Kamera 60 bzw. mittels des dritten Lasers 50 und der dritten Kamera 62.

Vom ersten Laser 46 wird ein Laserstrahl 76 emittiert, der in einem Punkt P1 auf den Tunnelkörper 6 trifft. Dieser Punkt P1 kann mittels der Kamera 58 beobachtet werden. Hierfür legt am Punkt P1 gestreutes Licht des Laserstrahls 76 den Weg 70 zur ersten Kamera 58 bzw. bis zu einem lichtempfindlichen Sensor 58, beispielsweise einem sogenannten CCD-Chip, zurück. Der lichtempfindliche Sensor 78 stellt eine Bildebene bzw. ein Bild 80 bereit, auf welchem der Punkt P1 auf wenigstens einem Pixel Px1 abgebildet wird.

Der Weg 70 vom Punkt P1 zum Pixel Px1 verläuft nicht geradlinig, da der Weg 70 zunächst durch ein erstes Medium, nämlich die Flüssigkeit bzw. das Wasser 2, mit einem ersten Brechungsindex, weiter durch die Scheibe 64 und weiter durch Luft im Inneren des autonomen Unterwasserfahrzeugs 1 verläuft. Diese Luft ist ein zweites Medium 82 mit einem zweiten Brechungsindex, der sich vom ersten Brechungsindex unterscheidet. Insbesondere beträgt der Brechungsindex von Wasser ungefähr 1 ,33, der Brechungsindex von Luft ungefähr 1 ,00 und der Brechungsindex von Acrylglas ungefähr 1 ,49. Das Licht auf dem Weg 70 wird daher zweimal, nämlich an einer ersten Grenzfläche 84 der Scheibe 64 zum ersten Medium bzw. zur Flüssigkeit 2 sowie an einer zweiten Grenzfläche 86 der Scheibe 64 zum zweiten Medium 82 gebrochen. Ferner passiert das Licht in der Kamera 58 ein Objektiv 88 bzw. eine Linse, bevor es die Bildebene 80 beleuchtet und dort das Auftreffen im Pixel Px1 registriert wird.

Bei der herkömmlichen Lasertriangulation, bei welcher der Weg 70 geradlinig durch ein einziges Medium verläuft, kann mittels einfacher trigonometrischer Zusammenhänge auf den Zusammenhang einer Änderung des Abstands zwischen dem Laser 46 und dem Punkt P1 auf der einen Seite und einer Verschiebung des Bildpunkts bzw. des Pixels Px1 , mittels dem Licht in der Bildebene 80 registriert wird, geschlossen werden und somit umgekehrt anhand dieser Verschiebung in der Bildebene 80 auf die reale Abstandsänderung zwischen dem Laser 46 und dem Punkt P1 geschlossen werden. Diese Zusammenhänge sind dem Fachmann bekannt bzw. können alternativ auf einfache Weise geometrisch hergeleitet werden und brauchen hier daher nicht näher beschrieben zu werden.

Prinzipiell erfordert die Lasertriangulation eine präzise bzw. genau bekannte Anordnung der ersten Kamera 58 bzw. des Objektivs 88 und des lichtempfindlichen Sensors 78 in der ersten Kamera 58, um den ersten Abstand 40 möglichst exakt bestimmen zu können. Die Erfindung ermöglicht dennoch den Einsatz einer mit vergleichsweise weniger Präzision gefertigten Standardkamera als erste Kamera 58. Abweichungen im Bild des Punktes P1 in der Bildebene 80 aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten der ersten Kamera 58 werden mittels der ersten Korrekturmittel durch einen ersten Korrekturwert korrigiert, der ein additiver Korrekturwert ist und somit eine Verschiebung gegenüber dem Pixel Px1 in der Bildebene 80 bewirkt.

Nach herkömmlicher Lasertriangulation bzw. ohne Berücksichtigung der Lichtbrechung im Weg 70 würde anhand des Pixels Px1 der Punkt P1 in einem virtuellen Punkt Pv1 vermutet und der erste Abstand 40 damit zu kurz eingeschätzt werden. Insbesondere unterscheidet sich der Winkel ß-ι im Punkt P1 zwischen dem Laserstrahl 76 und dem anschließenden Teil des Weges 70 vom Winkel β ή , in dem das Licht auf dem Weg 70 gegenüber einer Senkrechten auf den lichtempfindlichen Sensor 78 bzw. auf die Bildebene 80 trifft. Dies wird bei der Berechnung des ersten Abstands 40 mittels der zweiten Korrekturmittel durch einen zweiten Korrekturwert korrigiert, der als multiplikativer Korrekturwert in die Berechung des ersten Abstands 40 einfließt. Insbesondere ist der zweite Korrekturwert ein Faktor b der in die Berechnung des Sinus von ß -j eingeht. Es gilt eine Formel sin j = . Dabei beschreibt d_Px die Position des

Pixels Px bzw. die Position des Bildpunktes in der Bildebene 80 in Pixeln bzw. Bildpunkten, c² ist eine Konstante der Kamera 58, vorzugsweise der erste Korrekturwert. Unter Kenntnis der somit korrigierten sin/3 bzw. sin/3-/ lässt sich, da der Abstand senkrecht zum Laserstrahl 76 bis zum Punkt S1 bekannt ist, leicht der Abstand des Punktes P1 senkrecht zum Laserstrahl 76 bis zum Punkt S1 berechnen. Damit lässt sich wiederum einfach der erste Abstand 40 mittels binomischer Formel berechnen. Insgesamt ermöglicht der zweite Korrekturwert b somit die optische Bestimmung des ersten Abstands 40 mittels Lasertriangulation, obgleich das Licht zwischen dem Punkt P1 und der Kamera 58 durch Medien mit unterschiedlichen Brechungsindices verläuft.

In Fig. 2 ist zur Veranschaulichung der Auswirkungen einer Abstandsveränderung zwischen dem autonomen Unterwasserfahrzeug 1 und dem Tunnelkörper 6 gestrichelt eine in eine Richtung r verschobene Wand des Tunnelkörpers 6' eingezeichnet. Daraus folgt ein gegenüber dem Winkel ß-j vergrößerter Winkel ß2 und aufgrund der Brechung im Weg 70' ein gegenüber dem Winkel stärker vergrößerter Winkel ß2 - Die Brechung sorgt somit für eine zu starke Verschiebung des beleuchteten Bildpunktes in der Bildebene 80 vom Pixel Px1 in einer Richtung rv zu einem Pixel Px2, die jedoch durch den zweiten Korrekturwert korrigiert wird.

Der erste Korrekturwert und der zweite Korrekturwert b sind vorzugsweise Konstanten, die beispielsweise vor dem Einsatz des autonomen Unterwasserfahrzeugs 1 mittels Eichung ermittelt werden. Der zweite Korrekturwert b kann ggf. ohne neue Eichung an ein jeweiliges erstes Medium angepasst werden, mit dem der zu untersuchende Tunnel 4 gefüllt bzw. geflutet ist.

Wenn alternativ neben dem Punkt P1 noch ein - nicht dargestellter - Punkt P2 von einem weiteren Laser beleuchtet und in der Bildebene 80 beispielsweise im Pixel Px2 abgebildet wird, bestimmt die Recheneinrichtung 36 aus der Verschiebung rv des Pixels Px2 gegenüber dem Pixel Px1 den Abstand des Unterwasserfahrzeugs 1 zum Tunnelkörper 6.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines Verfahrens 90 zum Untersuchen eines gefluteten Tunnels, beispielsweise des Tunnels 4 des Ausführungsbeispiels gemäß den Fig. 1 und 2. Der Tunnel 4 wird dabei insbesondere mittels des autonomen Unterwasserfahrzeugs 1 mit der Abstandsregeleinrichtung 32 und der Abstandsermittlungseinrichtung 34 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 untersucht.

Das Verfahren 90 umfasst ein, insbesondere mittels der Abstandsregeleinrichtung 32 durchführbares, Abstandsregelverfahren 92, das wiederum ein, insbesondere mittels der Abstandsermittlungseinrichtung 34 durchführbares, Abstandsermittlungsverfahren 94 umfasst. Das Verfahren 90 startet in einem Schritt 96, indem das autonome Unterwasserfahrzeug 1 in den Tunnel 4 gesetzt wird und dort in der Flüssigkeit 2 untertaucht. Hierfür ist das autonome Unterwasserfahrzeug 1 vorzugsweise auftriebsneutral in Bezug auf die jeweilige Flüssigkeit 2 ausgebildet. Anfangs kann das autonome Unterwasserfahrzeug 1 über ein Kabel ferngesteuert werden. Nachfolgend ist das autonome Unterwasserfahrzeug 1 jedoch auf sich allein gestellt und nutzt das Abstandsregelverfahren 92, um auf einem geeigneten Kurs durch den Tunnel 4 zu manövrieren. Hierfür werden wiederholt mittels des Abstandsermittlungsverfahrens 94 gemäß einem Schritt 98 mittels Lasertriangulation optisch die Abstände 40, 42, 44 des autonomen Unterwasserfahrzeugs 1 zum Tunnelkörper 6 in mehreren unterschiedlichen Richtungen bestimmt. Der Schritt 98 umfasst einen Schritt 100, in dem ein Pixel Px detektiert wird, auf dem vom Laserstrahl 76 zurückgestreutes Licht in der Bildebene 80 abgebildet wird. Der ermittelte Pixel wird gemäß einem Schritt 102 mit dem ersten Korrekturwert korrigiert. Der derart korrigierte Pixel wird für die Abstandsbestimmung herangezogen. Bei der Ermittlung des Abstands 40, 42, 44 wird ferner der dabei zu berücksichtigende Winkel ß bzw. der Sinus dieses Winkels ß gemäß einem Schritt 104 durch Multiplikation mit dem zweiten Korrekturwert b korrigiert.

Der somit mittels des Abstandsermittlungsverfahrens 94 jeweils ermittelte Abstand 40, 42, 44 wird mit einem jeweils zugehörigen Soll-Abstand verglichen. Wenn sich die ermittelten Abstände 40, 42, 44 um weniger als einen vorgegebenen Toleranzwert vom jeweils zugehörigen Soll-Abstand unterscheiden, sind keine Regeleingriffe nötig, zumindest wenn nicht mittels anderer Sensoren, beispielsweise mittels des Echolots 20 ein Hindernis sensiert wird. Andernfalls, wenn gemäß einer Abfrage 106 der ermittelte erste Abstand 40 kleiner als der zugehörige Soll-Abstand und der ermittelte dritte Abstand 44 größer als der zugehörige Soll-Abstand ist, d.h., wenn das autonome Unterwasserfahrzeug 1 nach links vom Kurs abweicht, erfolgt gemäß einem Schritt 108 eine Kurskorrektur nach rechts. Wenn umgekehrt gemäß einer Abfrage 1 10 der erste Abstand 40 größer als der zugehörige Soll-Abstand und der dritte Abstand 44 kleiner als der zugehörige Soll-Abstand ist, erfolgt gemäß einem Schritt 1 12 eine Kurskorrektur nach links. In Erwiderung auf die jeweilige Kurskorrektur wird der jeweilige Abstand 40, 44 wieder zum jeweiligen Soll-Abstand zurückgeführt.

Wenn dagegen sowohl der erste Abstand 40 als auch der dritte Abstand 44 beide kleiner oder größer als der jeweils zugehörige Soll-Abstand sind, erfolgt nach einer entsprechenden Abfrage in einem Schritt 1 14 gemäß einem Schritt 1 16 eine Anpassung der Soll-Abstände oder zumindest eines der Soll-Abstände. Zudem erfolgt gemäß einem Schritt 1 18 eine Abfrage, ob der vertikale zweite Abstand 42 um mehr als einen Toleranzwert vom zugehörigen Soll-Abstand abweicht. Bei entsprechender Abweichung erfolgt gemäß einem Schritt 120 eine Kurskorrektur in vertikaler Richtung bzw. nach oben oder unten, um den Soll- Abstand wieder zu erreichen.

Während das autonome Unterwasserfahrzeug 1 mittels des Abstandsregelver- fahrens 92 durch den Tunnel 4 navigiert, sammelt das autonome Unterwasserfahrzeug 1 gemäß einem Schritt 122 Daten, die bei späterer Auswertung Aufschluss über den baulichen Zustand des Tunnels 4 geben können. Diese Daten werden gemäß einem Schritt 124 im Datenspeicher 10 gespeichert.

Das Verfahren 90 wird fortgesetzt, bis gemäß einer Abfrage 126 das Missionsende in einem Schritt 128 erreicht wird. Das Missionsende kann dem autonomen Unterwasserfahrzeug 1 beispielsweise mittels eines optischen Signals an einem Tunnelausgang des Tunnels 4 signalisiert werden. Das autonome Unterwasserfahrzeug 1 kann derart ausgebildet sein, dass es bei erkanntem Missionsende die Mission bzw. das Untersuchen des Tunnels 4 abbricht und beispielsweise selbsttätig durch einen Kontrollschacht zur Oberfläche aufsteigt bzw. auftaucht. Hier kann das autonome Unterwasserfahrzeug 1 geborgen und nachfolgend der Datenspeicher 10 zur Auswertung der Mission ausgelesen werden.

Fig. 4 zeigt ein autonomes Unterwasserfahrzeug V gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Tunnel 4. Teile des Tunnelkörpers 6 sind nicht dargestellt bzw. ausgeschnitten, um das im Tunnel 4 befindliche Unterwasserfahrzeug V teilweise sichtbar zu machen. Das Unterwasserfahrzeug 1 ' gleicht weitgehend dem Unterwasserfahrzeug 1 des ersten Ausführungsbei- spiels von Fig. 1. Gleiche Teile, insbesondere am Bug des Unterwasserfahrzeugs V bzw. vor einer Abstandsermittlungseinrichtung 34' sind zur Vereinfachung nicht erneut dargestellt.

Die Abstandsermittlungseinrichtung 34' unterscheidet sich von der Abstandsermittlungseinrichtung 34 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 im Wesentlichen dadurch, dass anstelle der Laser 46, 48, 50 der erste Laser 46 und ein weiterer Laser 132 mit jeweils einer Aufweitungsoptik 134 bzw. 136 und anstelle der Recheneinrichtung 36 eine Recheneinrichtung 36' vorgesehen ist. Eine Abstandsregeleinrichtung 32' weist die Abstandsermittlungseinrichtung 34' auf. Von den Kameras 58, 60, 62 wird lediglich die Kamera 58 für die Abstandsermittlung benötigt. Alle Kameras 58, 60, 62 sowie eine nicht dargestellte, nach unten gerichtete Kamera dienen jedoch dem optischen Untersuchen des Tunnelkörpers 6. Eine Acrylglasscheibe 64' ist gegenüber der Acrylgrasscheibe 64 derart vergrößert, so dass Alle Kameras 58, 60, 62 und beide Laser 46 und 132 dahinter angeordnet sein können.

Die Aufweitungsoptiken 134 und 136 weiten den zunächst im Wesentlichen mit einem punktförmigen Querschnitt vom Laser 46 bzw. 132 emittierten Laserstrahl zu einem linienartigen Querschnitt auf. Es werden daher Linien 138 und 140 auf den Tunnelkörper 6 bzw. auf die linke Tunnelwand 28 projiziert. Beispielhaft und vorzugsweise erfolgt die Projektion der Linien parallel. Die Linien 138 und 140 können jeweils als eine Vielzahl von Punkten aufgefasst werden, die alle in der Bildebene 80 (vgl. Fig. 2) auf Pixel Px abgebildet werden. Die Recheneinrichtung 36' berechnet aus den Abständen mehrere Pixel Px, auf denen jeweils ein Punkt der Linie 138 abgebildet wird, zu jeweils einem Pixel Px, auf dem jeweils ein Punkt der Linie 140 abgebildet wird, jeweils mittels Lasertriangulation einen Abstand des Unterwasserfahrzeugs 1 ' zum Tunnelkörper 6 in unterschiedlichen Richtungen bezogen auf die Längsachse Z des Unterwasserfahrzeugs 1 '. Zudem berechnet die die Recheneinrichtung 36' die Krümmung der linken Tunnelwand 28 oder bei anderer Ausrichtung der Laser 46 und 132 sowie der Kamera 58 eines anderen Abschitts des Tunnelkörpers 6. Ferner schließt die Recheneinrich- tung 36' auf den Durchmesser des Tunnelkörpers 6 und auf die Position und Lage des Unterwasserfahrzeugs V in Bezug auf den Tunnelkörper 6.

Alternativ zur Aufweitung des jeweiligen Laserstrahls durch die Aufweitungsoptik 134 bzw. 136 können auch mehrere voneinander beabstandete Punkte mittels des Lasers 46 bzw. 132 oder mittels mehrerer Laser auf den Tunnelkörper 6 projiziert werden.

Alternativ kann der Laser 132 entfallen, so dass die Abstandsberechnung mittels Triangulation allein mittels der in der Bildebene 80 abgebildeten Linie 138 für jeden Punkt gemäß der Beschreibung zu den Figuren 1 und 2 erfolgt.

Die Erfindung stellt insgesamt auf vorteilhafte Weise eine Möglichkeit bereit, einen gefluteten Tunnel 4 auf mögliche Schäden am Tunnelkörper 6 zu untersuchen.

Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.

Claims

Patentansprüche

Abstandsermittlungsverfahren für ein autonom in einem gefluteten Tunnel (4) navigierendes, insbesondere autonomes, Unterwasserfahrzeug (1 ), wobei eine Abstandsermittlungseinrichtung (34) des Unterwasserfahrzeugs (1 ) mehrere zum Navigieren heranziehbare Abstände (40, 42, 44) jeweils zwischen dem Unterwasserfahrzeug (1 ) und einem das Unterwasserfahrzeug (1 ) um eine Längsachse (Z) des Unterwasserfahrzeugs (1 ) umgebenden Tunnelkörper (6) des Tunnels (4) in unterschiedlichen Richtungen jeweils optisch mit einem Laser (46, 48, 50) und einer Kamera (58, 60, 62) mittels Lasertriangulation ermittelt (98).

Abstandsermittlungsverfahren nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Abstandsermittlungseinrichtung (34) einen, im Wesentlichen horizontalen, ersten Abstand (40) querab zur Längsachse (Z) des Unterwasserfahrzeugs (1 ) zu einer linken Tunnelwand (28) des Tunnelkörpers (6) ermittelt (98) und/oder einen, im Wesentlichen vertikalen, zweiten Abstand (42) querab zur Längsachse (Z) des Unterwasserfahrzeugs (1 ) zu einer Tunneldecke (26) des Tunnelkörpers (6) ermittelt (98) und/oder einen, im Wesentlichen horizontalen, dritten Abstand (44) querab zur Längsachse (Z) des Unterwasserfahrzeugs (1 ) zu einer rechten Tunnelwand (30) des Tunnelkörpers (6) ermittelt (98).

Abstandsermittlungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

erste Korrekturmittel der Abstandsermittlungseinrichtung (34) wenigstens einen Pixel (Px1 ) in einem von der jeweiligen Kamera (58, 60, 62) aufgenommenen Bild (80), auf dem das vom jeweiligen Laser (46, 48, 50) auf den Tunnelkörper (6) auftreffende Licht abgebildet wird, um einen additiven Korrekturwert zur Berücksichtigung eines Schielens der Kamera (58, 60, 62) korrigieren (102) und die Abstandsermittlungseinrichtung (34) mit diesem korrigierten Pixel (Px1 ) den jeweiligen Abstand (40, 42, 44) ermittelt (98).

Abstandsermittlungsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

der Weg (70, 72, 74), den das Licht vom Tunnelkörper (6) zur Kamera (58, 60, 62) zurücklegt, durch ein erstes Medium (2), insbesondere Wasser, mit dem der Tunnel (4) geflutet ist, verläuft, weiter durch eine Scheibe (64), insbesondere aus Acrylglas, des Unterwasserfahrzeugs (1 ), die ein zweites Medium (82), insbesondere Luft, vom ersten Medium (2) trennt und in dem die Kamera (58, 60, 62) angeordnet ist, verläuft und weiter durch das zweite Medium (82) zur Kamera (58, 60, 62) verläuft, wobei dieser Weg (70, 72, 74) aufgrund unterschiedlicher Brechungsindices des ersten Mediums (2), der Scheibe (64) und des zweiten Mediums (82) an den Grenzflächen (84, 86) der Scheibe (64) zum ersten Medium (2) sowie zum zweiten Medium (82) gebrochen wird, sodass der Einfallswinkel (β^ ') des Lichts auf die Kamera (58, 60, 62) verfälscht wird und zweite Korrekturmittel der Abstandsermittlungseinrichtung (34) den verfälschten Einfallswinkel (jS-_|') bei der Ermittlung des jeweiligen Abstands (40, 42, 44) durch einen multiplikativen Korrekturwert (b) korrigieren (104).

Abstandsermittlungsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

mittels wenigstens einem Echolot (20) der Abstandsermittlungseinrichtung (34) zur Unterstützung der Abstandsermittlung elektroakustisch wenigstens einen Abstand des Unterwasserfahrzeugs (1 ) zum Tunnelkörper (6) überwacht wird und/oder mittels wenigstens einem am Bug (12) des Unterwasserfahrzeugs (1 ) angeordneten Sensor (14) ein etwaiges Hindernis vor dem Unterwasserfahrzeug (1 ) erkannt wird.

Abstandsregelverfahren für ein autonom in einem gefluteten Tunnel (4) navigierendes, insbesondere autonomes, Unterwasserfahrzeug (1 ), wobei eine Abstandsermittlungseinrichtung (34) wiederholt Abstände (40, 42, 44) gemäß dem Abstandsermittlungsverfahren (94) nach einem der vorherigen Ansprüche ermittelt, eine die Abstandsermittlungseinrichtung (34) aufweisende Abstandsregeleinrichtung (32) die ermittelten Abstände (40, 42, 44) mit vorgegebenen oder vorgebbaren Soll-Abständen vergleicht und im Falle einer als über einem Toleranzwert erkannten Abweichung wenigstens eines ermittelten Abstands (40, 42, 44) vom zugehörigen Soll- Abstand Ansteuersignale für wenigstens eine Steuereinrichtung (22, 24) des Unterwasserfahrzeugs (1 ) erzeugt, um den jeweiligen Abstand (40, 42, 44) zum Soll-Abstand zurückzuführen (108, 1 12, 120).

Abstandsregelverfahren nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Unterwasserfahrzeug (1 ) ein im Tunnelkörper erkanntes Hindernis bei möglicher zeitweiliger Veränderung, insbesondere Verringerung, wenigstens eines der Abstände (40, 42, 44) umfährt.

Verfahren zum Untersuchen eines gefluteten Tunnels (4), insbesondere Pipeline oder Trinkwasserstollen, mittels eines, insbesondere autonomen, Unterwasserfahrzeugs (1 ), wobei das Unterwasserfahrzeug (1 ) den Tunnel (4) durchfährt und dabei Abstände (40, 42, 44) mit einem Abstandsermittlungsverfahren (94) nach einem der Ansprüche 1-5 ermittelt (98) oder mit einem Abstandsregelverfahren (92) nach Anspruch 6 oder 7 regelt sowie dabei mittels wenigstens eines Sensors (8) Daten sammelt und in einem Datenspeicher (10) speichert, die Aufschluss über den baulichen Zustand des Tunnels (4) geben können.

Verfahren nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Unterwasserfahrzeug (1 ) ein optisches Abbruchsignal sensiert und in Erwiderung auf das Sensieren des optischen Abbruchsignals einen gewünschten Abbruch des Verfahrens (90) erkennt, das Durchfahren des Tunnels (4) beendet und aufsteigt. Abstandsermittlungseinrichtung für ein, insbesondere autonomes, Unterwasserfahrzeug (1 ), das autonom in einem gefluteten Tunnel (4) navigieren kann, wobei die Abstandsermittlungseinrichtung (34) ausgebildet ist zum Ermitteln mehrerer zum Navigieren heranziehbarer Abstände (40, 42, 44) jeweils zwischen dem Unterwasserfahrzeug (1 ) und einem das Unterwasserfahrzeug (1 ) um eine Längsachse (Z) des Unterwasserfahrzeugs (1 ) umgebenden Tunnelkörper (6) des Tunnels (4) in unterschiedlichen Richtungen jeweils optisch mit einem Laser (46, 48, 50) und einer Kamera (58, 60, 62) der Abstandsermittlungseinrichtung (34) mittels Lasertriangulation.

Abstandsermittlungseinrichtung nach Anspruch 10,

gekennzeichnet durch

Mittel zum Ermitteln eines, im Wesentlichen horizontalen, ersten Abstands (40) querab zur Längsachse (Z) des Unterwasserfahrzeugs (1 ) zu einer linken Tunnelwand (28) des Tunnelkörpers (6) und/oder Mittel zum Ermitteln eines, im Wesentlichen vertikalen, zweiten Abstands (42) querab zur Längsachse (Z) des Unterwasserfahrzeugs (1 ) zu einer Tunneldecke (26) des Tunnelkörpers (6) und/oder Mittel zum Ermitteln eines, im Wesentlichen horizontalen, dritten Abstands (44) querab zur Längsachse (Z) des Unterwasserfahrzeugs (1 ) zu einer rechten Tunnelwand (30) des Tunnelkörpers (6).

Abstandsermittlungseinrichtung nach Anspruch 10 oder 1 1 ,

gekennzeichnet durch,

erste Korrekturmittel zum Korrigieren wenigstens eines Pixels (Px1 ) in einem von der jeweiligen Kamera (58, 60, 62) aufgenommene Bild (80) auf den das vom jeweiligen Laser (46, 48, 50) auf den Tunnelkörper (6) auftreffende Licht abgebildet wird, um einen additiven Korrekturwert zur Berücksichtigung eines Schielens der Kamera (58, 60, 62) und eine Ausbildung der Abstandsermittlungseinrichtung (34) zum Ermitteln des jeweiligen Abstands (40, 42, 44) mit diesem korrigierten Pixel (Px1 ). Abstandsermittlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch

zweite Korrekturmittel zum Korrigieren eines verfälschten Einfallswinkels von Licht, das sich auf einem Weg (70, 72, 74) vom Tunnelkörper (6) zur Kamera (58, 60, 62) ausbreitet, durch einen multiplikativen Korrekturwert in dem Fall, dass der Weg (70, 72, 74), den das Licht vom Tunnelkörper (6) zur Kamera (58, 60, 62) zurücklegt, durch ein erstes Medium (2), insbesondere Wasser, mit dem der Tunnel (4) geflutet ist, verläuft, weiter durch eine Scheibe (64), insbesondere aus Acrylglas, des Unterwasserfahrzeugs (1 ), die ein zweites Medium (82), insbesondere Luft, vom ersten Medium (2) trennt und in dem die Kamera (58, 60, 62) angeordnet ist, verläuft und weiter durch das zweite Medium (82) zur Kamera (58, 60, 62) verläuft, wobei dieser Weg (70, 72, 74) aufgrund unterschiedlicher Bre- chungsindices des ersten Mediums (2), der Scheibe (64) und des zweiten Mediums (82) an den Grenzflächen (84, 86) der Scheibe (64) zum ersten Medium (2) sowie zum zweiten Medium (82) gebrochen wird, sodass der Einfallswinkel (ß-Γ) des Lichts auf die Kamera (58, 60, 62) verfälscht wird.

Abstandsermittlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch

ein Echolot (20) zur Unterstützung der Abstandsermittlung durch elektroa- kustisches Überwachen wenigstens eines Abstands des Unterwasserfahrzeugs zum Tunnelkörper (6) und/oder zu etwaigen Hindernissen im Tunnelkörper und/oder wenigstens einen Sensor (14) am Bug (12) des Unterwasserfahrzeugs (1 ) zum Erkennen eines etwaigen Hindernisses vor dem Unterwasserfahrzeug (1 ).

Abstandsregeleinrichtung für ein, insbesondere autonomes, Unterwasserfahrzeug (1 ), das autonom in einem gefluteten Tunnel (4) navigieren kann, wobei die Abstandsregeleinrichtung (32) eine Abstandsermittlungseinrichtung (34) nach einem der Ansprüche 10 bis 14 aufweist und derart ausgebildet ist, dass mittels der Abstandsermittlungseinrichtung (34) wiederholt ermittelte Abstände (40, 42, 44) mit vorgegebenen oder vorgebbaren Soll-Abständen verglichen werden und im Falle einer als über einem Toleranzwert erkannten Abweichung wenigstens eines ermittelten Abstands (40, 42, 44) vom zugehörigen Soll-Abstand Ansteuersig- nale für wenigstens eine Steuereinrichtung (22, 24) des Unterwasserfahrzeugs (1 ) erzeugt werden, um den jeweiligen Abstand (40, 42, 44) zum Soll-Abstand zurückzuführen.

Abstandsregeleinrichtung nach Anspruch 15,

gekennzeichnet durch

eine Ausbildung der Abstandsregeleinrichtung (32) derart, dass das Unterwasserfahrzeug (1 ) ein im Tunnelkörper (6) erkanntes Hindernis bei möglicher zeitweiliger Verringerung wenigstens eines der Abstände (40, 42, 44) umfährt.

Unterwasserfahrzeug, insbesondere autonomes Unterwasserfahrzeug, das autonom in einem gefluteten Tunnel (4) navigieren kann, wobei das Unterwasserfahrzeug (1 ) eine Abstandsermittlungseinrichtung (34) nach einem der Ansprüche 10-14 oder eine Abstandsregeleinrichtung (32) nach Anspruch 15 oder 16 aufweist.

Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 17,

gekennzeichnet durch

wenigstens einen Sensor (8) zum Sammeln von Daten, die Aufschluss über den baulichen Zustand des Tunnels (4) geben können, und einen Datenspeicher (10) zum Speichern dieser Daten in diesem Datenspeicher (10).

Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 17 oder 18,

gekennzeichnet durch

Mittel zum Sensieren eines optischen Abbruchsignals und Mittel zum Erkennen eines gewünschten Abbruchs des Verfahrens (90), Beenden des Durchfahrens des Tunnels (4) und Aufsteigen in Erwiderung auf das Sensieren des optischen Abbruchsignals.