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weitere Informationen - Deutsche Geodätische Kommission

1. Die beiden wesentlichen einschr nkenden Faktoren der satellitengest tzten Positionierung sind zum einen die ausreichende und gleichzeitige Verf gbarkeit von Satellitensignalen und zum anderen die geo metrische Verteilung der Satelliten im Raum Die nicht vorhandene Verf gbarkeit verhindert h ufig den Einsatz von GPS in engen Stra enschluchten Diese Einschr nkung wird jedoch durch die k nftig m g liche kombinierte Nutzung von GPS GLONASS und GALILEO deutlich verbessert werden wohingegen die geometrischen Bedingungen aufgrund von Abschattungen nicht verbessert werden k nnen Tabelle 3 4 zeigt die aktuell verf gbaren und in der Entwicklung befindlichen GNSS weitere Parameter und Leis tungsdaten k nnen der Literatur entnommen werden 2003 2001 und 2004 System GPS GLONASS GALILEO Anzahl der Satelliten 30 21 8 3 30 Aktueller Status In Betrieb In Betrieb ab 2012 1 In Warteposition 2 Kurz vor Inbetriebnahme 3 Nutzbarkeit eingeschr nkt Tabelle 3 4 bersicht der GNSS Systeme Stand M rz 2007 Aufgrund der eingeschr nkten Verf gbarkeit der Systeme GLONASS und GALILEO soll f r die Po sitionsbestimmung im Rahmen dieser Arbeit das GPS System genutzt werden Der gro e Vorteil einer GNSS gest tzten Positionsbestimmung sind ihr standardisierter hochgenauer globaler Referenzrahmen sowie die M glichkeit einer im Rahmen der geforderten Messgenauigkeit driftfreien Positionsbestimmung Bedingt durch vers
2. 9 3 Verfahren zur Filterung und Gl ttung der Trajektorie 133 9 3 3 Einfluss von Fahrzeugbewegungen Neben systematischen Abweichungen in der Trajektorienbestimmung die durch das verwendete Messver fahren begr ndet sind m ssen in mobilen Systemen auch physikalische Effekte ber cksichtigt werden die aufgrund von Eigenbewegungen des Fahrzeuges in der Punktwolke enthalten sind Diese Notwendigkeit erw chst aus dem Prinzip der indirekten Bestimmung von Azimut und Nickwinkel aus GPS Messungen und stellt einen wesentlichen Unterschied zu IMU basierten Systemen dar Hierzu z hlen insbesondere Drehungen des Fahrzeuges um seine L ngs und Querachse die sogenannten Nick und Rollbewegungen Sie m ssen auf der einen Seite f r die Transformation der auf den Scanner bezogenen Objektpunkte mit Hilfe von Inklinometermessungen erfasst und auf der anderen Seite vor einer Filterung und Gl ttung der Fahrzeugtrajektorie rechnerisch eliminiert werden da f r die Bewe gung des auf der Hinterachse gelagerten Fahrzeugsystems im Rahmen einer Filterung nur differentielle Iranslationen quer zur Fahrtrichtung zugelassen werden 106 m E A Hz Neigungsdaten Polynom D Grades Bee ung Toon IR d o o5 1 i5 2 25 3 35 4 45 5 250 Frequenz Hz A L 1 A A 150 160 170 130 190 200 210 220 230 240 Zeit Abbildung 9 16 Amplitudenspektrum der Inkli Abbildung 9 15 Neigungsdaten des Inklinometers ame Abbildung zei
3. Rx 4 3 10 F r die Aufstellung der elementaren Drehmatrizen zur Transformation des Fahrzeugsystems in das Gau Kr ger System werden die aus der Kalman Filterung abgeleiteten Nick und Gierwinkel der hier identisch mit dem Azimut ist sowie der aus Inklinometermessungen gewonnene Rollwinkel verwendet 28 3 Bestimmung von Position und Orientierung Ersetzt man die trigonometrischen Funktionen cos 4 o und int o durch ihre Kurzformen cy 0 6 und au 0 9 f hrt dies zu den drei Drehmatrizen 1 0 0 Rx vb 0 Cy Sy 3 11 0 sh Ch co 0 se Rr 0 0o 0 3 12 so 0 ce Co Sb 0 Rz ITS Co 0 3 13 0 0 1 Die vollst ndige Drehmatrix RE Li al lautet somit CO Co Sy SO Co T Cy S Cy SO Co T Cy So RZE 9 6 CO Ba Sy SO S T Cy Co Cy sO Sb zb Sy Col 3 14 SO Sy CO Cy CO F r die Transformation des Scannersystems in das allgemeine Fahrzeugkoordinatensystem sind im vor liegenden Fall lediglich eine Drehung um die Z Achse des Scanners sowie drei Translationen notwendig Diese Vereinfachung ergibt sich aus einer sorgf ltigen Horizontierung des Scanners und der X Y Ebene des Fahrzeugsystems im Labor Der durch die individuelle Montage des Scanners auf dem Wagen un bekannte Rotationswinkel um die Z Achse wird vor Beginn jeder Messung durch Erfassung einer mit Sollkoordinaten bestimmten Kugel im vorderen Teil des Fahrzeuges bestimmt Kapitel 7 5 2 Um die Scanprofile orthogonal zur Bewegungsricht
4. Bei Messsystemen die im kinematischen Umfeld eingesetzt werden bestehen aufgrund der Bewegung erh hte Anforderungen an die Bestimmung der Erfassungszeitpunkte aller Messwerte Nur hierdurch kann gew hrleistet werden dass Positions und Objektinformationen auf identische Zeitpunkte bezogen sind und somit nicht nur die Pr zision sondern auch die Richtigkeit von dreidimensionalen Punktinfor mationen sichergestellt werden kann Um die genannten Qualit tskriterien erf llen zu k nnen werden im kinematischen Umfeld h ufig Mess systeme eingesetzt die in der Lage sind Daten mit sehr geringen Verz gerungen zu erfassen und somit h ufig als Echtzeitsysteme bezeichnet werden Der Einsatz eines echtzeitf higen Messsystems zur Erfas sung von Daten und den ihnen zugeordneten Zeitpunkten ist somit integraler Bestandteil eines modernen Mobile Mapping Systems Diese Voraussetzung gilt vor allem f r eine Skalierbarkeit im Hinblick auf h here Erfassungsgeschwindigkeiten bei der die Synchronisierung der Sensoren zunehmende Bedeutung besitzt Zur Realisierung hoher Datenraten und zur Minimierung von Reaktionszeiten ist die Systemleistung echtzeitf higer Hard und Software hinsichtlich der Nutzung aller Ressourcen zu optimieren Echtzeit f hige Messsysteme sind aus diesem Grund vielfach zweigeteilt Die Erfassung der Messwerte erfolgt in der Regel auf einer hochspezialisierten Echtzeitplattform die als embedded System bezeichnet wird und auss
5. e Ratiometrische Ausf hrung e Analoge Ausf hrung e Serielle Ausf hrung e Digitale Pulsbreiten Ausf hrung F r das vorliegende Messsystem wurde die analoge Ausf hrung des AccuStar Inklinometers verwendet die mit einer bidirektionalen Eingangsspannung im Bereich zwischen 8 V und 15 V Gleichspannung arbeitet da diese vergleichsweise einfach ber einen A D Wandler in ein Messsystem zu integrieren ist Abbildung 6 13 zeigt den Signalausgang ber den gesamten Messbereich Der zur Umrechnung des Ausgangssignals in Neigungswerte ben tigte Skalierungsfaktor TAccustar e sitzt einen konstanten Wert von TAccuStar DU mV 6 3 bei einer Toleranz des Ausgangssignals von 10 2006 Die Aufl sung der Libelle als Ma f r die kleinstm gliche Neigungs nderung die zu einer Signal nderung f hrt wird vom Hersteller mit einem Wert von 0 001 angegeben Tabelle 6 7 6 2 Begr ndung der Sensorauswahl 81 Da der Sensor einen analogen Signalausgang besitzt ist dieser Wert nicht als kleinstm glicher Si gnalschritt zu verstehen sondern beschreibt vielmehr das Verh ltnis zwischen einem Messsignal und dem Grundrauschen welches ab einer Neigungs nderung von A gt 0 001 trennbar ist Mit Hilfe von Formel ergibt sich folgende kleinstm gliche Spannungs nderung AVmin die im Grenzbereich der Aufl sung zu erwarten ist AVmnin 60 uV 6 4 Dieser Wert ist bei der Auswahl eines entsprechenden A D Moduls zu ber
6. 08 peru cz 0 wu 9 cuu OO wu f g T w pg woog wo0I GO 06 Z SWT 3J PI 600 0 600 0 OO OT 000 07 0490000 6000 BAS cllk peru Ge wu eu MUET TRUG wur Hga I UEDA osSssSI SULY SOJO SUNJSTOJIOSET IOJIOZULLIHA Tod U q s suL yru eu 3J PT 3J OI 000 00 000 00 000 007 000 9 000 007 00007 o8T00 0 oT0 0 o8T00 0 o8T0 0 Bis 098 Bud OTE pet gg O DRAI Ge O wur eg wur eg wu G g eu TUE MUE U 7 TRUE ET uw gt wu G gt WUO SEU U CG Ge HI 64 H E y y I9 07Z 900S 009 Iose Iose I Pm eJuozuIog TEIHANA yogs meuo eJuozuog TeAI IOA yezuefoxtd eyuozu og TeAIT IOA 9YOMYIMUIS eJuozuIog TEIHANA NK H9159 ZU SIMA J w U IOSSIWWANA J0odSI9Se T Yp p nyessdura wu OC Ur uSyasney u CZ UI OO w OT ur uoyasney EIKIBOUr sunsopny ISSEINIOS T SUNSSITLSFUNUTOJIJUF YOIOISASAONSTINSPUIF 19 995104 Aa999weled Tabelle A 1 Technische Daten ausgew hlter terrestrischer Laserscanner B Echtzeitbetriebssysteme in der bersicht 170 B Echtzeitbetriebssysteme in der bersicht ALIOLIG POXLA ANdus91I ef Al dOL HO SOA LVA rense IISE TENSTA TenstA SMOPUI M HI SR WAV SdIN YIJ10MoO4 Gel SOLYA ZIIUIUION YJOSOIILN HISMOPUIM SAS SUIL ATIHOL POXLA ATIOOTOOILT Al dOL pureq PoI MAIALI D SLIEJOS xNnurT SMOPUL M Gel SOLYA ZIIWWOY SJUITUNIISUT euoryeN LU MHIAI TI AYL
7. 94 7 Pr fung und Kalibrierung der Komponenten Ebene Systembestandteil Bezeichnung 1 Messsystem Terrestrischer Laserscanner 2 Modul Scanner Notebook Scan Objekt Software 3 Komponente Distanzmessung Richtungsmessung Meteorologiekompo nente Software 4 Sensor Phasenmesser Laufzeitmesser Temperatursensor Tabelle 7 1 Schematischer Aufbau eines terrestrischen Laserscanners ponenten genutzt werden oder Softwarealgorithmen sowohl auf Komponenten als auch auf Modulebene zum Einsatz kommen Zur Festlegung von Art und Umfang einer Kalibrierung werden allgemein zwei Ans tze diskutiert Die unabh ngige Kalibrierung einzelner Komponenten Komponentenkalibrierung und die gesamtheit liche Kalibrierung eines vollst ndigen Messsystems Systemkalibrierung Die Wahl des zweckm igen Kalibrierverfahrens richtet sich in erster Linie nach folgenden Kriterien e Zug nglichkeit zu einzelnen Komponenten e Ermittelbarkeit der Einflussgr en Eingangsgr en einzelner Komponenten e Herstellbarkeit eines funktionalen Zusammenhangs zur angegebenen Messgr e Bei der sogenannten Systemkalibrierung werden die von einem System ausgegebenen Messwerte un ter praxisnahen Bedingungen im Vergleich zu Sollwerten zum Beispiel bekannten Punktkoordinaten betrachtet Da die Systemkalibrierung das Messsystem in seiner Gesamtheit betrachtet ist sie vergli chen mit der Komponentenkalibrierung besser geeignet eine umfassende Betrachtung der v
8. Aufgrund der Ber cksichtigung neuer Messungen zur Verbesserung des pr dizierten Zustandsvektors ist zu erwarten dass die Unsicherheit des ausgeglichenen Zustandsvektors kleiner als die des pr dizierten ist Hierbei ergibt sich die VKM des ausgeglichenen Zustandsvektors nach dem Varianzfortpflanzungsgesetz wie folgt Egok Dyg k Kr Naar KE 3 34 Durch das Vorliegen der durch die Gleichungen 3 33 und 3 34 bestimmten Gr en ist ein vollst n diger Filterschritt vollzogen 3 4 2 Statistische Bewertung der Innovation Trotz sorgf ltiger Durchf hrung aller Messungen und pr ziser Formulierung des Systemverhaltens muss bei einer Filterung stets in Betracht gezogen werden dass entweder die Messungen mit gr eren Abwei chungen behaftet sind oder das in Gleichung definierte bertragungsverhalten des Systems vom tats chlichen Systemverhalten abweicht Wie zeigt eignet sich der in 3 29 aufgestellte Innovationsvektor d einer Epoche sehr gut zur Analyse der Abweichungen da er den Widerspruch zwischen dem vorliegenden Beobach tungsmaterial und dem pr dizierten Zustandsvektor enth lt Unter Voraussetzung eines normalverteilten Innovationsvektors ergibt sich die Nullhypothese Ho E dp E lk Ar Hip 0 3 35 Hieraus l sst sich mit Hilfe der x4 verteilten Testgr e d Egar dk Xar 3 36 ein globaler Vertr glichkeitstest durchf hren F r den Fall dass der Vertr glichkeitstest eine signifikan te Innovati
9. Ein gro er Nachteil dieses Verfahrens is der begrenzte Eindeutigkeitsbereich der Ent fernungsmessung der dem Wert der halben Modulationswellenl nge A entspricht Innerhalb des Eindeu tigkeitsbereiches ergibt sich die Raumstrecke Sr durch die H lfte der im Hin und R ckweg durchlaufenen Entfernung l pi e I Ei 4 1 a E E Unter der Voraussetzung dass die Genauigkeit der Bestimmung der Phasenlage o 0 8 in Sender PT und Empf nger gleich gro ist ergibt sich f r die Genauigkeitsbetrachtung der a 1 05 SEN EA o JL Aur oh 4 2 Gleichung 4 2 macht deutlich dass Wellenl nge und Genauigkeit der Entfernungsmessung in einem umgekehrt proportionalen Verh ltnis zueinander stehen Um die Anzahl der vollen Wellenl ngen zu bestimmen und den Eindeutigkeitsbereich zu erh hen wer den bei Laserscannern zwei oder mehrfrequente Phasendifferenzverfahren eingesetzt Hierbei wird das bereits modulierte Signal mit einer zweiten Welle berlagert die eine deutlich gr e re Periodenl nge besitzt Die maximale Messentfernung ist jedoch nicht auf den Eindeutigkeitsbereich der gr ten Wellenl nge begrenzt sondern kann unter Ber cksichtigung von Zusatzbedingungen wie ei ner minimalen Objektdistanz nach HESSE u a 2005 sowie 2006 innerhalb gewisser Grenzen verschoben werden werden 46 A Terrestrische Laserscanner Beim Phasenvergleichsverfahren wirken sich diffus reflektierende Oberfl chen
10. die w hrend der Programminstallation statisch ins ROM des CPU Moduls zu 120 8 Messung und Auswertung der Daten laden sind Diese multitaskingf higen Treiber dienen der Abstraktion des Hardwarezugriffs und liegen f r die Betriebssysteme Windows und OsX vor Sowohl Schnittstellen als auch Funktionseinheiten wie LED eines Moduls werden hierbei ber modul spezifische MDD angesprochen deren Funktionen auf die jeweilige Hardware abgestimmt sind Hierdurch sollen die Portierbarkeit und der Austausch von zentralen Hardwarekomponenten ohne Anpassung des Programmcodes gew hrleistet werden Abbildung 8 5 verdeutlicht das den MDD zugrunde liegende Konzept Diese k nnen sowohl als Tasks auf der Max CPU als auch in Form eines Kernel Mode Treibers auf einem angeschlossenen Host System und Windows laufen Die Entkopplung des direkten Hardwarezugriffs durch MDD sorgt daf r dass meh rere Programme der Echtzeitplattform und Programme eines angeschlossenen Host PC quasi gleichzeitig auf die Schnittstellen eines Moduls zugreifen k nnen sofern diese nicht von einer der Tasks mit Hilfe exklusiver Zugriffsrechte blockiert sind Der von einem Host DC aus durchgef hrte Zugriff wird ber die in Kapitel vorgestellte Nachrichtenkommunikation mit SRQ umgesetzt Aus diesem Grund kann f r Zugriffe vom Host PC aus keine Echtzeitf higkeit gew hrleistet werden 8 3 5 Funktionsweise einer Echtzeit Task Die gesamte Datenerfassung auf der MAX5dip wird durch
11. 0 001 0 2 o 600 4 40 S L cke 400 20 S K e Kee TE S 200 Y Fixed L sungen Float L sungen a0 0 mom nen o 0 05 Di 0 15 02 0 25 03 0 35 04 0 45 05 0 0 005 0 01 0 015 0 02 0 025 0 03 0 035 0 04 0 045 0 05 Beat m S East m Abbildung 9 1 Histogramm der Standardabweichungen und East East Abbildung 9 2 Vergleich von North Komponente Problematisch wirkt sich in diesem Zusammenhang jedoch aus dass die von TTC ausgegebenen Ge nauigkeiten vermutlich aufgrund der begrenzten Anzahl an Nachkommastellen gelegentlich als Nullwerte angegeben sind So besitzen 1 4 von insgesamt 6132 Positionen in Nord und 0 2 in Ost Richtung eine Standardabweichung von weniger als 0 001 m Abbildung 9 2 Dies kann unter Umst nden zu ei ner singul ren VKM der Innovation Xaa f hren wodurch eine Inversion dieser Matrix und somit eine Aufdatierung des Zustandsvektors nach Gleichung nicht m glich ist Dar ber hinaus ist auff llig dass einige Klassen des Histogramms der Standardabweichung f r alle drei Koordinatenrichtungen Ost Nord und H he unbesetzt sind Abbildung 9 2 Da diese L cken nicht gleich abst ndig sind k nnen Rundungsungenauigkeiten ausgeschlossen werden Da auch ein Zusammenhang zwischen den einzelnen Standardabweichungen und dem PDOP Wert oder der Anzahl der beobachte ten Satelliten nicht nachweisbar ist konnte ein Grund f r diese Form der Histogrammverteilung nicht abschlie end ermittelt werden 9
12. 8 Auflage H thig Verlag Heidelberg 1988 National Instruments 2004 NATIONAL INSTRUMENTS White Paper 2435 Selecting Your LabVIEW Real Time Deployment Platform Produktdarstellung Internetdoku ment Zugriff am 20 01 2007 http www ni com 2004 National Instruments 2006 NATIONAL INSTRUMENTS NI CompactRIO Reconfigurable Control and Acquisition System Produktdarstellung Internetdokument Zugriff am 20 01 2007 http www ni com 2006 National Instruments 2007al NATIONAL INSTRUMENTS Produktpr sentationen der National Instruments Hard ware Internetdokument Zugriff am 20 01 2007 http www ni com 2007 National Instruments 2007b NATIONAL INSTRUMENTS Selecting Your LabVIEW Real Time Deployment Plat form Internetdokument Zugriff am 22 01 2007 http zone ni com devzone cda tut p id 4040 2007 Neitzel 2006 NEITZEL Frank Bestimmung von Ziel und Kippachsenfehler polarer Messsysteme aus Minimal konfigurationen und berbestimmten Konfigurationen In Zeitschrift f r Vermessungswesen zfv 131 2006 Nr 3 S 132 141 Novak 1990 Novak K Integration of a GPS Receiver and a Stereo Vision System in a Vehicle In Proceedings of SPIE Close Range Photogrammetry Meets Machine Vi sion Bd 1395 The International Society for Optical En gineering SPIE Z rich Schweiz 1990 S 16 23 Otte 2005 OTTE Dietmar 3D Lasersysteme f r die Verkehrsunfallaufnahme zur Erstellung ma stabsgerechter Unfallzeich
13. Abbildung 9 5 Profilabst nde mit Datenl cken Abbildung 9 6 Profilabst nde nach Bereinigung Die vorhandenen L cken und Signalverz gerungen werden nach dem Einlesen der Daten durch die Auswertesoftware RAMSYS PointCloud beseitigt wie aus Abbildung 9 6 ersichtlich ist Nach Elimination der Ausrei er bewegt sich die Variation der Erfassungszeitpunkte f r die Scanprofile innerhalb einer Bandbreite von 100 us 130 9 Validierung des Systems 9 2 3 Einfluss der Querbeschleunigung auf Inklinometermessungen Der bereits in Kapitel diskutierte Einfluss von St rbeschleunigungen die orthogonal zur sensiti ven Achse eines Inklinometers auf die Neigungsmesswerte wirken kommt auch bei diesem Prototyp zum Tragen Insbesondere bei schnellen Kurvenfahrten erzeugen Querbeschleunigungen scheinbare Neigungs nderungen die im Objektraum zu systematischen Abweichungen innerhalb der Punktwolke f hren Dee Systematische Abweichung der Inklinometermessungen zwischen Geradeaus und Abbildung 9 7 Niedersachsenpferd und befahrene Abbildung 9 8 Systematische Abweichung der Inklino Trajektorie metermessung Im Rahmen verschiedener Testmessungen wurde unter anderem das Niedersachsenpferd vor dem Haupt geb ude der Universit t Abbildung 9 7 auf einer U f rmigen Trajektorie von drei Seiten aus erfasst und in den Objektraum transformiert Der kinematische Scan wurde von einem befestigten Weg aus entgegen dem Uhrzeigersinn durchgef hrt wo
14. DC MAX5dip 5 3 2 Embedded 18 6 36 0 V MAXS8dip 8 6 2 Stand alone Embedded 18 6 36 0 V MAX2box 2 1 1 Stand alone Embedded 6 60 V DC USB Tabelle 5 6 bersicht der Sorcus Tr gersysteme Die verf gbaren Tr gerplattformen ben tigen f r den Echtzeitbetrieb mindestens ein CPU Modul k n nen bei hohen Anforderungen an die Verarbeitungsgeschwindigkeit jedoch auch als Mehrprozessorsysteme betrieben werden Die MAX6pci ist eine PCI Steckkarte f r bis zu sechs Datenerfassungsmodule und ausschlie lich auf den Betrieb in einem PC ausgelegt Aus den bereits in Kapitel 5 3 2 dargelegten Gr nden ist sie f r den Einsatz in Mobile Mapping Systemen wenig geeignet Die weiteren in Tabelle 5 6 aufgef hrten Tr gerplattformen besitzen eine kompakte Bauform und k n nen sowohl dezentral an einem PC als auch in Form von Embedded oder Stand alone Systemen als eigenst ndige Datenerfassungseinheiten ohne Host Rechner betrieben werden Die Systeme MAX5dip und MAX8dip bieten f nf MAX5dip beziehungsweise acht MAX amp dip Steck pl tze nach X Bus Standard von denen jeweils zwei f r CPU Module reserviert sind Der Anschluss der Sensorik erfolgt ber einen 128 poligen Klemmenblock auf dem 40 Anschlussklemmen f r jeden Modul steckplatz zur Verf gung stehen Zur Kommunikation mit einem Host PC oder externer Peripherie ist eine 9 polige Host Schnittstelle vorhanden auf die mittels Ethernet Profibus RS 232 422 oder CAN Bus zugegrif
15. Der Vorteil dieser Datumsfestlegung ist dass die Tangente der Trajektorienpunkte also die erste Ableitung der Trajektorie bei differentieller Betrachtung immer in Richtung der Fahrzeugl ngsachse zeigt Die durch Diskretisierung mit einem endlichen Abtastintervall hervorgerufene systematische Abwei chung kann bei niedriger Fahrtgeschwindigkeit und unter Beachtung von Bedingung 2 vernachl ssigt werden wie die folgenden Simulationen zeigen Da die mit Abstand gr ten Winkel nderungen in der Horizontalen geschehen sollen die folgenden Betrachtungen exemplarisch am Beispiel des Gierwinkels vorgenommen werden Hoch m Trajektorie der Vorderachse Hinterachse Antenne 0 5 10 15 20 Rechts m Abbildung 3 6 Trajektorien der Achsmittelpunkte bei Kurvenfahrt Jedes vordergelenkte Fahrzeug mit einem Achsabstand du vollzieht mit seiner Hinterachse eine so genannte Schleppkurve wenn der Drehpunkt der Vorderachse eine Kurve mit der Kr mmung x gt 0 durchl uft Abbildung 3 6 Die Parameter der von der Hinterachse gefahrenen Schleppkurve sind bei vor gegebenem Radius nur vom Achsabstand abh ngig und k nnen mit Hilfe einfacher Differentialgleichungen berechnet werden 12004 Aus Abbildung ist gut zu ersehen dass die Tangente eines Punktes der sich mit dem Fahrzeug bewegt umso weniger der Fahrzeugl ngsachse entspricht je weiter sich dieser Punkt vom Drehpunkt des Fahrzeuges auf der Hinterachse entfernt befindet
16. Der Vorteil einer solchen Modellierung besteht darin dass nicht nur absolute Beobachtungen zur Auf datierung des Zustandsvektors in Gleichung 3 33 sondern auch relative Informationen wie der zeitin variante Abstand der Antennenphasenzentren als Zusatzinformation in die Ausgleichung miteinbezogen werden k nnen Eine gleichzeitige Sch tzung beider Einzelpositionen in einem gemeinsamen Zustandsvektor wie sie in diesem System m glich ist bringt insbesondere dann Vorteile wenn die Messungen der einzelnen Empf nger mit unterschiedlichen Unsicherheiten behaftet sind 3 5 Gl ttungsalgorithmen 3 5 1 Klassifizierung der Algorithmen Um die Unsicherheit der Bestimmung eines Systemzustands y zum Zeitpunkt k zu verringern werden h ufig Gl ttungsoperatoren auch Smoother genannt zur Sch tzung verwendet Zur Gl ttung werden hierbei sowohl Messwerte vor k i als auch nach k i dem Zeitpunkt k verwendet wodurch diese Verfahren auf den Einsatz im Postprocessing beschr nkt sind Nach 2001 lassen sich prinzipiell drei verschiedene Gl ttungsoperatoren unterschieden 1 Fixed Interval Smoother wie der Rauch Tung Striebel RTS Gl ttungsoperator ziehen zur Be rechnung des gegl tteten Sch tzwertes alle verf gbaren Zust nde innerhalb eines vordefinierten Intervalls heran Diese Form des Gl ttungsoperators ist geeignet den optimalen Sch tzwert des Zustandsvektors ber das gesamte Intervall zu ermitteln
17. Durch die bekannte Position der Zielmarken kann der Zeitversatz dann bestimmt werden wenn diese Marken auch im kinematischen Scan enthalten sind Wenn Installationen im Objektraum nicht m glich sind kann die Erfassung der Signalzeitpunkte aller gemessenen Daten auch mit Hilfe eines echtzeitf higen Messrechners vorgenommen werden Da Laser scannerdaten in der Regel mit Latenzzeiten von mehreren Sekunden an einen Auswerterechner bertragen werden kann diese Vorgehensweise nur zum Erfolg f hren wenn der wirkliche Zeitpunkt der Messung determinierbar ist Die notwendige Genauigkeit einer Synchronisierung der verschiedenen Signale ist direkt abh ngig von der Fahrtgeschwindigkeit der Plattform und der Form der Trajektorie So wirkt sich ein vorhandener Zeitversatz bei Kurvenfahrten aufgrund der erh hten Tangentialgeschwindigkeit st rker aus als bei einer geradlinigen Bewegung Parameter Rahmenbedingung Genauigkeit der Punktbestimmung Ebene absolut relativ lt 20 cm 10 cm H he absolut relativ lt 20 cm 10 cm Aufl sung in L ngsrichtung lt 20 cm abh ngig von Profilfrequenz Erfassungskorridor L nge lt 500 m Breite lt 20 m Geschwindigkeit lt 50 km h GPS Empfang gt 4 Satelliten Strecke Stra enraum Fahrbahnoberfl che ohne Unstetigkeiten Sensoren Hardware Geod tische Standardsensoren Echtzeitf higer Messrechner Weitere Anforderungen Vollst ndiger Verzicht auf Sensorik au erhalb des Messfahrze
18. Hierbei kann auf die von vorgeschlagene Vorgehensweise zur ckgegriffen werden Im Falle der Beschleunigung kann der maximal denkbare Wert der Beschleunigung verwendet werden aus dem sich die Abweichung N Et maz To Emas 8 4 8 4 Auswertesoftware RAMSYS PCloud 125 ergibt Diese kann durch Einsetzen in die Relation 2 2 Et mar y DOA ee 8 5 zur Absch tzung des Startwertes f r die Varianz der Geschwindigkeit herangezogen werden F r die Ermittlung der Varianz der Beschleunigung kann identisch verfahren werden 8 4 5 Filterung der Daten und Ableitung der Azimute Nach der Erzeugung der Datenobjekte stehen alle f r die Filterung notwendigen Daten interpoliert und in einer gemeinsamen Zeitskala zur Verf gung Da in den Kapiteln 3 4 1 und 3 5 3 bereits ausf hrlich auf den algorithmischen Teil von Filterung und Gl ttung eingegangen wurde soll an dieser Stelle lediglich eine kurze Beschreibung der Abl ufe erfolgen Die Aufgabe der Kalman Filterung besteht in erster Linie darin die Erfassungszeitpunkte aller Scan nerprofile aus den Positionsinformationen der GPS Messungen abzuleiten Da an den Punkten der Profil messungen keine Beobachtungen verf gbar sind wird der Systemzustand im Sinne der Kalman Filterung an diesen Stellen lediglich durch Pr diktion 3 24 fortgeschrieben ohne den Zustandsvektor durch Mes sungen aufzudatieren Der ausgeglichene Zustandsvektor ist f r diese Epochen identisch mit dem pr d
19. S 26 36 164 S Kern 2003 KERN Fredie Automatisierte Modellierung von Bauwerksgeometrien aus 3D Laserscanner Daten In stitut f r Geod sie und Photogrammetrie Technische Uni versit t Braunschweig Dissertation 2003 Kersten u a 2004 KERSTEN Thomas STERNBERG Ha rald MECHELKE Klaus ACEVEDO PARDO C Terrestri al laser scanning system Mensi GS100 GS200 Accuracy tests experiences and projects at the Hamburg University of Applied Sciences In MAAS H G Hrsg SCHNEIDER D Hrsg Proceedings of the ISPRS working group V 1 Panoramic Photogrammetry Workshop 19 22 02 2004 Dresden Germany Bd XXXIV PART 5 W16 2004 Kirchner und Ameling 2000 KIRCHNER A AMELING C Integrated Obstacle and Road Tracking using a Laser Scanner In Proceedings of the IEEE Intelligent Vehicles Symposium 2000 Dearborn USA 2000 S 675 681 Koch 2004 Koch Karl Rudolf Parametersch tzung und Hypothesentests in linearen Modellen 4 Auflage Selbst verlag Bonn 2004 Kruczynski u a 1989 KRUCZYNSKI Leonard R Li Piu C Evans Alan G HERMANN Bruce R Using GPS to Determine Vehicle Attitude USS Yorktown Test Results In Proceedings of ION GPS 89 27 29 09 1989 Colorado Springs USA 1989 S 163 171 Kuhlmann 2003 KUHLMANN H Kalman Filtering with Coloured Measurement Noise for Deformation Analysis In Proceedings of 11th FIG Symposium on Deformation Measurements 25 28 0
20. ber eine Ethernet LAN Local Area Network Verbindung mit dem Echtzeitrechner verbunden Zu den verschiedenen M glichkeiten sowie zu Vor und Nachteilen der An kopplung des Echtzeitrechners siehe auch Kapitel 6 3 2 Die Datenspeicherung aller Synchronisierungssignale muss zwangsl ufig auf dem Echtzeitrechner er folgen um alle Erfassungszeitpunkte auf einer einheitlichen Zeitskala zu registrieren Die Datenmenge der seriell anfallenden Daten von PPS Zeitstempel und Temperaturdaten ist aufgrund der geringeren Abtastrate so gering dass sie ebenfalls durch den Messrechner erfolgen kann 86 6 Das Messsystem Laser scanner Daten emm Syne Abbildung 6 19 Realisierte Systemkonfiguration Hinsichtlich der Rohdaten des Laserscanners ist eine Erfassung durch den Echtzeitrechner weder sinn voll noch m glich da hierzu spezielle Ger tetreiber vorausgesetzt werden die nur f r Windows basierte Betriebssysteme verf gbar sind Zudem w rde die anfallende Datenmenge eine sehr hohe Systemlast er zeugen und hierdurch die pr zise Erfassung weiterer Sensorsignale verhindern Aus diesem Grund wird ein externes Notebook zur Steuerung des Messablaufes und zur Speicherung der Scannerd aten eingesetzt Abbildung 6 19 zeigt die in vorliegender Systemkonfiguration realisierte Kopplung von GPS Empf nger Laserscanner Echtzeitmesssystem sowie der ben tigten Sensoren 6 3 2 MAX5dip Bei der Entscheidung f r ein echtzeitf higes M
21. cksichtigen welches die Erfassung der Spannungswerte im Echtzeitrechner durchf hren soll Zur Korrektion systematischer Messabweichungen ist bei 4 der Verwendung fl ssigkeitsbasierter Inklinometer die Er fassung der Sensortemperatur zu ber cksichtigen Wie aus Tabelle 6 7 hervorgeht verursacht ein Temperaturunterschied von 5 K bei einer Neigung der Libelle von Yrnci 20 eine Unsicherheit der Neigungsbestimmung in einer Gr enord nung von g 0 006 Zur Kalibrierung des Temperatu KE Signalausgang VW reinflusses auf die Neigungsmessung siehe auch Kapitel 7 4 ol Die generelle Empfindlichkeit von Inklinometern gegen xl ber St rbeschleunigungen erweist sich bei der Verwendung in mobilen Messsystemen als Nachteil So ist eine gemessene Neigung nicht allein auf den Vektor der Erdbeschleunigung g bezogen sondern kann auch durch beliebige Beschleuni Abbildung 6 13 Analoger Signalausgang AccuStar e VE BE AA AA nn nl 50 40 2 A 20 40 DU Winkel gungen ay und az gest rt werden die in einer senkrecht zur Neigungsachse aufgespannten Ebene auftreten Parallel dazu auftretende Beschleunigungen ax sind innerhalb gewisser Grenzen unsch dlich Abbildung 6 14 Durch diesen Effekt sind die w hrend einer beschleunigten Bewegung zum Beispiel einer Kurvenfahrt gemessenen Neigungen um St rbeschleunigungen verf lscht die nicht vom deterministischen Signal ge trennt werden k nnen Aus diesem Gr
22. der damit einhergehenden Verschlechterung der Signalqualit t begr ndet My Up min Ausgang Up min Eingang 6 8 Mr U mort Ausgang UL maz Eingang 88 6 Das Messsystem Der St rabstand betr gt bei TTL Pegeln standardm ig 0 4 V die am Ein oder Ausgang anliegen den Dauerspannungen d rfen die maximalen Grenzwerte von 5 7 V nicht ber und von 0 7 V nicht unterschreiten Neben dem TTL Pegel finden bei der Definition logischer Zust nde auch die ver Eingang Ausgang schiedenen Varianten des CMOS Pegel Ver RA m wendung deren Grenzwerte sich in der an En 5 V Ausf hrung nur geringf gig von de 2 V i vi nen der IT TL Variante unterscheiden Vie le CMOS Bausteine lassen jedoch auch Ver a sorgungsspannungen von 10 V oder 15 V 0 4 V ge Low Pegel zu bei denen sich die Grenzwerte f r die 0 V Logikzust nde entsprechend verschieben Die High und Low Pegel der vorgestell Abbildung 6 23 Toleranzbereiche f r TTL Logikpegel ten Typen k nnen Tabelle entnom men werden wobei die jeweiligen Grenzwerte der Pegel herstellerbedingten Variationen unterliegen In der Digitaltechnik werden die vorgestellten Logik Pegel sowohl zur seriellen Daten bertragung Ka pitel 6 3 5 als auch zur Definition von Betriebszust nden an digitalen I O Schnittstellen verwendet Bei der Kommunikation ber serielle Schnittstellen werden die Daten bin rcodiert und mit Hilfe aufeinan derfolgender serieller Rec
23. durch Bildung der gewichteten Linearkombination auf der Grundlage der entsprechenden VKM verbunden Der gegl ttete Sch tzwert f r den Systemzustand und seine VKM ergeben sich in diskreter Schreibweise somit durch QV R 9 y e Ile b T Or 3 41 m i N BEI x vrk QVR o0 k OVook Ivke Tank Rk 3 42 Eine ausf hrliche statistische Begr ndung dieses gl ttenden Zwei Filter Ansatzes kann der Literatur entnommen werden Schrick 1977 Seite 70 f 36 3 Bestimmung von Position und Orientierung 3 5 3 Rauch Tung Striebel Algorithmus Der Rauch Tung Striebel Algorithmus kann nach SCHRICK mit Hilfe einfacher Umformungen aus der Zwei Filter Form Kapitel des Kalman Filters hergeleitet werden Zur Gl ttung einer Mess wertreihe wird diese zun chst durch einen gew hnlichen Kalman Filter im Vorw rtsgang gefiltert bevor die gegl tteten Sch tzwerte hnlich wie beim Vorw rts R ckw rts Filter in einem zweiten Durchgang r ckw rts in der Zeit bestimmt werden Zur Berechnung des gegl tteten Sch tzwertes im Intervall 0 lt k lt N m ssen zun chst f r jede Epoche der ausgeglichene und pr dizierte Sch tzwert f r den Zustandsvektor aus der Vorw rts Kalman Filterung im Hinweg Yk mitk 1 N Hr sowie die dazugeh rigen Kofaktormatrizen ef mitk 1 N G bekannt sein Anschlie end werden alle Epochen der Messwertreihe r ckw rts von N bis 0 durchlaufen Die Bestimmung des gegl tteten Sch tzwertes f r den Zust
24. e 11 e D 80539 M nchen Telefon 49 89 23031 1113 e Telefax 49 89 23031 1283 1100 e mail hornik dgfi badw de e hitp dgk badw de Pr fungskommission Referent Univ Prof Dr Ing habil Hansj rg Kutterer Korreferenten Univ Prof Dr Ing habil Christian Heipke Univ Prof Dr Ing Hilmar Ingensand Tag der m ndlichen Pr fung 31 08 2007 2007 Deutsche Geod tische Kommission M nchen Alle Rechte vorbehalten Ohne Genehmigung der Herausgeber ist es auch nicht gestattet die Ver ffentlichung oder Teile daraus auf photomechanischem Wege Photokopie Mikrokopie zu vervielf ltigen ISSN 0065 5325 ISBN 3 7696 5047 6 Kurzfassung Seit jeher geh rt die Erfassung der Erdoberfl che und der mit ihr verbundenen Topographie zu den zentra len Aufgaben der Geod sie Im Zuge der fortschreitenden Verbreitung von Informationstechnologien und der damit einhergehenden Digitalisierung von Geodaten besteht sowohl in der ffentlichen Verwaltung als auch bei privaten Anwendern von Geoinformationssystemen sowie Polizeidienststellen und Gerichten ein erh hter Bedarf an digitalen Daten Die f r eine N chenhafte Erfassung von Umgebungen im Au en bereich entwickelten Mobile Mapping Systeme besitzen verschiedene sensorische und auswertetechnische Nachteile die einen wirtschaftlichen Einsatz der aktuell verf gbaren Systeme erschweren Terrestrische Laserscanner haben in der j ngsten Vergangenheit eine starke Verbreitung in der
25. eine Verwaltung der anstehenden Aufgaben durch einen Scheduler erfolgen WORN und BRINKSCHULTE 2005 5 2 Echtzeitbetriebssysteme 59 5 2 5 Verf gbarkeit Sowohl Rechtzeitigkeit als auch Gleichzeitigkeit setzen voraus dass Echtzeitsysteme st ndig betriebsbereit sein m ssen Diese Bereitschaft wird allgemein als Verf gbarkeit definiert und soll gew hrleisten dass ein System st ndig in der Lage ist auf Ereignisse innerhalb definierter Zeitbedingungen zu reagieren Problematisch wirkt sich in dieser Hinsicht aus dass nahezu alle Betriebssysteme sogenannte Reor ganisationszyklen zur Indizierung Speicherneuordnung oder anderen systeminternen Wartungsaufgaben ben tigen W hrend solcher Zyklen ist das System stark ausgelastet und kann somit die Rechtzeitigkeits bedingung f r anstehende Aufgaben nicht in jedem Fall erf llen 2005 Der Aspekt der Verf gbarkeit ist bereits w hrend der Systemplanung und insbesondere bei der Prio risierung von Aufgaben zu beachten So kann die Verf gbarkeit des Systems durch die Vergabe hoher Priorit ten an eine gro e Zahl von Prozessen signifikant eingeschr nkt werden 5 2 6 Determiniertheit Neben den bereits diskutierten Kriterien der Rechtzeitigkeit Gleichzeitigkeit und Verf gbarkeit besteht zudem die Forderung nach Determiniertheit des Systems Im Gegensatz zu sequentiell ablaufenden Pro grammen spielt diese Forderung bei ereignisgesteuerten Echtzeitsystemen eine entscheidende
26. hrungszeit e ist bekannt und ber den Messzeitraum konstant e Alle Tasks sind voneinander unabh ngig und k nnen sich nicht wechselseitig blockieren 5 2 Echtzeitbetriebssysteme 63 Hierbei ist einschr nkend zu beachten dass die Forderung nach d p sowie die Kenntnis der Ausf h rungszeit e nicht in jedem Fall erf llt werden k nnen Tabelle 5 2 Die Optimalit tsforderung kann durch das Fixed Priority Scheduling mit preemptiver Taskumschal tung jedoch nicht eingehalten werden So ist es durchaus m glich dass schon bei einer Prozessorlast von deutlich unter 100 nicht alle Zeitbedingungen eingehalten werden k nnen Bei periodischen Signa len l sst sich unter Verwendung von RMS eine Obergrenze f r die Prozessorlast unter Einhaltung aller Zeitbedingungen herleiten Nach 1973 gilt folgender Zusammenhang zwischen der Anzahl der ablaufwilligen Tasks und der maximalen Prozessorlast eewer SESCH 1 mit n Anzahl der Tasks 5 3 Die Ausf hrbarkeit des Schedules unter Einhaltung aller Zeitbedingungen kann demnach garantiert werden falls H lt Hcpu maz und somit 5 2 lt n2 1 5 4 i 1 Pi Das Time Slice Scheduling ist ein weiteres preemptives Verfahren das mit gleichwertigen Tasks und somit ohne Priorisierung auskommt Zur Verteilung der verf gbaren Prozessorzeit wird diese in Zeit scheiben beliebiger Gr e unterteilt die allen ablaufwilligen Tasks der Reihe nach zugewiesen werden Die Rei
27. kommen nicht alle Ger te f r das vorliegende System in Frage Eine der Anforderungen an das zu entwickelnde Mapping System bestand in der weitgehenden Verwendung von Standardkomponenten Parameter Imager Imager Imager LS TS2 LMS LMS 5003 5006 6000 300 880 Z390 200 Hersteller Z F Z F Z F Faro Spacelec Riegl Sick Distanzmessung Messbereich m 53 5 179 53 3 76 7 k A lt 300 80 Genauigkeit mm lt 8 Ta lt 8 ER k A 6 lt 25 Vertikalwinkel Gesichtsfeld 310 310 400 320 290 80 180 Schrittweite 0 018 0 0018 0 018 0 009 0 036 0 002 0 25 1 Punktabstand mm 6 0 6 6 3 12 0 7 350 87 Profilfrequenz Hz lt 33 lt 50 300 k A 90 20 75 18 7 Gewicht kg 16 14 k A 14 k A 14 5 4 5 Linearit t Rauschen bezogen auf 25 m Bestm gliche Linearit t bezogen auf 25 m nur Rauschen bezogen auf 50 m System Unsicherheit Rauschen Bezogen auf 25 m Tabelle 4 2 Auswahl verf gbarer Profilscanner Tabelle zeigt eine Auswahl der am Markt verf gbaren Systeme in der bersicht Eine ausf hrli che Darstellung der technischen Daten kann Anhang A entnommen werden Im Hinblick auf eine Ein setzbarkeit der verf gbaren Laserscanner im Rahmen der vorliegenden Arbeit lassen sich vier zentrale Anforderungen an den zu w hlenden Scanner formulieren 1 Ausreichend hohe Profilfrequenz von fp gt 20 Hz 2 Ausreichend hohe Genauigkeit der Streckenmessung von os lt 10 mm 3 M glichst hohe Aufl sung innerhalb eines Profil
28. llt wenn die Koordinatensysteme Ar und Xg gps einen identischen Ursprung besitzen Da diese Forderung in der Praxis nur schwer einzuhalten ist und beim vorliegenden System der Laserscanner ber dem Schnittpunkt zwischen Hinter und L ngsachse des Fahrzeuges befestigt ist erfolgt in Kapitel 3 2 4 eine Absch tzung 24 3 Bestimmung von Position und Orientierung der Auswirkungen eines translatorischen Versatzes zwischen Ar und Xg Gps Alternativ ist eine Um rechnung der durch die GPS Beobachtungen abgeleiteten Azimute auf die Scannerposition durchzuf hren UR1 Abbildung 3 5 X anwss Position der GPS Antenne im WGS84 Xant WGS Wu cu Gierwinkel des KfZ im GK System Du cn Nickwinkel des KfZ im GK System Okek Rollwinkel des KfZ im GK System Ps ans Objektpunkt im Scannersystem X Ant Bessel XAnt GK Jl Des e Kalman Beri A Be IA R r ok Tut ot Dt oy O wt oh Pscan Kiz A Pek Abbildung 3 5 Transformation der Sensordaten ohne IMU Daten 3 2 2 Transformation der GPS Positionen Zun chst sind die im WGS84 System Kapitel vorliegenden GPS Beobachtungen mit Hilfe eines Datums berganges vom WG5S84 auf das Bessel Ellipsoid zu transformieren Unter der Voraussetzung dass eine Ber cksichtigung der Ellipsoidparameter unterbleibt kann dies mit Hilfe eines Ma stabsfaktors sowie drei Translations und drei Rotationsparametern geschehen F r kleine
29. r dessen Unsicherheitsbestimmung die Berechnung der VKM notwendig ist Kapitel 9 4 1 zeigt die erzielbaren Genauigkeiten eines abgeleiteten Horizontalwinkels anhand empirischer Messungen 3 6 Positionsbestimmung mit GPS 3 6 1 Anforderungen an die Positionsbestimmung Wie bereits im Rahmen der Einleitung diskutiert ist eine Positionsbestimmung der mobilen Plattform in einem bergeordneten Koordinatensystem zwingende Voraussetzung f r die Operabilit t des gesamten 3 6 Positionsbestimmung mit GPS 37 Systems Unter Ber cksichtigung der Rahmenbedingungen die eine Nutzung von zus tzlichen externen Sensoren au erhalb des Fahrzeuges weitgehend ausschlie en ist die Verwendung terrestrischer Messver fahren nicht zuletzt aufgrund des gro en Aktionsradius des Messsystems ausgeschlossen Aus diesem Grund erw chst die Positionsbestimmung mit Hilfe eines globalen satellitengest tzten Messverfahrens ausgehend von der englischen Bezeichnung als GNSS Global Navigation Satellite Sys tem bezeichnet zu einer der zentralen Messaufgaben Hierzu stehen aktuell das US amerikanische GPS System und sein russisches Pendant GLONASS zur Verf gung f r deren kombinierte Nutzung eine Reihe von Empf ngern am Markt verf gbar sind Neben diesen beiden Systemen befindet sich zum Zeitpunkt der Entwicklung dieses Systems das europ ische Konkurrenzsystem GALILEO noch in der Aufbauphase und soll nach derzeitigen Planungen ab dem Jahr 2012 operabel sein
30. schen ist Skalierungsfaktor 60 mV Physikalische Aufl sung ber den gesam ten Neigungsbereich Querneigungsfehler lt 1 Auswirkung die eine Neigung des Sen 0 45 sors quer zur sensitiven Achse verursacht engl cross axis error Linearit tsfehler 0 10 0 1 Abweichung von linearem Zusammen 10 45 0 6 hang zwischen Neigung und Aus 45 60 monoton sangssignal Nullpunktreproduzierbarkeit 0 05 Abweichung bei Wiederherstellung der Nulllage Temperaturkoefflizient TKyulipunkt V K 0 29 10 nderung des Nullpunktes durch Tempe ratureinfluss T K Magstab V K 60 1076 nderung des Ma stabes durch Tempera tureinfluss Reaktionszeit 0 3 s Zeitverz gerung der Reaktion auf Nei gungs nderung Frequenzgang 0 5 Hz Maximal m gliche Frequenz einer sinus f rmigen Neiungs nderung Tabelle 6 7 Technische Daten AccuStar als 45 f hren selbst gr ere Neigungs nderungen nur zu einer geringen Variation der von der Fl ssig keit bedeckten Kondensatorfl che Im Hinblick auf Fertigungstoleranzen kann aus diesem Grund kein linearer Zusammenhang mehr f r die inverse Berechnung der Neigungswerte aus Kapazit tsdifferenzen unterstellt werden Die technischen Daten des verwendeten AccuStar Neigungsmessers k nnen Tabelle 6 7 entnommen werden Schaevitz bietet das AccuStar Inklinometer mit den folgenden vier Schnittstellentypen an die jeweils f r horizontale und vertikale Montagerichtung erh ltlich sind
31. tischer Instrumente In HEISTER Hans Hrsg Qualit tsmanagement in der Geod tischen Mess technik Beitr ge zum 54 DVW Seminar 19 20 11 2001 Fulda Wittwer Verlag Stuttgart 2001 Schriftenreihe des DVW Nr 42 S 70 90 Staiger 2003 STAIGER Rudolf Terrestrial Laser Scanning Technology Systems and Applications In Proceedings ofthe 2nd FIG Regional Conference 02 05 12 2003 Mar rakech Marokko CD ROM 2003 Staiger 2005al STAIGER Rudolf The Geometrical Quality of Terrestrial Laser Scanner TLS In Proceedings of FIG Working Week 2005 and GSDI 8 16 21 04 2005 Kairo gypten CD ROM 2005 Staiger 2005b l STAIGER Rudolf Terrestrisches Lasers canning Eine neue Universalmessmethode In BARTH Wolf Hrsg FOPPE Karl Hrsg SCH FER Thomas Hrsg Terrestrisches Laserscanning TLS Ein geod ti sches Messverfahren mit Zukunft Beitr ge zum 65 DVW Seminar 21 22 11 2005 Fulda Wi ner Verlag Stuttgart 2005 Schriftenreihe des DVW Nr 48 S 3 16 Staiger und Ettel 2003 STAIGER Rudolf ETTEL M Untersuchungen des Imager 5003 von Zoller Fr hlich In SEYFERT E Hrsg Publikationen der Deutschen Gesell schaft f r Photogrammetrie und Fernerkundung DGPF Band 12 Deutsche Gesellschaft f r Photogrammetrie und Fernerkundung 2003 S 293 300 Staiger und Wunderlich 2007 _STAIGER Rudolf WUN DERLICH Thomas Terrestrisches Laserscanning 2006 Technische M glichkeiten
32. tze in Niedersachsen ab 2007 in das UTM System berf hrt werden 3 1 3 Lokales topozentrisches System Das lokale topozentrische System ist hnlich wie das ECEF System erdfest und somit invariant gegen ber der Erddrehung Seine Lagerung erfolgt beliebig meist jedoch in einem Punkt auf oder in der N he der Erdoberfl che da es h ufig zur Referenzierung von Zwischenergebnissen geod tischer Berechnungen verwendet wird Seine X Achse zeigt nach Norden seine Y Achse nach Osten und seine Z Achse entspricht bei Definition auf einem Ellipsoid dem Vektor der ellipsoidischen H he vergleiche Abbildung 3 2 Lokales topozentrisches Koordinatensystem ze a un Wi WI ER H WI Wi Abbildung 3 2 Lokales topozentrisches Koordinatensystem Bei rechtsh ndigen Systemen zeigt die Z Achse in Nadir bei linksh ndigen Systemen in Zenitrichtung wobei die erstgenannte Variante aufgrund der einfacheren Transformierbarkeit h ufig bevorzugt wird HOFMANN WELLENHOF u a 2003 Bedingt durch diese Definition spricht man bei der Realisierung lokaler topozentrischer Systeme h ufig von einem ellipsoidisch tangentialen Rahmen 3 1 4 Body System Als Body Systeme werden in der Regel objekt oder sensorbezogene Koordinatensysteme bezeichnet die in rechtsh ndiger kartesischer Form definiert sind Das Fahrzeugsystem in Abbildung ist eine spezi elle Form eines Body Systems und wird zur gegenseitigen
33. 10 15 20 25 30 35 Zeit Profil Abbildung 9 3 quidistanz des PPS Pulses Abbildung 9 4 Anlaufverhalten des Scanners Im Vergleich dazu zeigt Abbildung 9 4 die nderung des Zeitintervalls f r die vom Scanner erzeugten Rechteckimpulse der Einzelprofile bei 33 Hz Profilfrequenz Hierbei ist deutlich sichtbar dass der Scanner zu Beginn jeder Messung eine gewisse Anlaufzeit ben tigt bevor er die notwendige Profilfrequenz erreicht hat In diesem Fall kann erst nach 25 Profilen davon ausgegangen werden dass die Profile aus zeitlicher Sicht gleichabst ndig erfasst werden Die Anlaufzeit des Scanners ist hierbei von der Profilfrequenz ab h ngig die sich aus der Aufl sung in L ngsrichtung sowie der Fahrtgeschwindigkeit ergibt In den aufgezeichneten Daten der Profilsignale sind im Gegensatz zum PPS Puls des GPS Empf ngers zahlreiche L cken in Form von Verdopplungen des Signalintervalls und gelegentliche Signalverz gerungen zu erkennen Abbildung 9 5 Die Ursache f r diesen Effekt kann nicht abschlie end gekl rt werden da keine Periodizit t f r das Auftreten von L cken zu erkennen ist und somit eine berbelastung des Systems durch Datentransfer vergleiche Kapitel als Ursache nicht in Frage kommt weil eine Leerung des Datenpuffers aufgrund der kontinuierlichen Datenerfassung periodisch durchgef hrt wird 50 A w Regul re Profile At 80 6 ms R 100 200 300 400 500 600 700 100 200 300 400 500 600 700 Zeit s Zeit s
34. 2 Timer TI Task 5 3 Ausgew hlte Systeme 71 3 Non Interrupt NI Task Hierbei ist zu beachten dass eine solche Einordnung nicht streng an die Art der Ereignissteuerung jeder Task gebunden ist So sind auch einzelne Timerbausteine der Sorcus Hardware in der Lage Interrupts auszul sen und Tasks in quidistanten Zeitintervallen zu aktivieren Diese Einordnung f hrt bereits zu einer bergeordneten Priorisierung auf deren Grundlage die Tasks verschiedener Klassen gegenseitig durch preemptives Fixed Priority Scheduling verwaltet werden Hierbei besitzen II Tasks Vorrang gegen ber TI Tasks die wiederum den NI Tasks bei der Ausf hrung vorgezogen werden Treffen hingegen ablaufwillige Tasks auf laufende derselben Klasse so werden unterschiedliche Schedu ling Strategien verwendet Il Tasks besitzen standardm ig feste Priorit ten und verhalten sich gegen ber anderen Tasks immer preemptiv sofern sie als h herwertig deklariert wurden TI Tasks besitzen ebenfalls feste Priorit ten die innerhalb ihrer Klasse jedoch ohne Preemption angewendet werden Im Unterschied zu Interrupt gesteuerten Tasks k nnen die Priorit ten w hrend der Laufzeit vom Anwender ver ndert werden und sind somit quasi dynamisch NI Tasks sind dagegen in jedem Fall nicht preemptiv und werden durch FIFO Scheduling gesteuert Ihre Aktivierung kann jedoch hnlich wie TI Tasks innerhalb einer Warteschlange bevorzugt und somit quasi dynamisch geschehen Aufgrund der vie
35. 2 22 m m on 71 72 ee 12 6 2 Begr ndung der Sensorauswahl 2 2 2 CE m on nen 76 VAN e EE ee ee ee ee ee 76 022 inklinometer lt s u zu 2 0 0 A ua dad u wa dd a a en han an 18 6 2 3 _ Thermometer 2 aoaaa a nn 82 6 2 4 laserscanner 2 2 4 sun wa a Antennen 83 neea rr e Se EEE ae a EC EC 85 6 3 1 Sensorkonfiguration und Datenformate 22 2 a a a nn nn 85 60392 MAX DdD sp arees res eare s ee e aa T 86 DEENEN 87 ee ee ee 89 6 3 5 serielle Datenerfassung 91 92 7 1 Ans tze zur Kalibrierung 222 Connor 92 7 1 1 Begrifflliche Einordnung 92 7 1 2 System und Komponentenkalibrierung 2 222 2 Cum m nn 93 ee ee ee ee 96 1 2 1 Vereinfachende Annahmenl 22 2 2 Cm our nen 96 1 2 2 Ans tze zur Kalibrierung von Laserscannern 2 2 2 Cm rn nn 97 ee ee ee 101 7 3 1 Indexabweichung des Vertikalencoders 101 EN EE EENS 102 1 3 3 Temperaturabh ngiskeitl 2 2 Co 20 von nern 103 ee en 104 7 4 1 Nullpunkt und Ma stabl 2 222 CL Lo on nn 104 7 4 2 Temperatureinfluss und Signalrauschen 222 2 2 En nn nn 106 17 8 Fahrzeug und Sensorkoordin atensysteme 7 8 1 Einrichtung des Fahrzeugkoordinatensystems 2 2 2 En nun nn 7 9 2 In situ Orientierung des Scannersl 1 6 1 Drift der Uhrl 2 2 2222 22220 EEE E TE u EN 8 Messung und Auswertung der Daten 8 1 bersicht ber den Mess und Auswertevorgang 8 2 Steuerung des Messablaufsl 2 222220 8
36. 3 Datenerfassung auf der MAX5dipl 8 3 1 Anforderungen an die Software 8 3 2 Struktur und Installation von Echtzeitprogrammen 2222 2 2 nn 8 3 3 Timer und ereignisgesteuerte Programmierung 22 2 2 Cum nn nn 8 3 4 Zugriff auf die Messhardware 8 3 5 Funktionsweise einer Echtzeit Task 8 3 6 Ans tze zur Optimierung der Systemleistung 8 4 Auswertesoftware RAMSYS PCloud 8 4 1 Workflowl 8 4 2 Vorauswertung der Daten 8 4 3 Erzeugung der Datenobjekte 8 4 4 Bestimmung der Startwerte f r die Filterung 8 4 5 Filterung der Daten und Ableitung der Azimute 8 4 6 Erzeugung der Punktwolke 9 1 Rahmen und Umfang der Validierung EE EE zer 9 2 3 Einfluss der Querbeschleunigung auf Inklinometermessungen 2 2 aa 9 3 Verfahren zur Filterung und Gl ttung der Irajektorie 2 2222 2 nn nen 9 3 1 St rken und Schw chen der Filter und Gl ttungsalgorithmen 9 3 2 Einfluss des GPS Empfangsl 9 3 3 Einfluss von Fahrzeugbewegungen 9 3 4 Vergleich der Gl ttungsverfahren 9 4 Verfahren zur Azimutbestimmung 9 4 1 Vergleich von Inertialmesssystem und Ableitung aus Kalman Filterl 9 4 2 Innere Genauigkeit der relativen DGPS L sung 2 2 222m nn 9 5 Genauigkeit des Systems im Objektraum 9 5 1 Diskretisierung von Vergl
37. 30 cm mit systematischen Abweichungen im Azimut von bis zu 1 1 gon zu rechnen ist wenn eine Kurve mit einem Radius von R 20 m durchfahren wird Zur Kompensation der vorgestellten Effekte sind verschiedene Ma nahmen denkbar Zum einen k nnen prinzipiell zu enge Kurvenradien vermieden werden die in Abh ngigkeit von der geforderten Genauigkeit der Objektpunkte zu w hlen sind Zum anderen kann eine Positionsbestimmung mit Hilfe von zwei GPS Empf ngern erfolgen die symmetrisch vor und hinter dem Fahrzeugnullpunkt angeordnet sind Falls auf hiermit verbundene Redundanz der Positionsbestimmung verzichtet werden kann oder nur ein GPS Empf nger vorhanden ist k nnen auftretende systematische Effekte rechnerisch kompensiert werden 3 2 5 Transformation der Scanpunkte x AX Kfz GK x G Kfz Y AY RE RIZ Y 3 9 Scan GK AZ Scan Body 2 Scan Body F r eine Transformation zwischen zwei beliebigen rechtsh ndigen Koordinatensytemen kann jede Ro tation um die Achsen X Y und Z mit Hilfe der drei elementaren Drehmatrizen Rx 4 Ry 9 und R z durchgef hrt werden 12001 Die Drehwinkel a amp geben hierbei die positiven Drehungen um jede Achse im Uhrzeigersinn an und m ssen vereinbarungsgem in festge legter Reihenfolge durchgef hrt werden Die zusammengesetzte Drehmatrix die auch auf Gleichung angewendet werden kann ergibt sich durch Multiplikation der Drehmatrizen von rechts nach links aus RG Rz Ry
38. 7 3 KR Vorauswertung der Daten Transformation der Daten eege d i I inklinometer Entwickeltes Kapitel 7 4 Auswertemodul Fahrzeug r EE l aptiertes Kapitel 7 5 Auswertemodul Ausgabedaten 3D Punktwolke Abbildung 8 1 Der Mess und Auswertevorgang in der bersicht Abbildung 8 1 zeigt die entwickelten Softwarepakete sowie den innerhalb des Systems realisierten Da tenfluss in der Strukturdarstellung Als zentrale Aufgabe des Softwaredesigns ist hierbei die m glichst nahtlose Integration verschiedener Datenquellen und die Gew hrleistung eines weitgehend automatisier baren Mess und Auswertevorgangs zu sehen In diesem Zusammenhang werden jedoch auch die Grenzen einer Automatisierbarkeit deutlich 114 8 Messung und Auswertung der Daten So ist die Prozessierung von GPS Messungen mit der Software Trimble Total Control auf deren Grund lage die Berechnung der abgefahrenen Trajektorie erfolgt nur ber eine Benutzeroberfl che steuerbar und somit nicht automatisierbar Die Ansteuerung des Laserscanners sowie die Umwandlung der Daten in ein textbasiertes Format k nnen durch Bibliotheksfunktionen des Herstellers erfolgen so dass eine Interaktion mit dem Anwender nicht erforderlich ist Den gr ten Einfluss auf die Entwicklung der Steuer und Erfassungssoftware besitzen in diesem Fall die Zielplattform und das verwendete Betriebssystem von denen nicht nur die Wahl der Entwicklungs u
39. 87 RTS Filter 0 85 wO gt CO go 0 75 Va A N Ellipsoidische H he m wO gt En Antennenabstand m Soll 0 6055 m 409320 409360 409400 409440 i os i i Eech 0 2 an en em 100 120 140 150 180 GPS Zeit s Abbildung 9 13 H henversatz in den GPS Beobachtungen Zeit s Abbildung 9 14 Antennenabstand zwischen Rover 1 und Rover 2 W hrend die Positionsdifferenzen zwischen beiden Trajektorien durch Filter und Gl ttungsverfahren gemildert werden k nnen wiegen die Abweichungen des Azimutes die sich bei der Berechnung aus rela tiven DGPS Beobachtungen ergeben deutlich schwerer So bewirkt ein Versatz in einer Gr enordnung von 0 3 m bei einer Basis von 0 6 m eine Azimutabweichung von ann hernd 30 gon was einer Verzer rung der Punktwolke im Objektraum von bis zu 9 m entspricht Aus diesem Grund ist es notwendig systematische Effekte vor einer Transformation der Scanprofile in den Objektraum zu detektieren Im Hinblick auf die Auswertung derartig beeinflusster GPS Beobachtungen kann keine allgemeing ltige Herangehensweise formuliert werden da die zugrunde liegenden Einfl sse vielfach weder exakt bestimmt noch modelliert werden k nnen Verschiedene aus den Filterergebnissen ableitbare Parameter wie der Antennenabstand k nnen jedoch als Schwellwertindikator f r vorliegende systematische Abweichungen senutzt werden um eine fehlerhafte Generierung der Punktwolke zu verhindern
40. Anforderungen an die Fahrzeuggeschwindigkeit gestellt werden Die in diesem Fall notwendige Erh hung der Profilfrequenz des Scanners auf bis zu 50 Hz ist zwar grunds tzlich m glich ben tigt jedoch den Austausch verschiedener Hardwarekomponenten der ausschlie lich vom Hersteller durchgef hrt wird Ein deutliches Potential zur Steigerung der Genauigkeit ist in dem Ansatz einer zus tzlichen Nut zung von Informationen aus dem Objektraum zu sehen der im Rahmen der vorliegenden Arbeit jedoch nicht verfolgt wurde So k nnen die auf dem Gebiet der Fahrerassistenzsysteme und autonomen Steue rung von Kraftfahrzeugen entwickelten Verfahren zur Spurverfolgung und Detektion von Stra enr ndern srunds tzlich auch im vorliegenden System f r die Verbesserung von Fahrzeugposition und Fahrzeugorientierung genutzt werden Hierdurch lassen sich Elemente wie Fahrbahnmarkierungen zur St tzung der Parameter des Zustandsvektors heranziehen was insbesondere zur verbesserten Erfassung und rechnerischen Korrektion von Rollbewegungen beitragen kann Neben den diskutierten messtechnischen Aspekten sollte dar ber hinaus auch die Verfeinerung der eingesetzten Auswerteverfahren angestrebt werden So wird in der vorliegenden Entwicklungsstufe eine Mindestgeschwindigkeit des Systems f r die Erzeugung der dreidimensionalen Punktwolke vorausgesetzt da das Messrauschen der GPS Beobachtungen aufgrund der speziellen Form der Azimutbestimmung stets geringer als die Positions
41. Datenendeinrichtung und Daten bertragungseinrichtungen Norm Deutsches Insti tut f r Normung e V Beuth Verlag Berlin Juli 1999 162 DIN 2002 DIN DIN 18710 Teil 4 Ingenieurvermessung berwachungsmessungen Norm Gelbdruck Deutsches Institut f r Normung e V Beuth Verlag Berlin Juli 2002 Eichhorn 2005 EICHHORN Andreas Ein Beitrag zur Identifikation von dynamischen Strukturmodellen mit Me thoden der adaptiven KALMAN Filterung Fakult t f r Bau und Umweltingenieurwesen der Universit t Stutt gart Dissertation 2005 Eichhorn 2007 EICHHORN Andreas Analysis of dynamic deformation processes with adaptive Kalman Filtering In Journal of Applied Geodesy 1 2007 S 9 15 El Sheimy 2005 EL SHEIMY N An Overview of Mobi le Mapping Systems In Proceedings FIG Working Week 2005 and GSDI 8 Kairo gypten CD Rom 2005 El Sheimy und Schwarz 1993 EL SHEIMY N SCHWARZ K P Kinematic Positioning in Three Dimensions Using CCD Technology In Proceedings of the IEEE IEE Vehic le Navigation amp Information Systems Conference Ottawa Kanada 1993 S 472 475 Evans 1986 Evans Alan G Roll Pitch and Yaw Deter mination Using a Global Positioning System Receiver and an Antenna Periodically Moving in a Plane In Marine Geodesy 10 1986 Nr 1 S 43 52 Fardi u a 2003 Fannt B SCHEUNERT U CRAMER H WANIELIK G Multi Modal Detection and Parameter Based Tracking of Road Borders With a La
42. Diese berlegung wird anhand eines Extrembeispiels deutlich bei dem sich die Vorderachse auf einer Kreisbahn bewegt die genau dem Achsabstand entspricht Hierbei vollzieht der auf der Hinterachse gelegene Koordinatenursprung ausschlie lich eine Drehung um die Z Achse Wird nun die Positionsbestimmung auf der Vorderachse durchgef hrt so steht die Tangente der Punktbewegung der Vorderachse senkrecht zur eigentlichen Fahrzeugachse Aus diesen Ausf hrungen wird deutlich dass systematische Effekte die durch einen Versatz der GPS Antenne entstehen von den drei Parametern Achsabstand Entfernung der GPS Antenne vom Fahrzeugnullpunkt sowie vom 3 2 Transformation der Messungen in ein Gebrauchskoordinatensystem 21 Kurvenradius abh ngen Vorderachse f hrt in die Gerade ein D Azimut 90M Vorderachse f hrt ei in die Kurve ein Kurvenradius R 20 m Dxy H Kiz nu 7 90 em Az A Z Antenne Wagen mmm AZ Wagen ZHinterachse Zeit t Abbildung 3 7 Berechnete Azimute und ihre Differenz vom wahren Azimut Abbildung 7 zeigt die wahren Azimute des Fahrzeuges w hrend einer Kreisbewegung und dem Einbie gen auf eine anschlie ende Gerade sowie die durch GPS Messungen im Fahrzeugnullpunkt und mit einem Versatz abgeleiteten Azimute Die hierzu verwendeten realen geometrischen Ma st be des verwendeten Prototypen zeigen dass schon bei einem Horizontalversatz der GPS Antenne aus dem Fahrzeugnullpunkt von Dxy H Kfz Null
43. Echtzeit PC und dem vom GPS Empf nger ausgegebenen Zeitsignal in Form 8 4 Auswertesoftware RAMSYS PCloud 123 des PPS Pulses und dem korrespondierenden ASCII String Kapitel 6 2 1 Somit kann eine Umrechnung zwischen der Zeitskala des RT PC und der UTC Zeit prinzipiell ber funktionale Zusammenh nge oder mit Hilfe einer Look Up Table LUT erfolgen Die Drift der GPS Zeitskala kann unter Ber cksichtigung der Genauigkeitsanforderungen an das System vernachl ssigt werden Je nach Datenbasis ist auch die Interpolation von GPS Beobachtungen Kapitel Teil der Vor auswertung Sie kann auch au erhalb dieses Softwaremoduls erfolgen ist jedoch vor der eigentlichen Prozessierung der GPS Daten vorzunehmen 8 4 3 Erzeugung der Datenobjekte F r die weitere Auswertung sind die Datenobjekte f r die beiden in diesem System wesentlichen Sensoren zu erzeugen Dies sind 1 GPS Positionen 2 Erfassungszeitpunkte der Scanprofile Die Datendatei mit den ausgewerteten und in das Gau Kr ger System transformierten GPS Positionen enth lt folgende Informationen Datengps R H Hoe op CH CHoe PDOP NumSats SolType R H Rechts und Hochwert Hoe Ellipsoidische H he op Ou Dtandardabweichungen von R und H OHoe Standardabweichung der H he PDOP Position Dilution of Precision NumsSats Anzahl der Satelliten SolType Art der Positionsl sung Mit Hilfe der GPS Positionen werden zun chst die abgefahrene Trajektorie im
44. Erfassung des Stra enraumes mit Hilfe von La serscannern In 58 DVW Seminar Kinematische Mess methoden Vermessung in Bewegung Konrad Wittwer Verlag Stuttgart 2004 Schriftenreihe des DVW Nr 45 S 245 264 Gr fe u a 2000 GR FE G KLEMM J STERNBERG H Das kinematische Vermessungssystem KiSS Zentrie rung der Sensordaten und Transformation in das Fahr zeugsystem In 25 Jahre Institut f r Geod sie Teil 1 Wissenschaftliche Beitr ge und Berichte Heft 60 1 Bd 60 1 Schriftenreihe des Studiengangs Geod sie und Geoin formation Universit t der Bundeswehr M nchen 2000 S 143 154 GUM 1995 GUM Guide to the expression of uncertainty in measurement 1st Edition International Organization for Standardization 1995 ISBN 92 67 10188 9 Hancock u a 1998 HANCOCK J LANGER D HE BERT M SULLIVAN R INGIMARSON D HOFFMAN E METTENLEITER M FR HLICH C Active Laser Ra dar for High Performance Measurements In Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Robotics amp Automation Leuven Belgien Mai 1998 S 1465 1470 Haykin 2001 Hayk n Simon Kalman Filtering and Neural Networks S 1 22 John Wiley amp Sons Inc New York USA 2001 Heister u a 1995 HEISTER H CASPARY W HOCH C KLEMM J STERNBERG H KiSS a Hybrid Mea suring System for Kinematic Surveying In LINKWITZ Hrsg HANGLEITER Hrsg High Precision Navigatio
45. Grad der Erf llung einer definier ten Zielvorgabe charakterisiert wird In diesem Zusammenhang ist vor allem die M glichkeit einer Ob jekterfassung in Echtzeit zu betrachten die durch den hohen Automatisierungsgrad der kinematischen Objekterfassung auf Systemebene grunds tzlich m glich ist In Anlehnung an den bereits in Kapitel definierten Begriff der Echtzeit ist eine m gliche Echt zeitf higkeit des entwickelten Systems kontextabh ngig zu betrachten So ist die Erfassung von Umge bungsinformationen als Datenbasis f r Kfz basierte Fahrerassistenzsysteme mit zul ssigen Verz gerungen von wenigen Millisekunden verbunden Die Aufnahme ausgedehnter Unfallstellen oder Gefahrensituatio nen zur zeitnahen Koordinierung und Planung rtlicher Rettungsarbeiten und Bergungsarbeiten bedingt demgegen ber Zeitanforderungen im Bereich weniger Minuten Bezogen auf die m glichen Einsatzberei che des entwickelten Systems sollen im Folgenden nur Verz gerungen betrachtet werden die sich in einer Gr enordnung von mehr als einer Sekunde auswirken Wird die Spanne zwischen dem Erfassungszeitpunkt eines Scanprofils vor Ort und dem Vorliegen der vollst ndig transformierten und georeferenzierten Objektpunkte dieses Profils als Latenzzeit des Mobile Mapping Systems Az mms definiert so ergeben sich die in Tabelle aufgef hrten Anteile an der vorhandenen Latenz Modul Latenzanteil Begr ndung Software Gl ttung Rest Scandauer Sowohl der Vorw r
46. Grundriss Abbil dung sowie die Positions nderungen in Abh ngigkeit von der Zeit Abbildung srafisch dar gestellt Letztgenannte Darstellung soll die numerische Auswahl des Auswertungszeitraumes erleichtern da hierin nicht nur Stillstands und Fahrtzeiten sondern auch Bereiche mit stark verrauschten Posi tionsinformationen gleichbedeutend mit gro en Positions nderungen sowie Bereiche mit fixed und float L sungen dargestellt und gegebenenfalls von der Auswertung ausgeschlossen werden k nnen 80 0 8 Gro e Geschwindigkeits nderungen in DU 0 77 der Trajektorie Abschattungen Multipath 40 0 67 a g 0 5 20 E 7 E 2 04 E 4l e Hi S S 5 0 3 I a 0 3 20 S 02 A0 e 0 1 el Stillstand Fahrt OI D DU i i i f 0 1 1 a l j 0 20 40 ep 80 100 120 140 160 0 100 200 300 400 500 600 Rechts m Zeit s Abbildung 8 8 Trajektorie in der bersicht Abbildung 8 9 Positions nderungen Da die zeitliche Referenzierung aller Daten bei diesem System in UTC Zeit vorgenommen wird ist eine Transformation der Zeitskala nicht notwendig Es ist jedoch zu beachten dass beim Datenexport aus bestimmten Softwarel sungen zur Prozessierung von GPS Beobachtungen eine nicht aktuelle Anzahl 124 8 Messung und Auswertung der Daten an Schaltsekunden ber cksichtigt wird wodurch sich ein Versatz der GPS Position zum entsprechenden Scanprofil ergeben kann Die durch die Schaevitz Libelle erfassten Neigungswer
47. Hall 2001 Natio nal Instruments Virtual Instrumentation Series Bielawski 20001 BIELAwsKI Leopold Th Aufbau eines Mess Busses zur Datenerfassung f r Kinematische Ver messung In CASPARY W Hrsg HEISTER H Hrsg 161 SCH DLBAUER A Hrsg WELSCH W Hrsg 25 Jah re Institut f r Geod sie Teil 1 Wissenschaftliche Beitr ge und Berichte Heft 60 1 Schriftenreihe des Studien gangs Geod sie und Geoinformation Universit t der Bun deswehr M nchen 2000 S 111 116 Boehler u a 2003 BOEHLER W BORDAS M MARBS A Investigating Laser Scanner Accuracy In XIXth Cipa Symposium 30 09 04 10 2003 CD Rom Antalya T rkei 2003 Borre 2001 BORRE Kai The GPS Toolbox In GPS Solutions 4 2001 Nr 3 S 47 51 Borre 2003 BORRE Kai The GPS Easy Suite Matlab Code for the GPS Newcomer In GPS Solutions 7 2003 Nr 1 S 47 57 Bowring 1985 BOWRING B R The Accuracy of Geode tic Latitude and Height Equations In Survey Review 28 1985 Nr 218 S 202 206 Brendecke 1987 BRENDECKE H Temperatur Sensoren mit mikroprozessorlesbarem Ausgangssignal In Elektro nik 20 1987 S 67 70 Brunner und Woschitz 2001 BRUNNER Fritz K Wo SCHITZ H Kalibrierung von Messsystemen Grundlagen und Beispiele In HEISTER Hansbert Hrsg STAIGER Rudolf Hrsg Qualit tsmanagement in der Geod tischen Messtechnik Wittwer Verlag 2001 Schriftenreihe des DVW Nr 42 S
48. Positionierung und Ausrichtung der einzelnen Sensorsysteme zueinander und im Bezug zum Fahrzeug verwendet Die Festlegung von Ursprung und Achsen eines Body Systems wird standardm ig ber den Massen schwerpunkt des Objektes sowie drehende Achsen vorgenommen Das in der Automobilindustrie ge br uchlichste Fahrzeugkoordinatensystem hat seinen Ursprung im Schnittpunkt einer das Fahrzeug in L ngsrichtung halbierenden Ebene mit der Vorderachse Seine Koordinaten sollen an dieser Stelle auf grund der abweichenden Definition als X Y und Z bezeichnet werden Die vordere Fahrzeugachse bildet hierbei die Vi Achse des Systems und verl uft positiv zur rechten Fahrzeugseite Die X 7 Achse ist achsparallel der entgegengesetzten Fahrtrichtung die Achse Z7 verl uft in Zenitrichtung 22 3 Bestimmung von Position und Orientierung Z Bewegung Xa Ya Ze Koordinatenachsen des d Fahrzeugsystems Ode Rollen Y Or Nicken F Dr Gieren Hinter W A Vorder achse achse Abbildung 3 3 Fahrzeugkoordinatensystem Im vorliegenden Fall wird das Fahrzeugsystem jedoch nicht im Schnittpunkt mit der Vorderachse sondern mit der Hinterachse gelagert was die Bestimmung der Orientierungsparameter des Fahrzeuges erleichtert Kapitel 3 7 3 Die Koordinatenachsen unterscheiden sich jedoch in der Weise dass die X r Achse positiv in Fahrtrichtung und die Yr Achse positiv zur linken Fahrzeugseite zeigt Die Zr Achse komplettiert das o
49. Rolle da das Systemverhalten durch asynchrone Ereignisse nicht in jedem Fall vorhersagbar ist Ein determiniertes System gew hrleistet nicht nur die funktionale Vorhersagbarkeit eines Ergebnisses sondern erm glicht insbesondere die Pr dizierbarkeit von Reaktions und Latenzzeiten So werden diejeni gen Systeme bei denen auch die Antwortzeit f r die Bereitstellung von Ergebnissen und die Verarbeitung von Daten vorhersagbar ist als zeitlich determiniert bezeichnet Diese Eigenschaft ist speziell bei harten Echtzeitanforderungen notwendig um auftretende Ereignisse innerhalb der vorgegebenen Zeitschranken abzuarbeiten und somit auch die Zuverl ssigkeit des Gesamtsystems zu gew hrleisten 1999 Allgemein wird die Determiniertheit eines Systems von einer Vielzahl an Parametern bestimmt Bei echtzeitf higen Messsystemen zur Datenerfassung sind dies unter anderem die Anzahl und die Frequenz parallel auftretender Datensignale die Priorit t ihrer Erfassung sowie die daf r zul ssige Latenzzeit 5 2 7 Taskverwaltung Durch die zunehmende Modularisierung von Datenerfassungsprozessen sind nicht nur in Echtzeitsystemen eine gro e Zahl von Aufgaben in Form von Programmen parallel oder ann hernd parallel abzuarbeiten Die Ausf hrung eines Programms oder seiner Teile auf einem Prozessor wird allgemein als Task die Menge aller Tasks als Taskset bezeichnet Bedingt durch die Tatsache dass einzelne Prozessorkerne nur jeweils eine Au
50. Strecke 0 0257 0 02 0 0157 sch Temperatur TTC Abweichung m 0 0057 i i A L A A 1 L L 1 A _ L i Lat b 20 40 60 80 100 120 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Zeit min Temperatur TTC Abbildung 7 7 Temperaturverlauf im Inneren eines Abbildung 7 8 Abweichungen in Quer Hoch und Ziel TOF Scanners richtung Beispielhaft zeigt Abbildung 7 7 den Verlauf der Innentemperatur des Time of Flight Scanners TOF w hrend eines Dauerscans von 120 min L nge Hierbei nimmt die Ger teinnentemperatur um mehr als 20 C zu und erw rmt wesentliche Teile der optischen Ablenkeinrichtung sowie verschiedene Bauteile im Scannerinneren so dass eine in 50 m Entfernung auf einem Messpfeiler fixierte Zielmarke im Koordina tensystem des Scanners zu wandern scheint In Quer und L ngsrichtung ist eine Bewegung um mehr als 2 5 cm zu erkennen w hrend die H henkomponente nur unwesentlich beeinflusst wird Im Hinblick auf die vergleichsweise hohe Leistungsaufnahme die bei aktuellen Ger ten zwischen 70 W Imager 5003 und 94 W Riegl LMS Z390 liegt ist der Einfluss der Scannertemperatur auf die Kom ponenten des Moduls Laserscanner zu pr fen Kapitel 7 3 3 Wie bereits bei der Komponente Distanzmessung sind auch bei der Kalibrierung der horizontalen und vertikalen Winkelmesseinrichtung die notwendigen Bestimmungselemente indirekt aus den Mittelpunkten von Sollgeometrien oder Zielmarken abzuleiten Mit Ausnah
51. Unver ffentlicht 2007 Pers nliche Korrespondenz Lindner u a 2004 LINDNER Helmut BRAUER Harry LEHMANN Constans Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik 8 Auflage Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 2004 ISBN 3 446 22546 3 Liu und Layland 1973 Liv C L LAYLAND James W Scheduling Algorithms for Multiprogramming in a Hard Real Time Environment In Journal of ACM 20 1973 Nr 1 S 46 61 ISSN 0004 5411 Mader und Morrison 2002 MADER Gerald L MOR RISON Michael L Using Interpolation and Extrapolati on Techniques to Yield High Data Rates and Ionosphere Delay Estimates from Continuously Operating GPS Net works In Proceedings of ION GPS 2002 24 27 09 2002 Portland USA 2002 S 2342 2348 Manandhar und Shibasaki 20001 MANANDHAR D SHI BASAKI R Geo Referencing of Multi Sensor Range Data For Vehicle borne Laser Mapping System VLMS In Proceedings of 21st Asian Conference on Remote Sensing ACRS Taipei Taiwan Bd 2 2000 S 932 937 Manandhar und Shibasaki 200lal MANANDHAR D SHI BASAKI R Vehicle borne Laser Mapping System VLMS A New Observation System for 3 D Mapping of Urban Areas In Proceedings of IEEE ISPRS Joint Workshop on Remote Sensing and Data Fusion over Urban Areas 08 09 11 2001 Rom Italien 2001 S 5 9 Manandhar und Shibasaki 2001b MANANDHAR D SHI BASAKI R Vehicle borne Laser Mapping System VLMS for 3D GIS In Proceedings
52. Validierung des Systems Zentrum f r Hochschulsport Rundkurs auf sehr ebener Fahrbahn mit zum Teil schwierigen Empfangsbe dingungen und ausgedehnten Objekten Sporthallen mit einer gro en Anzahl m glicher identischer Punkte Schlecht 4 SV bis gut 8 SV mit st rkeren Abschattungen im Kurvenbe reich und zahlreichen Wechseln der Sa Schlossfassade tellitenkonfiguration Fahrbahnober Fu weg und Asphaltstrecke mit Uneben Tartanbahn glatt und horizontal fl che heiten berwiegend quergeneigte und doppelt gekr mmte Streckenteile Messungen 17 6 Streckenl ngen 60 440 m 160 430 m t SV Space Vehicle Satellit Tabelle 9 1 Beschreibung der Testumgebungen im Gegensatz zu den Koordinaten in kartesischer Form als sost SNord und SH he angegeben werden k nnen f r die Aufstellung der VKM der Beobachtungen Xy k 1 genutzt werden Abbildung 9 1 zeigt die H ufigkeitsverteilung der Standardabweichungen der Ost Komponente in der Histogrammdarstellung Hierbei ist der Unterschied des Genauigkeitsniveaus zwischen Einzelpositionen die auf der Grundlage von Phasenauswertungen Fixed L sungen und aus reinen Codemessungen Float L sungen berechnet wurden deutlich zu erkennen oo oO oO E 0 lt S North 2 0 001 1 4 CH CH CH T 140 Anzahl Werte gt CH E g 40 0 0 005 0 01 0 015 002 0025 003 0035 0 04 0 045 0 05 g amp 0 S North m 800 r T S 60 E 0 lt S a
53. Winkel wie sie in diesem Fall vorliegen ergibt sich der kartesische Koordinatenvektor der Antennenposition auf dem Bessel Ellipsoid durch Bessel Bessel X AX 1 Ca 6 X Y AY m I e 1 d l 3 2 a Bessel AZ WGS84 Ey ee l WGS84 Z WGS84 mit Ex y z Drehwinkel von Bessel nach W G 884 Anschlie end sind die auf das Bessel Ellipsoid bezogenen kartesischen Koordinaten in ihre ellipsoidi sche Darstellung zu bertragen da eine Abbildung in die Ebene sowohl f r Gau Kr ger als auch f r UTM von ellipsoidischen Koordinaten ausgeht Diese Transformation wird in der Regel iterativ gel st und kann der Standardliteratur entnommen werden Seite 90 Unter Inkaufnahme von Restabweichungen deren Gr enordnung f r die vorliegende Aufgabenstellung unkritisch ist kann die ben tigte Umrechnungsformel auch in geschlossener Form angegeben werden 1985 3 2 3 Verebnung der ellipsoidischen Koordinaten Ausgehend von den nun vorliegenden ellipsoidischen Koordinaten der Breite y und der L nge A eines Punktes F kann eine Gau Kr ger Abbildung in die Ebene nach SCH DLBAUER 1982 erfolgen Hierzu werden die Parameter f r die gro e Halbachse ag und die Abplattung oru des Referenzellipsoides sowie der Bezugsmeridian Lo ben tigt die aus Platzgr nden hier nur verk rzt wiedergegeben werden R H hli GK 1072 A GEIL O EI L Besse 3 3 Als Resultat dieser Abbildung erh lt man die Gau Kr ger Koordinaten R
54. be trachten 2001 Die Komponentenkalibrierung sollte aus diesem Grund komponenten und nicht modulbezogen sein um eine klare Trennung der systematischen Abweichungen zu erreichen die auf eine Ergebnisgr e wirken Die f r eine Kalibrierung verwendeten Messverfahren sind in der Pra xis trotz der abweichenden Zielsetzung vielfach mit denen der Systemkalibrierung identisch wobei die Komponentenkalibrierung h ufig unter Laborbedingungen stattfindet vertreten dar ber hinaus die Meinung dass auch die Systemkalibrierung innerhalb einer Laborumgebung oder zumindest unter kontrollierten Umgebungsbedingungen durchzuf hren ist um eine TIrennbarkeit der Einflussgr en herbeif hren zu k nnen Auch bei Komponentenkalibrierungen ist die gesonderte Betrachtung des Einflusses einzelner Ein sangsgr en auf die Komponenten aufgrund der hohen Komplexit t eines Systems nicht immer m glich Die Gr nde liegen wie bereits beschrieben in der vielfach nicht gegebenen Zug nglichkeit zu einzelnen Komponenten und Sensoren der fehlenden Verf gbarkeit origin rer Messergebnisse sowie in der Tat sache begr ndet dass die verf gbaren Ausgangsgr en bereits mit einer Vielzahl von Korrekturwerten berlagert sind die vom Hersteller ermittelt wurden Idealerweise werden im Rahmen einer Kalibrierung die Vorteile von System und Komponentenkali brierung kombiniert 2000 schlagen hierzu den in Abbildung 7 4 dargestellten Ablauf unt
55. beobachteten Phasendifferenzen um die Genauigkeit der Streckenmessung zu verbessern Die Oversampling R te wird hierbei an die gew nschte Punktdichte angepasst so dass die typische erzielbare Datenrate fs realistisch bis zu 125 kHz betr gt 2003 Somit lassen sich folgende Zusammenh nge formulieren Je h her die gew hlte Aufl sung und somit die Anzahl der Punkte pro Profil ist desto weniger Oversamplingzyklen k nnen f r jede zu bestimmende Einzelstrecke vollzogen werden Tabelle gibt einen berblick ber die gegenseitigen Abh ngigkeiten der Scanparameter Pixel pro Scanzeile Profilfrequenz fp sowie dem anfallenden Datenvolumen X S X N Modus Pixel Zeile JP Defauk Noise fe Low Noise Datenvolumen Default Noise Preview 1250 25 Hz 12 5 Hz 6 4 MB min Middle 5000 25 Hz 12 5 Hz 24 1 MB min High 10000 33 Hz 16 5 Hz 60 5 MB min Super High 20000 25 Hz 12 5 Hz 87 1 MB min Tabelle 4 3 bersicht der verschiedenen Scanaufl sungen Mit Hilfe des optionalen Scanparameters Low noise kann die Oversampling Rate zus tzlich um den Faktor zwei erh ht werden was sich in einer Verdopplung der Messdauer niederschl gt Bedingt durch die Tatsache dass die verwendete Laserklasse 3R nicht uneingeschr nkt augensicher ist besitzt der Scanner einen Schutzmechanismus der den Laser ausschaltet wenn sich Objekte innerhalb eines Radius von Sr 0 5 m um den Scanner befinden Um diese Beschr nkung zu umgehen
56. bereits mehrfach an baugleichen Ger ten durchgef hrt wurde Im Rahmen solcher Untersuchungen traten jedoch keine Abweichungen auf die f r den angestrebten Genauigkeitsbereich dieses Systems als relevant angesehen werden F r eine weitergehende Diskussion der notwendigen Kalibrierungen des Laserscanners sei an dieser Stelle auf das nachfolgende Kapitel 7 2 2 verwiesen Auch in diesem Fall besteht die Wahl zwischen den in Kapitel 7 1 2 diskutierten Ans tzen der System und Komponentenkalibrierung Speziell im Fall des Laserscanners verhindern die nicht gegebene Zug ng lichkeit zu den Baugruppen die bereits im Ger t angebrachten Korrektionen sowie die fehlende Ausgabe von Rohdaten eine durchgreifende Komponentenkalibrierung 7 2 2 Ans tze zur Kalibrierung von Laserscannern Bedingt durch die gro e hnlichkeit zwischen terrestrischen Laserscannern und elektronischen Tachy metern existieren eine Reihe von Verfahren die f r eine Pr fung oder Kalibrierung dieser Sensoren grunds tzlich in Frage kommen Bei der konkreten bertragung von Kalibrierverfahren f r tachymetri sche Instrumente auf Laserscanner ist jedoch zu beachten dass eine Objektaufnahme mit Laserscannern ausschlie lich rasterf rmig und nicht mit Hilfe diskreter Punkte erfolgt Insbesondere die fehlende M glichkeit zur wiederholten Anzielung identischer Punkte erschwert die Kalibrierung von Laserscannern Zur praktischen Durchf hrung einer Kalibrierung ist somit die D
57. chst die kartesischen Koordinaten durch lineare Interpolation zwi schen den Nulldurchg ngen zweier Profilmessungen berechnet deren Positionen aus der Filterung bekannt sind Vereinfachend wird hierzu die Annahme getroffen dass die Rotationsgeschwindigkeit des High Speed Motors zwischen zwei Profilen konstant ist Dann erfolgt die eigentliche berf hrung der zweidi mensionalen Scannermessungen in den dreidimensionalen Objektraum durch Transformation in das ber geordnete Koordinatensystem Hierbei werden die aktuellen Drehwinkel des Scanner Koordinatensystems gegen ber dem bergeordneten System ber cksichtigt Dieser Schritt beansprucht aufgrund der sehr ho hen Punktanzahl den gr ten Teil der Prozessierungszeit Als Endergebnis dieser Auswertung liegt nun die vollst ndig entzerrte und um die Bewegung des Fahrzeuges korrigierte dreidimensionale Punktwolke im ASCII Format vor Diese kann von professionellen Modellierungsl sungen wie LFM Modeller Cyclone oder RealWorks Survey importiert werden um eine anschlie ende Modellierung der erfassten Objekte vorzunehmen 127 9 Validierung des Systems 9 1 Rahmen und Umfang der Validierung Die Validierung eines Prototyps unter praxisnahen Bedingungen ist elementarer Bestandteil einer jeden Systementwicklung Neben verschiedenen Untersuchungen zur Leistungsf higkeit einzelner Systemkom ponenten soll im folgenden Kapitel auch die Genauigkeit des Gesamtsystems durch Messungen an rea
58. da bei statischen Scans keine M glichkeit zur Echtzeiterfassung von Objekten gegeben ist 157 11 Zusammenfassung und Ausblick Problemstellung Die Erfassung der Erdoberfl che sowie der mit ihr verbundenen Bauwerke und Topographie stellt seit jeher eine der zentralen Aufgaben der Geod sie dar Aufgrund der zunehmenden Digitalisierung von Geodaten in Geoinformationssystemen besteht eine starke Nachfrage nach Verfahren zur schnellen und vollst ndigen Erhebung dieser Informationen Die Nutzer dieser Daten finden sich sowohl in ffentlichen Verwaltungen bei kommunalen und privaten Planungstr gern als auch bei privatwirtschaftlichen An wendern wie Bautr gern und Projektentwicklungsgesellschaften Dar ber hinaus besteht insbesondere im Bereich der Unfallstellendokumentation der Bedarf an einer vollst ndigen und m glichst schnellen Erfassung r umlich begrenzter Gebiete im Au enbereich Aktuelle Mobile Mapping Systeme die f r Aufgaben dieser Art zum Einsatz kommen sind in der Lage eine Umgebungserfassung mit hoher Aufl sung und Geschwindigkeiten von bis zu 100 km h durchzuf h ren Sie basieren berwiegend auf photo und videogrammetrischen Sensoren zur Bilderfassung und nutzen inertiale Sensoren zur Bestimmung von Position und Orientierung In neueren Entwicklungen kommen zudem profilmessende Laserscanner zur Bestimmung verschiedener Parameter wie der Fahrbahnquer neigung zum Einsatz Der wesentliche Nachteil hinsichtlich der Verwend
59. dass die hier ber eingef hrte Unsicherheit nachhaltige Wirkung auf die VKM des ausgeglichenen Zustandes hat 3 34 So werden durch diesen Eingriff in das stochastische Modell theoretisch die Varianzen aller Folgeepochen f r den ermittelten Parameter beeinflusst Praktisch betrachtet ver ndert sich durch die Erh hung der Varianz die relative Gewichtung zwischen den Beobach tungen und dem Systemverhalten bei der Bestimmung des ausgeglichenen Zustandsvektors Aus diesem Grund ist die Gr enordnung der additiven St rbeschleunigung mit Bedacht zu w hlen 3 4 3 Erweiterung des Zustandsvektors Der in Kapitel verwendete Zustandsvektor ist zur Vereinfachung auf die Beschreibung eines einzelnen Punktes ausgerichtet Prinzipiell ist es jedoch problemlos m glich eine beliebige Anzahl an Punkten entsprechend einer gr eren Anzahl GPS Empf nger in den Zustandsvektor y aufzunehmen Wird ein zweiter GPS Empf nger zur redundanten Bestimmung der Fahrzeugposition verwendet so k nnen die Positionen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen f r die zweite Antennenposition mit gesch tzt werden Die Integration eines weiteren Punktes in den Zustandsvektor kann auch nach einer beliebigen Anzahl an bereits prozessierten Epochen geschehen wenn die Beobachtungszeitr ume beider Empf nger nicht vollst ndig identisch sind Der Zustandsvektor lautet f r den Fall einer endlichen Anzahl t an Einzelpunkten y Ir y mit y A 3 40
60. dem preemptiven Fixed Priority Scheduling unter Ber cksichtigung der vom Anwender vorab definierten Priorit ten JOHNSON 2006 Die Kombination dieser einfachen Scheduling Verfahren erleichtert die Verwaltung der Threadsteuerung f r den Benutzer und ist selbst f r die Verwaltung mittelgro er Tasksets geeignet Komplexere Scheduling Verfahren k nnen dar ber hinaus durch den Einsatz weiterer Echtzeitbetriebs systeme genutzt werden die in Tabelle 5 5 aufgef hrt sind 5 3 Ausgew hlte Systeme 69 5 3 3 Sorcus GmbH Die Sorcus Computer GmbH aus Heidelberg bietet verschiedene echtzeitf hige Tr gerplattformen zur Messdatenerfassung auf Grundlage des sogenannten X Bus Systems an Das X Bus System stellt eine Eigenentwicklung von Sorcus dar und verwendet kleine Steckmodule zur Datenerfassung die auf einer der verschiedenen Tr gerplattformen zum Einsatz kommen k nnen Abgesehen von der Tr gerkarte MAX6 PCI die ber die PCI Schnittstelle in ein PC System eingebun den werden kann sind alle Plattformen auf den Betrieb als Stand alone L sung oder Embedded System ausgerichtet Tabelle 5 6 Sie unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Anzahl der gleichzeitig ver wendbaren Datenerfassungsmodule die ber die propriet re X Bus Schnittstelle integriert werden k nnen Tr gersystem Anzahl Module Anbindung Stromversorgung Daten CPU MAX6peci 6 PCI Slot PCI Schnittstelle CANbox 21 1 Stand alone Embedded 6 60 V
61. der durch GPS Beobachtungen ermittelten Fahrzeugpo sition besitzen einen signifikanten Einfluss auf die Genauigkeit der abgeleiteten Azimute Neben diesen bekannten Einflussgr en f hren auch hochfrequente Rollbewegungen der Testplattform zu nicht voll st ndig kompensierbaren systematischen Effekten in den ermittelten Raumwinkeln Trotz der durch diese Einflussgr en hervorgerufenen Abweichungen k nnen die an das System gestell ten Genauigkeitsanforderungen zum Teil deutlich bertroffen werden So besitzt die mit Hilfe von zwei segenl ufig erfassten Objektaufnahmen ermittelten relativen Genauigkeiten f r die transformierte und um systematische Abweichungen korrigierte Punktwolke einen Wert von besser als 0 1 m Auch die u Bere Systemgenauigkeit in Form einer mittleren Abweichung die ber Messungen mit dem hochpr zisen SAPOS GPPS Dienst ermittelt werden kann liegt in einem Bereich von deutlich unterhalb 0 1 m Die vorliegende Arbeit zeigt dass die hochaufl sende Objekterfassung im mittleren Genauigkeitsbereich mit einem profilmessenden terrestrischen Laserscanner sowie geod tischen Standardsensoren auch unter Verzicht auf inertiale Messeinheiten m glich ist Stichworte Laserscanning kinematisch terrestrisch Echtzeit Objekterfassung Mobile Mapping GPS Imager Punktwolke Abstract Ever since the acquisition of the earth s surface and its topography has
62. der zu liefernden Prozessergebnisse unterscheiden W hrend nicht echtzeitf hige Systeme in erster Linie die logische Korrektheit von Ergebnissen gew hrleisten besteht bei Echtzeitbetriebssystemen zus tzlich die unbedingte Forderung nach zeitlicher Korrektheit Um diese zu gew hrleisten m ssen bei der Programmierung von Echtzeitsystemen vier wesentliche Anforderungen erf llt werden durch die sich zudem eine Abgrenzung zu Nicht Echtzeitsystemen ergibt WORN und BRINKSCHULTE 2005 e Rechtzeitigkeit e Gieichzeitigkeit e Verf gbarkeit e Determiniertheit Abh ngig vom zugrunde liegenden Programmierverfahren lassen sich dar ber hinaus zeitgesteuerte und ablaufgesteuerte Systeme unterscheiden wobei auch Mischformen m glich sind LAUBER und G H 5 2 Echtzeitbetriebssysteme 5 Ga 1999 Diese Unterscheidung spielt insbesondere bei der Auswahl des Scheduling Verfahrens eine wesentliche Rolle Kapitel 5 2 8 Eine exemplarische Auswahl verbreiteter Echtzeitbetriebssysteme die prinzipiell f r die Umsetzung der vorliegenden Aufgabenstellung geeignet sind ist in Anhang B aufgef hrt 5 2 3 Rechtzeitigkeit Die Forderung nach Rechtzeitigkeit bedeutet in der Terminologie der Echtzeitbetriebssysteme dass die Reaktion auf ein Ereignis innerhalb einer oder mehrerer fester Zeitschranken begonnen werden oder be endet sein muss Gebr uchliche Zeitbedingungen k nnen nach LAUBER und G HNER anhand von fr h
63. deren Aufrufe direkt durch das Betriebssystem verwaltet werden Versand und Empfang von Nachrichten erfolgen hierbei mit Hilfe von Bibliotheksfunktionen um laufen de Tasks zu entlasten 5 3 Ausgew hlte Systeme 5 3 1 Weitere Hersteller Echtzeitf hige Systeme werden f r Zwecke der Messung Steuerung und Regelung in verschiedenen techni schen Fachdisziplinen wie dem Maschinen und Anlagenbau dem Bauingenieurwesen sowie der Geod sie ben tigt Aufgrund des hohen Verbreitungsgrades und der gro en Anzahl an Herstellern kann an dieser Stelle kein abschlie ender berblick ber die Marktsituation gegeben werden Es ist jedoch festzustellen dass die verf gbaren Messsysteme zum berwiegenden Teil auf spezielle Aufgabenstellungen zugeschnit ten sind was sich in einer eingeschr nkten Auswahl an Schnittstellen Datenraten oder unterst tzten Signaltypen bemerkbar macht Im Hinblick auf die bestm gliche Integration in das zu entwickelnde Messsystem ist der Fokus neben den genannten Auswahlkriterien f r die Messhardware auch auf das Angebot an unterst tzten Betriebssyste men zu setzen Trotz der grunds tzlichen M glichkeit die auf Linux Basis verf gbaren Betriebssysteme an verschiedene Hardwareumgebungen anzupassen sollen im Folgenden nur Hardwarehersteller in die engere Wahl gezogen werden die ein eigenes oder bereits an die Hardware angepasstes Echtzeitbetriebssystem anbieten Tabelle 5 3 gibt einen berblick ber ausgew hl
64. diesem Grund sind die gegl tteten Fahrzeugpositionen von der durch Rollbewegungen induzierten Abweichung beeinflusst so dass im Falle der Azimutberechnung mit einem Empf nger die resultierenden Azimute 134 9 Validierung des Systems von Schwingungen gleicher Frequenz mit einer Phasenverschiebung von 90 berlagert sind Dieser Effekt kann auf messtechnischer Basis durch eine Ableitung der Azimute aus relativen DGPS Beobachtungen vermieden werden da hierbei beide Antennen in gleicher Weise von einem solchen Effekt beeinflusst werden J ModelSpace Neigungsmessung Schwingung Punktwolke 1 View 1 WE SE ell x Ele gdt Selection View Vew egt Creste Objed Et Objet Tock Heip 0 457 m 9 515 0 424 m i 0 414 m 0 309 m 7 m Hoe 79 31m 0 434 m 477 GER V EE KE f eg eu er EE DEE EREET EE GE Epi ip prf is KE por Sei SE EE TER GES m Fi sit Nothing selected RZ Abbildung 9 18 Auswirkung der Fahrzeugoszillation im Objektraum Zur Veranschaulichung der Auswirkungen einer unvollst ndig korrigierten Rollbewegung im Objekt raum wurde eine l ngliche Objektkante in einer Entfernung von 25 m durch eine lineare Scanbewegung erfasst Abbildung 9 18 Die dominierende Schrittfrequenz von 2 6 Hz f hrt bei einer Geschwindigkeit der Plattform zwischen 1 1 m s und 1 2 m s rechnerisch zu einer longitudinalen Periodizit t innerhalb der Punktwolke von 0 46 m Wie aus der Abbildung zu erkennen ist konnten die Rollwinkel des Fa
65. durch die Achsen des Fahrzeuges definiert Der Ursprung des Fahrzeugsystems kKfz X Kfz0 YKfz 7 4 ZKfz 0 liegt hierbei im Schnittpunkt der Hinterachse mit einer das Fahrzeug in L ngsrichtung teilenden Ebe ne die durch den Drehpunkt der Vorderachse verl uft Die X Achse liegt in Fahrtrichtung die Y Achse koaxial zur Hinterachse und die nach oben zeigende Z Achse vervollst ndigt das rechtsh ndige Koor dinatensystem Abbildung zeigt das Fahrzeug und sein Koordinatensystem sowie die verwendeten Sensoren in der Draufsicht 4 Te e A eb we Scanner meter IMU ee 101 202 201 Fe 9 ui X em i oe S GPS Ant Ant O 3 o 2 1 o 111 110 Abbildung 7 20 Fahrzeugkoordinatensystem Zur Bestimmung der Sensorpositionen hierbei insbesondere der von Laserscanner und GPS Antennen wurden alle Punkte mit Hilfe eines Theodolit Messsystems TMS vom Typ Leica TPS5000 eingemessen Da der Drehpunkt der Vorderachse ausschlie lich von der Unterseite des Fahrzeuges zug nglich ist wurde eine Verkn pfung der verschiedenen Standpunkte des TMS ber das vorhandene Laborkoordinatensystem sowie eine Reihe von identischen Punkten am Fahrzeug vorgenommen Punktnummer Bezeichnung 1 7 Hilfspunkte zur Transformation 100 Schnittpunkt Stehachse Dreifu des Scanners 101 Mittelpunkt Referenzkugel 110 112 111 113 Achsmittelpunkte von Vorder und Hinterachse 201 202 GPS Antenne vorne hinten T
66. durchgef hrt durchgef hrt Abbildung 7 6 Einflussgr en der verschiedenen Laserscannerkomponenten Die Messdatenerfassung mit terrestrischen Laserscannern wird grunds tzlich von Komponenten aus gef hrt die den Modulen Laserscanner Atmosph re Objekt und Software zugeordnet werden k nnen Abweichend zu Abbildung 7 3 wird an dieser Stelle jedoch keine funktions sondern eine kalibrier bezogene Darstellungsweise gew hlt Somit erfolgt eine Schematisierung nicht durch einzelne Sensoren und Aktoren sondern durch die auf das Messergebnis wirkenden Einflussgr en und systematischen Ab weichungen Abbildung 7 6 Eine solche Betrachtung erscheint vorteilhaft da der exakte Systemaufbau eines Laserscanners aufgrund seiner hohen Komplexit t nur n herungsweise beschrieben werden kann Ausgehend von der bereits thematisierten hnlichkeit zu Tachymetern werden zur Pr fung und Ka librierung der Komponente Distanzmessung in der Fachliteratur bislang berwiegend Verfahren vor gestellt die bereits von elektronischen Distanzmessern EDM bekannt sind und fast ausschlie lich als Komponentenkalibrierungen umgesetzt werden So erfolgt eine Kalibrierung der Distanzmessung bei Laserscannern mit Reichweiten von mehr als 100 m h ufig auf EDM Kalibrierstrecken KERSTEN u a 2004 oder im Rahmen von Netzbeobachtungen SCHAFER und SCHULZ 2005 LICHTI u a 2001 Neben den auf den Au enbereich beschr nk
67. erf llen die gestellten Anforderungen in Bezug auf Flexibilit t der m glichen Schnittstellen Genauigkeit der Synchronisierung und Skalierbarkeit in vollem Umfang Die von der Anzahl der Module und dem Modultyp abh ngige Leistungsaufnahme des Tr gersystems ist jedoch vergleichsweise hoch und erschwert einen Einsatz in Mobile Mapping Systemen deutlich Demgegen ber bietet die Compact FieldPoint Serie Abbildung 5 11 zwar eine geringere Systemleis tung hinsichtlich Timing Synchronisierung und Prozessorgeschwindigkeit ist jedoch prinzipiell ebenfalls echtzeitf hig F r die Datenerfassung stehen unter anderem A D D A Digital I O und Z hlmodu le zur Verf gung Als Besonderheit dieser Systeme ist die vordefinierte Datenrate der I O Module zu nennen die nicht durch den Anwender variiert werden kann National Instruments empfiehlt den Ein satz dieses System in Anwendungen in denen Datenraten von bis zu 200 Hz ben tigt werden Obwohl eine Quantifizierung der m glichen Latenzzeiten aus dieser Gr e nicht abgeleitet werden kann ist den noch ersichtlich dass harte sowie feste Echtzeitanforderungen nicht uneingeschr nkt gew hrleistet werden k nnen Als robuste und leistungsf hige Alternative zu den echtzeitf higen PXI Systemen bietet National In struments die CompactRIO Modellreihe mit rekonfigurierbarem Field Programmable Gate Array FPGA an Abbildung 5 12 Der FPGA Baustein sorgt innerhalb des Chassis f r den frei prog
68. f r Bahnanwendun gen entwickelt wurde finden sich in diesem System ver gleichbare Ans tze zur vorliegenden Arbeit So wird zum einen auf die Verwendung einer kostenintensiven Inertial messeinheit verzichtet Zum anderen wird die Umgebungs l l l Abbildung 2 2 SwissTrolley erfassung durch einen aktiv messenden Sensor in Form eines Sg GLAUS u a 2004 Profilscanners vorgenommen so dass einige der in der Pro blemstellung beschriebenen Defizite photogrammetrischer Systeme kompensiert werden Dar ber hinaus wird auch eine einfache Referenzierung der vom Profilscanner zur Verf gung gestellten Daten realisiert deren Genauigkeit jedoch f r erh hte Fahrtgeschwindigkeiten nicht ausreichend ist Auch die in der vorliegenden Arbeit definierten Anforderungen an die Aufl sung der Punktwolke im Objektraum k nnen genau wie bei MoSES mit diesem Scannertyp keinesfalls erf llt werden Zudem kann der Modellansatz zur Bestimmung der abgefahrenen Trajektorie nicht ohne weiteres auf Stra enfahrzeuge bertragen werden 2 2 3 VLMS Tokio Das Vehicle Borne Laser Mapping System VLMS wurde am Centre for Spatial Science der Universit t Tokio entwickelt und existiert mittlerweile in einer verbesserten zweiten Ausbaustufe Es ist speziell f r die Erfassung von georeferenzierten Stra en Umgebungs und Geb udeinform ationen in st dtischen Bereichen konzipiert und auf eine durchschnittliche Erfassungsge schwindi
69. f r rohe und reduzierte Phasenmessungen Sie kommen ebenfalls zu dem Ergebnis dass eine Interpolation von 15 s auf 1 s Epochenabstand keine Verschlechterung der Genauigkeit f r kinematische Anwendungen mit sich bringt Dar ber hinaus ergeben die Untersuchungen dass auch eine Extrapolation von GPS Referenzstationsdaten f r Echtzeitanwendungen bei geringen Epochenabst nden von bis zu 10 s m glich sind Es wird somit davon ausgegangen dass die Interpolation von 1 Hz auf 10 Hz im Rahmen der definierten Genauigkeitsanforderungen unter Verwendung eines linearen Ansatzes m glich ist 40 3 Bestimmung von Position und Orientierung F r die Interpolation der Referenzstationsdaten von 1 Hz auf 10 Hz wurde in diesem Projekt ein linearer Ansatz zwischen zwei aufeinander folgenden Epochen gew hlt der teilweise die von BORRE 2001 sowie 2003 ver ffentlichten Algorithmen zur Verarbeitung von GPS Beobachtungsdaten im RINEX Format verwendet 3 7 GPS gest tzte Bestimmung von Gier Nick und Rollwinkel 3 7 1 Vor und Nachteile der Nutzung von GPS Der erhebliche Vorteil der Azimutbestimmung mit Hilfe von GPS ist die weitgehende Unabh ngigkeit von Drifterscheinungen die bei inertialen Verfahren zu erh hten Schwierigkeiten hinsichtlich der Lang zeitstabilit t f hren k nnen Das eigentliche Ziel der Bestimmung von Positions und Orientierungsparametern ist nicht auf diejeni sen Zeitpunkte gerichtet zu denen GPS Be
70. geringe Messentfernung von bis zu 20 m ausreichend 4 5 3 Zoller Fr hlich Imager 5006 Der Imager 5006 von Zoller Fr hlich ist der im Oktober 2006 vorgestellte Nachfolger des Imager 5003 Abbildung 4 7 Obwohl dieser Scanner eine vollst ndige Neukonstruktion darstellt wur de das Messprinzip des zweifrequenten Phasenvergleichsverfahrens mit rotierendem Schr gspiegel beibehalten Ausgehend von diesen Gemeinsamkeiten und der Tatsache dass der Scanner zum Zeit punkt des Systemdesigns noch nicht verf gbar war beschr nken sich die weiteren Ausf hrungen auf eine Darstellung der wesentli chen Unterschiede Die sensorischen Neuerungen bestehen aus einer stark verbesser ten Lasermesseinheit einer um den Faktor 10 erh hten Aufl sung der Winkelencoder und einem integrierten Inklinometer Dar ber hinaus k nnen mit diesem Modell auch Profilmessungen mit einer DEET E Dmader Frequenz von fp 50 Hz durchgef hrt werden Eine ausf hrliche 5006 Darstellung der technischen Daten kann Anhang A entnommen 7007 werden Die Einf hrung einer zus tzlichen dritten Modulationsfrequenz f hrt zu einer Erh hung des eindeutigen Messbereiches auf ASR 79 m bei gleichzeitiger Verringerung der Linearit tsabweichung sowie des Messrauschens Tabelle 4 2 Durch eine verbesserte Aufl sung beider Winkelencoder auf AC An 0 0018 werden zwei neue Aufl sungsstufen mit der Bezeichnung Ultra High 40 000 Punkten 360 sowie e
71. gon im Vergleich zu den Messwerten der IMU auf die sich bei weniger starker Gl ttung der GPS Beobachtungen noch verst rken Anhand dieses Beispiels ist die Grenze der Nutzbarkeit von reinen GPS Beobachtungen zur Bestimmung azimutaler Winkel gut zu erkennen Auf der einen Seite wird eine Gl ttung der Trajektorie zwingend ben tigt um den Einfluss des Signalrauschens der GPS Messungen zu verringern auf der anderen Seite treten die hierdurch erzielten Ausrundungseffekte insbesondere in Kurven stark hervor Anhand der bertragung der ermittelten Azimutdifferenzen in den Objektraum wird deutlich dass Ab weichungen dieser Gr enordnung selbst unter guten Empfangsbedingungen in der N he der erzielbaren Genauigkeit von kinematischen Einzelpunktpositionen liegen So betr gt der Abstand zweier aufeinander folgender GPS Positionen bei der hier realisierten Fahrtgeschwindigkeit von 1 5 m s und 10 Hz Abtastra te 0 15 m Die vorhandenen Azimutdifferenzen zum Sollwert entsprechen somit einer Querabweichung eines Punktes nach RTS Gl ttung von 2 4 mm ohne Drehung des Fahrzeugs Unber cksichtigt bleiben in dieser Absch tzung zudem die durch unvollst ndig korrigierte Neigungen der Fahrzeuges hervorgerufenen Resteffekte die sich in gleicher Weise auf die Azimutbestimmung auswirken Zur n heren Betrachtung der in Abbildung 9 26 dargestellten Azimutdifferenzen erfolgte nach Trendab spaltung eine Transformation in den Frequenzbereich Das in Abbildung 9 28
72. hrt kann jedoch durch verst rkte Vektorisierung und berf hrung der Software in eine kompilierbare Hochsprache wie C noch weiter beschleunigt werden so dass auch der Wirtschaftlichkeitsaspekt ein ernst zu nehmendes Optimierungspotential besitzt 160 11 Zusammenfassung und Ausblick 12 Literaturverzeichnis 3D Laser Mapping 2007 3D LASER MAPPING StreetMap per Mobile Mapping using LIDAR technology Zugriff am 20 02 2007 http www 3dlasermapping com pdf Street Mapper pdf 2007 Abbott 2003 ABBOTT Doug Linux for embedded and real time applications Butterworth Heinemann Verlag 2003 ISBN 0 7506 7546 2 AdV 2004 ADV SAPOS Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der L nder der Bundesrepublik Deutschland Selbstverlag Hannover 2004 AdV 2005 ADV Richtlinien f r den einheitlichen Raumbezug des amtlichen Vermessungswesens in der Bun desrepublik Deutschland Arbeitsgemeinschaft der Ver messungsverwaltungen der L nder der Bundesrepublik Deutschland Selbstverlag Hannover 2005 Akca 2007 ArcA Devrim Least Squares 3D Surface Matching Swiss Federal Institute of Technology Z rich Dissertation 2007 Alam s u a 2004 ALAMUS R BARON A BOSCH E CASACUBERITA J MIRANDA J PLA M S NCHEZ S SERRA A TALAYA J On the Accuracy and Per formance of the GEO
73. ist es m glich den Scanner mit verringerter Laserleistung und einer eindeutigen Messdistanz von ASR 25 2 m zu betreiben 50 A Terrestrische Laserscanner Eine Synchronisierung der erfassten Scandaten kann ber eine zus tzliche Hardwareschnittstelle des Imager 5003 realisiert werden f r weitergehende Ausf hrungen sei auf Kapitel verwiesen Die Ansteuerung des Scanners erfolgt ber eine IEEE 1394 Schnittstelle FireWire mit Hilfe der her stellereigenen Software LRC Server Diese baut eine Client Server Verbindung auf Basis des TCP IP Protokolls vom Notebook zum Scanner auf Aus diesem Grund wird zum einen die Ansteuerung mit Hilfe eigener Software erm glicht zum anderen kann w hrend der Ausf hrung eines Scanvorganges wei ter mit dem Scanner kommuniziert werden Hierdurch lassen sich Konfigurationsparameter setzen und Statusinformationen wie die Messwerte der internen Temperatursensoren auslesen Kapitel 6 2 4 Aufgrund der vergleichsweise hohen Profilfrequenz von bis zu 33 Hz ist der Imager 5003 gut f r den Einsatz in der kinem tischen Objekterfassung geeignet Er kann sowohl in Nadir als auch in Zenitrich tung orientiert betrieben werden wodurch eine den jeweiligen Anforderungen entsprechende nadir oder zenitbezogene Erfassung von Umgebungsinformationen gew hrleistet werden kann Die Aufl sung in Pro filrichtung liegt zwar unterhalb der von Impulslaufzeitscannern ist jedoch im Hinblick auf die
74. mitgeteilt werden Nach Beendigung einer Messung sind die verbliebenen Daten aus dem Ringpuffer des Echtzeitrechners auszulesen um eine Datenbasis f r den gesamten Messzeitraum zu gew hrleisten 8 3 Datenerfassung auf der MAX5dip 8 3 1 Anforderungen an die Software Die Programme zur Datenerfassung mit Hilfe der MAX 5dip unterscheiden sich bedingt durch die ge stellten Echtzeitanforderungen in mehreren Punkten von den weiteren in diesem System eingesetzten Softwarel sungen W hrend das Programmpaket RAMSYS Control vornehmlich zur Interaktion mit dem Benutzer und zur Einbindung des Laserscanners in den Messprozess dient sind die echtzeitf higen Pro gramme ausschlie lich auf die m glichst schnelle und korrekte Erfassung externer Signalquellen ausge richtet Um diese Aufgabe erf llen zu k nnen werden hohe Anforderungen an das Betriebssystem sowie die Software hinsichtlich der Latenzzeit des Systems der Geschwindigkeit der Datenerfassung sowie der daraus resultierenden Minimierung der Systemlast gestellt Aufgrund der speziellen Struktur von Echtzeitbetriebssystemen werden die vorliegenden Erfassungs Steuerungs und Wartungsaufgaben in Form von Echtzeittasks umgesetzt Das auf der MAX5dip verwen dete Betriebssystem Sorcus OsX erm glicht die gleichzeitige Installation von bis zu 1024 unabh ngigen Tasks die als Interrupt Timer oder Non Interrupt Varianten zum Einsatz kommen Kapitel 5 3 3 Ausgehend von der in Abbildung da
75. nach dem Prozessor eingef gt Seine Aufgabe besteht darin f r eine klare Entkopplung von Prozessor und allgemeinen Betriebssystemaufgaben zu sorgen so dass im Kern aus schlie lich zwingend notwendige Funktionen enthalten sind Nach 2005 sind dies e Interprozesskommunikation Kapitel 5 2 9 e Synchronisation Kapitel 5 2 10 e Elementare Taskfunktionen Einrichtung Beendigung Aktivierung Blockierung Auf der Grundlage dieser Basisfunktionen lassen sich aller weiteren Funktionen aufbauen Der berwie sende Teil der Betriebssystemaufgaben wird hierbei von sogenannten User Mode Modulen bernom men Diese sind nicht in der Lage auf wichtige Teile der Hardware zuzugreifen so dass die Verwaltung der Betriebsmittel zu dem auch die Prozessorzeit geh rt allein dem Echtzeitbetriebssystem obliegt Ab bildung l Wesentliche Unterscheidungsmerkmale zwischen konventionellen Betriebssystemen und Echtzeitbe triebssystemen werden durch 1999 entsprechend Tabelle 5 1 definiert Kriterium Konventionell Echtzeit Steuerung Daten Zeit Ereignisse Datenstrukturen komplex einfach Datenmenge hoch minimal Optimiert auf I O und User Interface Einhaltung von Zeitbedingungen Hardwarebezug hardwareunabh ngig hardwarenah Tabelle 5 1 Unterscheidungskriterien zwischen konventionellen und Echtzeitsystemen Allgemeiner formuliert lassen sich echtzeitf hige und nicht echtzeitf hige Betriebssysteme anhand der Qualit t
76. nderung des Fahrzeuges sein muss Auch ein bergang zur Modellierung der stochastischen Eigenschaften mit Hilfe der bereits angesprochenen Formfilter Ans tze ist geeignet die Qualit t der Auswerteergebnisse weiter zu verbessern Als Entwicklungsperspektive f r die Positionsbestimmung sind innovative Ans tze wie das Precise Point Positioning PPP zu betrachten durch die unter Umst nden auf die Verwendung von Referenz stationsdaten des SAPOS Netzes verzichtet werden kann Unabh ngig von den verwendeten Verfahren zur Auswertung der GPS Beobachtungen kann eine Verbesserung der Zuverl ssigkeit dieses Mapping Systems auch durch die additive Nutzung des russischen Global Navigation Satellite Systems GLONASS her beigef hrt werden Auch wenn die grundlegende Abh ngigkeit des Systems von einem ausreichend guten Signalempfang und der geometrischen Satellitenkonfiguration hierdurch bestehen bleibt scheint eine sol che Erweiterung auch im Hinblick auf die nahende Einf hrung des europ ischen GALILEO Systems durchaus vielversprechend zu sein Abschlie end sei die M glichkeit einer beschleunigten Transformation der Profilmessungen in den drei dimensionalen Objektraum als weiterer Ansatzpunkt zuk nftiger Arbeiten zu nennen da die PC basierte Transformation den gr ten Anteil am gesamten Auswertevorgang besitzt Dieser wird zwar durch die Implementierung der Algorithmen in der interpretierten Sprache MATLAB vergleichsweise schnell durch gef
77. of Geoscience and Remote Sen sing Symposium IGARSS 01 10 07 2001 Sydney Aus tralien 2001 S 2073 2075 Manandhar und Shibasaki 2002 MANANDHAR D SHIBA SAKI R Auto Extraction of Urban Features From Vehicle Borne Laser Data In ISPRS Commission IV Symposium on Geospatial Theory Processing and Applications 08 12 07 2002 Ottawa Kanada CD ROM 2002 Martin und Vennegeerts 2008 MARTIN J VENNEGE ERTS Harald Validierung eines TLS basierten Mobile Mapping Systems In LUHMANN Thomas Hrsg Photo grammetrie Laserscanning Optische 3D Messtechnik Bei tr ge der Oldenburger 3D Tage 2008 Wichmann Verlag Heidelberg 2008 im Druck Menger 2005 MENGER Dirk Untersuchungen zur feld tauglichen berpr fung von Laserscannern Geod tisches Institut der Leibniz Universit t Hannover Diplomarbeit unver ffentlicht 2005 M hlenbrink 1984 ME OHLENBRINK Wolfgang Zur Ent wicklung eines me verfahrens f r die Bestimmung von Bauwerksverformungen aus Neigungs und Beschleuni gungsmessungen Institut f r Anwendungen der Geod sie im Bauwesen Universit t Stuttgart Deutsche Geod tische Kommission DGK Reihe C Nr 307 M nchen 1984 M ller 2007 M LLER Urs Kinematische Erfassung gros ser linienf rmiger Objekte mit Laserscanning In EI Der Eisenbahningenieur 3 2007 M rz Nr 58 S 19 22 M schwitzer und Lunze 1988 NME SCHWITZER Albrecht LUNZE Klaus Halbleiterelektronik
78. paa ea 41 3 4 Relatives DGPS HEEN 42 4 _ Terrestrische Laserscanner 44 ee a ee ee 44 4 2 Verfahren zur Distanzmessung 2 222 nn m nn 45 4 2 1 Phasenvergleichavertabren 45 4 2 2 mpulslaufzeitverfahren 2 222 aa a 46 4 3 Gesichtsield o lt s s sa s sparreana teada drai pasa sada nanea aa 46 4 4 Strahlablenkung sas eradicarea isre sisadek erada krer ee dan 47 4 5 _ Profilmessende Scanner 2 2 2 oo oo 48 A N Sr ee ee a ad omia aia ee en ei ee kada 48 4 5 2 Zoller Fr hlich Imager 5003 4 5 3 Zoller Fr hlich Imager SOU 50 4A Riel LMS Z390 a ssis s ee a ee a eat ee ee ee ee eh 51 400 Siek Pro lsca er s s ss aa 2a E a a a ee a a a 51 4 5 6 Zusammenfassung a0 u a e be A EEN NEEN E Se AA E 52 54 DEENEN 54 BCEE a a a a a aa aaa 55 9 2 1 Begriffliche Einordnung der Echtzeit 22 aoaaa a nn 55 5 2 2 Abgrenzung zu konventionellen Betriebssystemen 2 222 2 a nn nn 55 5 2 3 Rechtzeitigkeit o Nee 0 a EN e EE EEN EEN ENEE nn 57 5 24 leur seres a wa a u E EE Ee Bien EE E D earen 58 Di Ver Obere a eea ea EEGENEN 59 5 2 0 Determiniertheit naoa e a 59 5 2 7 Taskverwaltung 8 u e E E EE a 59 5 2 8 Taskumschaltung Scheduling 60 ee ee ee nenn 63 SCC EE E ER EEE 64 5 3 Ausgew hlte Systemel 22 Co Cm oo nee 64 9 8 1 Weitere Hersteller 64 53 2 Nalional Instruments x a 2 wa di za u Eu a has nah ai une 69 ee ee re ir en ee ie 69 8 3 4 Zwischenfazitl 2 2 2 2
79. r eine empirische Absch tzung der erreichbaren Genauigkeiten wurden umfangreiche Testfl ge mit einem Array aus 4 GPS Antennen die auf einem Kleinflugzeug befestigt waren durchgef hrt Hierbei konnte nachgewiesen werden dass Genauigkeiten der Azimutbestimmung von oA lt 0 1 bei Datenraten von 10 Hz problemlos m glich sind Wie oben erw hnt h ngt die Genauigkeit der in diesem Kapitel diskutierten Verfahren stark von der Verf gbarkeit und Geometrie der Satellitenkonstellation ab Der nahe liegende Ansatz neben GPS auch das zweite GNSS System GLONASS zur Erh hung der Redundanz und zur Verbesserung der geometri schen Konfiguration einzusetzen wird von 2000 verfolgt 3 7 GPS gest tzte Bestimmung von Gier Nick und Rollwinkel 41 Abweichend zu der Vorgehensweise von KRUCZYNSKI u a 1989 und COHEN 1992 erfolgt die Aus wertung der Phasenmessungen jeder Antenne in diesem Fall mit zwei getrennten Empf ngern Nachteilig wirkt sich hierbei jedoch aus dass Glonass im Gegensatz zu GPS das sogenannte Frequency Division Multiple Access FDMA Verfahren zur signaltechnischen Unterscheidung einzelner Satelliten einsetzt Hierdurch wird der Einsatz bekannter Verfahren wie der Bildung von Doppeldifferenzen zur Elimination von Empf ngeruhrfehlern deutlich erschwert so dass in diesem Fall lediglich Einfachdifferenzen der Tr gerphase verwendet werden Um diesen Nachteil auszugleichen wird unter anderem vorgeschlagen einen ex
80. sich insbesondere vorteilhaft bei der Por tierung auf unterschiedliche Zielplattformen aus da die Anpassung der Erfassungsprogramme an Hard ware und Echtzeitbetriebssystem der Entwicklungsumgebung berlassen wird Zudem stellte LabVIEW eine gro e Anzahl vordefinierter Funktionsbibliotheken zur Ansteuerung verschiedenster Schnittstellen zur Verf gung Charakteristisch f r die Programmierung mit LabVIEW sind die sogenannten virtuellen Instrumen te VI welche die eigentliche Programmfunktionalit t beinhalten und vergleichbar mit Prozeduren oder Funktionen in Hochsprachen sind LabVIEW Programme bestehen allgemein aus dem sogenannten Front Panel und anwenderspezifischen Blockdiagrammen Das Front Panel dient als grafische Benut zeroberfl che f r sp tere Anwendungen oder als Man Machine Interface MMI bei Aufgaben in der Ma schinensteuerung Der eigentliche Datenfluss wird mit Hilfe von Blockdiagrammen abgebildet in denen der ausf hrbare Programmcode zwar implizit enthalten ist vom Systementwickler jedoch nicht eingesehen werden kann 68 5 Echtzeitf hige Messsysteme Mit Hilfe einer solchen Diagrammsteuerung kann die Anwendungsentwicklung sehr abstrahiert und teilweise automatisiert ablaufen wodurch verschiedene Multitasking Anwendungen ohne tiefere Kenntnis von Echtzeitbetriebssystemen erstellt werden k nnen Die sogenannte Real Time Engine von LabVIEW RT ist f r die Ausf hrung der virtuellen Instru men
81. software zwar grunds tzlich m glich bedingt durch die fehlende Zug nglichkeit zu den verwendeten Al gorithmen und Korrekturmodellen jedoch praktisch nur schwer umsetzbar ist So weist exemplarisch nach dass einige Verfahren zur Approximation geometrischer Formen keine deterministi schen Ergebnisse liefern da sie zur Ausgleichung von Regelgeometrien aus Geschwindigkeitsgr nden nur eine Untermenge der Punktwolke verwenden deren Selektion auf Basis von Zufallszahlen geschieht Auch eine Kalibrierung der Komponente Auswerter ist durch die Abh ngigkeit von Einzelpersonen nur sehr verallgemeinert m glich und soll im Rahmen dieser Arbeit unbetrachtet bleiben e aw Datenerfassung Vgl Modul ObjektUmgebung Komponente Komponente Horiz Winkelmess Material Geometrie emm RR gz Abweichung der Abweichung der u EEN Herstellerseitige Nullpunktvwersatz Kippachse Kippachse Luftfeuchtigkeit Rauhigkeit spotabstand Abweichung der Abweichung der sep Elimination von Ma stabsfaktor Zlelachse Refraktion Reflektivit t Auftreffwinkel dreier Zyklische Phasen Abweichung der einen M abwelchung Indexabweichung Stehachse Temperatur Eindringtiefe Spotgr e Farb R umliche ur K rrelation T a Achsexzen Achsexzen nei trizit t trizit t Taumel Taumel Autokarrelation z abweichung abweichung Legende i Untersuchung Untersuchung nicht Autokorrelation Autokorrelation
82. speziell bei schnellen Richtungswechseln oder Kurven mit sehr kleinem Radius auf da die zur Gl ttung der Trajektorie notwendige Tr gheit des Filters hohe Drehraten des azimutalen Winkels verhin dert Ein Vergleich zwischen den Messungen eines Inertialmesssystems und Azimutwerten die aus dem durch das Rauch Tung Striebel Filter gegl tteten Zustandsvektor abgeleitet wurden ist in Kapitel 9 4 1 dargestellt 3 7 4 Relatives DGPS Wird die Positionsbestimmung einer bewegten Plattform mit zwei oder mehreren GPS Empf ngern vor genommen so kann auch die relative Position der einzelnen Empf nger untereinander zur Azimutbestim mung genutzt werden 12005 In diesem Fall kann von einem relativen DGPS Verfahren gesprochen werden da nicht die feste Referenzstation zur Bestimmung einer absoluten Roverposition verwendet wird sondern eine ebenfalls bewegte Antenne als Referenz dient Da hierbei nur die relativen Positionen zwischen beiden Antennen in Form von Koordinatendifferenzen im Rechts und Hochwert er mittelt werden vollzieht der Rover w hrend der Bewegung praktisch eine Kreisbewegung um die ebenfalls bewegte Referenzantenne Der Kreisradius r entspricht hierbei dem Abstand beider Antennen Hieraus ergeben sich die in Abbildung 3 12 gezeigten relativen Positionen des bewegten Rovers zur bewegten Referenz Zur Azimutbestimmung wird die bewegte Referenz nun in jeder Epoche als Ausgangspunkt f r die Azimutbestimmung zum bewegten Rover v
83. ufig innerst dtische Stra enr ume verschiedene bauliche Anlagen in ihrem Umfeld sowie spezielle Bauwerke und Landmarken im Au enbe reich Dar ber hinaus k nnen auch weitr umig ausgedehnte Objekte wie Industrieanlagen Schwerpunkt einer solchen Erfassungsaufgabe sein Als Nutzer dieser Daten und somit auch als Anwender des entwickelten Systems kommen sowohl f fentliche als auch privatwirtschaftliche Institutionen in Frage Dreidimensionale Bestandsdaten werden mittlerweile verst rkt von ffentlichen Verwaltungen kommunalen und privaten Planungstr gern sowie von Stra enmeistereien und Stra enbau mtern nachgefragt Auch im Bereich der Unfallstellendokumen tation ist die schnelle und ber hrungslose Erfassung von r umlich begrenzten Szenarien im Au enbe reich f r Polizei Gerichte und Sachverst ndige von gro er Bedeutung 2005 Dar ber hinaus sind Tourismusverb nde Anbieter von Daten f r Geoinformationssysteme GIS sowie Bautr ger und Projektentwicklungsgesellschaften potentielle Abnehmer der von einem solchen System erfassten Umge bungsinformationen Die bisher f r Mobile Mapping Aufgaben konzipierten Systeme besitzen eine Reihe sensorischer und auswertemethodischer Nachteile die einem wirtschaftlichen Einsatz und somit der verbreiteten Anwen dung entgegenstehen F r die Bestimmung der Fahrzeugtrajektorie kommt in fast allen Systemen eine Inertialmesseinheit zum Einsatz Dies hat zwar den Vortei
84. und insbesondere Teilre flexionen an Objekt und Hintergrund nachteilig auf die Genauigkeit der Streckenmessung aus Die durch Teilreflexionen entstehenden Fehlmessungen im Objektraum lassen sich durch verschiedene Verfahren im Nachgang einer Messung bereinigen 1998 beschreiben dieses Problem und schlagen einen sogenannten Mixed Pixel Filter zur Eliminierung dieser Fehlmessungen vor 4 2 2 Impulslaufzeitverfahren Das Impulslaufzeitverfahren wird auch als TOF Verfahren Time Of Flight bezeichnet und ist bei La serscannern das am h ufigsten anzutreffende Verfahren Hierbei wird ein sehr kurzer Laserimpuls mit einer L nge von ca 5 ns von der Sendediode ausgesandt vom Objekt reflektiert und von einem in der Regel koaxialen Empf nger registriert Abbildung 4 3 Sender _ Empf nger At Zeit messung Abbildung 4 3 Impulsmessverfahren Durch Messung der Zeitdifferenz At zwischen Aussendung und Empfang des Impulses ergibt sich die Raumstrecke Sr c At I Se 4 3 Bedingt durch die gro e Geschwindigkeit des Lichts werden hohe Anforderungen an die Zeitmessung gestellt F r eine Streckenmessgenauigkeit von 1 mm folgt durch Umstellung von 4 3 die Genauigkeit der Messung einer Zeitdifferenz aus u Gg ar 0 0066 ps 4 4 Die Genauigkeit der Streckenmessung in Formel 4 4 ist theoretisch unabh ngig von der zu messenden Strecke Hieraus wird klar dass die Gesamtgenauigkeit der 3D P
85. werden Abbildung zeigt die w hrend der Messdauer von 150 Sekunden zur ckgelegte Trajektorie sowie die Korrektionswerte der GPS Positionen aufgrund von Nick und Rollbewegungen des Anh ngers Die roten Vektoren kennzeichnen hierbei die horizontalen Abweichungen der GPS Antenne vom Ursprung des Anh nger Koordinatensystems in berh hter Darstellung Es zeigt sich dass die Differenz zwischen Antennen und Fahrzeugposition insbesondere in den Kurvenbereichen stark variiert und hierdurch zu fehlerhaft bestimmten Azimutwerten f hrt 130 110 20 50 151 95 ss 105 35 T f E a 110 a tf N Wo S i 5 kan deal DN aha Wall Il 115 25 so Vi Ve vil i n AEA Y Wu 20 II A p 125 E 0 54 j V 130 15 2 30 135 nicht kompensierte 140 10 A ystematische Effekte Let w hrend Kurvenfahrt 145 10 5 150 H a l 120 100 A0 20 D 20 al i i i f A Er CB 1 Rechts m 20 40 50 80 100 120 140 Zeit 2 Abbildung 9 29 Abgefahrene Trajektorie mit Anten nenposition Abbildung 9 30 Azimutdifferenzen IMU Filter Die Differenzen zwischen IMU und RTS gegl tteten Azimuten liegen bei der vorliegenden Messung in einer Bandbreite zwischen 0 5 gon und 1 gon mit Spitzenabweichungen in den Kurven von bis zu 1 5 gon Hierbei entsprechen sowohl das Auswerteverfahren als auch die Parameter des stochastischen Modells den Werten der vorangegangenen Auswertung auf dem Vorplatz des Hauptgeb udes der Uni versit t Hannov
86. wirken bleibt festzu stellen dass die im vorangegangenen Kapitel bestimmten Genauigkeiten aus kinematisch prozessierten Einzelpunktpositionen als realistisch anzusehen sind 142 9 Validierung des Systems Standardabweichung Bestimmungselement Azimut Basis 1 2 339 18 gon 0 23 gon Basis 1 3 339 89 gon 0 12 gon Differenz 0 67 gon 0 26 gon Sollwert 0 79 gon Tabelle 9 2 Azimute der Basen aus statischer Bestimmung 9 5 Genauigkeit des Systems im Objektraum 9 5 1 Diskretisierung von Vergleichsgr en Das Ziel einer kinematischen Umgebungserfassung mit Mobile Mapping Systemen ist allgemein die Be stimmung fest definierter Punkte im Objektraum Wie bereits diskutiert besteht die Schwierigkeit der Datenerfassung neben der messtechnischen Realisierung des Systems vor allem in der Diskretisierung repr sentativer Objektpunkte Laserscanner sind im Gegensatz zu photo und videogrammetrischen Stereobildsystemen in der La ge dreidimensionale Punktmessungen auch ber gr ere Entfernungen auf unstrukturierten Oberfl chen vornehmen zu k nnen ben tigen jedoch eine l ngere Messzeit f r die Erfassung fl chenhafter Objektin formationen Dieser Zeitraum tritt bei kinematischen Anwendungen in Form von Punktabst nden l ngs und quer zur Fahrtrichtung auf deren Gr enordnung mit Hilfe von Tabelle 6 9 auf Seite 83 abgesch tzt werden kann Ans Im Rahmen der Genauigkeitsuntersuchungen wurden sowohl Zielmarken des Herstellers al
87. zur Entfernungsmessung vorgenommen wobei sich in der ingenieurgeod tischen Praxis die Verfahren der Impulslaufzeit und Phasenvergleichs messung durchgesetzt haben Spezielle Scanner f r den Nahbereich bis 2 m Entfernung verwenden dar ber hinaus auch das Triangulationsprinzip zur Ermittlung der Objektentfernung Die Parameter der Messgeschwindigkeit der maximalen Objektentfernung und der Genauigkeit der Distanzmessung wer den wesentlich durch physikalische Eigenschaften des verwendeten Prinzips der Entfernungsmessung be stimmt Tabelle 4 1 So besitzen die nach dem Impulslaufzeitverfahren arbeitenden Scanner eine deutlich sr ere Reichweite die nach dem Phasenvergleichsverfahren messenden Scanner besitzen demgegen ber Messgeschwindigkeiten die um den Faktor 100 h her sind 2004 Messverfahren Phasenvergleich Impulslaufzeit Distanzmessung Reichweite lt 80 m lt 1500 m Genauigkeit lt 5mm gt D mm Hersteller Zoller Fr hlich Leica Trimble Faro Callidus Riegl Callidus Tabelle 4 1 Klassifizierung der Distanzmessverfahren Zur Beurteilung der Leistungsf higkeit von Laserscannern ist die Vergleichbarkeit der technischen Da ten unabdingbare Voraussetzung Nicht selten beziehen sich die angegebenen Werte jedoch auf unter schiedliche Definitionen einer Gr e So wird die Unsicherheit der Streckenmessung zum einen als Stan dardunsicherheit einer ausgeglichenen Ebene zum anderen als die aus mehreren Einz
88. 0 m A E Sr be D 20 u ae 8 ga e em 8 ee e T lt TT SI g 30 RS cl i m jjo e i 40 E e e a 0 2 m J S 50 p ad 1 pi E ai l L Sa 0 10 20 30 40 50 60 70 Rechts m Abbildung 9 43 Horizontale Abweichungsvektoren bedingt geeignet da sie zus tzlich GPS bedingte Translationen zwischen den beiden Aufnahmen enthal ten Aus diesem Grund wurden die Raumvektoren zwischen allen erfassten Punkten ermittelt und ihre betragsm igen nderungen zwischen der Aufnahme im Hin und R ckweg einander gegen bergestellt Abbildung 9 44 Alle Punkte sind in dieser Abbildung entsprechend ihrer Lage entlang der Trajektorie gruppiert so dass benachbarte Punkte einer Kategorie auch mit benachbarten Punktnummern versehen sind Die Punkte der Kategorie C sind in zwei Unterkategorien Kategorie C1 und C2 gruppiert da sie auf unterschiedlichen Ebenen am Objekt liegen KatC1 KatC2 i TEPEE F gt Ge e 0 15 M 10 20 0 1 m 30 E E CG 3 40 D 0 05 m 50 60 om Punktnummer Abbildung 9 44 Differenzen der Raumvektoren zwischen allen Punkten Hierbei sind die nderungen der Raumstrecken zwischen den in Spalte i und Zeile k aufgetragenen Punkten im jeweiligen Quadrat i k farblich kodiert Die auf der Diagonalen gelegenen Null Differenzen zwischen einem Punkt und sich selbst besitzen dementsprechend keine Differenz nderungen Lokale Ver zerrungen innerhalb der Punktwolke k nnen durch rote Quadrate in der N he der Hauptd
89. 006 Hesse und Kutterer 2006 Hesse Christian KUTTE RER Hansj rg Automated Shape Recognition of La ser Scanned Deformable Objects In SAnsO Fernando Hrsg GIL Antonio J Hrsg Geodetic Deformation Monitoring From Geophysical to Engineering Roles 17 19 03 2005 Jaen Spanien Bd 131 Springer Verlag Hei delberg 2006 S 103 111 Hesse und Kutterer 2007 Hesse Christian KUTTERER Hansj rg A Mobile Mapping System Using Kinematic Terrestrial Laser Scanning KTLS for Image Acquisition In GRUEN Armin Hrsg KAHMEN Heribert Hrsg Proceedings of 8th Conference on Optical 3D Measurement Techniques 09 12 07 2005 Z rich Schweiz CD ROM 2007 S II103 II112 Hesse und Neumann 2007 Hesse Christian NEUMANN Ingo Automatische Objekterfassung und modellierung durch kinematisches Laserscanning In LUHMANN Tho mas Hrsg Photogrammetrie Laserscanning Optische 3D Messtechnik Beitr ge der Oldenburger 3D Tage 2007 Wichmann Verlag Heidelberg 2007 S 278 288 Hoch u a 1995 Hoch C CAsPARY W HEISTER H KLEMM J STERNBERG H Architecture and De sign of the Kinematic Survey System Kiss In LINKWITZ Hrsg HANGLEITER Hrsg High Precision Navigation 95 D mmler Verlag Bonn 1995 S 569 576 Hofmann Wellenhof u a 2001 HOFMANN WELLENHOF B LICHTENEGGER H COLLINS J Global Positioning System Theory and Practice 5 Auflage Springer Verlag Wien 2001 Hof
90. 1000001 Bin rformat Runepegei 01110T0 0J010 1loToT 1 Runspeger gesendeter Bitstream 10000010 Abbildung 6 28 Bitweise bertragung von Nutzdaten auf RS 232 Schnittstelle In der Mehrzahl der Anwendungsf lle erfolgt die Daten bertragung ber die RS 232 Schnittstellen in asynchroner Form Hierbei k nnen Daten vom Sender zum Empf nger geschickt werden ohne dass die Schnittstelle vor Ar nach der Kommunikation f r die Gegenseite blockiert ist Abbildung 6 zeigt den typischen Ablauf einer bertragung von Nutzdaten nn eine serielle RS 232 Schnittstelle Vor Beginn der ber tragung wird ein sogenanntes Startbit in Form einer logischen 0 gesen det gefolgt von f nf bis acht Datenbits die mit dem niederwertigsten Bit Least Significant Bit LSB beginnen und mit dem h chstwertigen Bit Most Significant Bit MSB enden Zur Aufdeckung von bertragungs fehlern folgt optional ein sogenanntes Parit tsbit Zum Abschluss einer bertragung folgt mindestens ein obligatorisches Stoppbit Sorcus bietet insgesamt drei Module zur seriellen Datenkommunikati u Abbildung 6 29 X COM4 on an die sich durch die Anzahl der verf gbaren Schnittstellen sowie den Sorcus GMBH 2006 unterst tzten Standard unterscheiden Die Erfassung der Temperatur und Zeitdaten erfolgt bei diesem Prototypen mit Hilfe des X COMA Moduls Abbildung 6 29 das vier asynchrone RS 232 Schnittstellen zur Datenkommunikation bereitstellt von denen z
91. 2 Die sogenannten Fixed Point Smoother werden verwendet um genau einen Sch tzwert in der Vergangenheit f r den Systemzustand innerhalb des vorliegenden Intervalls zu bestimmen 3 Fixed Lag Smoother f hren eine Gl ttung von Messwerten in einem festen Intervall durch wel ches dem aktuellen Zustand direkt nachfolgt Diese Operatoren besitzen durch die Art der Gl ttung einen konstanten Versatz zum momentanen Messwert was jedoch zu erh hten Genauigkeiten f r den gegl tteten Zustandsvektor f hrt 3 5 2 Vorw rts R ckw rts Kalman Filter Die Gl ttung einer Messwertreihe durch den sequentiellen Einsatz eines Kalman Filters im Hin und R ckweg der sogenannten Vorw rts R ckw rts Filterung stellt die konkrete Realisierung eines Fixed Point Smoother Ansatzes dar Hierbei wird zun chst die aus Kapitel 3 4 1 bekannte Filterung der Daten im zu gl ttenden Intervall to ti vorgenommen aus der sich der ausgeglichene Zustandsvektor und seine VKM 2 5 ergeben Im Gegensatz zur Filterung im Hinweg werden und Zog als Startwerte f r die Filterung im R ckweg verwendet Hierdurch kann die Information ber das Systemverhalten genutzt werden die bereits im Hinweg ermittelt wurde Nachdem beide Filterrichtungen durchlaufen wurden sind die Zustandsvektoren und ihre Varianzen auf geeignete Weise zu kombinieren Hierbei werden die vorw rts yp und r ckw rts gefilterten Werte Yr zu einem gegl tteten Systemzustand Yyr
92. 2 Qualit t der Sensordaten 129 9 2 2 Referenzierung der Scanprofile Wie bereits ausf hrlich dargelegt ist die Gleichabst ndigkeit von PPS Pulsen und Profilzeitpunkten sowie die Anzahl der vorhandenen Ausrei er in diesen Daten von entscheidender Bedeutung f r die Qualit t der Messergebnisse Aus diesem Grund ist das vorliegende Datenmaterial auf Konsistenz sowie quidistanz der Signalzeitpunkte zu untersuchen Da der Erfassungszeitpunkt eines Signals die eigentliche Messin formation darstellt machen sich Datenl cken und Ausrei er ausschlie lich in Form von nderungen des zeitlichen Abstandes zwischen zwei Signalen bemerkbar Abbildung zeigt den vom Echtzeitrechner erfassten zeitlichen Abstand der Signalintervalle des PPS Pulses Als zugrundeliegendes Zeitnormal dient hierbei die Uhr des Echtzeitrechners so dass sich die bereits in Kapitel angesprochene Drift als Vertikalversatz der Kurve bemerkbar macht In dieser Abbildung ist zu erkennen dass ber einen Messzeitraum von 210 Sekunden weder Ausrei er noch Datenl cken f r den PPS Puls auftreten und sich die durch Systemlast bedingte Variation der Erfassungszeitpunkte in einer Bandbreite von 50 us bewegt 0 15 100 PPS Puls i l a Eriessungzeipunkde der Seege Signalwerz geru ng 90 Dik ks 4 N 80 0 05 2 moi z z Hr 1 k enk E IM Alle Trs Nr M TU a IH MORE N d Bu W OU Wl i bd i t vum M IN A 40 Su 30 ai 50 100 150 200 250 300 0 5
93. 5 2003 Santorini Griechenland 2003 S 455 462 Kuhlmann 1996 KUHLMANN Heiner Ein Beitrag zur berwachung von Br ckenbauwerken mit kontinuierlich registrierten Messungen Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Vermessungswesen der Universit t Hanno ver Nr 218 Dissertation 1996 Lauber und G hner 1999 LAUBER Rudolf G HNER Pe ter Automatisierungssysteme und strukturen Computer und Bussysteme f r die Anlagen und Produktautomati sierung Echtzeitprogrammierung und Echtzeitbetriebssys teme Zuverl ssigkeits und Sicherheitstechnik 3 Auflage Springer Verlag Berlin 1999 ISBN 3 540 65318 X Leick 2004 LEICK Alfred GPS satellite surveying 3 Auflage John Wiley amp Sons New York USA 2004 ISBN 0 471 05930 7 Lemmens 2004 LEMMENS M Product Survey 3D La sermapping In GIM International Global Magazine for Geomatics 2004 Dezember S 44 47 LGN 2007 LGN Landesvermessung und Geobasisinfor mation Niedersachsen LGN Digitale Ortophotos aus dem Amtlichen Topographisch Kartographischen Informa tionssystem ATKIS Verwendung mit freundlicher Ge nehmigung der LGN Hannover Juni 2007 Lichti u a 2001 L cat D D STEWART M P TsA KIRI M SNOW A J Benchmark Testing on a Three Dimensional Laser Scanning System In Geomatics rese arch Australasia 72 2001 S 1 23 Liebsch 2007 LIEBSCH Gunter Geoidgradientenmodell des GCGO0OS5 f r Niedersachsen
94. 5 Echtzeitf hige Messsysteme preemptiven Multitasking erfolgen Zuteilung und Entzug von Rechenzeit durch eine Betriebssystemkom ponente auf niedriger Ebene Abbildung 5 3 so dass theoretisch eine durchgehende Reaktionsf higkeit des Systems gesichert ist Aus diesem Grund kommt in Echtzeitsystemen berwiegend das preemptive Multitasking zum Einsatz 1099 2005 Zur Ausf hrung ihrer Aufgaben sind Tasks in der Lage verschiedene Betriebszust nde anzunehmen Jede Task befindet sich nach ihrer Anmeldung beim Betriebssystem zun chst in ruhendem Zustand Durch periodische Aktivierung oder Ausl sung eines Ereignisses wird die Task ablaufwillig und fordert beim Betriebssystem die Kontrolle ber den Prozessor an Wird ihr diese Kontrolle in Form von Re chenzeit zugeteilt erfolgt die Abarbeitung der entsprechenden Programmfunktionalit t Abbildung 5 6 Sollte zu diesem Zeitpunkt bereits eine Task die Kontrolle ber den Prozessor besitzen so wird je nach Priorisierungsverfahren eine der beiden Tasks vor bergehend in den Zustand Blockiert versetzt Die verschiedenen Zeitschranken und ihre Definitionen die zum n heren Verst ndnis der Taskverwaltung notwendig sind werden in Tabelle 5 2 zusammengefasst Ji i l i l ka ka wl Blockiert a p am Laufend En e L Di Ablaufwillig E er gt Rm A a p ke e Kr Ruhend EEE EEE Geen at E N D Tni KN ol Abbildung 5 6 Zeitparamet
95. 50 60 70 Histogrammklasse m Punktnummer Abbildung 9 41 Koordinatendifferenzen der H hen Abbildung 9 42 Dreidimensionale Koordinatendiffe komponente renzen Dar ber hinaus zeigt der Blick auf die in Abbildung 9 42 wiedergegebenen dreidimensionalen Abwei chungen der Koordinaten dass Gesamtabweichungen von 0 1 m f r Punkte im Entfernungsbereich von mehr als 20 m sowie Differenzen von 0 05 m f r Punkte im Nahbereich von bis zu 10 m realisierbar sind Bei genauerer Betrachtung der Residuen von Punkten der Kategorie B f llt auf dass vergleichbar mit den systematischen Effekten des Azimutes auch in der H henkomponente eine deutliche Periodizit t zu erkennen ist die durch eine periodische Rollbewegung des Wagen hervorgerufen werden kann Zur n heren Betrachtung der Abweichungsvektoren zwischen den beiden Aufnahmen sind die Koor dinatendifferenzen in der Ebene in Abbildung zu sehen Die gleichm ig orientierten Vektoren die insbesondere bei Punkten der Kategorie B ins Auge fallen lassen auf nicht kompensierte Effekte schlie en die translatorisch oder winkelbasiert wirken Um eine Aussage ber r umlich begrenzte Verzerrungen innerhalb der Punktwolke treffen zu k n nen sind die bisher ermittelten Koordinatendifferenzen f r eine Bewertung der inneren Genauigkeit nur 146 9 Validierung des Systems 10 T T T T T T T T K Punkte im Hinweg A emeng Abweichungsvektoren 30 fach berh ht 1
96. 6 5 auf Seite 76 dargestellten Konfi guration in Fahrtrichtung hintereinander angeordnet so dass die von ihnen erfassten Trajektorien weit gehend deckungsgleich sein sollten Eine solche berdeckung ist auch bis zur Sprungstelle erkennbar jedoch f hrt die angesprochene Konfigurations nderung im weiteren Verlauf der Messung zu systemati schen Abweichungen in Form eines Lateralversatzes zwischen beiden Empf ngerpositionen Der in der Ebene erkennbare Versatz spiegelt sich mit gr erer Amplitude auch in der ellipsoidischen H he beider Empf nger wieder die exemplarisch f r den ersten Empf nger GPS 1 in Abbildung 9 13 dargestellt ist Die Beobachtung des H henversatzes kann beim Einsatz des Systems auf ebener Stre cke dazu verwendet werden fehlerhafte Positionsbestimmungen eines oder mehrerer GPS Empf nger zu detektieren Bei der in diesem Fall verwendeten Konfiguration mit zwei unabh ngigen Empf ngern sind dar ber hinaus der Raumvektor sowie seine horizontale Projektion dazu geeignet systematische Ab weichungen durch fehlerhafte Positionsl sungen aufzudecken Der horizontale Abstand zwischen beiden Antennen ist zusammen mit der aus Kalibrierungsmessungen Kapitel ermittelten Sollentfernung in Abbildung zu sehen Auch hier sind deutliche Abweichungen zur Solldistanz von 605 5 mm am Ende der Irajektorie sowie der vorangehende Versatz klar zu erkennen 95r d 0 95 Vorw rts Filter R ckw rts Filter 0 9 94
97. 70 90 B ttner und Staiger 2007 B TTNER Erik STAIGER Ru dolf Erste Untersuchungen des Laserscanners Imager 5006 von Zoller Fr hlich In LUHMANN Thomas Hrsg Pho togrammetrie Laserscanning Optische 3D Messtechnik Beitr ge der Oldenburger 3D Tage 2007 Herbert Wich mann Verlag Heidelberg 2007 S 260 269 Cheok u a 2002 CHEOK Geraldine S LEIGH S RUK HIN A Calibration Experiments of a Laser Scanner National Institute of Standards and Technology NISTIR 6922 Gaithersburg USA September 2002 Clark und Robson 2004 CLARK J ROBSON S Ac curacy of Measurements Made With a Cyrax 2500 Laser Scanner Against Surfaces of Known Colour In Survey Review 37 2004 Nr 294 S 626 638 Cohen 1992 CoHEn Clark E Attitude Determination using GPS Development of an All Solid State Guidance Navigation and Control Sensor for Air and Space Vehic les Based on the Global Positioning System Department of Aeronautics and Astronautics Stanford University Dis sertation 1992 Deumlich und Staiger 2002 DEUMLICH Fritz STAIGER Rudolf Instrumentenkunde der Vermessungstechnik 9 Auflage Wichmann Verlag Heidelberg 2002 ISBN 3 87907 305 8 Dijkstra 1965 DIJKSTRA E W Solution of a problem in concurrent programming control In Comm ACM Bd 8 New York USA ACM Press 1965 S 569 ISSN 0001 0782 DIN 1999 DIN DIN 66020 Funktionelle Anforderungen an die Schnittstellen zwischen
98. Abweichungen sowie eine Reihe nicht voll st ndig kompensierter Einflussgr en quantifiziert werden konnten Diese lassen sich entweder rechnerisch oder durch die Wahl von entsprechenden Rahmenbedingungen Einlaufzeiten soweit kompensieren dass signifikante systematische Auswirkungen auf die Messgenauigkeit im Rahmen der geforderten Grenzen nicht zu erwarten sind 113 8 Messung und Auswertung der Daten 8 1 bersicht ber den Mess und Auswertevorgang Der Weg zur Erstellung der dreidimensionalen Punktwolke eines zu erfassenden Objektes kann unabh n gig von der Art des Messverfahrens in die Schritte Datenerfassung und Auswertung gegliedert werden Ausgehend von der sehr heterogenen Sensorkonfiguration die zur Umsetzung der gestellten Aufgabe not wendig ist erscheint es ratsam den Bereich der Datenerfassung zus tzlich in die Steuerung des gesamten Messsystems sowie die Datenerfassung auf der Echtzeitplattform zu untergliedern Eine solche Unterteilung ist im Bereich der Mobile Mapping Systeme nicht un blich und richtet sich an der meist dezentralen Hardwarestruktur eines solchen Messsystems aus die durch die Verwendung verschiedenartiger Betriebssystem und Rechnerarchitekturen bedingt ist Diese Struktur spiegelt sich auch in den drei Softwarel sungen des entwickelten Systems wider welche an die Anforderungen der jeweiligen Plattform angepasst sind 1 Steuerung des Systems sowie der Peripherie RAMSYS Control 2 Erfassu
99. Antennenposition auf den Koordinatenursprung des Scannersystems sondern insbe sondere f r die sp tere Ausrichtung der Scanprofile im Raum werden die Orientierungsparameter des Fahrzeuges sowie die Orientierung des Scannersystems zum Fahrzeug ben tigt An diesem Punkt wirkt sich das Fehlen einer Inertialmesseinheit direkt aus da die unbekannten r um lichen Orientierungsparameter in Gleichung nunmehr auf anderem Wege zu bestimmen sind Sie k nnen zum einen durch eine Erweiterung des Messsystems um zus tzliche GPS sowie GLONASS Empf nger und zum anderen auf algorithmischem Wege durch Ableitung aus dem Zustandsvektor einer Kalman Filterung bestimmt werden Durch den Kalman Filter Ansatz k nnen jedoch nur zwei der drei unbekannten Raumwinkel ermittelt werden so dass zur Bestimmung des Drehwinkels um die L ngsachse ein zus tzlicher Neigungssensor ben tigt wird Auch f r die L sung der dritten Problemstellung sind hardwarebasierte und methodische Ans tze denk bar Die gegenseitige Referenzierung von GPS gest tzter Positionsinformation und gescannten Objekt punkten die als Synchronisierung bezeichnet werden kann hat zum Ziel den Zeitversatz zwischen 73 und T Atr s aps Ti Ta 1 3 zu bestimmen 2008 schlagen hierzu vor mehrere Zielmarken am Anfang einer Trajektorie auszulegen und ihre Position durch GPS Messungen zu bestimmen Diese werden zudem vor Beginn der Messung dreidimensional durch den Laserscanner erfasst
100. DEUTSCHE GEOD TISCHE KOMMISSION bei der Bayerischen Akademie der Wissenschaften Reihe C Dissertationen Heft Nr 608 Christian Hesse Hochaufl sende kinematische Objekterfassung mit terrestrischen Laserscannern M nchen 2007 Verlag der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in Kommission beim Verlag C H Beck ISSN 0065 5325 ISBN 3 7696 5047 6 Diese Arbeit ist gleichzeitig ver ffentlicht in Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Geod sie und Geoinformatik der Leibniz Universit t Hannover ISSN 0174 1454 Nr 268 Hannover 2008 DEUTSCHE GEOD TISCHE KOMMISSION bei der Bayerischen Akademie der Wissenschaften Reihe C Dissertationen Heft Nr 608 Hochaufl sende kinematische Objekterfassung mit terrestrischen Laserscannern Von der Fakult t f r Bauingenieurwesen und Geod sie der Gottfried Wilhelm Leibniz Leibniz Universit t Hannover zur Erlangung des Grades Doktor Ingenieur Dr Ing genehmigte Dissertation von Dipl Ing Christian Hesse M nchen 2007 Verlag der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in Kommission bei der C H Beck schen Verlagsbuchhandlung M nchen ISSN 0065 5325 ISBN 3 7696 5047 6 Diese Arbeit ist gleichzeitig ver ffentlicht in Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Geod sie und Geoinformatik der Leibniz Universit t Hannover ISSN 0174 1454 Nr 268 Hannover 2008 Adresse der Deutschen Geod tischen Kommission Deutsche Geod tische Kommission Alfons Goppel Stra
101. Effizienzbetrachtung auch der Ausblick auf notwendige Modifikationen hinsichtlich eines Einsatzes des entwickelten Messsystems im Echtzeitumfeld zu finden 14 2 Mobile Mapping Systeme 2 Mobile Mapping Systeme 2 1 Charakteristik und Klassifizierung von Mobile Mapping Systemen Mobile Systeme zur zwei oder dreidimensionalen Umgebungserfassung werden allgemein unter dem Be griff Mobile Mapping Systeme MMS zusammengefasst Sie sind dadurch gekennzeichnet dass ver schiedene Sensoren auf einer gemeinsamen mobilen Plattform in der Regel einem Kraftfahrzeug ber oder entlang eines Objektes bewegt werden Die Auswertung der Daten geschieht im Unterschied zu deren Erfassung in der Regel im Postprocessing Der Grund liegt zu einen im Volumen der erfassten Datenmenge und zum anderen in der Auswerteme thodik begr ndet So lassen sich bei einer Auswertung von Beobachtungen globaler satellitengest tzter Navigationssysteme die auch als GNSS Global Navigation Satellite Systems bezeichnet werden im Postprocessing deutlich h here Genauigkeiten erzielen als im Echtzeitbetrieb Aufgrund der Vielzahl an Anwendungsm glichkeiten ist eine vollst ndige Darstellung des Mess und Auswerteganges nicht m g lich Nach 2005 lassen sich jedoch folgende grundlegende Prozessierungsschritte f r ein Mobile Mapping System anf hren e Datenerfassung durch Sensoren Messmodule e Kinematische Modellierun
102. Einsatz eines echtzeitf higen Messrechners er ffnen soll die Synchronisierung der Sensordaten nach der in Abbildung 6 1 gezeigten Option B durchgef hrt wer den Hierzu werden der PPS Puls eines GPS Empf ngers die Messwerte der Laserscanners sowie die Neigungsmessungen eines Inklinometers in der Zeitskala des Echtzeitrechners erfasst l P a 7 e S i u e ee a a D a H D a P s D af e a e e i 1 P 0 L Ti Att Echtzeitrechner 5 Abbildung 6 2 Drift der Uhr des Echtzeitrechners Echtzeitrechner sind zwar in der Lage hochfrequente Datensignale mit geringen Latenzzeiten und hoher zeitlicher Genauigkeit zu referenzieren jedoch wird auch die Zeitskala dieser Systeme von Driften beeinflusst die zu systematischen Abweichungen d re f hren Abbildung 6 2 Der vom GPS Empf nger zur Verf gung gestellte PPS Puls kann somit neben der Referenzierung der Raumpositionen zus tzlich zur Stabilisierung der Systemuhr des Echtzeitrechners verwendet werden Im Vorgriff auf die Kalibrierung der Echtzeituhr sei an dieser Stelle bemerkt dass eine Nichtber cksichtigung dieser Driften zu signifikanten systematischen Abweichungen f hren kann Aus diesem Grund sollte die kontinuierliche Erfassung des PPS Pulses mit h chster Priorit t erfolgen Die Ermittlung der notwendigen Synchronisiergenauigkeit aller Sensoren bildet die Grundlage f r die Auswahl der gesamten Messhardware und richtet sich na
103. IG Working Week 23 27 05 2004 Athen Griechenland CD ROM 2004 Schwarz u a 1993 SCHWARZ K P MARTELL HE EL SHEIMY N Li Ron CHAPMAN M A COSANDIER D VISAT A mobile highway survey system of high accu racy In Proceedings of the IEEE vehicle navigation and information systems conference 12 15 10 1993 Ottawa Kanada 1993 S 476 481 Schwarz 2001 SCHWARZ Willfried Geod tische Laborka librierung Stand der Technik In HEISTER Hans Hrsg Qualit tsmanagement in der Geod tischen Messtechnik Beitr ge zum 54 DVW Seminar 19 20 11 2001 Fulda Wittwer Verlag Stuttgart 2001 Schriftenreihe des DVW Nr 42 S 70 90 Schwebel 2002 SCHWEBEL Robert Echtzeit unter Linux mit RTAI In Elektronik 7 2002 S 72 77 Seeber 2003 SEEBER G nter Satellite Geodesy 2nd Edition Walter de Gruyter Verlag Berlin New York 2003 Sick GmbH 2007 SICK GMBH Produktdarstellung profilmessender Laserscanner Baureihen Sick LMS und Sick LD Internetdarstellung Zugriff am 03 04 2007 http www sick com 2007 Sorcus GmbH 2006 Sorcus GMBH Produktpr sentatio nen der Sorcus Messhardware Internetdokument Zugriff am 10 10 2006 http www sorcus com 2006 SpaceTec 2007 SPACETEC Profilmessende Lasers cansysteme TS2 und T93 Internetpr sentation http www spacetec de produkte html Zugriff am 20 03 2007 Freiburg 2007 Staiger 2001 STAIGER Rudolf Motivation und Strategie zur Pr fung Geod
104. IOLIG POXLA ATYdUIs91I ef dI d L 9ILVA I jqu ss y eosed FEO I Pe SMOPUIM xnu GEI SOLYA ZIIUIUWONY SNILOG XSO ALIOLIG POXLA ANduIs91I ef BALF SES O ISNV xnu YIIOMOA 3808 ZYeSINV mnogu do IVL4H urqo punog ATIHOU POXLA ATYdUIO9LI el dNNS dI dOL NIMX LVA ZI EPY eref Seet O ISNV SMOPUIM RIU OUVdS SdIN odIo ogq GEI 0x089 Zzyesjny GG ee A SYIOMXA urgoy punoy ALIOLIG POXLA ANduUIs91I el AINNS dl dOL NIM XNO NIM X 09960SI LVA x un IOTJUOSSY SES N D OR XNO KEE SOLU ZIWWOY 9IEMJYJOS XNO XNO surnpoysg StyBJ NOU MIOMZIYON UI D iO1gAgIOIGCT oyoLgaIdg W9IS SISON woISs s aIZ dAL ZU9ZIT 19 94810H wo4sAg Tabelle B 1 Uebersicht ber Echtzeitbetriebssysteme 171 Dank All denjenigen die mich in vielf ltiger Weise bei der Erstellung dieser Arbeit unterst tzt haben m chte ich an dieser Stelle meinen aufrichtigen Dank aussprechen Dies gilt insbesondere f r Herr Prof Dr Ing habil Hansj rg Kutterer f r die bernahme des Referates die hervorragende Betreuung und seine uneingeschr nkte Bereitschaft in neue Forschungsgebiete vorzu sto en Sein unersch pflicher Vorrat an Ideen und Anregungen sowie sein gro es pers nliches Engagement f r wissenschaftliche Fragestellungen haben mich nachhaltig beeindruckt und einen entscheidenden Teil zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen Dar ber hinaus m chte ich H
105. Identifizierbarkeit von Zielmarken oder anderen markanten Objektpunkten negativ aus Vielmehr f hrten die radiometrischen Bedingungen vor Ort zu Abtastl cken durch fehlende Signalreflexion L cke 7 2023 20245 2025 4 Luc 2033 2024 2025 Abbildung 9 38 Diskretisierungsproblem f r entfernte Objekte So bestanden durchaus Unterschiede in der Nutzbarkeit einzelner Zielmarken zwischen der Aufnahme im Hinweg und derjenigen im R ckweg Abbildung 9 38 verdeutlicht diese Problematik am Beispiel der Fensterkreuze die zur Definition von Punkten der Kategorie C verwendet wurden In diesem Fall fehlen einzelne Fensterstreben aufgrund ihrer geringen Breite und dem Profilabstand von 3 5 cm oder zu geringen Reflexionseigenschaften Die Differenzen zwischen den im Hin und R ckweg gemessenen horizontalen Objektpunktkoordinaten sind in den Abbildungen und zu sehen Aus dieser Darstellung geht hervor dass die Abwei chungen zwischen den erfassten Punktwolken an den Kontrollpunkten weniger als 0 1 m betragen f r die Punkte der Kategorien A und B sogar berwiegend unterhalb von 0 05 m liegen Die ebenfalls aus diesen 9 5 Genauigkeit des Systems im Objektraum 0 1 A Kategorie B Differenz m e Gi CH gr CH CO Rechts gep RECS in 0 10 20 30 40 50 60 70 Punktnummer Kategorie B 0 05 Differenz m oO BEER Hoch Hu n 10 20 30 40 50 ep 70 Punktnumm
106. Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 9 ee ee 9 1 2 Problemstellung lt s as a0 u ud ua u mn en ee ee De en 11 14 EEN 14 TETEE u EE E EEE EE EEEE TE 16 2 2 1 MoSES Universit t der Bundeswehr Munchen 16 222 Wiss Irolley ETH Z rich gt A sse u amp a u a a raned der dU aae ea re 16 ee ee 17 ee 18 Ge DEE DEENEN EEN 19 3 Bestimmung von Position und Orientierung 20 DEES 20 3 1 1 Earth Centered Earth Fixed System 2 2 22 2 on non nn 20 EE EE e E NEE 21 ee a 21 ee EE 21 SEENEN 22 3 2 1 Grundlegende Vorgehensweise 2 2222 a a a a a nn nn 22 ee aeg 24 DEENEN 24 3 2 4 Auswirkung des Versatzes zwischen Antenne und Fahrzeugnullpunkt 25 EENHEETEN 27 aee eaa aer erae aaraa y ER 28 SEENEN 29 3 4 1 Kalman Filten 2 40 a 0 00 0 a 00 0 ne a 29 TREERE EEEE EERTE EERE TE 33 ME E E E E E 34 EERE EREE TE RERNE TEREE EEE 35 3 5 1 Klassifizierung der Algorithmen o aa 2 CC a a nen 35 3 9 2 Vorw rts R ckw rts Kalman Filter 2 2 a a 35 a a a a a a a aa 36 3 6 Positionsbestimmung mit GPS 22 2 CE nn m nn 36 3 6 1 Anforderungen an die Positionsbestimmung a a a a a e a a 36 3 6 2 _ DGPS undSAPOSI 22 2m nn ren 37 ee CECR 38 3 6 4 Interpolation von GPS Beobachtungen 22 2 CK on m mn 39 3 7 GPS gest tzte Bestimmung von Gier Nick und Rollwinkel 40 3 7 1 Vor und Nachteile der Nutzung von Gm 40 ee 40 3 3 Das Kalman Filter gt e ss e esesta deai ai Sa rud a nada
107. Installation eines Programms unter einer Echtzeittask beliebigen Typs mehrstufig und unterscheidet sich grundlegend vom Installationsvorgang konventioneller Betriebssysteme F r den Betrieb eines Echtzeitprogramms unter einer Task m ssen zun chst zwei Abschnitte im Haupt speicher des UPU Moduls der Daten und der Parameterbereich eingerichtet werden Der Datenbereich einer Task wird ebenso wie der Parameterbereich in Hauptspeicher des CDU Module angelegt und dient zur Speicherung beliebiger Daten wie zum Beispiel Messwerten W hrend der Datenbereich gegen ber Zugriffen durch Echtzeitprogramme gekapselt ist und ein Zugriff nur ber Bibliotheksfunktionen MDD m glich ist kann der Parameterbereich einer Task auch durch direkte Adressierung angesprochen werden Dies kann sowohl durch das unter einer Task installierte Echtzeitprogramm als auch von anderen auf dem System laufenden Tasks geschehen was der in Kapitel beschriebenen Kommunikationsform ber gemeinsamen Speicher entspricht Der Parameterbereich dient zur Speicherung von Konfigurationsvaria blen des Programms wie etwa der Abtastrate oder den Kennziffern der abzufragenden Schnittstellen TOT Parameter Daten TDT Parameter Daten Ai bereich A1 bereich A1 A2 bereich A2 bereich A2 Abbildung 8 3 Bestandteile eines Programms unter OsX Neben dem Daten und dem Parameterbereich werden f r den in Abbildung 8 3 dargestellten In
108. M BIL System In Proceedings of XXth ISPRS Congress 12 23 07 2004 Istanbul T rkei CD Rom 2004 International Archives of Photogramme try Remote Sensing and Spatial Information Sciences Alam s u a 2005 ALAMUS R BARON A CASACU BERTA J PLA M S NCHEZ S SERRA A TALAYA J GEOM BIL ICC land based mobile mapping sys tem for cartographic data capture In Proceedings of the XXII International Cartographic Conference of the ICA 09 16 07 2005 La Coru a Spanien CD Rom 2005 Althen 2006 ALTHEN AccuStar Einachsiale Elektroni sche Inklinometer Produktinformation Althen Messtech nik Selbstverlag Kelkheim November 2006 ANSI 1997 ANSI ANSI EIA TIA 232 F 1997 Inter face between Data Terminal Equipment and Data Circuit Terminating Equipment Employing Serial Binary Data In terchange American National Standards Institute Norm Oktober 1997 Bailey 2002 BAILEY A The place of laser systems within the surveying mix for railway network survey In Civil Engineering Surveyor 2002 Oktober Bechmann u a 1962 BECHMANN R BALLATO A D LUKASZEK T J Frequency Temperature Characteristics of Quartz Resonators Derived from the Temperature Be havior of the Elastic Constants In Proceedings of 16th Annunal Symposium on Frequency Control The Institute of Radio Engineers 1962 S 77 109 Beyon 2001 BEYON Jeffrey Y LabVIEW Programming Data Acqusition and Analysis Prentice
109. MU sondern zus tzlich auch ber differentielle Pha senauswertungen der L1 Frequenz beider Antennen durchzuf hren Hierdurch k nnen langfristige Drift effekte der Kreisel kompensiert werden 2004AB Da der GeoVAN urspr nglich als photogrammetrisches Erfassungssystem konzipiert war besitzt er f r die Objekterfassung zwei digitale monochrome Kameras mit einer Aufl sung von 1 Megapixel In der ab 2003 vorgestellten Ausbaustufe wurde die Sensorik zur Bilderfassung um einen Riegl LMS Z210 erweitert der in der Lage ist farbcodierte Messungen im Profilmodus durchzuf hren 2004A Der Scanner kann hierzu sowohl horizontal als auch vertikal betrieben werden Die Messungen k nnen mit einer Profilfrequenz von fp 20 Hz und einer Messentfernung von bis zu 80 m vorgenommen werden 2005 Zur Synchronisierung der mit dem Laserscanner aufgenommenen Zeilenscans wird das PPS Signal des GPS Empf ngers als direktes Triggersignal in den Datenstrom des Laserscanners integriert Kapitel H AA Die gesamte Sensorik mit Ausnahme der GPS Antennen und des Laserscanners befindet sich in zwei klimatisierten Kammern auf dem Dach des Fahrzeuges um temperaturbedingte systematische Effekte auszuschalten 2004 Aufgrund dieser Ma nahme sowie der umfangreichen Sensorik kann das Messsystem nicht ber das Bordnetz des GeoVAN betrieben werden sondern ben tigt einen zus tzlichen Generator mit einer Leistung von 4000 W Im Rahmen empirischer Systemtests wurden versch
110. Messwerterfassung Abbildung 6 10 Klassifizierung verschiedener Inklinometer Bauformen Gemen 1990 0 Schaevitz AccuStar Y nc Gegenelektroden Sensitive Achse Abbildung 6 11 AccuStar Inklinometer von Abbildung 6 12 Funktionsprinzip eines Differentialkondensa Schaevitz tors schen Prinzip Pendel arbeiten Hierzu z hlen die LSO Serie von Schaevitz oder die DMT Rotlevel mit Flex Beschleunigungsmesser 11988 F r das vorliegende System wurde das AccuStar Inklinometer Abbildung 6 11 ein kapazitiver Nei gungsmesser mit Fl ssigkeitshorizont der Firma Sherborne Schaevitz ausgew hlt Das fl ssigkeitsbasierte Messprinzip dieses Inklinometers wirkt sich insoweit vorteilhaft aus als keinerlei bewegliche Teile f r die Neigungsmessung ben tigt werden Dies ist insbesondere beim Einsatz auf mobilen Plattformen von Vorteil bei dem h ufige Ersch tterungen w hrend der Messung zu erwarten sind und somit erh hte Anforderungen hinsichtlich der Robustheit gestellt werden Der Sensor bietet dar ber hinaus einen verglichen mit Pendelneigungsmessern vergr erten Messbereich und ist deutlich preisg nstiger als ein Servoneigungsmesser Zudem kann dieser Sensor aufgrund seines Signalausgangs problemlos an A D Wandlungsmodulen betrieben werden Der Sensor besteht aus einem flachen Differentialkondensator der durch eine kreisf rmige Metallwanne und zwei dar ber befindlichen Gegenelektroden aus Kupfer gebi
111. OSCH E ALAM S R SERRA A BARON A GEOVAN The mobile map ping system from the ICC In Proceedings of the 4th International Symposium on Mobile Mapping Technology MMT2004 Kunming China CD Rom 2004 Tele Info AG 2004 TELE InFoO AG Offenlegungsschrift zur Patentanmeldung Nr DE102004028736A1 Deutsches Patent und Markenamt M nchen April 2004 Tietze und Schenk 1991 TIETZE Ulrich SCHENK Chri stoph Blectronic circuits design and applications 9 Auf lage Springer Verlag Berlin 1991 ISBN 3 540 19475 4 0 387 19475 4 Torge 2003 TORGE Wolfgang Geod sie 2 Auflage Wal ter de Gruyter Verlag Berlin 2003 Toth und Grejner Brzezinska 2001 ToTH C GREJNER BRZEZINSKA D High Precision Integrated GPS INS CCD System for Transportation Applications In Proceedings of the IAG 2001 Scientific Assembly 02 07 09 2001 Budapest Ungarn 2001 S 335 340 Trimble GmbH 2005 TRIMBLE GMBH Trimble 5700 R8 Benutzerhandbuch Selbstverlag Raunheim 2005 Trimble GmbH 2007 TRIMBLE GMBH Produktdarstel lung geod tischer GPS Empf nger Internetdokument Zu griff am 18 03 2007 http global trimble com de 2007 Wack u a 2003 WACK R PAAR G NAUSCHNEGG B URBAN H Erzeugung von 3D Stadtmodellen In Pro ceedings 12 Internationale Geod tische Woche Obergurgl sterreich CD ROM 2003 Wanninger 20004 WANNINGER Lambert Interpolation von GPS Beobachtungen In Allgemeine V
112. Oberschwingung mit einer Periodenl nge von mehreren Sekunden und einer Ampli tude von 1 gon berlagert ist Zudem existieren drei kurze Abschnitte mit systematischen Abweichungen 105 s 130 s 145 s 165 s die auch aus den Einzelazimuten in Abbildung ersichtlich sind Ne ben periodischen Einfl ssen ist die dargestellte Zeitreihe zudem von einem Trend berlagert der unter Umst nden auf eine nicht kompensierte Drift der IMU zur ckzuf hren ist W hrend die Azimutdifferenz im mittleren Abschnitt auf einen nicht ausreichend korrigierten Schlepp kurveneffekt der GPS Positionen im Kurvenbereich zur ckzuf hren ist kann f r die beiden anderen Abschnitte keine eindeutige Ursache bestimmt werden Der an diesen Stellen sichtbar glattere Verlauf des Azimutes aus RTS gegl tteten Messwerten ist m glicherweise durch eine zu starke Gl ttung der Trajektorie bedingt Neben einem solchen Ausrundungseffekt bei engen Kurvenfahrten ist auch die berkompensation der Fahrzeugneigungen durch Querbeschleunigungen denkbar die zu erh hten Kor rektionen in Richtung der Kurveninnenseiten f hren und somit ebenfalls eine Ausrundung bewirken Die angesprochenen Ausrundungseffekte durch die Gl ttung der Trajektorie mit Hilfe des RTS Algorith mus sind auch in der Detailansicht eines Abschnittes der befahrenen Strecke zu sehen Abbildung 9 27 Obwohl die Fahrbahn in diesem Abschnitt glatt und eben ist treten dennoch Abweichungen von bis zu 1
113. Signale Die Darstellung logischer Zust nde erfolgt in der Elektrotechnik mit Hilfe von Logikpegeln denen die bin ren Werte 1 oder 0 zugeordnet werden k nnen Logische Pegel werden in der Regel ber Gleich spannungswerte realisiert die innerhalb festgelegter Grenzen variieren k nnen Die Grenzwerte werden durch den Typ des Pegels bestimmt Bedingt durch die bei der Fertigung von elektronischen Bauteilen auftretenden Toleranzen sind Bereiche festzulegen die als High und Low Pegel bezeichnet werden Eine nderung des vorliegenden Logikzustands wird durch berschreiten des High Pegels oder Unterschreiten des Low Pegels hervorgerufen wobei Spannungswerte zwischen High und Low Pegel zu vermeiden sind da sie zu undefinierten Zust nden an der Schnittstelle f hren 2004 High Pegel U gt UH min Low Pegel U lt UL maz 6 7 Der Abstand von High und Low Pegel wird hierbei als bertragungsweite W die Pegeldifferenzen zwischen Ein und Ausgangspegel als St rabst nde Mp und Ar bezeichnet Abbildung zeigt die Grenzwerte und die bertragungsweite des sogenannten TTL Pegels Transistor Transistor Logik Pegel Aus dieser Darstellung wird ersichtlich dass der f r eine Zustands nderung verantwortliche Grenzwert davon abh ngig ist ob es sich um einen Ein oder Ausgang handelt Der Grund f r die Einf hrung einer solchen Differenz ist in der St ranf lligkeit elektrischer Leitungen durch elektromagnetische Einfl sse und
114. abelle 7 10 Punktnummern und ihre Bezeichnungen im Kfz System Um eine Transformation der durch die GPS Antennen ermittelten Raumpositionen vom WGS84 System in das Scanner Koordinatensystem vornehmen zu k nnen mussten zudem Ursprung und Aus richtung des Scannerkoordinatensystems im Verh ltnis zum Fahrzeugsystem bestimmt werden Hierzu wurden insgesamt sieben Zielmarken auf der Grundplatte des Fahrzeuges befestigt und sowohl mit dem Scanner als auch mit dem TMS koordinatenm ig ermittelt Der Scan dieser Zielmarken ist nach jeder neuen Adaptierung des Scanners auf dem Messwagen zu wiederholen Die Koordinaten der Fahrzeugachsen und Sensorpositionen sowie ihre Standardunsicherheiten im Fahr zeugkoordinatensystem sind in Tabelle aufgelistet 108 X Imml Y mm Z mm Sx Imm Sy mm Sz mm Fahrzeugachsen 110 957 69 425 23 0 22 0 05 0 05 0 05 111 0 00 431 68 0 00 0 09 0 10 0 12 112 1086 73 425 23 0 22 0 02 0 02 0 02 113 0 000 429 34 0 00 0 02 0 02 0 02 Scanner 1000 30 91 9 72 761 28 Kugel 101 1143 69 317 72 408 58 0 12 0 12 0 117 GPS 201 269 92 14 58 942 95 0 15 0 18 0 11 202 335 48 22 84 933 29 0 13 0 18 0 12 203 1004 93 4 53 698 80 0 10 0 10 0 10 7 Pr fung und Kalibrierung der Komponenten t Kugelzentrum indirekt bestimmt mit C Radius 0 1 mm Se 2 2 2 Bezogen auf geometrisches Zentrum mit Oky Z Punkt XYZ Messung IXY Z Zentrierung Tabelle 7 11 Koordinaten der Fahrzeugachsen und Se
115. an Stand alone Betrieb den Host PC programm EVA Ze User API X Max CPU eege Abbildung 6 21 Autonomer Betrieb der Abbildung 6 22 Betrieb der MAX 5dip in Verbindung mit MAX5dip Host PC F r den autonomen Betrieb der MAX5dip sind zun chst alle entwickelten Echtzeitprogramme mit Hilfe von Installationsskripten ins ROM der Max CPU zu bertragen Hierdurch entf llt die Notwendigkeit w hrend der Messung eine permanente Verbindung zwischen MAX5Dip und dem Host PC aufrecht zu erhalten Diese L sung ist bezogen auf den mobilen Einsatz vergleichsweise flexibel da keine externe Peripherie zur Konfiguration und Steuerung des Systems notwendig ist Unter Ber cksichtigung der im vorliegenden Echtzeitsystem anfallenden Datenmenge ist ein autonomer Betrieb bei einer Messdauer von weniger als 30 min problemlos m glich Hierbei ist jedoch einschr nkend zu beachten dass die in Kapi tel vorgeschlagene Steuerung des Laserscanners in Abh ngigkeit von der Verf gbarkeit nutzbarer Satellitensignale in dieser Betriebsart nicht m glich ist Zudem ist die Kommunikation mit dem Anwender vollst ndig ber LED oder ein externes Display durchzuf hren F r den Einsatz im vorliegenden Messsystem wurde aus diesen genannten Gr nden die Steuerung ber einen Host PC vorgezogen Die Messdatenerfassung erfolgt hierbei vollst ndig auf dem Echtzeitrechner die Datenspeicherung hingegen auf dem angeschlossenen Host PC 6 3 3 Erfassung digitaler
116. and prs p erfolgt hierbei mit Hilfe der rekur siven Gleichungen auf Grundlage der im Kalman Filter vorw rts gefilterten Zustandsvektoren rat A RTS k I Kalk Ar URTSKH1 YKalk 1 3 43 mit Ak Q Kal k Th kai 3 44 Hierbei ist zu beachten dass die zeitliche Indizierung der Variablen f r die R ckw rts Filterung umge kehrt zu lesen ist Auf die Epoche k 1 folgt in diesem Fall die Epoche k Auch die VKM des gegl tteten Sch tzwertes ergibt sich rekursiv aus dem zweiten Filterdurchgang QRTS 99 k Diva zk Ar QRTS99 k 1 QKal gg k 1 Ai 3 45 Als Startwerte zur Initialisierung des Gl ttungsfilters f r den Zeitpunkt k N dienen wie bei der Vorw rts R ckw rts Filterung der ausgeglichene Zustandsvektor aus der Vorw rts Filterung Mrt wv und seine VKM Rack Yo I Kal N 3 46 Quy o QKal g N 3 47 Laut 1977 ist die Varianz des gesch tzten Systemzustandes auf Grundlage der vor liegenden Messwerte durch die Gl ttung einer Messwertreihe mit Hilfe des RTS Filters bereits minimal Hieraus folgt dass eine nochmalige Filterung keinen Genauigkeitsgewinn mehr zur Folge haben kann F r die ausf hrliche Herleitung der mathematischen und statistischen Zusammenh nge sei an dieser Stelle auf die weiterf hrende Fachliteratur hingewiesen Seite 70 ff Seite 11 ff Wie in Kapitel gezeigt wird l sst sich aus den gegl tteten Sch tzwerten des Zustandsvektors der horizontale Raumwinkel ableiten so dass f
117. anner eingeteilt werden Abbildung 4 4 Die sogenannten Kamerascanner k nnen standardm ig keine Drehung des Scankopfes um ihre Steh achse vollziehen wodurch sie ein eng begrenztes Gesichtsfeld von in der Regel weniger als 50 x 50 besitzen Das Einsatzgebiet dieser Scanner liegt somit vor allem in der Aufnahme einzelner Objekte mit 4 4 Strahlablenkung 47 Camera View Panorama Hybrid Abbildung 4 4 a Camera View Scanner b Panoramascanner c Hybridscanner begrenzter r umlicher Ausdehnung Ein Einsatz vor allem im Bereich der profilgebenden Vermessung ist aufgrund dieser Einschr nkungen nicht sinnvoll Im Gegensatz zu Kamerascannern ist das Gesichtsfeld von Hybridscannern lediglich in der vertikalen Ausdehnung begrenzt Zur Objekterfassung werden vom Scanner kontinuierlich Vertikalprofile erfasst wobei der Scankopf w hrend der Aufnahme mit Schrittmotoren um seine Stehachse gedreht wird Ab weichend von STAIGER 20058 der nur Scanner mit Polygonspiegel Abbildung 4 5 als Hybridsysteme betrachtet sollen hier auch Ger te mit oszillierendem Spiegel zu dieser Gattung gez hlt werden sofern sie den vorgenannten Anforderungen entsprechen Panoramascanner vollziehen zur Objekterfassung ebenfalls eine vollst ndige Drehung des Scankopfes um die Stehachse des Ger tes Sie besitzen jedoch ein vertikal maximal ausgedehntes Gesichtsfeld das nur durch ihre eigene Standfl che begrenzt ist Hierdurch kann die Umgebung des Scanners i
118. anten Einfluss Die im Rahmen der empirischen Feldversuche ermittelte u ere Genauigkeit bewegt sich bei gerin sem Einfluss von Fahrzeugbewegungen im Bereich von 0 5 gon bis 1 0 gon bei Beschleunigungs und Positions nderungen der Sensorplattform mit h herer Frequenz hingegen zwischen 1 5 gon und 3 0 gon 9 4 2 Innere Genauigkeit der relativen DGPS L sung Neben einem absoluten Vergleich mit den Messwerten eines bergeordneten Normals in diesem Falle einer hochpr zisen IMU sollen im Folgenden die beiden Verfahren der Azimutbestimmung aus den RTS segl tteten Messwerten der Trajektorie eines Empf ngers und der Bestimmung ber relative DGPS Messungen verglichen werden m Hm Fahrzeugachse Element q mm d mm Winkel gon GPS1 298 GPSi 25272 A BE Co aen wu 06 fates des E GPS 3 4 5 u is 1 0 87 Moss EEN ER S k A 0 79 i Basis 1 3 1 66 Kaes SS Abbildung 9 31 Abweichung zwischen Antennenposition und Fahrzeugachse Ausgehend von den im Rahmen der Kalibrierung ermittelten Sollkoordinaten der GPS Antennen im Fahrzeugkoordinatensystem kann die innere Genauigkeit der Azimutbestimmung ermittelt werden Hier zu wird das aus drei Antennen gebildete Dreieck auf der Messplattform zur Berechnung eines der drei m glichen Winkel aus Azimutdifferenzen genutzt und mit dem aus Sollkoordinaten berechneten Wert ver glichen Es ist jedoch anzumerken dass die verwendete Basis 1 2 mit einer L nge von in
119. apitel beschrieben ber Semaphore Diese Methode ist vergleichsweise schnell da Variablen oder Speicherbereiche direkt aus der Task heraus angesprochen werden k nnen Ein Beispiel f r die Kommunikation ber gemeinsamen Speicher ist die Nutzung des Parameterbereiches im Betriebssystem Sorcus OSX Kapitel 8 3 2 Die Voraussetzung hierf r ist jedoch dass alle kommunizierenden Tasks auf demselben Prozessor laufen Demgegen ber kann die Kommunikation ber Nachrichten auch zwischen Tasks stattfinden die auf unterschiedlichen Systemen ausgef hrt werden Ein solcher Fall liegt vor wenn Tasks eines Echtzeit systems mit ihrem jeweiligen Host System kommunizieren um auf ein dort laufendes User Interface oder dessen Datenspeicher zuzugreifen Da die beteiligten Tasks und Prozesse auf r umlich verteilten Systemen ablaufen k nnen sind hierf r Funktionen des Betriebssystems notwendig Nachteilig wirken sich hier der durch den Aufruf der Funktionen bedingte Overhead sowie die durch das verwendete Bussystem bedingten Latenzzeiten aus Die nachrichtengesteuerte Kommunikation ist somit nur bedingt echtzeitf hig Eine praktische Umsetzung der Kommunikation ber Nachrichten stellen sogenannte Remote Proce dure Calls RPC dar die in den meisten modernen Betriebssystemen implementiert sind Unter Sorcus OSX Kapitel werden die als Service Requests SRQ bezeichneten RPC von speziellen Echt zeittasks stellvertretend ausgef hrt
120. ask vorgenommen in dem die Werte aller Timer Variablen vorgehalten werden Im nachfolgenden Schritt werden die Messwerte ber den Kanal der zugeordneten Schnittstelle erfasst Dies ist jedoch nur f r analoge und serielle Schnittstellen notwendig da die Messinformation bei digitalen Signalen bereits durch die Interruptausl sung als solche gegeben ist so dass der Schnittstellenzugriff in diesem Fall unterbleibt Zur schnellen Zwischenspeicherung der Daten und ihrer Erfassungszeitpunkte stellt das Betriebssystem bis zu 256 unabh ngige Ringpuffer zur Verf gung deren Zugriff nach dem FIFO Prinzip First In First Out geregelt ist Hat der Puffer einen bestimmten F llstand erreicht wird ber das Handle zum Host PC ein codierter Service Request SRQ abgesetzt Kapitel 5 2 9 der den Host PC zur Leerung des Datenpuffers auf dem Echtzeitrechner veranlasst Wie in Kapitel gezeigt wird besitzt ein Zugriff 8 4 Auswertesoftware RAMSYS PCloud 121 des Host PC auf den Ringpuffer einen signifikanten Einfluss auf die Determiniertheit des Systems und sollte somit nicht zu h ufig ausgef hrt werden Falls sichergestellt ist dass alle Daten nach Beendigung einer Messung aus dem Ringpuffer gelesen und auf dem Host DC abgespeichert werden kann diese Schleife ohne Abbruchbedingung ausgef hrt werden Eine Funktion zur Deaktivierung einer Task ist zwar implementiert wird jedoch f r die vorliegende Aufgabe nicht ben tigt 8 3 6 Ans tze
121. asst werden Praktisch bedeutet dies dass mindestens drei Bedingungen an die Bewegung des Fahrzeuges und den GPS Empf nger erf llt sein m ssen 1 Die Tangente der durch GPS Messungen bestimmten Trajektorie roter Pfeil in Abbildung 3 6 muss m glichst genau mit der L ngsachse des Fahrzeuges gr ner Pfeil in Abbildung 3 6 bereinstimmen 2 Die Abtastrate des GPS Empf ngers muss im Verh ltnis zur Geschwindigkeit so hoch gew hlt wer den dass die zwischen zwei Positionen auftretende Sekantenh he ber der Kurve klein im Verh ltnis zur Sekantenl nge bleibt die Diskretisierungsungenauigkeit also begrenzt wird 3 Die Geschwindigkeit in Fahrzeugl ngsrichtung vr muss gro im Verh ltnis zur Geschwindigkeit in Querrichtung vo sein vr gt gt vQ 26 3 Bestimmung von Position und Orientierung Im Gegensatz zur Achsschenkellenkung die bei Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt wurde f r die Realisierung dieses Prototypen ein Fahrzeug mit sogenannter Schwenkachslenkung verwendet Hierbei ist die Vorderachse starr und kann zur Lenkung ausschlie lich um ihren Mittelpunkt gedreht werden Das Koordinatensystem des Fahrzeuges wurde aus diesem Grund beim entwickelten Messsystem be wusst in den Schnittpunkt von Hinterachse L ngsachse und Vertikalrichtung gelegt Werden Drifteffekte vernachl ssigt die ohnehin nur bei hohen Fahrgeschwindigkeiten auftreten so vollzieht jedes vorderge lenkte Fahrzeug alle Drehungen nur um diesen Punkt
122. atsgymnasium Rotenburg W mme Bundesmarine FGS L tjens Kiel Dreimonatiges Vorpraktium ObVI Ehrhorn Achim Studium des Vermessungswesens an der Leibniz Universit t Hannover Projektingenieur bVI Hesse Buxtehude Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Geod tischen Institut der Leibniz Universit t Hannover Vermessungsreferendar bei der Landesvermessung und Geo basisinformation Niedersachsen Hannover EXPO 2000 Hannover
123. ax 58 40 Transmitter Abbildung 7 11 Abfrage der internen Temperatursensoren Zur Absch tzung des Einflusses den eine nicht kompensierte nderung der Ger teinnentemperatur auf die Messwerte besitzt wurde mit dem verwendeten Scanner eine feststehende Kugel durch insgesamt 240 aufeinanderfolgende Aufnahmen im Abstand von 30 Sekunden gescannt Hierdurch kann bei h chster Aufl sung eine ann hernd dauerhafte Belastung des Sensors simuliert werden D Luft Innen Einsatz Geh usel fter Laserkopf H 45 TEC Board RF Box Receiver gt oO E Scanner Temperatur C GA in GA oO 25 Pfeiler 20 f 1 N z f n H 0 20 40 60 80 100 120 Zeit min Abbildung 7 12 Messkonfiguration Dauerscan Abbildung 7 13 Temperaturverlauf Scanner Abbildung 7 13 zeigt den Verlauf der quidistant aufgezeichneten Temperaturmessungen ber den Zeitraum der Dauerscans von 120 Minuten Hierin ist auch der Zeitpunkt gut zu erkennen an dem die in den Scanner integrierten L fter aktiviert werden um die Innentemperatur des Scanners zu reduzieren Zudem ist zu erkennen dass das Einschalten der L fter keinen oder nur unwesentlichen Einfluss auf die Erw rmung des Laserkopfes besitzt dessen Temperatur sich einem Grenzwert von 35 C ann hert Obwohl die erfassten Streckenmesswerte einen leichten Trend erkennen lassen bewegt sich die Entfer nungs nderung zur Referenzkugel im Su
124. been one of the main tasks of seodesy Due to the expansion of information technology and the related digitalisation of geospatial data both public administration and private users of geoinformation systems as well as police authorities and courts have an increasing demand for geospatial data The mobile mapping systems currently available on the market suffer from several sensor and analysis based disadvantages which impede a cost efficient use Recently terrestrial laser scanners have been spreading among the fields of engineering surveying Because of their active sensing principle they are able to compensate some of the main drawbacks of current mobile mapping systems Furthermore the majority of these mapping systems use inertial sensors to determine the spatial position and orientation parameters which causes very high costs The task of this study therefore is to plan develop and finally evaluate a system which is able to acquire outdoor objects using a high resolution profile measuring terrestrial laser scanner under abdication of inertial sensors The use of a profile measuring scanner on a moved platform leads to a helix wise acquisition of the environment In order to avoid distortions within the point cloud by driving along curves position and orientation parameters must be determined for each scan pixel In the context of this work a measuring computer with a realtime operating system was used to synchronize the profile data registered by
125. bei die Gel ndeoberfl che auf allen drei Seiten eine zum Pferd hin ansteigende Querneigung besitzt W hrend die rechte und linke Seite des Pferdes die jeweils aus geradlinigen Bewegungen erfasst wur den keine sichtbaren Differenzen zueinander aufweisen ist die aus der Kurvenbewegung heraus erfasste Vorderseite des Pferdes mit einer deutlichen vertikalen Abweichung behaftet Abbildung 9 8 Da die mit GPS bestimmte H heninformation ber die gesamte Trajektorie mit geringen Variationen stetig verl uft und kein horizontaler Versatz in der Punktwolke vorliegt muss der Grund dieser Abweichung in einer fehlerhaften Neigungsmessung vermutet werden So ist anzunehmen dass die w hrend der Kurvenfahrt nach au en gerichtete Zentrifugalbeschleunigung vom Inklinometer als zus tzliche Neigungs nderung auf gefasst wurde die zu einer Anhebung der zur Kurvenmitte hin gelegenen Profilpunkte f hrt Dieser Effekt kann in der Regel nur durch die gleichzeitige Verwendung von Kreiselsensoren kompensiert werden Im Vorgriff auf die Ergebnisse von Kapitel kann in diesem Zusammenhang erw hnt werden dass Effekte dieser Art auch bei einer Bewegung des Wagens auf der ebenen 400 m Laufbahn des Zentrums f r Hochschulsport Abbildung 9 36 Seite 143 zu beobachten sind Abbildung 9 9 zeigt die Azimute der befahrenen Teststrecke zur Identifikation der Kurven und Geradenabschnitte So scheint die befahrene Bahnoberfl che in Kurven zur Au enseite hin geneigt z
126. bestimmen Zur Messdatenerfassung sollen vornehmlich geod tische Standardsensoren zum Einsatz kommen die Verwendung eines echtzeitf higen Messsystems ist zu diskutieren Die zur Umsetzung der Aufgabenstel lung notwendige Messhardware kann entsprechend Kapitel l 2 in vier zentrale Problembereiche Trajekto rienbestimmung Orientierungsbestimmung Synchronisierung und Objekterfassung untergliedert werden Tabelle gibt einen berblick ber Hardware und Sensoren des System sowie ihren Beitrag zur Bestimmung der Zustandsparameter Parameter GPS Neigungs Laser Echtzeit Empf nger messer scanner rechner Trajektorienbestimmung Raumkoordinaten X Y Z e o Orientierungsbestimmung Rollwinkel e e S Nickwinkel e optional Gierwinkel du e z Synchronisierung Zeitskala TRef e Objekterfassung Scanpunkt x y z Int B S Tabelle 6 1 Mindestkonfiguration des Messsystems Die Bestimmung von Position und Orientierung h ngt in diesem System stark von satellitengest tzten Verfahren ab Um das System auch in Konfigurationen mit nur einem GPS Empf nger betreiben zu k nnen ist der Einsatz eines Inklinometers zur Ermittlung des Rollwinkels notwendig wobei auch der Nickwinkel optional mit Hilfe von Inklinometermessungen ermittelt werden kann Wie die in Kapitel 3 7 diskutierten Verfahren zur GPS gest tzten Bestimmung von Gier Nick und Rollwinkel zeigen ist es beim Einsatz meh
127. bildung Loi wodurch eine Transformation der 84 6 Das Messsystem erfassten Objektpunkte in das Fahrzeugkoordinatensystem ohne weitere Umformungen m glich ist Jeder Einzelpunkt wird hierbei durch seine X Y und Z Koordinaten sowie den Remissionswert des zur ck gsestreuten Lasersignals repr sentiert Der Remissionswert besitzt eine Aufl sung von 15 Bit und kann wahlweise als Integer in den Grenzen von 0 32768 oder normiert auf die Bereiche 0 1 oder 0 255 ausge geben werden Die vier Parameter sind in einem Zeilenvektor nach folgendem Schema zusammengefasst n 10 2 n Profilnummer X X Y Koordinate m Y mit 7 7 Koordinate m SE R R Remissionswert 15 Bit Die Ausgabe von Daten erfolgt beim Imager 5003 auf zwei verschiedenen Schnittstellen Die Steuerung des Scanners von einem PC oder Notebook aus wird ebenso wie die bertragung der Daten in entgegen gsesetzter Richtung ber eine FireWire Schnittstelle durchgef hrt Die Rohdaten eines Scans werden in einem propriet ren Bin rformat dessen Struktur durch den Hersteller nicht ver ffentlicht ist auf dem an geschlossenen Steuerrechner gespeichert Die Speicherung der Rohdaten erfolgt auf der lokalen Festplatte des angeschlossenen Notebooks Im Anschluss an eine Messung k nnen die bin ren Rohdaten wahlweise ber die Steuersoftware des Scanners oder mit Hilfe von Bibliotheksfunktionen zur Weiterverarbeitung durch externe Software ins ASCII Format umgewandelt werde
128. bmillimeterbereich und kann somit vernachl ssigt werden Die nderung des gemessenen Horizontalwinkels folgt n herungsweise dem in Abbildung 7 13 dargestellten nichtlinearen Verlauf der Ger tetemperatur Die Amplitude der Winkel nderung innerhalb des Messzeit raumes liegt bei etwa 10 mgon was einem tangentialen Effekt von 3 mm bezogen auf die festgelegte Messentfernung von 20 m entspricht 104 7 Pr fung und Kalibrierung der Komponenten 1 386 14 92 7 3859 1 14 918 1 7 3858 1 14 916 1 7 3857 J T 14 914 E amp e 1 3856 J e 14 912 1 E Kid E E g 7 3855 14 91 4 2 3 C 2 7 3854 1 9 14 908 p T 3853 I 14 906 7 3852 1 14 904 1 7 3851 J 14 902 1 1 385 l 14 9 0 25 20 Za 100 0 25 20 15 100 Zeit m Zeit m Abbildung 7 14 Variation der Raumstrecke Abbildung 7 15 Variation des Horizontalwinkels Die in Tabelle 7 6 dargestellte symmetrische Korrelationsmatrix zeigt dass kein Temper tursensor ein deutig identifiziert werden kann der besonders f r eine Charakterisierung der systematischen Abweichung des Horizontalwinkels geeignet ist Aus den durchgef hrten Untersuchungen wird klar dass die Sensortemperatur bei vorliegendem Scan nermodell nur sehr geringen Einfluss auf die Bestimmung von Winkel und Distanzmessung besitzt Die beobachtete Variation des Horizontalwinkels liegt bei der f r dieses System relevanten Messentfernung im Rahmen weniger Millimeter so dass eine Ber cksichtigung des Temperaturei
129. ch aus diesem Vergleich ergibt wird im Sinne der Kalman Filterung als Innovation dk lk k Yp lk lk 3 29 bezeichnet und im Folgenden zur Aufdatierung des Zustandsvektors verwendet Ihre VKM sowie die dazugeh rige Kofaktormatrix ergeben sich aus adk 06 Radar Euk Ar eet Ar 3 30 Dar ber hinaus kann nun auch die Varianz der Gewichtseinheit zur Epoche k bei nt vorliegenden Beob achtungen mit T N l1 ai D Har 3 31 n angegeben werden Die Anzahl der Beobachtungen entspricht hierbei der Anzahl der Freiheitsgrade fr da jede Beobachtung einen zus tzlichen Freiheitsgrad im Ausgleichungsmodell erzeugt ber die Gr en dk und Xqa k kann die Vertr glichkeit zwischen dem ber die Systemgleichung pr dizierten Zustandsvektor und dem ber die Messgleichung ermittelten Systemzustand mit Hilfe von Testverfahren Kapitel 3 4 2 berpr ft werden Die Unterschiede zwischen pr diziertem und aus Messungen ermitteltem Systemzustand k nnen nun mit Hilfe einer Gewichtsfunktion K der sogenannten Verst rkungsma trix 3 4 Filteralgorithmen 33 AT i e KIEREN 3 32 0 dazu verwendet werden den pr dizierten Zustandsvektor aufzudatieren Die Matrix K ergibt sich aus den Optimalit tskriterien bez glich Varianzminimierung und Erwartungstreue des Filters Auf ihre Her leitungs soll jedoch an dieser Stelle verzichtet werden Aus der Aufdatierung ergibt sich der ausgeglichene Zustandsvektor 9z GIE KEE 3 33
130. ch definierten Genauigkeiten im Objektraum sollen in den folgenden Kapiteln im Sinne einer vollst ndigen Systempr fung ermittelt werden 9 5 2 Innere Messgenauigkeit des Systems Zur Untersuchung der erzielbaren inneren Messgenauigkeit des Systems im Objektraum wurden verschie dene kinematische Scans auf dem Gel nde des Zentrums f r Hochschulsport ZfH der Leibniz Universit t Hannover durchgef hrt Wie bereits erl utert wurde die vorhandene 400 m Laufbahn f r die Systemeva luierung genutzt da hierbei die Vorteile einer glatten Fahrbahnoberfl che ohne gleichzeitige Behinderung des laufenden Verkehrs genutzt werden k nnen Abbildung 9 36 zeigt eine der Trajektorien die f r die vorliegenden Untersuchungen ausgewertet wur den F r eine Bewertung der Ergebnisse ist zu beachten dass die m glichen H henvariationen durch 9 5 Genauigkeit des Systems im Objektraum 143 40 G 1 240 180 gg u D gg W s A Sau TE gege nd aha n ii wm we e Abbildung 9 36 Befahrene Trajektorie am Zentrum f r Hochschulsport Luftbild Copyright 2007 diese Wahl der Testumgebung sehr gering und somit nicht mit realen Stra enumgebungen vergleich bar sind Auf der anderen Seite sind die Messergebnisse der verwendeten Testplattform aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Massentr gheit und der daraus resultierenden hochfrequenten Rollbewegungen Kapitel 9 3 3 bei einem Einsatz auf unstetigen Gel ndeoberfl chen nicht
131. ch der geforderten Standardabweichung eines Einzelpunktes im Objektraum Ausgehend von der in Tabelle 1 1 geforderten Genauigkeit f r die Punkt bestimmung in der Ebene von oxy 20 cm kann der Anteil der Synchronisierung am Genauigkeitsbudget ermittelt werden das aus Gr nden der Vereinfachung an dieser Stelle lediglich f r den zweidimensionalen Fall angegeben werden soll Es setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen OXY f oxY Pos OXY Azimut IOXY Sync OXY Scan lt 20 cm 6 1 Die Gesamtgenauigkeit soll dabei entsprechend den in Tabelle 6 3 Jgenannten Anteilen der Einzelkompo nenten gebildet werden Aus dieser Zusammenstellung ist ersichtlich dass der bei weitem h chste Abwei chungsanteil der Bestimmung des Azimutes zugewiesen wird Dies ist in erster Linie durch die Tatsache begr ndet dass die GPS Positionen auf deren Grundlage die Ableitung der Azimute vorgenommen wird mit einer Standardabweichung von bis zu 5 cm ber cksichtigt werden Eine solche Abweichung ist zwar f r eine statische Positionierung im SAPOS Netz vergleichsweise hoch ber cksichtigt jedoch schlechte Empfangsbedingungen sowie den Umstand dass hierbei eine kinematische Einzelpunktpositionierung mit 10 Hz Abtastrate durchgef hrt wird Komponente Genauigkeitsanteil Laserscan 3 cm GPS Position 5 cm Azimutbestimmung 10 cm Synchronisierung 2 cm Summe 20 cm Tabelle 6 3 Anteile am 2D Genauigkeitsbudget der Objektpunkte Die Standardabweichung der Scan
132. ch die Masse der Signalquelle gebildet wird Aus diesem Grund bestehen Eing nge dieses Typs immer aus Signal und Masseeingang Sind mehrere Signalquellen mit unterschiedlichen Massen in einem gemeinsamen System zu erfassen so sollten diese m glichst nah am Masseeingang des Messsystems zusammengef hrt werden 90 6 Das Messsystem Bei Differenzeing ngen erfolgt dagegen eine Bestimmung der zwischen zwei oder mehreren Signalquel len mit gemeinsamer Masse liegenden Spannungsdifferenz Hierzu werden mindestens zwei Signaleing nge sowie ein gemeinsamer Masseeingang ben tigt an den die Systemmassen der Signalquellen angeschlossen werden Differenzeing nge sind verglichen mit Masseeing ngen weniger verbreitet werden jedoch im Be reich der geod tischen Messtechnik gelegentlich zur Umsetzung von Inklinometerschnittstellen verwendet Einstellzeit wg A H e i Ce H mm U Eingang A Aperturzeit Halten Abtasten Halten Abbildung 6 27 X AD 12 16 Abbildung 6 26 Sample And Hold Vorgang SORCUS GMBH 2006 Die meisten Verfahren zur Analog Digital Umsetzung ben tigen f r den Zeitraum der Wandlung einen konstanten Spannungswert um Digitalisierungsfehler zu vermeiden Hierzu wird ein sogenannter Sample And Hold Baustein verwendet Abbildung 16 26 der daf r sorgt dass der vorliegende Spannungswert f r die Dauer der Wandlung innerhalb enger Grenzen unver ndert bleibt Sollen b
133. ch in gr erer Entfernung befinden k nnen grunds tzlich mit diesem Scanner erfasst werden lassen sich jedoch Abbildung 4 6 _Zoller Fr hlich bedingt durch die Mehrdeutigkeit der Phasenmessung nicht korrekt Imager 5003 zuordnen sowie HRSSE u a haben gezeigt dass eine Erh hung der maximalen Reichweite durch Ber cksichtigung einer minimalen Objektdistanz f r Entfernungen von bis zu 90 m unter Inkaufnahme einer erh hten Messunsicherheit m glich ist Die vielseitige Einsetzbarkeit dieses Ger tes zeigt sich unter anderem daran dass der Scanner in den Modi Scan 3D Profiler 2D und Statisch 1D betrieben werden kann wobei sich die folgenden Ausf hrungen auf den Profiler Modus beziehen In jedem der Betriebsmodi k nnen Messungen in einer der vier Aufl sungen Preview Middle High und Super High durchgef hrt werden die den in Tabelle 4 3 dargestellten Punktdichten entsprechen Eine Aufnahme in maximaler Aufl sung besteht nach aus 36 000 Vertikalprofilen mit jeweils 20 000 Punkten pro Profil Bei der Wahl der Aufl sung ist zu beachten dass sich diese direkt auf die Scangeschwindigkeit so wie das Datenvolumen der erfassten Punktwolke und indirekt auf die Genauigkeit der Streckenmessung auswirkt Der Grund hierf r liegt in der Verarbeitung der abgetasteten Phasendifferenzen der Laserdi stanzmessung W hrend der Messung erfolgt hardwareseitig ein Oversampling der standardm ig mit 500 kHz
134. cher des CPU Moduls bertragen und dort installiert werden F r eine solche Installation k nnen je nach Einsatzbedingungen des Tr gersystems unter anderem die in Tabelle 8 5 genannten M glichkeiten genutzt werden Quelle Installationsweg Vor Nachteile Host PC Bibliotheksfunktionen des Treibers Flexibel bei Software nderungen Max PC Skriptgesteuerte Installation aus Kein Host PC notwendig dem ROM des Max PC Tabelle 8 5 Installationsm glichkeiten f r Echtzeitprogramme Die Installation mit Hilfe von Bibliotheksfunktionen durch ein auf dem Host DC laufendes Anwender programm ist die flexiblere L sung da hierbei jederzeit nderungen der Programme oder ihrer Konfigu ration m glich sind Der Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin dass nach jedem Systemstart ein Host PC mit allen notwendigen Treibern und einer Anwendersoftware zur bertragung und Installation der Echtzeitprogramme ben tigt wird um den Messprozess zu starten Soll das Echtzeitsystem hingegen im Stand alone Betrieb ohne Verbindung zum Host DC genutzt wer den k nnen die Echtzeitprogramme alternativ im nicht fl chtigen ROM des CPU Moduls zusammen mit einem Installationsskript abgelegt werden Dieses wird nach der Inbetriebnahme der MAX 5dip selbst st ndig ausgef hrt und installiert alle vorhandenen Programme unter einer den Vorgaben entsprechenden Task Der entscheidende Nachteil dieser Variante ist jedoch dass die Datenspeicherung ber
135. chiedene physikalische Einfl sse hinsichtlich der Signalausbreitung ist die Genau igkeit der einfachen satellitengest tzten Positionsbestimmung f r die vorliegende Aufgabe nicht aus reichend Zur Verringerung der systematischen Einfl sse und einer damit verbundenen deutlichen Ge nauigkeitssteigerung wurden eine Reihe von Erweiterungen des Messverfahrens und Verfeinerungen der Auswertemethodik entwickelt Hierzu z hlen insbesondere die differentielle Auswertung Kapitel und die darauf aufsetzende Vernetzung von Referenzstationen Kapitel 13 6 3 durch deren Einsatz Ge nauigkeiten der Einzelpunktbestimmung von besser als 0 01 m m glich sind Im Hinblick auf eine sp tere Erweiterung des Systems besteht bei der Verwendung von GNSS auch f r hohe Genauigkeitsanforderungen die M glichkeit einer Positionierung in Echtzeit 2005 3 6 2 DGPS und SAPOS F r eine hochgenaue Positionsbestimmung mit satellitengest tzten Messverfahren ist die gleichzeitige Beobachtung von Tr gerphasenmessungen durch mindestens zwei Empf nger notwendig H ufig wird hierbei zwischen relativer und differentieller Positionsbestimmung unterschieden die sich jedoch im We sentlichen durch den Zeitpunkt der Auswertung unterscheiden Bei relativer Positionierung werden die von zwei Empf ngern durchgef hrten Beobachtungen im Postprocessing auf einem gemeinsamen Rechner ausgewertet bei der differentiellen Positionierung werden die Beobachtungen des Referenze
136. chlie lich zur Durchf hrung der Datenerfassung zust ndig ist Wird eine solche Plattform oh ne externe Peripherie wie Tastatur Maus und Bildschirm betrieben spricht man allgemein von einem Headless System Da das embedded System lediglich einen begrenzten Hauptspeicher besitzt ist es h ufig mit einem PC oder Notebook verbunden Abbildung zeigt die typische Aufgabenteilung zwischen Echtzeitplattform und Host System im Schaubild seriell Ethernet d Echtzeit Programme ke Messdaten je Abbildung 5 1 Kommunikation zwischen Host PC und Echtzeitsystem Die Entwicklung von Echtzeitanwendungen findet berwiegend auf dem Host Rechner statt der unter Standardbetriebssystemen wie Windows oder Unix Linux l uft ber serielle oder Netzwerkverbindungen werden die entwickelten Echtzeitprogramme auf die Echtzeitplattform bertragen auf der die eigentliche 5 2 Echtzeitbetriebssysteme 55 Messdatenerfassung mit Hilfe der verschiedenen I O Module stattfindet Der Host Rechner bernimmt die Interaktion mit dem Benutzer steuert den Messprozess und sorgt f r eine dauerhafte Speicherung und Weiterverarbeitung der Messdaten auf Massenspeichermedien Neben den diskutierten zeitlichen Forderungen tragen auch die Flexibilit t der Systemkonfiguration sowie die Mobilit t der Messhardware zur Nutzbarkeit eines Mapping Systems bei und sind bei der Aus wahl einer echtzeitf higen Hardwareplattform zu ber cksichtigen Hierbe
137. chritt erfordern aufgrund des sehr hohen Datenvolumens in erster Linie eine maximale Prozessierungsgeschwindigkeit sowie die optimale Ausnutzung der Hardwareressourcen 8 2 Steuerung des Messablaufs Zur Steuerung des Messablaufs sind die angeschlossenen Sensoren und Messrechner auch auf der Soft wareebene in ein gemeinsames System einzubinden Als bergeordnetes Ziel ist an dieser Stelle die nahtlo se Integration der Sensoren sowie deren Steuerung durch eine zentrale Softwarekomponente zu verfolgen Nur hierdurch k nnen der geforderte Automationsgrad und eine benutzerfreundliche Steuerung gew hr leistet werden Die Steuerung des Messsystems erfolgt hierbei auf einem zentralen Notebook das gleichzeitig zur Spei cherung der Scanner Daten und als Host System f r den Echtzeitrechner verwendet wird Somit k nnen die im Zeitstempel des GPS Empf ngers enthaltenen Statusinformationen zur dynamischen Steuerung des Scanvorgangs genutzt werden da sowohl die Daten des Messrechners als auch die Steuerung des Scanners auf einer gemeinsamen Plattform vollzogen wird In diesem Zusammenhang wird der Vorteil der in Abbildung 6 22 dargestellten embedded L sung deutlich bei der die MAX5dip in Verbindung mit einem Host PC zum Einsatz kommt Als einziger Sensor kann die Messdatenerfassung des GPS Empf ngers nicht durch die zentrale Soft warekomponente gesteuert werden Da die verwendeten Empf nger jedoch ber ausreichend internen Speiche
138. chromatische LED die zwischen den einzelnen Modulsteckpl tzen positioniert sind Neben diesen LED kann auch ein optionales Display oder Touch screen ber Bibliotheksfunktionen angesteuert und zur Signalisierung von Betriebszust nden oder zur Kontrolle von Sensordaten genutzt werden Zusammen mit der M glichkeit Programme direkt aus dem ROM des CPU Moduls zu installieren besteht die M glichkeit ein vollst ndig autonomes Echtzeitmess system auf Basis der MAX5dip zu betreiben Abbildung 6 21 Obwohl die MAX5dip auch ohne eigenes CPU Modul betrieben werden kann werden f r die Datener fassung in Echtzeit folgende Komponenten ben tigt e CPU Modul Intel 80486 oder XScale e OsX oder Windows CE auf CPU Modul e Echtzeitf hige Programme zur Datenerfassung 6 3 Das Echtzeitmesssystem 87 Die Datenerfassung ber die MAX5dip kann hierbei in zwei Betriebsarten durchgef hrt werden Der Einsatz als embedded System in Verbindung mit einem Host P ist insbesondere zur System und Soft wareentwicklung sowie bei zur Erfassung gro er Datenmengen von Vorteil Die Kopplung an den Host DC ist vor dem Hintergrund des begrenzten Speichers der CPU Module in den F llen notwendig wenn lang andauernde Messaufgaben oder hohe Abtastraten ben tigt werden Im Rahmen der Systementwicklung k nnen die auf dem Host PC mit speziellen Compilern erstellten Programme direkt vom Host auf dem CPU Modul installiert und getestet werden Ankopplung
139. chtung geringere horizontale Erfassungsgeschwindigkeiten da eine Umkehr 48 4 Terrestrische Laserscanner der Scanrichtung zwischen zwei Profilen notwendig wird Bei einigen Modellen werden die Objektpunkte sowohl in der Aufw rts als auch in der Abw rtsbewegung Punkte erfasst so dass in diesem Fall von einer gegenl ufigen Zeilen oder Spaltensequenz gesprochen wird Die Geschwindigkeit in vertikaler Richtung also innerhalb einer Scanzeile ist jedoch im Wesentlichen von der Qualit t der signalverarbeitenden Komponenten abh ngig Insbesondere bei der Betrachtung der Strahlablenkung von aktuellen Scannermodellen wird deutlich dass prinzipiell jeder Scanner in der Lage ist Profilmessungen durchzuf hren Aufgrund der hierzu notwendigen schnellen Bewegung der Ablenkeinheit Spiegel kommen jedoch nur Ger te mit rotie rendem Schr g und Polygonspiegel hierf r in Frage Systeme mit rotierenden Spiegeln sind bedingt durch ihre konstante Drehgeschwindigkeit in der Lage Profilfrequenzen von fp 50 Hz Zoller Fr hlich Imager 5006 zu realisieren Der von der Firma Riegl verwendete Polygonspiegel kann sowohl oszillie rend als auch rotierend eingesetzt werden um ihn je nach Anwendung auf maximale Profilfrequenzen rotierend oder auf maximale Datenraten in Zeilenrichtung oszillierend zu optimieren 4 5 Profilmessende Scanner 4 5 1 Vorauswahl Obwohl eine breit gef cherte Auswahl an profilmessenden Laserscannern am Markt existiert
140. chwarz Wei bergang zwischen den Feldern einer Z F Zielmarke Abbildung 7 10 als Diskretisierungselement verwendet werden Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Indexabweichung des Vertikalencoders mit einem Wert von 400 Ge ert err 400 0 02 mgon 7 3 bestimmt Dieser kann ebenso wie die Ber cksichtigung der Achsfehler vor der Transformation der Ob jektpunkte vom Scanner in das Fahrzeugkoordinatensystem ber cksichtigt werden 102 7 Pr fung und Kalibrierung der Komponenten 7 3 2 Achsabweichungen Die bereits von Theodoliten bekannten systematisch auf die Winkel messung wirkenden Effekte der Ziel und Kippachsabweichung treten bedingt durch die hnlichkeit des Messverfahrens auch bei 3D Laser L g d eh i t 1 Die ah A WW W g P Ia scannern auf Da der Einfluss auf die Punktbestimmung den nicht SI korrigierte Achsabweichungen besitzen mit zunehmender Entfernung SI linear ansteigt sind Ziel und Kippachsabweichungen des verwendeten 108 Scanners zu bestimmen 106 Hierzu wurde ein Verfahren verwendet welches von NEITZEL CR Be exemplarisch mit einem Laserscanner durchgef hrt wurde der bau gleich mit dem in dieser Arbeit verwendeten Sensor war Hierbei kann Se eine Kalibrierung der Achsfehler mit beliebigen Zielmarken oder Ku For geln durchgef hrt werden Zu diesem Zweck wurden im Labor insgesamt 24 Standardzielmar ken von Zoller Fr hlich ber einen 107 gon gro en Ausschn
141. d dem Messergebnis ab Bez glich des Kalibrierverfahrens werden die Ans tze der System oder Komponentenkalibrierung unterschieden die in Kapitel 7 1 2 vor gestellt werden W hrend bei tachymetrischen Messungen diskrete Punkte als origin re Messgr en erfasst werden steht bei Laserscannermessungen meist die fl chenhafte Erfassung von Objekten oder Objektteilen und deren anschlie ende Modellierung im Vordergrund Aus diesem Grund k nnen sowohl einzelne Sensorkom ponenten als auch der gesamte Ablauf einer Laserscannermessung bestehend aus Scanning Verkn pfung von Einzelscans Segmentierung und Objektmodellierung das Ziel einer Kalibrierung sein Hierbei ist es grunds tzlich m glich auch die Mess und Auswertesoftware f r Laserscans einer Kalibrierung zu unterziehen 7 1 2 System und Komponentenkalibrierung Die Struktur moderner geod tischer Messinstrumente zu denen elektronische Tachymeter und Laserscan ner zu z hlen sind kann durch das in Abbildung 7 3 dargestellte Schichtmodell beschrieben werden Die verschiedenen Sensoren und Aktoren werden hierbei zu Komponenten und diese wiederum zu Modulen zusammengefasst Tabelle 7 1 zeigt die verschiedenen Systembestandteile am Beispiel eines terrestrischen Laserscanners Die Zuordnung der einzelnen Elemente zu bestimmten Modulen oder Komponenten sollte jedoch nicht streng ausgelegt werden So k nnen Temperatursensoren Sensor 1 2 A zum Beispiel von mehreren Kom
142. d die 0 03 Abtastrate der Empf nger 10 Hz betrug kommt nur die Tak 0 02 0 0 02 Rechts m trate der virtuellen SAPOS Referenzstation als Erregerfrequenz in Betracht die mit Hilfe des in Kapitel 3 6 4 beschriebenen In terpolationsansatzes auf 10 Hz erh ht wurde Somit bleibt zu Abbildung 9 32 Einzelpunktpositionen vermuten dass durch den gew hlten linearen Ansatz zwischen zwei benachbarten Epochen systematische Effekte mit einer Fre quenz von 1 Hz in den Daten verbleiben 337 rz Azimut Basis 1 2 GPS 1 Trimble 5700 GPS 3 Trimble R8 Polynomfunktion Azimut gon 334 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 Zeit s Zeit s Azimut Basis 1 3 Azimut gon Q3 GA D Amplitude gon o ee Fr ei Ki Sc C3 T Pl 335 i Rd i Azimut Basis 1 3 a i Polynomfunktion i eng E PEE E T T 0 100 200 300 400 500 0 1 2 4 5 Zeit s Frequenz Hz Abbildung 9 33 Azimute der Basen durch relatives Abbildung 9 34 PDOP und Frequenzspektrum der DPGS Basis 1 3 Der Vergleich der Azimutwerte aus Kalibrierungs und direkten GPS Messungen in Tabelle 9 2 macht deutlich dass Azimutdifferenzen mit Hilfe relativer GPS Messungen mit Standardabweichungen von 0 12 gon zum Sollwert bestimmbar sind Unter Ber cksichtigung der vorhandenen systematischen Ef fekte die aufgrund von Variationen der Satellitenkonfiguration auf die Azimute
143. das System erstellte Punktwolke m glichst hochaufgel st sein Die Forderung nach hoher Aufl sung kann nicht al lein durch eine kleine Schrittweite der Strahlablenkung erf llt werden da sich diese ausschlie lich in der Ebene des Scanprofils auswirkt In Fahrtrichtung h ngt die realisierbare Punktdichte neben der Fahrtge schwindigkeit vor allem von der Profilfrequenz des Scanners ab die aus diesem Grund ein hohes Gewicht bei der Wahl des passenden Laserscanners besitzt F r den Einsatz im vorliegenden System wurde der Imager 5003 von Zoller Fr hlich auch Leica HDS 4500 ausgew hlt Wie bereits in Kapitel 4 5 6 diskutiert besitzt dieser Scanner ein vergleichsweise gro es Gesichtsfeld von 320 und erf llt zudem die an das System gestellten Anforderungen vollst ndig Eine ausf hrliche bersicht ber die Leistungsdaten des Imager 5003 kann Anhang A entnommen werden Der Imager erm glicht in der Standardausf hrung Profilfrequenzen zwischen 12 5 Hz und 33 Hz die nach Angaben des Herstellers auf bis zu 50 Hz erh ht werden kann Die r umliche Aufl sung in Profilrich tung ist wie bereits in Kapitel 4 5 2 diskutiert abh ngig von der gew hlten Profilfrequenz Tabelle 4 3 Das Nachfolgemodell Imager 5006 das zum Zeitpunkt der Systementwicklung noch nicht verf gbar war erm glicht dar ber hinaus Profilmessungen mit einer Frequenz von bis zu 100 Hz Profilfrequenz Queraufl sung 20 m Entfernung 5 km h L ngsaufl
144. den gesamten Messzeitraum im RAM des CPU Moduls vorgenommen werden muss was bei hohen Abtastraten einer sro en Anzahl an Schnittstellen oder langen Messkampagnen nicht immer m glich ist Dar ber hinaus ist eine Modifikation der kompilierten Programme oder ihrer Parametertabellen nur in Verbindung mit einer erneuten bertragung ins ROM der CPU m glich 8 3 3 Timer und ereignisgesteuerte Programmierung Die Programmierung von Systemen zur Erfassung asynchron auftretender Datensignale erfordert unab h ngig von Echtzeitanforderungen h ufig ereignisgesteuerte Funktionsaufrufe Abbildung 8 4 Bei sehr geringen Anforderungen an die Latenzzeit kann eine Signalerfassung auch durch regelm ige Abfrage von Schnittstellen in vordefinierten Intervallen erfolgen Eine solche Vorgehensweise ist jedoch f r Echt zeitanforderungen nicht umsetzbar da dies zu einer erheblichen Prozessorlast aufgrund h ufiger Abfragen f hrt Soll eine ereignisgesteuerte Messdatenerfassung realisiert werden kommen aus diesem Grund in der Regel Interrupts zur Anwendung Zur Ausl sung von Interrupts und somit zur Ausf hrung bestimm ter Programmfunktionalit ten k nnen je nach Anwendung die Pegel von Digital und Analogeing ngen sowie Z hler oder Timermodule genutzt werden Nach einer Interruptausl sung wird unter OsX die jenige Task durch das Betriebssystem aktiviert der die entsprechende Interruptnummer w hrend der Installation zugewiesen wu
145. den sollen sind nach M g lichkeit nicht durch Service Requests an das Host System weiterzugeben sondern direkt auf der Max CPU zur Ablaufsteuerung zu verwenden Dies ist in erster Linie durch die Reaktionszeit des unter Windows laufenden Host Systems begr ndet dessen Latenzzeiten weder pr dizierbar noch beeinflussbar sind und somit Echtzeitanforderungen nicht erf llen k nnen Dar ber hinaus werden SRQ auf dem Max PC durch NI Tasks verwaltet die eine geringe Priorit t gegen ber Interrupt und Timer Tasks besitzen Kapitel RER e Die Geschwindigkeit der Datenerfassungsmodule kann zus tzlich erh ht werden wenn auf verschie dene Pr fmechanismen innerhalb der MDD verzichtet wird Dies betrifft die Konsistenzpr fung anwenderspezifischer und betriebssysteminterner Parameter und Funktionsaufrufe Ein Verzicht auf Pr fungen dieser Art ist nach erfolgreichem Test eines konfigurierten Systems m glich Die Pr fung einzelner Datenmodule auf Hardwarefehler kann jedoch nicht umgangen werden e Eine zus tzliche M glichkeit zur Steigerung der Erfassungsgeschwindigkeit bei sehr hohen Da tenraten besteht in der Ausgabe von Rohdaten der jeweiligen Schnittstellen Am Beispiel eines A D Wandlungsmoduls kann die Ausgabe unkorrigierter Rohdaten erfolgen die standardm ig in Mikrovolt uV oder Nanoampere nA angegeben werden 8 4 Auswertesoftware RAMSYS PCloud 8 4 1 Workflow Die eigentliche Auswertung der gemessenen Daten die zur E
146. der Internal Sync Timer Abbildung 4 9 der Firma Riegl zu nennen der beispielsweise im GeoVAN System zum Einsatz kommt Arands u a 2005 Die Varianten B und C haben gemeinsam dass die Synchronisierung der Daten au erhalb des Scanners geschieht Bei L sung C wird die bereits angesprochene Event Marker Option von GPS Empf ngern zur Referenzierung externer Rechtecksignale genutzt Hierbei wird derjenige Zeitpunkt erfasst und im Datenstrom des Empf ngers abgelegt an dem die steigende Signalflanke eines anliegenden Rechtecksi snals einen definierten Pegel berschreitet Bei dieser L sung besteht jedoch die generelle Einschr nkung dass schnittstellenbedingt ausschlie lich Rechtecksignale genutzt werden k nnen da diese Event Marker Schnittstelle des Empf ngers nicht in der Lage ist RS 232 codierte digitale Daten mit vertretbarem Aufwand zu erfassen Aus diesem Grund kommt eine solche L sung f r das vorliegende Problem nicht in Betracht Die gr te Flexibilit t hinsichtlich der Synchronisierbarkeit unterschiedlicher Sensortypen und Daten formate bietet Option B bei der nicht nur die vom Scanner sowie GPS Empf nger erzeugten Recht ecksignale sondern auch zus tzliche Sensordaten in einem zentralen Echtzeitrechner erfasst und zeitlich referenziert werden k nnen Abh ngig von den zur Verf gung stehenden Schnittstellenmodulen ist die Erfassung beliebiger Datenformate und Signaltypen problemlos m glich Die Synchronisierun
147. der Kapazit t der verwendeten Leitung abh ngig ist Die Abh ngigkeit der bertragungsleistung von der Leitungskapazit t resultiert aus dem Innenwiderstand des Sendebausteins durch den der notwendige Zeitraum f r die Umladung der Leitungskapazit t abh ngig von der Schnitt stellengeschwindigkeit begrenzt wird Somit k nnen bei Verwendung von Leitungen mit sehr niedriger Kapazit t durchaus gr ere L ngen standardkonform berbr ckt werden Im Hinblick auf die in Mobile Mapping Systemen ben tigten Leitungsl ngen von weniger als 10 m sind jedoch keine Einschr nkungen der bertragungsleistung zu erwarten Die elektrische Signal bertragung erfolgt bei seriellen Schnittstellentypen meist bipolar das hei t mit positiven und negativen Betriebsspannungen gleicher Gr e Hierzu sind jeweils zwei Betriebsspannungen mit entgegengesetztem Vorzeichen notwendig welche die logischen Zust nde 1 25 V bis 3 V und 0 3 V bis 25 V definieren Wie schon bei der Definition der TTL Pegel in Kapitel 6 3 3 gilt auch f r serielle Schnittstellen dass das Spannungsintervall zwischen oberer und unterer Grenze f r die RS 232 zwischen 3 V und 3 V nicht verwendet werden darf da der Zustand in diesem Bereich undefiniert ist 1 Byte Nutzdaten 12 Bit RS 232 Parameter 19 200 Baud i 8 Datenbits Odd Parit t 2 Stopbits E 588 Ke 5 S 4 Nutzdaten SO JI oO oO oo oO oO ZS oO A ASCII 0
148. der hannoverschen Nordstadt auf Parkpl tzen Sportanlagen und dem gesamten Universit tsgel nde Der Firma Zoller Fr hlich aus Wangen in Person von Dr Christoph Fr hlich Franz H rtl J rg Meixner und Markus Ehm geb hrt ein ganz spezieller Dank f r die hervorragende und stets engagierte Unterst tzung zur Fertigstellung des aktuellen Prototypen Besonders hervorheben m chte ich an dieser Stelle Herrn Ltd VmDir Dieter Kertscher der mich als Leiter der Beh rde f r Geoinformation Landentwicklung und Liegenschaften Braunschweig w hrend meines gesamten Referendariates in hervorragender Weise unterst tzt hat Nicht zuletzt durch ihn war es m glich diese Arbeit termingerecht fertigzustellen Vor allem aber gilt mein pers nlicher Dank meiner Lebensgef hrtin Sarah Schwiening die durch ihr unerm dliches Lektorat dieser Arbeit einen wesentlichen Beitrag geleistet hat Ihr Verst ndnis ihre au Bergew hnliche Geduld und der mehrj hrige Verzicht auf Urlaube und gemeinsame Wochenenden haben das Gelingen dieser Arbeit erst m glich gemacht 172 Lebenslauf 17 03 1975 Schulausbildung 1981 1985 1985 1987 1987 1994 Grundwehrdienst 1994 1995 Berufsausbildung 07 1995 09 1995 10 1995 03 2000 07 2000 09 2000 10 2000 04 2006 05 2006 Sonstige T tigkeiten 04 2000 06 2000 173 Christian Hesse Geboren in Bremen Grundschule Wittorf Orientierungsstufe Visselh vede R
149. dert werden indem die korrespondierende Zeile der Designmatrix A durch einen Nullvektor ersetzt wird Hierdurch hat eine solche Beobachtung weder Einfluss auf die Innovation 3 29 noch auf die Verst rkungsmatrix 3 32 und wird somit nach Gleichung 3 33 nicht zur Aufdatierung des Zustandsvektors verwendet K nnen hingegen keine groben Fehler im Beobachtungsmaterial festgestellt werden so sind die Verbes serungen des pr dizierten Zustandsvektors o d v7 n her zu untersuchen Praktisch bedeutet dies dass das angenommene Modellverhalten zum Beispiel durch eine der Ursachen von der Realit t abweicht die in Kapitel 3 4 1 genannt wurden Da Position Geschwindigkeit und Beschleunigung eines Punktes in jeder Koordinatenrichtung stark korreliert sind erscheint es sinnvoll den auf die Koordinatenrichtung bezogenen Subvektor der Verbesserung el 3 38 zusammenh ngend zu testen F r diese Fragestellung kann eine F verteilte Testgr e formuliert werden 1987 Bezeichnet dim die Dimension des Zustandsvektors so lautet diese T Nn vi Q 0 L I N X3dim 3 39 09 Eine ermittelte Modellst rung kann dadurch ber cksichtigt werden dass die Varianz der St rbeschleu nigung f r az a oder a Formel 3 20 in D erh ht und der gesamte Filterschritt wiederholt wird Der Betrag f r die additive Varianz der St rbeschleunigung sollte aufgrund von Erfahrungswerten festgelegt werden Zu beachten ist insbesondere
150. derung Eine Transformation der gescannten 2D Objektpunkte in das bergeordnete System der Punktwolke gelingt in diesem Fall ber eine zeitliche Referenzierung zwischen Punkterfassung und den entsprechenden Orientierungsparametern des Scanners Hierzu ist der Erfassungszeitpunkt f r den Zenitwinkel CG und die Raumstrecke Sr des i ten Scanpunktes G J t P 1 1 zu bestimmen der auf eine Zeitskala 7 bezogen ist Wenn auch die Position X scanner und die r umliche Orientierung Rscanner des Scanners als zeitabh ngiger Zustandsvektor y t mit 2 X Ener wir Fi 1 2 bekannt sind k nnen die zweidimensionalen Profildaten grunds tzlich in eine dreidimensionale Punkt wolke transformiert werden Die Schwierigkeit bei der Umsetzung dieses L sungsansatzes besteht darin dass die Scanpunkte P auf eine Zeitskala T Ta bezogen sind deren Versatz zu To zun chst unbekannt ist F r eine Umrechnung der 2D Profilmessungen in eine 3D Punktwolke sind somit drei zentrale Probleme zu l sen 1 Bestimmung der vom Scanner zur ckgelegten Trajektorie 2 Bestimmung der r umlichen Orientierung des Fahrzeuges Scanners 3 Zeitliche Referenzierung von Fahrzeugposition und Scannerdaten 12 1 Einleitung Die Bestimmung der Fahrzeugtrajektorie kann wie bei herk mmlichen Mobile Mapping Systemen auch mit Hilfe satellitengeod tischer Verfahren oder zielverfolgender Tachymeter erfolgen Nicht nur f r die Transformation der
151. des Fahrzeugazimutes verzichtet werden die gleichbedeutend mit engen Kurvenradien bei erh hten Geschwindigkeiten sind Zum anderen w re die adaptive Steuerung der zul ssigen St rbeschleunigungen w hrend der Kalman Filterung denkbar bei der eine Anpassung der St rbeschleunigungen an fahrdynamische Randbedingungen erfolgt Hierdurch lie e sich eine starke Gl ttung der Trajektorie auf Streckenabschnitten mit hoher Geschwindigkeit und somit weiter entfernten GPS Positionen erreichen wohingegen bei geringeren Fahrtgeschwindigkeiten die f r enge Kurvenfahrten notwendig sind h here St rbeschleunigungen zugelassen werden 28 2 r i SS GPS Rohdaten Kalman Wor R ck RTS 28 1 r 4875358 44 536 amp 4675 5 27 8 Sprungstelle MT u 4875335 467532 5 Sprungstelle _ en I 126 5 126 125 5 125 124 5 124 123 5 123 122 5 Rechts m Abbildung 9 19 Filterverhalten bei Unstetigkeiten Unabh ngig von der Wahl des stochastischen Modells sollen im Folgenden die Unterschiede zwischen den bereits genannten Gl ttungsans tzen anhand verschiedener realer Messdaten diskutiert werden Die bei der kinematischen Einzelpunktpositionierung mit GPS anzutreffenden systematischen Vers tze ent lang der Trajektorie hier Sprungstellen genannt sind in aller Regel schwer von unbeeinflussten Messwer ten zu unterschieden Abbildung zeigt eine mit Sprungstellen berlagerte Trajektorie die entlang einer Hausfassad
152. die in Tabelle 8 3 beschriebenen Programme umgesetzt die als Echtzeittasks unter dem Betriebssystem OsX laufen und im Folgenden als RAMSYS RT Module bezeichnet werden sollen Nach der bertragung auf das CPU Modul der Initialisierung aller Betriebssystemtabellen sowie der Installation unter einer Task Kapitel 8 3 2 erfolgt die eigentliche Umsetzung der gew nschten Programmfunktionalit t Abbildung 8 6 ber diese Programme SEIN der Task Zugriff auf externe Tasks Hardware Sin his naeh Detsnettassung PER CS RT Clock eg auslesen 5 Daten von Schnittstelle Schnittstelle lesen een 7 Digitai O AD Seriell Legende EDS E S lt Entscheidung gt i Ke E 2 e w Nein _ Puffer voll N Daten gt Ringpuffer Dee EE Entwickeltes DA Auswertemodul Daten Adaptiertes Auswertemodul Host PC Ende RAMSYS Control Messhardware feeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeb Kassen 2222222222222 2222220 Abbildung 8 6 Workflow der RAMSYS Realtime Module Mit Ausnahme des unter einer NI Task installierten Moduls das in unregelm igen Abst nden durch den Scheduler aufgerufen wird erfolgt die Aktivierung der jeweiligen Task durch Ablauf eines Timers oder die Ausl sung eines definierten Interrupts Die unverz gliche Abfrage der Echtzeituhr wird mit Hilfe des in Kapitel 8 3 2 beschriebenen Zugriffs auf den Parameterbereich der Uhr T
153. dlegende Vorgehensweise Die mit dem vorgestellten Prototypen durchgef hrte Umgebungserfassung hat zum Ziel Koordinaten von gescannten Objektpunkten in einem f r den Nutzer ad quaten Format und Koordinatensystem zu erzeu gen Die in Tabelle 3 1 gelisteten Systeme bilden hierbei die Grundlage f r die Wahl eines Zielsystems F r die sp tere Nutzung der Daten ist ein solches System aus praktischen Gr nden h ufig als lokales Koordi natensystem auf Grundlage der Gau Kr ger oder UTM Abbildung mit einem ad quaten H hensystem realisiert Ein solches Zielsystem bietet den erheblichen Vorteil dass eine Nord S d Ausrichtung und eine zumindest n herungsweise Orientierung an der Lotlinie m glich ist Insbesondere bei Visualisierun gen erschlie t sich dem Nutzer hierdurch ein deutlich einfacherer Zugang zu den erfassten r umlichen Informationen 3 2 Transformation der Messungen in ein Gebrauchskoordinatensystem 23 Aus diesem Grund erscheint die Gau Kr ger Ebene mit einem noch zu w hlenden H hensystem als ideales System um die erfassten Messungen einer sp teren Nutzung zuzuf hren wobei durch Anpassung einiger Parameter auch die Transformation in UTM Koordinaten ohne gro e nderungen m glich ist Bei Systemen in denen eine Inertialmesseinheit IMU zum Einsatz kommt wird eine Transformation der Sensordaten standardm ig auf dem in Abbildung B 4 dargestellten Weg durchgef hrt Dua Orientierung der IMU JOE Rau Position de
154. e e Laserscanner e Inklinometer Im Bezug auf die notwendige Echtzeiterfassung von Daten sind vor allem die Latenzzeiten des Echt zeitrechners zu pr fen die wesentlich durch die gew hlte Systemkonfiguration und daraus resultierende Systemlast bedingt sind Diese m ssen geeignet sein eine ausreichend genaue Zuordnung von Scanprofi len zu dem dazugeh rigen Ort sowie der r umlichen Orientierung vornehmen zu k nnen Da Latenzzeiten stark von der Systemkonfiguration abh ngig sind m ssen sie bei einer Erweiterung des Prototypen um zus tzliche Sensoren neu bestimmt werden Dar ber hinaus sind die im Rahmen der Kalibrierungen ermittelten Driften des Echtzeitsystems zu beachten wenn gr ere Strecken bei gleichzeitiger Unterbrechung der GPS oder GLONASS Signale zu erwarten sind Dies ist im wesentlichen durch die Drift der Echtzeituhr begr ndet die erst nach einer Einlaufzeit von mindestens 6 Minuten linear modelliert werden kann Neben dem Aspekt der Referenzierung sind vor allem die beim Laserscanner vorhandenen Achsab weichungen zu bestimmen und rechnerisch anzubringen zumal diese wie auch die Untersuchung eines 112 7 Pr fung und Kalibrierung der Komponenten baugleichen Scanners gezeigt hat signifikante Gr enordnungen annehmen k nnen Erg nzend ist jedoch anzumerken dass nicht alle Achsabweichungen f r die Messung im 2D Profilmodus relevant sind Insgesamt wurde gezeigt dass verschiedene systematische
155. e bei da geringe systematische Abweichungen der GPS Positionen aufgrund des Extrapolationseffektes des Azimutes vergleichsweise gro e Verzerrungen in seitlich entfernten Bereichen der Punktwolke hervorrufen Auch im Rahmen dieser Arbeit wurden die in der geod tischen Messpraxis obligatorischen Kalibrie rungen durchgef hrt um einen funktionalen Zusammenhang zwischen verschiedenen Einflussgr en und den durch sie hervorgerufenen systematischen Effekten der Ergebnisgr en herstellen zu k nnen Hierbei wurden sowohl mechanisch begr ndete Abweichungen der Sensorachsen als auch die Abh ngigkeit von Temperatureinfl ssen im Rahmen von Komponentenkalibrierungen bestimmt Systemevaluierung Im Rahmen einer abschlie enden Evaluierung wurde der entwickelte Prototyp hinsichtlich der Qualit t der erfassten Daten sowie der erzielbaren relativen und absoluten Genauigkeiten im Objektraum durch Vergleichsmessungen in unterschiedlichen Testumgebungen untersucht Hierbei ist zu bedenken dass das System aufgrund der reduzierten Sensorik auf einen ausreichenden GPS Empfang angewiesen ist und somit weniger gut f r den Einsatz in Stra enschluchten oder gar Tunnelbauwerken geeignet ist Es stellte sich heraus dass fahrdynamische Effekte die zu periodischen Rollbewegungen des Fahrzeuges f hren vom verwendeten Inklinometer aufgrund der auftretenden Querbeschleunigungen nicht korrekt erfasst werden und somit zu unkompensierten systematische
156. e Installation der Echtzeitprogramme auf die MAX5dip Da die zur Bestimmung der Orientierungsparameter des Scannersystems verwendeten Zielmarken auf der Plattform w hrend der Messung durch zahlreiche Sensoren verdeckt sind kann die Ausrichtung des Scan ners auch mit Hilfe der in Kapitel beschriebenen Referenzkugel geschehen deren Sollkoordinaten im Fahrzeugsystem bekannt sind Zeitstempel des PPS Signals Zeitstempel Abbildung 8 2 Workflow des RAMSYS Control Moduls Nach dem Start einer Messung bernimmt RAMSYS Control die Kommunikation mit den auf der MA xd laufenden Echtzeitprogrammen die im wesentlichen aus der Speicherung der erfassten Mess daten besteht Im Unterschied zur MAX8dip muss eine dauerhafte Speicherung der vom Echtzeitsystem erfassten Messwerte auf dem Host DC durchgef hrt werden da die MAX5dip keine Anschl sse f r externe Speichermedien besitzt Der von Echtzeitrechner erfasste ASCII Zeitstempel des PPS Signals in dem die Informationen ber die Anzahl der Satelliten und die Art der Positionsl sung enthalten sind kann nun optional zur Steue rung des Scanvorgangs genutzt werden So kann im Falle einer l nger andauernden Unterbrechung der 116 8 Messung und Auswertung der Daten Satellitensignale die Positionsbestimmung ausgesetzt werden da eine Pr diktion der Trajektorie mit zu nehmender Dauer nicht zuverl ssig m glich ist Zudem kann der aktuelle Systemzustand dem Benutzer permanent
157. e Scanner 53 Unter Bewertung der in Kapitel 4 5 1 definierten Anforderungen erf llen nur der Imager 5003 sowie sein Nachfolger Imager 5006 von Zoller Fr hlich alle Voraussetzungen f r den uneingeschr nkten Einsatz im vorliegenden System Beide Scanner sind als Panoramascanner in der Lage vollst ndige Profilmessungen mit Profilfrequenzen von mehr als 25 Hz und einer ausreichend hohen Aufl sung im Objektraum durchzuf hren Neben den ad quaten Genauigkeiten der Streckenmessung bieten beide Ge r te die M glichkeit einer direkten Referenzierung der Scannerdaten Nur hierdurch kann eine pr zise Synchronisierung mit anderen Sensoren erfolgen Der Riegl LMS Z390 ist verglichen mit den Imager Modellen hinsichtlich Distanzgenauigkeit und Aufl sung als gleichwertig anzusehen und bietet ebenfalls die M glichkeit einer direkten Referenzierung der Scannerdaten mittels PPS Puls Nachteilig wirken sich bei diesem Sensor der eingeschr nkte Sichtbe reich aus der eine gleichzeitige Aufnahme beider Stra enseiten nur durch Verwendung mehrerer Scanner m glich macht Zudem ist die Profilfrequenz mit maximal 20 Hz geringer als die der Imager Auch die Profilscanner der LMS und LD Serien von Sick k nnen prinzipiell f r Mobile Mapping Systeme eingesetzt werden wie die in Kapitel vorgestellten Systeme MoSES GeoVAN VLMS und SwissTrolley zeigen Sie kommen jedoch trotz der vergleichsweise geringen Anschaffungskosten nicht in Frage da sie die definierten An
158. e Umgebungsbedingungen w hrend der Messung sor gen Idealerweise lassen sich hierdurch Umgebungsbedingun gen schaffen die auch bei der Kalibrierung aller Sensoren im Labor vorherrschten so dass temperaturbedingte Messab weichungen ausgeschlossen werden k nnen Ein solches Vorgehen wird im Fall des GeoVAN Systems verfolgt bei dem die Mehrzahl der Sensoren innerhalb ei ner klimatisierten Sensorkammer untergebracht sind TALA 2004 Neben dem hohen technischen und finan ziellen Aufwand wirkt sich bei dieser L sung vor allem der deutlich erh hte Stromverbrauch des Gesamtsystems negativ aus Abbildung 6 15 QuaT Sensor Zum anderen k nnen externe Temperatursensoren zur Er fassung der aktuellen Umgebungs oder Sensortemperatur verwendet werden sofern die Einzelsensoren keine internen Temperaturmessungen durchf hren k nnen Diese Alternative ist aus technischer Sicht einfacher zu realisieren erfordert jedoch einen erh hten Auf wand bei der Kalibrierung von Sensoren und der Anbringung von Korrekturwerten Da eine Ermittlung von Temperaturkorrektionen im Rahmen der durchzuf hrenden Kalibrierarbeiten grunds tzlich m glich ist wird f r das vorliegende System der Ansatz einer expliziten Messung der Umgebungstemperatur in Sensorn he pr feriert Als Temperatursensor kommt in diesem System ein QuaT 200 Sensor der Firma W C Heraeus Abbil dung zum Einsatz Der Messwertaufnehmer des QuaT verwendet einen temperaturemp
159. e in umgekehrter Fahrtrichtung im Abstand weniger Minuten durchgef hrt wurden Der Einfluss der Satellitenkonfiguration auf die Genauigkeit der Punktbestimmung wurde durch die zeitnahe 144 9 Validierung des Systems in rs D vg EE ee 2 EN PEN P 3073608 m Rod Zt Se WEITEN 3513511 LT 3508507 18548505 3508503 3593501 BESTEK C2 eene Fe ne WE EE e i W Ka e Ka 546 Ge Fa E a nn ne W fm vg en en ne ae Area en ei ig Nah e wf an na u gt Kategorie E B Abbildung 9 37 bersicht der Objektpunkte Objekterfassung im Hin und R ckweg aufgrund der hierdurch erzeugten positiven physikalischen Kor relationen f r die horizontalen Koordinatenkomponenten weitgehend eliminiert Da das Ziel dieser Untersuchung in der Ermittlung der inneren Systemgenauigkeit besteht ist ein solcher Effekt vorteilhaft Die wesentlichen Kenngr en der beiden kinematischen Objektaufnahmen Evall und Eval2 sind in Tabelle 9 4 aufgef hrt Parameter Evall Eval2 L nge der Trajektorie 168 m 161 m Zeitraum Datenvolumen 150 s 533 MB 146 s 524 MB Geschwindigkeit 1 2 m s 1 2 m s Profilfrequenz abstand 33 Hz 3 5 cm 33 Hz 3 5 cm Mittelwert Tabelle 9 4 Kenngr en der kinematischen Scans Auch bei diesen Vergleichsmessungen f hrte das schon in Kapitel veranschaulichte Problem der Diskretisierung von identischen Punkten zu Schwierigkeiten Hierbei wirkte sich weniger die fehlende
160. e mit einer Erfassungrichtung von rechts nach links bestimmt wurde In diesen Daten sind deutlich zwei Quervers tze zu erkennen die bei der Gl ttung mit Hilfe des Vorw rts R ckw rts Filters zu Abweichungen der Trajektorie f hren die nicht nur auf die Positionen sondern auch auf das abgeleitete Azimut wirken Demgegen ber wird die vom RTS Algorithmus gegl t tete Irajektorie deutlich weniger von den vorhandenen Sprungstellen beeinflusst was sich auch in den Standardabweichungen von Rechts und Hochwert der gefilterten GPS Positionen zeigt Abbildung 19 20 Hierbei sind die erh hten Standardabweichungen der Vorw rts R ckw rts gefilterten Trajektorienpunkte klar zu erkennen die aus den Abweichungen zu den GPS Beobachtungen resultieren 0 03 x h 59 Kalman Vor R ck 8 RTS kee p GPS Rohdaten E 002 38 57 Kalman Worw rts Sn Kalman R ckw rts en E 0 01 l sgl Kalman Vor R ck N RTS I Ve men Se E 57 5 AN 487532 4875933 487534 487545 487346 E 412 GPS Sekunden d t S dr 57 Fr 0 03 ek r T e S ak ie zc kalman Vor R ck Hochwert Br WW RTS 56 5 Ba E 002 AA 3 56 eg gt 0 01 Ru neck el i 55 5 A WT et L A l 487532 487533 487534 487545 487546 E 708 708 704 70 2 70 eng GPS Sekunden Rechts m Abbildung 9 20 Standardabweichung der Rechts und Hochwerte Abbildung 9 21 Vergleich der Filterverfahren bei Kurv
161. e und aufgrund ihrer hohen relativen Genauigkeiten als Referenz f r die Azimutbestim mung genutzt werden kann Die Messungen wurden auf einem Freigel nde vor dem Hauptgeb ude der Universit t durchgef hrt das in Abbildung 9 22 zusammen mit der abgefahrenen Trajektorie zu sehen ist 9 4 Verfahren zur Azimutbestimmung 137 0 15 F r Ss Trajektorie Caz Vorw rts 60 Zeitpunkte Op R ckw rts Innovationen er 1 on RTS 40 200s ga Se 1 e z E 180 s S 10 160 s u 0 a 10 140 s 1205 M 20 ae A L 1 1 m d m 1 Sg x 260 240 220 200 4180 1680 140 120 300 Rechts m Zeit s Abbildung 9 23 Auswertezeitraum und Innovationen Abbildung 9 24 Standardabweichungen der gefilter des Zustandsvektors ten Azimute Die insgesamt 437 m lange Strecke die innerhalb einer Zeitspanne von 330 Sekunden befahren wurde erstreckte sich von der Bibliothek aus ber den Vorplatz des Hauptgeb udes und entlang der Nienbur ger Stra e Im Rahmen der Filterung der GPS Beobachtungen wurden zahlreiche Unvertr glichkeiten des funktionalen Modells detektiert die sich als signifikante Innovationen im Kalman Filter zeigen zu deutlichen Erh hungen der Standardabweichungen der abgeleiteten Azimute f hren Abbildung 9 23 Die Standardabweichungen der aus Vorw rts und R ckw rts Filterung sowie aus der RTS Gl ttung abgeleiteten Azimute sind in Abbildung 9 24 zu sehen Im Vorgriff auf Ergebnisse der empirischen Azimut bestimmu
162. eare Funktion dargestellt werden so dass auch l ngere Zeitr ume ohne GPS Empfang berbr ckt werden k nnen Da die Innentemperatur des Echtzeitrechners nur mit hohem Aufwand bestimmt werden kann sollte sich diese Peripherieeinheit vor einem Einsatz mindestens 6 Minuten in Betrieb befinden 7 6 2 Latenzzeiten Ungeachtet der Tatsache dass der verwendete Messrechner ein Echtzeitbetriebssystem zur Datenerfas sung nutzt k nnen auch hier unerw nschte Verz gerungen bei der Bestimmung der Signalzeitpunkte auftreten Diese wiegen insbesondere bei der Erfassung der digitalen Rechtecksignale schwer so dass eine berpr fung der maximal auftretenden Latenzen notwendig ist Tabelle 7 12 zeigt die beiden Konfigurationen in denen die Latenzzeiten des Systems ermittelt wurden F r die Simulation einer hohen Systemlast sollte zum einen die datenintensive Erfassung von analogen 110 7 Pr fung und Kalibrierung der Komponenten Parameter Hohe Systemlast Geringe Systemlast SRQ Status Ein Aus Puffer Digital IO 50 Byte 0 000 Byte Puffer AD Wandlung 500 Byte 9 000 Byte Abtastrate Scanner 33 Hz 12 4 Hz Abtastrate AccuStar 100 Hz 2 Hz Tabelle 7 12 Vergleich der Latenzzeiten bei unterschiedlicher Systemlast Signalen des Neigungsmessers und zum anderen eine Bestimmung der Interruptzeitpunkte des Scanner signals erfolgen Neben den Kontextwechseln des Betriebssystems die f r eine Umschaltung der ver schiedenen Moduleing nge
163. egenden Prototypen die Synchronisierung mit Hilfe eines durch den Scanner 6 3 Das Echtzeitmesssystem 85 erzeugten Rechtecksignals und eines echtzeitf higen Messrechners umgesetzt werden Zur Ausgabe eines Synchronisierungspulses kann eine weitere Datenschnittstelle des Scanners genutzt werden ber die ein 24 V Rechtecksignal bei jedem Nulldurchgang des Vertikalencoders ausgegeben wird Abbildung lo 18901 6 3 Das Echtzeitmesssystem 6 3 1 Sensorkonfiguration und Datenformate F r die Integration der in den Kapiteln 6 2 1 bis 6 2 4 vorgestellten Sensoren in ein echtzeitf higes Mess system sind heterogene Datenformate und Signaltypen mit unterschiedlichen Datenraten zu erfassen Die Tabelle gibt einen berblick ber die Charakteristika der Daten sowie die Priorit ten und Echtzeitanforderungen mit denen diese zu erfassen sind Datenquelle Priorit t max Latenzzeit Datenrate Echtzeitforderung GPS PPS Puls 1 360 us 1 Hz hart Daten 1 Hz Laserscanner Sync Puls 2 360 us fp fest Daten lt 45 GByte h Inklinometer 3 Periodendauer 10 Hz fest Temperatursensor 4 Periodendauer 0 05 Hz weich fp Profilfrequenz Tabelle 6 10 Latenzzeiten und Echtzeitforderungen an die Datenquellen In diesem Zusammenhang wird deutlich dass die Erfassung des PPS Pulses mit harten Echtzeitanfor derungen verkn pft ist da die Qualit t der gesamten Messergebnisse von der korrekten Referenzierung aller Daten abh ngt Demgegen ber werd
164. ehalten werden dass sowohl die Da tenerfassung als auch die Erstellung der dreidimensionalen Punktwolke grunds tzlich in Echtzeit erfolgen kann Unter der Voraussetzung dass eine Erweiterung der Mess und Auswerterechner um zus tzliche Prozessoren erfolgt und die Profilscans mit niedriger Aufl sung durchgef hrt werden kann die realisierba re Latenzzeit des Mobile Mapping Systems Az mms unter Anwendung der diskutierten Modifikationen auf der Grundlage folgender Parameter bestimmt werden LMMS Si L RT PC Ay Scanner L Trafo AL HEPS AL MMS lt 5s 38 Se d ls 10 1 Die zu erwartende Latenzzeit des Mapping Systems bei Verwendung echtzeitf higer Module betr gt somit Az ums lt 14 5 s Eine konkrete Absch tzung der zu erwartenden Genauigkeitsverluste kann an dieser Stelle mit Hinweis auf die starke Abh ngigkeit der Genauigkeit von der Bestimmung der r um lichen Orientierungsparameter nicht abschlie end gegeben werden und sollte im Rahmen empirischer Untersuchungen ermittelt werden Zusammenfassend kann festgestellt werden dass die berf hrung der entwickelten Prototypen in ein echtzeitf higes Messsystem mit Latenzzeiten f r die Erstellung einer dreidimensionalen Objektpunkt wolke von weniger als 15 Sekunden m glich ist Unter diesem Gesichtspunkt kann neben der bereits nachgewiesenen Effizienzsteigerung auch von einer Erh hung der Effektivit t im Vergleich zum stati schen Scanverfahren gesprochen werden
165. ei aperiodisch auftretenden Systemereignissen sinnvoll wenn die installierten Tasks unterschiedliche Relevanz f r das Gesamtsystem besitzen erzeugt jedoch aufgrund der regelm igen Neuplanung des Taskablaufes eine erh hte Systemlast Neben der Priorisierung ist die Konfliktbehandlung bei gleichzeitiger Anforderung von Prozessor zeit durch zwei oder mehrere Tasks das entscheidende Kriterium zur Klassifizierung von Scheduling Algorithmen Ist der Scheduler in der Lage laufende Tasks zu unterbrechen wenn h her priorisierte Tasks ablaufwillig werden wird dieser als preemptiver Scheduler bezeichnet Ist ein Algorithmus nicht preemptiv m ssen alle ablaufwilligen Tasks die R ckgabe der Kontrolle ber den Prozessor abwarten 5 2 Echtzeitbetriebssysteme 61 Gr e Beschreibung Qi Ankunftszeit Zu diesem Zeitpunkt wird die Task beim Betriebssystem angemeldet und in das Taskset aufgenommen Die Kontrolle ber die Task liegt jetzt beim Scheduler Ge Anforderungszeit Die Task wird aufgrund eines definierten Ereignisses Timer oder Inter rupt ablaufwillig und fordert Prozessorzeit an Si Startzeit Die Task erh lt Prozessorzeit zugeteilt und f hrt ihre Programmfunktionalit t aus Gs Beendigungszeit Der Programmcode der Task ist abgearbeitet die Task beendet die Nut zung des Prozessors und geht wieder in den Ruhezustand ber d Zeitschranke Deadline Vom Anwender Systementwickler vorgegebene maximale Ausf h rungszeit der Ta
166. ei einem Messsystem mehrere analoge Signale ber ein gemeinsames Wandlungsmodul erfasst werden so wird zus tzlich zum Sample And Hold Baustein ein Multiplexer eingesetzt der die verschie denen Eing nge w hrend der Erfassung auf den gemeinsamen AD Wandler schaltet Nach einer erfolgten Umschaltung ben tigt die Sample And Hold Baugruppe zun chst eine kurze Zeitspanne um auf die je weilige Eingangsspannung einzuschwingen Diese Zeitspanne wird als Settle Time bezeichnet und liegt im Bereich einiger Mikrosekunden Diese Besonderheit ist zu beachten wenn mehrere Eing nge mit ver schiedenen Spannungsbereichen gleichzeitig erfasst werden sollen Aufgrund der Tatsache dass das verwendete Inklinometer sowohl mit massebezogenem als auch diffe rentiellem Anschluss lieferbar ist kommt im vorliegenden System das Analog Digital Modul X AD12 16 Abbildung 6 27 zum Einsatz dessen Schnittstellen in zwei Spannungsbereichen betrieben werden k n nen Im Hinblick auf die notwendige Aufl sung erfolgt eine Digitalisierung mit einer nominellen Wandlungs breite von 12 Bit die jedoch modulintern mit 14 Bit realisiert wird Somit k nnen Spannungen von bis zu 0 6 mV im Bereich von 2 5 V sowie 2 4 mV bei ein Eingangsbereich von 10 0 V aufgel st werden Unter Ber cksichtigung der bertragungsfunktion der elektronischen Libelle die einen Umrechnungs faktor von 60 mV besitzt ergibt sich f r das vorliegende Modul eine quivalente Aufl s
167. eichsgr en 9 5 2 Innere Messgenauigkeit des Systems 9 5 3 u ere Messgenauigkeit des Systems 10 Vergleichende Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit des Systems 10 1 Definition von Beispielprojekten 10 2 Welfenschloss mit Vorplatz 2 222220 10 3 Fassade des Welfenschlosses 2 2 2 22 20 10 4 Nienburger Strahlen 10 5 Steigerung der Effektivit t durch Echtzeiterfassung 11 Zusammenfassung und Ausblick 12 Literaturverzeichnis 113 113 114 116 116 117 118 119 120 121 121 121 122 123 124 125 126 127 127 127 127 129 130 131 131 131 133 134 136 136 140 142 142 142 148 150 150 150 152 153 159 157 161 13 Abk rzungsverzeichnis 168 A Technische Daten Laserscanner 169 B Echtzeitbetriebssysteme in der bersicht 170 D Prediction is difficult especially about the future Niels Henrik David Bohr 1885 1962 1 Einleitung 1 1 Aufgabe Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Konzeption Entwicklung und Erprobung des schnellen und hochaufl senden Messsystems RAMSYS RApid Mapping SYStem zur vollst ndigen dreidimensiona len Erfassung k nstlicher und nat rlicher Objekte im Au enbereich Diese auch als Mobile Mapping bezeichnete Aufgabenstellung bildet die Grundlage vieler Anwendungen aus den Bereichen Bestandser fassung Planung und Visualisierung Die wesentliche Datengrundlage von Anwendungen dieser Art sind h
168. einem berlauf ausgef hrt werden der den Eindeutigkeitsbereich des Timers begrenzt Hierdurch ist der nutzbare Frequenzbereich durch Einsatz von Timern auf fmin 18 14 Hz begrenzt Dieser Frequenzbereich ist f r viele Messaufgaben und insbesondere f r die Datenerfassung in Mobile Mapping Systemen nicht ausreichend da eine Reihe von Tasks mit geringerer H ufigkeit zu aktivieren ist Eine zus tzliche Skalierung dieses Bereiches ist durch softwareseitige globale Z hlvariablen m glich die bei einem berlauf des Timers interruptgesteuert inkrementiert werden Bei Verwendung einer 16 Bit breiten Variablen ergibt sich somit ein erweiterter Eindeutigkeitsbereich des Timers AtTimer ext VON AtrTimer cxt 3611 7 s 8 2 Zur Vermeidung von Unstetigkeiten und Driften des Timers muss die Inkrementierung der softwaresei tigen Z hlvariablen m glichst hoch priorisiert sein Eine Genauigkeitsuntersuchung der Systemuhr unter Verwendung des PPS Signals eines GPS Empf ngers kann Kapitel entnommen werden 8 3 4 Zugriff auf die Messhardware Max PC Max5Dip RT Prog B MDD 1 MDD 2 OsX Task OsX Task Max Modul Analog I O H Max Modul Digital UO E Windows PC Win Prog C MDD 3 Kernel Mode Ein Ausg nge Abbildung 8 5 Zugriff auf Schnittstellen ber Module Device Driver Der Zugriff auf die Komponenten der Sorcus Hardware geschieht mit Hilfe sogenannter Module Device Driver MDD
169. einem GPS Rover entweder direkt an Geb uden Kategorie C1 C2 oder unzug nglich unterhalb der Bahnbegrenzung Kategorie B lagen wurden insgesamt acht Zielmarken ber die halbe L nge der Laufbahn an deren Rand verteilt Diese Punkte wurden zum Teil unterhalb von B umen platziert um auch die Auswirkung von Abschattungseffekten in die Betrachtungen einzubeziehen Abbildung 9 48 Punkt Nr ARechts m AHoch m AH he m Scannerabstand m 101 0 026 0 025 0 039 2 9 107 0 002 0 017 0 008 2 0 110 0 014 0 010 0 026 3 0 111 0 004 0 016 0 002 2 0 112 0 090 0 076 0 112 6 9 113 0 019 0 023 0 042 2 8 114 0 136 0 061 0 129 7 0 115 0 002 0 014 0 001 4 0 Tabelle 9 5 Differenzen zur Solll sung mit SAPOS GPPS Die Koordinatendifferenzen zwischen der kinematischen Aufnahme durch den Scanner und den mit SAPOS GPPS bestimmten Sollkoordinaten sind in Tabelle aufgelistet Mit Ausnahme der Punk te 112 und 114 liegen alle Koordinatendifferenzen in einem Bereich unterhalb 0 05 m was der bereits ermittelten relativen Genauigkeit des Systems entspricht Die hohen Abweichungen der angesprochenen Punkte sind auf ihre besondere Lage unterhalb einer ausgedehnten Baumgruppe zur ckzuf hren da auch 9 5 Genauigkeit des Systems im Objektraum 149 ihre absoluten H henwerte entsprechende Abweichungen zu vergleichbar positionierten Nachbarpunkten aufweisen Dennoch kann festgestellt werden dass auch die absolute Genauigkeit der bestimmten Ob je
170. ellvertretend betrachtet werden sollen Vorteilhaft wirken sich bei diesen Scannern ihr vergleichsweise g nstiger Preis von weniger als 10 000 Euro sowie ihre kompakte Bauweise aus Ausgehend hiervon wurde bereits von HOVENBITZER ein dreidimensionaler Laserscanner vorgestellt bei dem die Objekterfassung auf Basis eines Sick LMS 200 durchgef hrt wird 52 A Terrestrische Laserscanner Abbildung 4 10 Sick LD Abbildung 4 11 Sick LMS Sick Gun 2007 Sick Gurt 2007 Der Panoramascanner Sick LD bietet ein Gesichtsfeld von 360 bei einer maximalen Messentfernung von SRmar 250 m und einer Genauigkeit der Streckenmessung von os lt 7 5 cm Im Unterschied hierzu ist das Gesichtsfeld der LMS Serie Abbildung 4 11 auf 180 beschr nkt wodurch diese Modelle den Camera View Scannern zuzuordnen sind Die maximale Objektentfernung ist mit SR mar 80 m kleiner als die der LD Serie jedoch wird die Genauigkeit der Distanzmessung vom Hersteller mit einem Wert von os lt 2 5 cm angegeben Alle Scanner von Sick arbeiten nach dem Impulslaufzeitverfahren Kapitel und bieten je nach Modell bis zu vier Aufl sungsmodi mit minimalen Winkelschritten von 1 0 5 0 25 sowie 0 125 nur LD Serie Aufl sungen von weniger als 1 werden bei diesen Scannern mit Hilfe eines Interlace Verfahrens realisiert bei dem aufeinander folgende Profile mit einem Winkelversatz von 0 25 LMS Serie bezie hungsweise 0 125 LD Serie gegen das vorige Profil
171. elmessungen gemit telte Strecke oder in Form einer Unsicherheit der Einzelmessung angegeben F r einen Vergleich der von verschiedenen Herstellern angegebenen Unsicherheit der Distanzmessung sei auf verwie sen 2006 schl gt zur besseren Vergleichbarkeit von Laserscannern die Angabe einheitlicher Spezifikationen f r folgende Parameter des Messsystems vor e Aufl sung in Scanpunkten pro Raumwinkel der in der Einheit Steradiant sr angegeben werden kann e Strahldivergenz mit Bezug zur Spotgr e in einer definierten Entfernung e 3D Genauigkeit in Form einer Messunsicherheit nach GUM e Scanrate in Einzelmessungen pro Sekunde 4 2 Verfahren zur Distanzmessung 45 Eine solche Vereinheitlichung von Leistungsparametern ist insbesondere dann notwendig wenn terrest rische Laserscanner in Systeme zu integrieren sind f r deren Messergebnisse Genauigkeitsinformationen auf der Grundlage statistischer Modelle abgeleitet werden sollen Bislang sind f r die konkrete Ermittlung quantitativer Genauigkeitsma e umfangreiche Kalibrieruntersuchungen notwendig da die von den Her stellern angegebenen Parameter stark auf die vorteilhaften Sensoreigenschaften bezogen sind und somit nur schwer in allgemeing ltige Modelle aufgenommen werden k nnen F r das vorliegende System kommt diese Problematik in den F llen zum Tragen in denen eine zu erwartende nderung wesentlicher Leistungsparameter wie der Objektpunktgenauigkeit oder der Punkt dich
172. em Body XB Sensoren Fahrzeug Fahrzeug XF Bewegte Plattform Tabelle 3 1 bersicht ber die verwendeten Koordinatensysteme 3 1 1 Earth Centered Earth Fixed System Ein Earth Centered Earth Fixed Koordinatensystem das h ufig auch als terrestrisches quatorialsys tem HOFMANN WELLENHOF u a 2003 oder globales erdfestes geozentrisches System Torge 12003 Seite 29 bezeichnet wird ist in Abbildung B 1 zu sehen Massenzentrum der Erde Meridian von Greenwich Abbildung 3 1 Earth Centered Barth Fixed System Der Ursprung dieses Systems ist identisch mit dem idealisierten Massenschwerpunkt der Erde seine Zp Achse entspricht der mittleren Rotationsachse der Erde zu einer definierten Epoche ist also zum konventionellen mittleren Nordpol gerichtet Die X p Achse schneidet den Meridianbogen von Greenwich und liegt ebenso wie die Yp Achse die das rechtsh ndige System vervollst ndigt in der quatorebene Dieses dreidimensionale Koordinatensystem ist durch seine Ausrichtung fest mit der Erde verbunden und vollzieht somit eine Drehung um seine Z Achse Bedingt durch verschiedene geodynamische Vor g nge unterliegt dieses Koordinatensystem gewissen zeitlichen nderungen deren Gr nde der Literatur entnommen werden k nnen Torge 2003 Seite 34 Beispiele eines solchen ECEF Systems sind das International Terrestrial Reference System ITRS so wie das dem GPS zugrunde liegende WGS84 System Das WGS84 besitzt nac
173. en spielen feste Echtzeitbedingungen eine entscheidende Rolle Dies kann der Fall sein wenn eine Positionsinformation erfasst und im Anschluss dazu genutzt werden soll um das Bewegungsverhalten eines Systems zu steuern Ist die in Abh ngigkeit von der Bewegungs geschwindigkeit gew hlte Zeitspanne f r die Datenerfassung oder Verarbeitung berschritten so sind die Messwerte zur Positionierung wertlos da sich das Fahrzeug bereits an einer anderen Position befindet und eine Korrektur der Bewegungsrichtung zu sp t kommen w rde Einschr nkungen dieser Art treten bei Auswertungen im Postprocessing nur in Ausnahmef llen auf Gegen ber der weichen und festen Echtzeit setzt die Definition einer harten Echtzeit voraus dass in nerhalb eines Prozesses Zeitschranken existieren die unbedingt einzuhalten sind Im Gegensatz zur festen Echtzeit treten bei diesen Systemen irreversible Folgen auf wenn so definierte Zeitschranken nicht einge halten werden Dies kann insbesondere der Fall sein wenn Sensordaten f r zentrale Aufgaben in einem Messsystem vorausgesetzt werden deren nachtr gliche Rekonstruktion zum Beispiel durch asynchrones Auftreten nicht m glich ist Eine weiterf hrende Diskussion der Echtzeitanforderungen an die Datenerfassung sowie eine Pr fung der vorhandenen Latenzzeiten im vorliegenden System kann Kapitel 7 6 entnommen werden 5 2 4 Gleichzeitigkeit Die Forderung nach Gleichzeitigkeit spielt insbesondere dann ei
174. en unterteilt Tabelle 10 2 vergleicht den zeitlichen Aufwand einer statischen Erfassung S1 mit dem Zeitbedarf f r zwei kinematisch erfasste Objekaufnahmen die im April 2007 K1 sowie im April 2006 K2 durchgef hrt wurden Weiterf hrende Informationen ber die Ergebnisse des Beispielprojekts K2 k nnen entnommen werden Die angegebenen Vergleichswerte f r eine statische Aufnahme wurden auf Grundlage der vorhandenen Projekterfahrung des Geod tischen Instituts der Leibniz Universit t Hannover gesch tzt Beispielprojekt S1 K1 2007 K2 2006 K3 2007 Scanmodus giatisch kinematisch kinematisch kinematisch Objektaufl sung Sehr hoch Mittel Sehr Hoch Punktabstand lt 3ch 9 5 cm 2 5 cm Anzahl Scanpunkte 8 5 Mio 35 3 Mio Datenvolumen 325 MB 1 4 GByte Anzahl Standpunkte T Einrichtung der Passpunkte 60 min Standpunkt Einzeln Gesamt Objekt und Passpunktscan 10 70 min 4 min Standpunktumbau 3 21 min Auswertung Standpunktverkn pfung GPS mit SAPOS VRS 5 min Trajektorie und Punktwolke 130 min Summe 241 min Al min 22 min 139 min bezogen auf S1 100 17 9 n vglb Nur Fassade des Welfenschlosses In Fahrtrichtung Rechner Pentium 4 3 4 GHz 1 GB RAM 4 Im Unterschied zu Tabelle 4 3list hier das Datenvolumen der georeferenzierten Punktwolke angegeben Das Projekt K3 ist durch die geringere Objektausdehnung nicht vergleichbar Tabelle 10 2 Erfassungsauf
175. en Beispielen stellt der RTS Algorithmus das leistungsf higste Gl t tungsverfahren zur Trajektorienbestimmung dar der vergleichsweise glatte Trajektorien bei geringen translatorischen Abweichungen von der Solltrajektorie gew hrleistet Die geringeren Standardabweichun gen der RTS gegl tteten Positionen f hren ber die Geschwindigkeitsvektoren zu glatteren Azimuten und somit zu lokal stetigen Punktwolken 9 4 Verfahren zur Azimutbestimmung 9 4 1 Vergleich von Inertialmesssystem und Ableitung aus Kalman Filter Die Bestimmung des Azimutes stellt wie bereits ausf hrlich diskutiert eine der zentralen Aufgaben zur Transformation zweidimensionaler Scanprofile in eine dreidimensionale Punktwolke dar Im Rahmen der durchgef hrten Systemevaluierung wurde aus diesem Grund die Qualit t der berechneten Azimute in verschiedenen Messkonfigurationen untersucht Hauptgeb lite Better hett E S JBibli thek wer Abbildung 9 22 Trajektorie zum Vergleich der L sungen zur Azimutbestimmung Luftbild Copyright 2007 Zun chst sollten die aus der gegl tteten Trajektorie eines GPS Empf ngers Abbildung 6 4 Seite 76 ber Kalman Filterdaten abgeleiteten Azimute mit den direkt beobachteten Raumwinkeln einer IMU ver glichen werden In einer ersten Vergleichsmessung kam eine IMU vom Typ AEROcontrol der Firma IGI GmbH zum Einsatz die vom Institut f r Erdmessung der Leibniz Universit t Hannover zur Verf gung gestellt wurd
176. en ablaufwilligen Tasks derjenigen die Kontrolle ber den Prozessor und somit Rechenzeit zugeteilt die die l ngste Wartezeit aufweist Dieses Verfahren ben tigt wenig Rechenleistung ist jedoch aufgrund der fehlenden Preemptivit t nicht in der Lage auf Ereignisse vorrangig zu reagieren Somit besteht die M glichkeit dass bereits bei geringen Prozessorlasten harte Echtzeitbedingungen verletzt werden was dieses Verfahren f r Echtzeitanwendungen als ungeeignet erscheinen l sst Beim Fixed Priority Scheduling besitzen alle Tasks feste Priorit ten die zur Entwurfszeit vorab defi niert werden m ssen Dieses einfache Verfahren erzeugt ebenfalls wenig Prozessorlast und bietet sowohl preemptive als auch nicht preemptive Taskumschaltungen Somit ist es f r eine ereignisgesteuerte Erfas sung aperiodischer Signale geeignet zumal Zeitbedingungen deutlich besser als beim FIFO Scheduling eingehalten werden k nnen Das Rate Monotonic Scheduling RMS stellt einen Sonderfall der Priorisie rung von Fixed Priority Scheduling Verfahren f r periodische Taskaufrufe dar Hierbei wird jeder Task eine Priorit t zugewiesen die dem inversen Wert ihrer Periodenl nge entspricht Die Anwendung des RMS kann nach 2005 unter Beachtung folgender Bedingungen geschehen e Verwendung der preemptiven Taskumschaltung e Alle Periodenl ngen p sind bekannt und ber den Messzeitraum konstant e Die Zeitschranke d ist gleich der Periodenl ngen p e Die Ausf
177. en an die Erfassung des Synchronisierungssignals des Laser scanners sowie an die Neigungsmessung des Inklinometers lediglich feste Echtzeitanforderungen gestellt da diese Daten auch aus benachbarten Messwerten abgeleitet oder interpoliert werden k nnen Die Erfas sung der Umgebungstemperatur dient lediglich zur Korrektion temperaturbedingter Messabweichungen und ist aus diesem Grund mit weichen Echtzeitanforderungen umzusetzen Ausgehend von diesen Sensoren sind die folgenden Schnittstellen vom Echtzeitmesssystem f r die Da tenerfassung bereitzustellen e Digitale I O Schnittstelle e Serielle Schnittstelle e Analoge Spannungsschnittstelle Die digitalen I O Schnittstellen dienen zur Erfassung von GPS und Scannersignal und m ssen zwin send interruptf hig sein um einen ereignisgesteuerten Messablauf zu erm glichen Die technischen An forderungen an die seriellen Schnittstellen beschr nken sich auf die zu gew hrleistende Geschwindigkeit von 19200 Baud zur Aufzeichnung des PPS Zeitstempels Die Erfassung der Inklinometermesswerte ist ber eine analoge Schnittstelle durchzuf hren die in der Lage sein muss bipolare Spannungspegel im Bereich von 3 6 V mit einer Abtastrate von besser als 10 Hz zu erfassen Zur bertragung der notwendigen Erfassungsprogramme auf den Echtzeitrechner zum Auslesen der erfassten Synchronisierungsdaten und zur Steuerung des Messablaufes wird das zur Speicherung der Scandaten vorhandene Notebook
178. en in der Lage einen solchen Ablaufplan selbst bei einer maximalen Prozessorlast von 62 5 Echtzeitf hige Messsysteme Preemption Nicht Preemption WEEN mm TEEN Task un KEE ee hohe Priorit t mg emeng Task 2 mg a l niedrige Priorit t A ES _ s a SE Leerlauf u EEE 4 ereeasesnsernsensanssaunrrunnsanesaueraenmmanernsenne T ben a z n L t 1 L L t 1 La Zeit t Abbildung 5 7 Preemptives und Nicht Preemptives Scheduling HCPU mas 100 unter Einhaltung aller Zeitbedingungen zu finden Aufgrund der spezifischen Anforderungen die an echtzeitf hige Systeme gestellt werden existiert ei ne gro e Anzahl verschiedener Scheduling Verfahren die auf die Steuerung des Systemverhaltens abge stimmt sind Sie unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich der bereits genannten Kriterien Preemptivit t und Priorisierung sondern auch durch die Komplexit t der Algorithmen zur Tasksteuerung und die durch sie verursachte Prozessorauslastung Eine Auswahl h ufig verwendeter Scheduling Verfahren ist in Abbildung zu finden Priorisierung statisch Konflikt R behandlung nicht preemptiv preemptiv nicht preemptiv Fixed Priority Earliest Deadline First Rate Monotonic Rate Monotonic rer Least Laxity First FIFO Abbildung 5 8 Klassifizierung der Scheduling Verfahren Die einfachste Art der Taskumschaltung ist die des FIFO Scheduling First In First Out Hierbei wird von all
179. en kann ab welcher Eingangsspannung Strom durch die LED flie t und somit ein Wechsel des Logik zustands vollzogen wird Abbildung 16 24 Aufgrund der galvanischen Trennung von Ein und Ausgangssignal k n nen High und Low Pegel von den in Tabelle genannten Werten abweichen Wie in den Kapiteln und gezeigt wird muss das Messsystem geeignet sein sowohl die Erfassung des PPS Signals als auch des Synchronisierungssignals des Laserscanners vorzunehmen Der PPS Puls ist hierbei als TTL Variante mit Ug 5 V das Rechtecksignal des Scanners hingegen in Form eines sogenannten Prozesspegels mit Up 24 V realisiert Scanner Bit im Ein gaberegister Abbildung 6 24 Pegelumsetzung 6 3 Das Echtzeitmesssystem 89 Da beide Sensoren eine eigene Spannungsquelle und somit auch unterschiedliche Systemmassen besit zen ist darauf zu achten dass die zu erfassenden Spannungswerte auf eine gemeinsame Masse bezogen werden Im Rahmen empirischer Voruntersuchungen wurde festgestellt dass die anliegenden Signale oh ne einen gemeinsamen Masseanschluss zum Teil fehlerhaft erfasst werden Insbesondere bei den f r das Gesamtsystem zeitkritischen PPS Signalen Kapitel 6 2 1 sind standardkonforme Signalpegel zu gew hr leisten Auch bei der zeitlichen Zuordnung der einzelnen Laserscannerprofile Kapitel ist eine zu verl ssige Signalerfassung sicherzustellen um Mehrdeutigkeiten bei der Zuordnung der Profilmessungen zu vermeiden Sorcus bie
180. endeten Filter ist das nach seinem Erfinder Rudolf Emil Kalman benannte Kalman Filter f r diskrete beziehungsweise das Kalman Bucy Filter f r kontinuierliche Systeme Seinem Wesen nach stellt das Kalman Filter ein sequentielles Ausgleichungsverfahren dar das f r verschiedene auch robuste Sch tzer realisiert ist Vorrangiges Ziel einer Filterung ist es einen Sch tzwert f r den Zustandsvektor gr unter Einbindung aller ermittelten Messwerte fr zu finden Hierbei zeigt sich das Wesen der Kalman Filterung das in der parallelen Behandlung von theoretischer und empirischer Systemanalyse besteht Durch Kombination von Mess und Systemgleichung im Rahmen der Kalman Filterung werden ein optimaler Sch tzwert f r den Systemzustand und seine Varianz Kovarianz Matrix VKM bestimmt Die Besonderheit sequentieller Ausgleichungsverfahren wie der Kalman Filterung besteht darin dass nicht nur Messungen der aktuellen Epoche zur Sch tzung des Systemzustandes beitragen sondern alle bisher erfassten Werte Konkret zeigt sich diese Eigenschaft darin dass zur optimalen Sch tzung des ausgeglichenen Zustandsvektors H einer beliebigen Epoche n alle im Vektor l zusammengefassten Be obachtungen und ihre VKM LL l 3 16 Zut Aua aa Zant 3 17 30 3 Bestimmung von Position und Orientierung Quantifizierung des Modell y bertragungsverhaltens Kalman Filter Messtechnische Bestimmung gt Messolechung E Emp
181. enfahrt Es ist jedoch anzumerken dass Sprungstellen von gr erer r umlicher Ausdehnung von keinem Gl t tungsalgorithmus kompensiert werden k nnen zumal die Unterscheidung zwischen beeinflussten und unbeeinflussten Abschnitten nur schwer m glich ist Wie bereits angesprochen sind Kurvenfahrten mit kleinen Radien wie in Abbildung 9 21 gezeigt eines der zentralen Probleme bei der Trajektorienbestimmung durch Gl ttungsalgorithmen Der dargestelle Abschnitt geh rt zu einer S f rmigen Kurve die von rechts unten nach links oben durchfahren wurde und zu erh hten radialen Abweichungen in den einzelnen Filterschritten von bis zu 0 1 m f hrt 136 9 Validierung des Systems Im Gegensatz zum Beispiel aus Abbildung 9 19 werden die mit GPS bestimmten Positionen hierbei deutlich besser durch den RT SS Algorithmus approximiert Dennoch ist auch hier eine leichte Ausrundung der Kurve zur Mitte hin zu erkennen Dieser Effekt ist auf algorithmischer Ebene dadurch zu erkl ren dass die Standardabweichungen der Punkte in Abschnitten mit kleinen Kr mmungsradien maximal werden da die auftretenden Richtungs nderungen nicht durch die zul ssigen St rbeschleunigungen auf gefangen werden k nnen Im Rahmen der Gl ttung erhalten Punkte mit gro en Standardabweichungen eine entsprechend verringerte Gewichtung wodurch sie bei der Berechnung der gegl tteten Trajektorie weniger starke Ber cksichtigung finden Ausgehend von den pr sentiert
182. enm ig bekannter Kugeln durch 2004A nutzen hierzu die bekannte Raumtrajektorie einer Interferometerbahn auf der zwei Referenzkugeln verschoben werden W hrend bei diesen Ans tzen einzelne Abweichungen ber einfache mathematische Beziehungen quan tifiziert werden sind auch Verfahren zur gemeinsamen Betrachtung mehrerer Einfl sse verf gbar Hierbei werden die Auswirkungen unterschiedlicher Achsabweichungen in einem gemeinsamen funktionalen Mo dell beschrieben und aus redundanten Beobachtungen mit Hilfe von Ausgleichungsverfahren bestimmen Eine solche Vorgehensweise wird von RIETDORF vorgeschlagen der die Abweichungen aller Achsen mit Hilfe von im Raum verteilten Kalibrierebenen bestimmt verwendet stattdessen die Koordinaten mehrerer in zwei Lagen bestimmter Zielmarken die ber das gesamte vertikale Gesichtsfeld des Scanners verteilt sind Ziel und Kippachsabweichung werden in diesem Ansatz aus dem vorliegenden Beobachtungsmaterial durch Ausgleichung im Gau Helmert Modell bestimmt Diese Ans tze sind geeig net den Nachteil einer fehlenden Diskretisierbarkeit identischer Punkte durch die Nutzung redundanter Messungen im Rahmen einer Ausgleichung zu kompensieren Neben den entfernungsabh ngig wirkenden Abweichungen sind auch konstante Parameter wie Achs exzentrizit ten bei der Planung einer Instrumentenkalibrierung grunds tzlich zu ber cksichtigen Die von bestimmte Exzentrizit t der Stehachse eines Imager 5003 kon
183. eosysteme zur Ermittlung der Position von Fahrbahnrandmarkierungen verwenden 12000 2003 Diese Informationen k nnen sowohl zur Erhebung von Bestandsdaten als auch zur Verbesserung der Positionsbestimmung genutzt werden H ufig werden in Erg nzung dazu profilmessende Laserscanner mit niedriger r umlicher Aufl sung eingesetzt die Konturinformationen quer zur Fahrtrichtung liefern Ein weiterer Punkt bei der Bewertung eines MMS ist die Wirtschaftlichkeit der Gesamtl sung Sie rich tet sich in der Regel an den geforderten Genauigkeiten und dem Umfang der Erfassungsaufgabe aus und kann durch den Umfang m glicher Redundanzen bei der Positionsbestimmung oder eine Speziali sierung des Systems beeinflusst werden Die h ufig einander entgegenstehenden Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit und den damit verbundenen Investitionskosten auf der einen und die Genauigkeit so wie den Erfassungsumfang auf der anderen Seite sind f r ein ausgewogenes System zu ber cksichtigen Ei Snen y 2005 Umgebunsserfassung Literatur Videogrammetrisch MosES KiSS Visat GPSVan Profilscanner VLMS 2001B MANANDHAR und SH s 2002 Graus 2006 Swiss Trolley TeleInfo SpaceTec Fraunhofer Institut Terrestrische Laserscanner Geomobil CityScanner Tabelle 2 2 Mobile Mapping Systeme in der bibliographischen bersicht Eine Klassifizierung von Mobile Mapping Systemen kann aufgrund verschiedener Parameter erfol
184. er Abbildung 9 39 Koordinatendifferenzen im Rechts und Hochwert 145 Anzahl Histogrammklasse m 25 T E Ditierenz Hochwert N a a CO Q Anzahl so u di 0 05 0 0 05 0 1 Histogrammklasse m Abbildung 9 40 Koordinatendifferenzen im Rechts und Hochwert Abbildungen ersichtlichen Histogramme der Koordinatendifferenzen zeigen systematische Abweichungen von wenigen Zentimetern die sich durch eine Mittelwertverschiebung der Verteilungskurven bemerkbar machen Auch die Abweichungen der H henkomponente liegen berwiegend unterhalb von 0 05 m da sich die starke Gl ttung der beobachteten H hen im Kalman Filter aufgrund der ebenen Fahrbahnoberfl che sehr positiv auswirkt Auch hier ist mit Blick auf die Histogrammverteilung eine geringe Restsystematik im Bereich weniger Zentimeter vorhanden die auf eine geringere H he der im Hinweg erfassten Objektpunkte schlie en l sst Abbildung 9 41 Dabei ist jedoch anzumerken dass Abweichungen dieser Gr enordnung bei einer kinematischen Einzelpunktprozessierung in der N he der Messgenauigkeit liegen und die in Tabelle definierten Anforderungen an die H henbestimmung weit bertreffen 0 1 See 0 05 0 09 Eiefet ZE D V Kategorie B S 0 0 08 E D ont 0 07 H he H he ges o 10 20 30 40 Su 50 70 Punktnummer Differenz m CH CH J Anzahl Di Am O 0o 0 05 0 1 0 10 20 30 40
185. er so dass die Gr nde f r die signifikant verminderten Differenzen vornehmlich in der Fahrzeugdynamik zu suchen sind So besitzt der verwendete Anh nger zum einen ein deutlich h heres Eigengewicht von mehr als 500 kg sowie eine hieraus resultierende gr ere Massentr gheit Zum anderen 140 9 Validierung des Systems werden sowohl Beschleunigungs als auch Lenkvorg nge von der Zugmaschine ausgef hrt und aus diesem Grund gleichm iger umgesetzt als bei einer manuellen personengebundenen Bewegung Demgegen ber sind die in Abbildung erkennbaren systematischen Effekte an den beiden Kur venausg ngen auf den variablen Drehpunkt des Anh ngers zur ckzuf hren der aufgrund des kurzen Radstandes von 0 8 m je nach Lastverteilung auf der vorderen oder hinteren Achse liegen kann Zusammenfassend kann festgestellt werden dass die erzielbare u ere Genauigkeit der Azimutbestim mung von einigen wesentlichen Faktoren beeinflusst wird Hierzu z hlen in erster Linie fahrdynamische Eigenschaften der verwendeten Sensorplattform die deutlichen Einfluss auf m gliche Nick und Rollbe wegungen haben Von diesen Parametern h ngt unter anderem die Kompensierbarkeit der auftretenden Antennenbewegungen durch Inklinometermessungen ab durch die systematische Abweichungen der ab geleiteten Azimute vermieden werden k nnen Nicht zuletzt besitzt der Grad der Gl ttung durch den verwendeten RTS Algorithmus insbesondere bei schnellen Kurvenfahrten signifik
186. er Einbeziehung von Komponenten und Systemkalibrierung vor Start der Kalibrierung komponentenbezogen Systempr fung auf signifikante Abweichungen Abweichungen vorhanden Nein Aufstellung Kalibriermodell Ende der Abschlie ende Kalibrierung Systempr fung Abbildung 7 4 Kombination von Komponenten und Systemkalibrierung Identifikation der Komponenten Einflussgr e kalibrierung Korrektur funktion systembezogen Hierbei erfolgt zun chst eine Systempr fung um vorhandene Abweichungen der Ergebnisgr e vom Sollwert aufzudecken Bei festgestellten Differenzen werden die verschiedenen Eingangsgr en nachein ander getrennt um ihren Einfluss auf die Ergebnisgr en im Zuge einer Komponentenkalibrierung zu bestimmen und durch eine Korrekturfunktion zu eliminieren Die Kalibrierbarkeit des gesamten Systems h ngt somit davon ab ob Abweichungen derjenigen Einflussgr e zugeordnet werden k nnen die einen systematischen Effekt verursacht Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse kann falls die systematischen 96 7 Pr fung und Kalibrierung der Komponenten Abweichungen mit Hilfe der vorgenommenen Komponentenkalibrierung vollst ndig beschrieben werden konnten eine Pr fung auf Systemebene durchgef hrt werden 7 2 Ermittlung des Kalibrierumfangs 7 2 1 Vereinfachende Annahmen Im Rahmen der vorliegenden Aufgabenstellung sind prinzipiell alle Sensoren sowie das verwendete Fahr z
187. er Fahrzeugachsen und der damit einhergehenden Ermittlung systema tischer Abweichungen ist f r eine Festlegung des Fahrzeugkoordinatensystem obligatorisch Eine strenge Klassifizierung der angewandten Pr f Justier und Kalibrierarbeiten ist schwierig weil es sich bei den verwendeten Sensoren um ein zwei und dreidimensional messende Instrumente handelt und verschiedene systematische Abweichungen in allen Dimensionen auftreten k nnen Dennoch erscheint aus Gr nden der bersicht eine tabellarische Darstellung der durchgef hrten Arbeiten sinnvoll Tabelle 7 2 7 2 Ermittlung des Kalibrierumfangs 97 Fahrzeug Scanner Inklinometer GPS Echtzeit PC Position 1 9 Orientierung 3 7 3 1 52 Kalibrierung Achsen Nullpunkt Ma stab 7 6 1 Temperatur Datenpr fung Tabelle 7 2 Kapitel bersicht der Pr f Justier und Kalibrierarbeiten Untersuchungen ber die Langzeitstabilit t der verwendeten Sensoren wurden im Rahmen dieser Arbeit nicht vorgenommen obwohl verschiedene Publikationen zu diesem Thema eine Zeitvarianz von Kalibrier parametern vermuten lassen CLARK und ROBSON 2004 Des Weiteren wurden eine Reihe von Kalibrierungen nicht vorgenommen die eigentlich zum Stan dardumfang geod tischer Instrumentenuntersuchungen geh ren Dies ist zum Beispiel die Nullpunkt und Ma stabsbestimmung der Distanzkomponente des Laserscanners die ebenso wie andere Untersuchungen
188. er GPS Messungen k nnen auch die in Kapitel 3 5 1 vorgestellten Al gorithmen zur Gl ttung der Trajektorie beim bergang auf ein Echtzeitsystem nicht weiter verwendet werden da diese die Kenntnis von Daten voraussetzen die aus zeitlicher Sicht hinter der zu gl ttenden Epoche liegen Zwar werden die Raumwinkel bereits mit Hilfe des Kalman Filters im Rahmen der Vor w rtsfilterung bestimmt die ausschlie lich Daten aus vergangenen Epochen ben tigt jedoch sind diese deutlich weniger gut gegl ttet als die Ausgangsdaten des RTS Algorithmus Da die Qualit t der Gl t tung der Azimute wie in den Kapiteln 9 4 1 und gezeigt wurde einen erheblichen Einfluss auf die innere Genauigkeit der Punktwolke besitzt stellt der Verzicht auf leistungsf hige Gl ttungsverfahren die bedeutendste Einschr nkung des Systems bei einer Objekterfassung in Echtzeit dar Auch die im vorliegenden Ansatz notwendige Umwandlung der Scandaten vom Bin r ins ASCII Format kann erst nach Abschluss des Scanvorgangs durchgef hrt werden Hierbei ist es jedoch m glich ber Bibliotheksfunktionen des Herstellers direkt auf die bin ren Rohdaten zuzugreifen und eine zeitnahe Transformation der Scanprofile umzusetzen Die verbleibende Latenzzeit Ar scanner ist ausschlie lich durch eine Vorauswertung der Daten und Anbringung von Korrekturparametern sowie die Latenz der Schnittstelle begr ndet und liegt unterhalb von 3 s Ausgehend von den vorangegangenen Betrachtungen kann festg
189. er Task Abbildung Ent Hierdurch kann es speziell bei einer ereignisabh ngigen Systemsteuerung zur Verlet zung der vorgegebenen Zeitbedingung d kommen so dass harte oder feste Echtzeitbedingungen nicht eingehalten werden k nnen Zur Bewertung der Leistungsf higkeit eines Schedulers wird h ufig ein Optimalit tskriterium verwen det Er beschreibt die F higkeit des Verfahrens alle installierten Tasks unter optimaler Ausnutzung der zur Verf gung stehenden Rechenzeit ohne Verletzung der in Tabelle 5 2 genannten Zeitbedingungen aus zuf hren und somit Rechtzeitigkeit Gleichzeitigkeit Verf gbarkeit und Determiniertheit f r das System zu gew hrleisten Hierzu sind folgende Bedingungen vorauszusetzen e Es existiert ein Ablaufplan f r alle Tasks dessen Zeitbedingungen sich nicht gegenseitig ausschlie Ben e Das Scheduling Verfahren besitzt die notwendigen M glichkeiten zur Vergabe von Priorit ten und Steuerung des Ablaufes um diesen Plan einzuhalten F r eine quantitative Analyse von Taskset und Scheduler wird h ufig die Kenngr e der Prozes sorauslastung Hcpy herangezogen Diese ergibt sich f r periodisch aufzurufende Tasks wie sie in Mobile Mapping Systemen anzutreffen sind nach 2005 ber folgende Beziehung ei Ausf hrungszeit pi Periodendauer 5 2 n ei Honn mit i 1 Pi Unter der Voraussetzung dass ein Ablaufplan f r alle ablaufwilligen Tasks existiert sind optimale Scheduling Verfahr
190. er einer Task 5 2 8 Taskumschaltung Scheduling Die Verteilung der vorhandenen Prozessorzeit auf alle ablaufwilligen Tasks eines Tasksets ist eine der Kernaufgaben des Betriebssystems Der hierzu notwendige Zuteilungs und Priorisierungsvorgang wird als Scheduling oder auch Echtzeitscheduling bezeichnet Ein Echtzeit Scheduler ist eine Softwarekomponente auf niedriger Betriebssystemebene die zur Verwaltung der Rechenzeit dient und in der Lage ist einer Task die Kontrolle ber den Prozessor zu gew hren und abh ngig vom Typ des Schedulers auch jederzeit wieder zu entziehen Zur Umsetzung des gew nschten Systemverhaltens existieren eine Reihe von Scheduling Verfahren die sich im Wesentlichen durch zwei Kriterien voneinander unterscheiden e Priorisierung der Tasks dynamisch statisch e Behandlung konkurrierender Tasks preemptiv nicht preemptiv Die Vergabe von Priorit ten ist eine wesentliche Voraussetzung f r die vom Scheduler durchzuf hrende Taskplanung Die hierdurch festgelegte gegenseitige Gewichtung der Tasks kann zum einen bereits zur Entwurfszeit des Systems durch den Entwickler festgelegt werden Eine solche statische Festlegung ist w hrend des Systembetriebs unver nderlich Zum anderen kann die Vergabe von Priorit ten vollst ndig auf den Scheduling Algorithmus delegiert werden so dass eine flexible Anpassung an den jeweiligen Sys temzustand m glich ist Diese dynamische Form der Priorisierung von Tasks ist vor allem b
191. erhalb von 0 05 m Es bleibt festzustellen dass die erzielten Genauigkeiten erfreulicherweise erheblich unterhalb der geforderten Grenzen liegen was zum einen auf gute GPS Empfangsbedingungen und zum anderen auf die Ebenheit der vorhandenen Fahrbahnoberfl che zur ckzuf hren ist Die u ere Genauigkeit der mit dem System bestimmten Objektpunktkoordinaten im bergeordne ten Bezugssystem wurde mit einem GPS Rover und dem GPPS Dienst des SAPOS Netzes in einer Postprocessing Auswertung bestimmt Der Vergleich der ber acht identische Punkte in Form von ebenen Zielmarken vorgenommen wurde ergab maximale Abweichungen von bis zu 4 2 cm wobei zwei Punkte aufgrund ihrer Lage unter B umen von starken Abschattung des GPS Signals betroffen waren und f r diesen Vergleich nicht verwendet wurden Auch hier waren die ermittelten Genauigkeiten des Systems deutlich besser als erwartet was auf hnliche Gr nde wie bei den Messungen zur inneren Genauigkeit zur ckzuf hren ist Inwieweit sich die Ergebnisse des Systems unter realen Bedingungen im ffentlichen Stra enraum best tigen lassen kann an dieser Stelle nicht abschlie end gekl rt werden Der Grund hier f r liegt nicht zuletzt in praktischen Nachteilen wie den hochfrequenten Eigenbewegungen des realisierten Prototyps die einen signifikanten Einfluss auf die Qualit t der Messwerte besitzen und beim Einsatz auf einer Kfz gebundenen Plattform nicht in dieser Gr enordnung zu erwarten si
192. ermessungs nachrichten AVN 10 2000 Nr 107 S 360 363 Wanninger 2000bl WANNINGER Lambert Pr zise Po sitionierung in Lokalen Referenzstationsnetzen Deutsche Geod tische Kommission DGK Reihe C Nr 508 M n chen 2000 Welsch u a 2000 WELSCH W HEUNECKE O KUHL MANN H Handbuch Ingenieurgeod sie Auswertung geo d tischer berwachungsmessungen Wichmann Verlag 2000 Wildi und Glaus 2002 Wn Thomas GLAUS Ralph A Multisensor Platform for Kinematic Track Surveying In KAHMEN Heribert Hrsg NIEMEIER Wolfgang Hrsg RETSCHER G nther Hrsg Proceedings of 2nd Symposi um on Geodesy for Geotechnical and Structural Enginee ring 21 24 05 2002 Berlin 2002 S 238 247 Willgalis 2005 WILLGALIS Stefan Beitr ge zur pr zi sen Echtzeitpositionierung in GPS Referenzstationsnetzen Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Vermes sungswesen der Universit t Hannover Nr 255 Dissertati on 2005 Wilson u a 1999 WI LsonN K SMITH C NEAGLEY D KACYRA B DIMSDALE J ZAYHOWSKI J J CY RAX A Portable Three Dimensional Laser Mapping and Imaging System In Physics Division Progress Report Ja nuary 1 1997 December 31 1998 Los Alamos National Laboratory Physics Division 1999 Kap 2 S 76 79 Wirth 2007 WIRTH Holger Der neue Lichtraummess zug LIMEZ III der Deutschen Bahn AG In BARTH Wolf Hrsg FOPPE Karl Hrsg SCH FER Thomas Hrsg Terr
193. errn Prof Dr Ing habil Christian Heipke f r die bernahme des Kor referates und f r seine konstruktiven Anregungen und Vorschl ge danken die diese Arbeit ohne Zweifel abgerundet haben In gleicher Weise darf ich Herrn Prof Dr Ing Hilmar Ingensand von der ETH Z rich meinen Dank f r die bernahme des zweiten Korreferates aussprechen der mich mit vielen innovativen Ans tzen und einer breiten fachlichen Betrachtungsweise auf angenehme Weise konfrontiert hat Meine Dankbarkeit gilt ebenso dem fr heren Leiter des Geod tischen Institutes Herrn Prof Dr Ing habil Dr h c mult Hans Pelzer der mir nach meinem Studium die M glichkeit er ffnete an der Leibniz Universit t Hannover wissenschaftlich zu arbeiten Ganz besonders bin ich den Kolleginnen und Kollegen vom Geod tischen Institut der Leibniz Uni versit t Hannover verbunden die f r viele Hilfestellungen eine sehr angenehme Atmosph re und f nf unvergessliche Jahre gesorgt haben Ausdr cklich nennen m chte ich an dieser Stelle meine Kollegen Hans Neuner und Ingo Neumann die mir durch ihre brillianten Ideen den Weg aus einigen Sackgassen erm glichten Dies gilt gleicherma en f r Horst Suhre der durch faszinierende elektronische Schaltun gen wesentlichen Anteil an der Erstellung des fertigen Prototypen hat Auch Harald Vennegeerts und Jens Andre Paffenholz geb hrt mein aufrichtiger Dank f r die Absolvierung einer gesch tzten Marathon distanz im Rahmen von Testmessungen in
194. erscheinungen geschehen Als Beispiel der Realisierung in einem kommerziellen Produkt kann das GPS Azimuth Heading Measurement System GAMS von Applanix genannt werden Einschr nkend ist jedoch zu sagen dass das vorgestellte Verfahren technisch vergleichsweise aufwendig ist und aufgrund der notwendigen Signaltrennung nicht mit Standardsensoren realisiert werden kann Aus diesen Gr nden kommt ein Einsatz dieses Verfahrens im vorliegenden System nicht in Betracht 3 7 3 Das Kalman Filter A Abbildung 3 11 Indirekte Azimutbestimmung aus Kalman Filterdaten Die Ableitung von Gier und Nickwinkel aus den Ergebnissen der Kalman Filterung ist ein weiteres indirektes Verfahren zu Bestimmung der Fahrzeugorientierung Wie auch bei der in Kapitel VOT gestellten Methode werden hierbei ausschlie lich mathematische Zusammenh nge genutzt so dass als Eingangsdaten lediglich die kinematisch prozessierten Einzelpunktpositionen ben tigt werden Dies hat den Vorteil dass die Orientierungselemente aus den Messungen eines oder mehrerer unabh ngiger GPS Empf nger bestimmt werden k nnen 42 3 Bestimmung von Position und Orientierung Wie in Kapitel gezeigt wurde kann durch Einsatz eines kinematischen Kalman Filters bei An nahme einer gleichf rmig beschleunigten Bewegung f r jede Epoche tg der Zustandsvektor Vi EEE Ve 3 48 mit seiner VKM Zant unter Zuhilfenahme von Messungen bestimmt werden Der Vektor r enth lt nicht nur d
195. ert nunmehr berwie gend stochastische Anteile enthalten sind besitzt die H henkomponente eine verbleibende Periodizit t die auf langperiodische Rollbewegungen des Fahrzeugs schlie en l sst Diese besitzen jedoch eine gr e re Periodenl nge als die in Kapitel diskutierten Bewegungen aufgrund systematischer Effekte der Neigungsmessung Insbesondere im Bereich der hoch gelegenen Punkte der Kategorie C sind in dieser Koordinatenrichtung jedoch deutlich geringere Restabweichungen vorhanden Zur Verdeutlichung der verbleibenden Restsystematiken die direkt zu Verzerrungen innerhalb der Punktwolke f hren sind die horizontalen Restklaffungen in Abbildung 9 47 mit 200 facher berh hung dargestellt Auch hier l sst sich f r Punkte der Kategorie B eine leichte Periodizit t parallel zur befahrenen Trajektorie vermuten die in dieser Form durch langperiodische Azimut nderungen hervorgerufen werden kann Objektpunkte Restklaffungen 200 fach berh ht 0 05 m Trajektorie des Scanners o t We ge a a K 3 ri ae E a Se e T SE mm a E ie s 1 di E e wm 60 70 Rechts m Abbildung 9 47 Restklaffungen der 3D Helmert Transformation in der Ebene Ausgehend von den bereits beschriebenen Diskretisierungsproblemen der identischen Punkte kann bei einem mittleren Profilabstand von 3 5 cm davon ausgegangen werden dass die verbleibenden Differenzen bei Verwendung besser identifizierbarer Kon
196. ertation 1985 IIngensand 2006 INGENSAND Hilmar Metrological Aspects in Terrestrial Laser Scanning Technology In Pro ceedings on 3rd IAG International Symposium on Geo technical and Structural Engineering and 12th Interna tional Symposium on Deformation Measurements 22 24 05 2006 Baden sterreich CD ROM 2006 IIngensand u a 2003 INGENSAND Hilmar RyF Adrian SCHULZ Thorsten Performances and Experiences in Ter restrial Laserscanning In GR N Armin Hrsg KAH MEN Heribert Hrsg Proceedings of Optical 3D Measu rement Techniques VI 07 14 07 2003 Z rich Schweiz 2003 S 1236 1243 ISO 1989 ISO 1502110 Information technology da ta communication 25 pole DTE DCE interface connector and contact number assignments International Standards Organization Norm 1989 Johnson und Jennings 2006 JOHNSON G W JEN NINGS R LabVIEW graphical programming 4 Aufla ge McGraw Hill Verlag New York USA 2006 ISBN 0 07 137001 3 Kalman 1960 KALMAN Rudolf E A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems In Transactions of the ASME Journal of Basic Engineering 82 1960 S 39 45 Kempf und Kuhn 1999 KEMPF Markus Kunn Bern hard Der virtuelle Laborant In Linux Magazin 11 1999 Linux Magazin Verlag M nchen 1999 Keong und Lachapelle 2000 KEONG Jiunhan LACHA PELLE Gerard Heading and Pith Determination Using GPS GLONASS In GPS Solutions 3 2000 Nr 3
197. erwendet Die aus den relativen DGPS Positionen abgeleite ten Azimute sind in Abbildung zu sehen Verglichen mit den ber das Kalman Filter berechneten 3 7 GPS gest tzte Bestimmung von Gier Nick und Rollwinkel 43 Position Rover 1 Position Rover 2 120 J 115 J E E 110 e 02 E lt 105 Dr 100 0 2 95 J 0 4 90 1 2 1 A8 A8 04 0 2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Rechts m Zeit s Abbildung 3 12 Roverpositionen aus relativer Abbildung 3 13 Azimut aus relativen DGPS DGPS Auswertung Messungen Geschwindigkeitsvektoren besitzen diese Werte ein deutlich h heres Rauschniveau was in erster Linie auf die Tatsache zur ckzuf hren ist dass es sich hierbei um ungefilterte GPS Positionen handelt Der Nachteil dieser Methode besteht darin dass die im Rahmen einer Kalibrierung ermittelten Zusatz informationen wie der r umliche Abstand beider Antennen vergleiche auch Kapitel 3 4 3 im Gegensatz zur Azimutbestimmung aus Kalman Filter Daten nicht genutzt werden k nnen Zudem werden beide Antennen durch das Festhalten eines Empf ngers f r die Basislinienberechnung mit gleichem Unsicher heitsniveau in die Berechnung eingef hrt Grunds tzlich ist festzustellen dass die Azimutbestimmung mit relativen DGPS Beobachtungen im Vergleich zur Bestimmung im Kalman Filter zwar keine rechnerische Korrektur eines Schleppkurvenef fektes wie bei der Verwendung eines Emp
198. esssystem fiel die Wahl auf die Hardwareplattform von Sorcus Als wesentliche Entscheidungsgr nde sind die hohe Modularit t die kompakte Bauweise sowie die gute Systemleistung zu nennen Gegen die Verwendung eines der Systeme von National Instruments sprach das gute Preis Leistungsverh ltnis des Sorcus Systems sowie die lizenzfreie Verf gbarkeit eines Echtzeitbetriebssystems Da f r die Realisierung einer Mindestkonfiguration ein CPU Modul sowie drei Datenerfassungsmodu le notwendig sind fiel die Wahl auf die MAX 5dip deren Basiskonfiguration in Abbildung darge stellt ist Die drei freien Modulsteckpl tze sind hinsichtlich der Datenerfassung mit Echtzeitprogrammen gleichwertig wodurch sich Konfiguration und Best ckungsreihenfolge ausschlie lich an der Messaufgabe orientieren Die m gliche Betriebsspannung der Box liegt zwischen 18 6 V und 36 V bei einer Leistungsaufnahme zwischen CPU 3 W und 26 W so dass ein Einsatz auf mobilen Plattfor oder I O I O I O men ber zwei parallel geschaltete Autobatterien gew hr comm leistet werden kann Durch die Flexibilit t der Stromver z gt z S sorgung wird eine wesentliche Voraussetzung f r den Ein satz des Mobile Mapping Systems auf bewegten Plattfor Abbildung 6 20 Steckplatzbelesung auf der Men erf llt MAX dip Neben einer hohen Flexibilit t sind auch M glichkei ten zur Kommunikation mit potentiellen Anwendern w n schenswert Zu diesem Zweck besitzt die MAX5dip 16 mono
199. estm glichem Zeitpunkt Minimum sp testm glichem Zeitpunkt Maximum einem Zeitintervall sowie einem exakten Zeitpunkt formuliert werden Abbildung 5 4 Intervall a Minimum Wee Maximum oO Exakt Zeit t Kap t face Abbildung 5 4 Festlegung der Zeitbedingungen Die Definition eines sp testm glichen Zeitpunktes ist in der Echtzeitprogrammierung h ufig anzutref fen Bezogen auf die Verarbeitung von Signalen wird die Quantifizierung eines maximalen Zeitraumes auch durch den Begriff der Latenzzeit At E Antwort ti 5 1 beschrieben Hierunter ist derjenige Zeitraum zu verstehen der vom Eintreten eines Ereignisses zum Zeitpunkt t bis zur Ausf hrung der dazugeh rigen Programmroutine also des Antwortzeitpunktes des Systems tAntwort vergeht Dabei ist es zun chst unerheblich ob Ereignisse kontinuierlich ber Timer oder aperiodisch ber Interrupts ausgel st werden In komplexen Systemen in denen eine wechselsei tige Beeinflussung durch verschiedene Aufgaben stattfindet ist zudem die statistische Schwankung der Latenzzeit zu beachten die auch als Jitter bezeichnet wird Ereignis l 1 I i Zeitt Weiche Echtzeit Auswirkung W W Zeit t Feste Echtzeit Auswirkung W Zeit t Harte Echtzeit Auswirkung Abbildung 5 5 Unterschied zwischen weichen und harten Echtzeitsystemen Um den Grad der Abh ngigkeit eines Ergebnisses von Zeitschranken und somit auch die Qualit t des Ech
200. estrisches Laserscanning TLS 2007 Ein Messverfahren erobert den Raum Beitr ge zum 74 DVW Seminar 05 06 11 2007 Fulda 2007 Schriftenreihe des DVW Nr 53 S 201 215 Witzak 2000 WITZAK Michael P Echtzeit Betriebssys teme Franzis Verlag Poing 2000 W rn und Brinkschulte 2005 W RN Heinz BRINK SCHULTE Uwe Echtzeitsysteme Springer Verlag Heidel berg 2005 W bbena 1991 W BBENA Gerhard Zur Modellierung von GPS Beobachtungen f r die hochgenaue Positionsbe stimmung Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Vermessungswesen der Universit t Hannover Nr 168 Dis sertation 1991 167 168 13 Abk rzungsverzeichnis ASCH CAN CCD CIN DAQ DC DGPS DIN EDF FIFO FPGA GNSS GPPS GPS HDS IC II Task IMU KiSS LEM LLF LSB MDD MMI MMS MoSES MSB NI Task OSX PDT PPP PPS PXI RAM RAMSYS RINEX ROM RPC RTS SAPOS SRQ SV TCP IP TDT American Standard Code for Infor mation Interchange Controller Area Network Charge Coupled Device Code Interface Node Data Acquisition Gleichstrom engl Direct Current Differential Global Positioning Sys tem Deutsche Industrie Norm Barliest Deadline First Scheduling First In First OUT Field Programmable Gate Array Global Navigation Satellite Systems Geod tischer Positio nierungs Service Global Positioning System High Definition Surveying Integrierter Schaltkreis engl Inte grated Circuit Interru
201. eug einer Pr fung zu unterziehen um auftretende systematische Effekte die im Laufe der Messung und Messdatenverarbeitung auftreten zu bestimmen und im Rahmen einer Kalibrierung zu kompensieren Um den Pr f und Kalibrieraufwand f r das vorliegende System zu begrenzen sollen jedoch folgende Vereinfachungen getroffen werden 1 Annahme von Zeitinvarianz f r die ermittelten systematischen Abweichungen 2 Beschr nkung der Untersuchungen auf folgende Systemkomponenten e Achsen e Nullpunkt e Ma stab e Temperatur 3 Betrachtung systematischer Effekte aufgrund von e Achsabweichungen e Nullpunktsabweichungen e Ma stabsabweichungen e Temperatureinfl ssen 4 Ausschlie liche Ber cksichtigung von Abweichungen die wesentliche Auswirkung auf die Genauigkeit der Objektpunktbestimmung haben 5 nderungen der internen Sensorgeometrie und Ausrichtung der Sensoren zueinander werden ver nachl ssigt Der verwendete Quat Temperatursensor wird zur Erfassung der Umgebungstemper atur eingesetzt und bietet eine vom Hersteller angegebene Genauigkeit von besser als 0 1 K im relevanten Messbereich Kapi te1 6 2 3 Da die mit diesem Sensor bestimmten Temperaturwerte zur Korrektion systematischer Abwei chungen der Neigungsmessung verwendet werden k nnen alle systematischen Abweichungen der Tem peraturmessung deren kumulierter Einfluss kleiner als 1 C ist vernachl ssigt werden Ausgehend von der Annahme dass die unber cksichtigten Restabweichu
202. f ngers erfordert hierf r aber mit verdoppelten Hardwarean forderungen verbunden ist 44 4 Terrestrische Laserscanner 4 Terrestrische Laserscanner 4 1 Grundlagen terrestrischer Laserscanner Terrestrische Laserscanner TLS geh ren zu einer Klas se von Sensoren die eine dreidimensionale Umgebungser fassung mit hoher Geschwindigkeit sowie hoher r umlicher es Aufl sung und Objektpunktgenauigkeiten von wenigen Mil limetern durchf hren k nnen Der Objektraum wird hierbei spalten oder zeilenf rmig abgetastet Die so erfassten Punk te werden in ihrer Gesamtheit als Punktwolke bezeichnet Unter der Voraussetzung dass eine Drehung um die Steh achse des Scanners ausgeschaltet wird kann prinzipiell je der terrestrische Laserscanner auch als Profilscanner einge setzt werden Da diese Sensoren jedoch vornehmlich auf die dreidimensionale Objekterfassung ausgerichtet sind wird ei Abbildung 4 1 Rasterf rmige Objektaufnahme ne solche M glichkeit nur von wenigen Herstellern geboten Kapitel 4 5 Sensorisch betrachtet sind TLS polare Messsysteme mit lasergest tzter Entfernungsmessung und h neln somit reflektorlos messenden Tachymetern Im Gegensatz zu diesen besitzen terrestrische Laserscan ner jedoch kein Objektiv zur diskreten Anzielung von Punkten sondern f hren eine vollautomatische reflektorlose und rasterf rmige Erfassung der Umgebung durch Abbildung 4 1 Eine Klassifizierung wird h ufig auf Grundlage der Methode
203. fassungskarten und Module f r folgende Schnittstellen und Bussysteme verf gbar e PCI Peripheral Component Interconnect e PXI PCI eXtensions for Instrumentation e Firewire IEEE 1394 e USB e ISA e PCMCIA e CompactFlash Die echtzeitf higen Tr gerplattformen k nnen mit Hilfe von Modulen oder Steckkarten um Schnittstel len zur Datenerfassung erweitert werden Tabelle 5 4 F r Industrieumgebungen bietet NI die Modellrei hen CompactRIO Compact Vision System und Compact FieldPoint an die sich durch gro e Robustheit Mobilit t flexible Programmierung sowie durch eine hohe Zuverl ssigkeit auszeichnen Demgegen ber sind die PXI und PCI Modelle vornehmlich auf Laborumgebungen ausgerichtet in denen maximale Leistung und eine gro e Auswahl an I O Modulen gew nscht sind Das PXI Format ist auch unter dem Begriff compact PCI cPCI bekannt Es wurde urspr nglich von NI entwickelt wird inzwischen aber von einer gro en Zahl von Fremdherstellern als Quasi Standard unterst tzt PXI Systeme stellen die high end L sung von National Instruments f r alle deterministischen Mess Steuer und Regelaufgaben dar Sie bestehen aus einem PXI Chassis zur Aufnahme eines Controllers und standardm ig vier sechs oder acht I O Modulen Abbildung 5 9 Neben sehr hohen Datenraten bieten PXI Systeme auch einen sogenannten PXI Trigger Bus zur hochgenauen Synchronisierung mehrerer PXI Datenmodule Hiermit kann ein deterministisches Antwortver
204. fen werden kann Die MAX5dip bietet im Gegensatz zur MAX8dip keine USB Host Schnittstelle zum Anschluss externer Speichermedien so dass zur Datenspeicherung nur ein 8 MByte gro er inter ner Puffer zur Zwischenspeicherung der Daten genutzt werden kann Somit kann die MAX5dip nur als Embedded L sung zusammen mit einem Host Rechner betrieben werden NN Abbildung 5 15 MAX5dip Abbildung 5 16 MAX6pci Sorcus GmeH 2006 Sorcus GH 2006 Das CANbox System ist vornehmlich auf den Betrieb in Kraftfahrzeugen ausgerichtet bei dem die Da ten der ber den CAN Bus angebundenen Fahrzeugsensoren erfasst werden sollen Hierzu kommt neben einem CPU auch ein CAN Bus Modul zum Einsatz das ber zwei getrennte CAN Bus Schnittstellen verf gt Die Kommunikation kann wahlweise ber Ethernet WLAN Bluetooth oder eine optionale 70 5 Echtzeitf hige Messsysteme Abbildung 5 17 MAX2box Abbildung 5 18 CANbox Sorcus Gurt 2006 Sorcus GH 2006 USB Schnittstelle mit externer Peripherie erfolgen Hierdurch l sst sich die CANbox auch als CAN auf Ethernet oder CAN au WLAN Umsetzer verwenden Die CANbox erlaubt Betriebsspannungen zwi schen 6 und 60 V Die kleinste Tr gerplattform ist die MAX2box auf der neben einem CPU Modul noch ein zus tzliches MAX Modul f r Datenerfassungsaufgaben Platz findet Die CPU bietet bereits eine Ethernet und eine RS 232 422 Schnittstelle sowie einen USB Host und als Besonderheit eine
205. fgabe zur gleichen Zeit verarbeiten k nnen muss die zur Verf gung stehende Prozessorzeit auf alle anstehenden Aufgaben und somit alle Tasks verteilt werden Der Begriff Multitasking beschreibt in diesem Zusammenhang die F higkeit eines Systems zur quasi gleichzeitigen Ausf hrung von Tasks Bekannte Formen des Multitasking sind e Echtes Multitasking hardwareseitig e Preemptives Multitasking softwareseitig e Kooperatives Multitasking softwareseitig Das so genannte echte Multitasking ben tigt als zwingende Voraussetzung mindestens zwei unabh ngi ge physikalische Prozessoren oder Prozessorkerne auf denen die zeitgleiche Verarbeitung von Befehlen stattfinden kann Aufgrund der hohen Hardwareanforderungen kommt diese Form des Multitasking nur dann zur Anwendung wenn eine sehr hohe Systemleistung ben tigt wird Sind in einem System mehr Aufgaben parallel zu bearbeiten als physikalische Prozessoren zur Verf gung stehen kommen preemptive und kooperative Multitasking Verfahren zum Einsatz die sich haupt s chlich durch die Art der Priorit tsvergabe unterscheiden Beim kooperativen Multitasking wird die zur Verf gung stehende Rechenzeit von allen laufenden Tasks selbst verwaltet In diesem Fall bestimmt jede Task selbst wann sie die Kontrolle ber den Prozessor wieder abgibt so dass das System in der Regel nicht auf Ereignisse reagieren kann die au erhalb des Einflussbereichs der gerade aktiven Task liegen Beim 60
206. findlichen Schwingquarz der neben einer hohen Drift und Alterungsstabilit t 1989 eine f nffach h here Messgenauigkeit im Vergleich zu den verbreiteten PT100 Sensoren bietet GERTIG 11988 Die Ausgabe der Messwerte erfolgt nach Messstellen getrennt ber eine serielle RS 232 Schnittstelle mit einer Frequenz von 1 Hz wobei der gleichzeitige Betrieb von bis zu 16 Einzelsensoren m glich ist Die technischen Daten des QuaT Sensors sind zur bersicht in Tabelle aufgelistet Die Systemge nauigkeit bestehend aus Sensorgenauigkeit Signal bertragung und Fehler der Linearisierung wird von 1987 mit maximal 0 1 K im Bereich von 20 C bis 130 C angegeben Parameter Wert Messbereich minimum 40 C maximum 300 C Aufl sung 0 01 K Linearit tsfehler 20 C bis 130 C 0 1K briger Bereich 1 des Messwertes Tabelle 6 8 Technische Daten QuaT F r eine weitergehende Betrachtung des Messprinzips sei an dieser Stelle auf 1962 mra 1987 verwiesen Ein Vergleich der Linearit ten verschiedener Schwingquarzsensoren wird von 1982 vorgenommen 6 2 Begr ndung der Sensorauswahl 83 6 2 4 Laserscanner Wie bereits in Kapitel 1 diskutiert stellt die Umgebungserfassung mit einem pr zise synchronisierten terrestrischen Laserscanner eine der wesentlichen Neuerungen des vorliegenden Systems dar Neben der F higkeit Messungen im Profilmodus quer zur Fahrtrichtung durchzuf hren soll die durch
207. forderungen bez glich der maximalen Aufl sung und der Genauigkeit der Streckenmessung nicht erf llen 54 5 Echtzeitf hige Messsysteme 5 Echtzeitf hige Messsysteme 5 1 Anforderungen an die Messhardware Mobile Mapping Systeme sind in ihrer Mehrzahl auf die Erfassung heterogener Umgebungen im Au enbe reich ausgerichtet Aus diesem Grund ist es anstrebenswert Systeme dieser Art nicht nur in wechselnden Konfigurationen einsetzen zu k nnen sondern diese auch auf verschiedenen Plattformen zu betreiben Beispielhaft kann an dieser Stelle das auf der Grundlage des SwissTrolley Kapitel entwickelte Mapping System der Firma Terra genannt werden das sowohl auf Schienen als auch auf Landfahrzeugen betrieben werden kann 12007 Zur Gew hrleistung eines m glichst breiten Einsatzspektrums sollte die Sensorik zur Positionsbestimmung und Umgebungserfassung somit m glichst flexibel an die spezifischen Anforderungen angepasst werden k nnen Aus diesem Grund k nnen folgende Anforderungen an die Hardware zur Messdatenerfassung eines Mobile Mapping Systems gestellt werden e Modularit t Flexibilit t Standardsensorik Schnittstellen e Skalierbarkeit Erfassungsgeschwindigkeit Datenvolumen e Mobilit t Stromversorgung Gewicht e Kompaktheit Zahl der Sensoren all in one L sung e Zuverl ssigkeit Ausfalltoleranz Redundanz der Sensorik e Genauigkeit Innere u ere Genauigkeit des Systems Synchronisierung
208. g der Trajektorie e Synchronisation der Daten e Anbringung der Kalibrierparameter e seoreferenzierung e Sensorintegration und Datenfusion e Jualit tskontrolle e Optimierung des Datenflusses und Automatisierung Im Hinblick auf die in Mobile Mapping Systemen verwendeten Sensoren ergibt sich schnell eine Einteilung in zwei Kategorien Die Sensoren dienen zum einen zur Bestimmung von Positions und Orientierungspa rametern oder werden zur Erfassung der Umgebung eingesetzt Tabelle 2 1 zeigt eine Auswahl von h ufig in MMS anzutreffenden Sensoren Sensor Genauig Dimen Messgr e keit sion Position Orientierung GNSS N 3D Kinematische Position Differential GNSS H 3D Hochgenaue kinematische Position GNSS PPP M 3D Genaue kinematische Einzelpunktposition GNSS Pseudolites H 3D Genaue kinematische Einzelpunktposition GNSS PPP H M N 3D R umliche Orientierung und Beschleunigungen Odometer H 1D Streckendifferenzen aus Radumdrehungen Tachymeter H 3D Lokale dreidimensionale Position Inertialsystem H 3D Relativposition und Raumwinkel Elektron Kompass N 1D Orientierung nach magnetisch Nord Umgebungserfassung CCD Videokamera H M 2D Bildkoordinaten in Stereobildern Range Imaging MN 3D R umliche Objektkoordinaten Profilscanner M N 2D Objektkoordinaten in Profilebene TEG H M 3D Hoch aufgel ste r umliche Objektkoordinaten Ultraschallsensor M 1D Entfernung zwischen Sensor und Objekt Radar M 3D R umliche Objektkoordinaten IN N
209. g von Daten mit Hilfe echtzeitf higer Messhardware erfordert auf der einen Seite h here Investitionen in Messhard ware und die Entwicklung spezieller Erfassungssoftware auf der anderen Seite bietet diese Methode ein hohes Ma an Flexibilit t und Skalierbarkeit sowie die M glichkeit den gesamten Prozess der Erfassung und Verarbeitung von Sensordaten aktiv zu beeinflussen Tabelle gibt einen berblick ber die von verschiedenen Herstellern erm glichten Optionen sowie deren Vor und Nachteile Option A Option B Interne Aufzeichnung im Scanner Ausgabe ber Schnittstelle Hersteller Zoller Fr hlich Zoller Fr hlich Riegl Vorteil Keine Zusatzhardware notwendig Flexibler da gleichzeitige Synchroni Datenverarbeitung durch Scanner sation mehrerer Sensoren m glich Komponentenkalibrierung m glich Nachteil Bei mehreren Sensoren Multiplexer Kostenintensive Zusatzhardware not notwendig wendig Tabelle 6 2 Vergleich der Synchronisierungsverfahren 74 6 Das Messsystem Durch die Verwendung eines echtzeitf higen Messrechners k nnen jeder Signalquelle und dadurch auch jedem Sensor unterschiedliche Priorit ten entsprechend der Bedeutung f r das Gesamtsystem zugeordnet werden Eine solche M glichkeit ist insbesondere f r das vorliegende System interessant da die Referen zierung von GPS und Scannerdaten f r die Genauigkeit des Gesamtsystems entscheidend ist Aufgrund der Vorteile die sich durch den
210. gegen bergestellt Da hierzu der identische Sensor im dreidimensionalen Modus verwendet werden kann sind sowohl des sen Reichweite und Messprinzip als auch die objektbedingten Anforderungen hinsichtlich der Rasterweite der Reflektionseigenschaften sowie der Umgebungsbedingungen besser vergleichbar als dies bei photo und videogrammetrischen Systemen der Fall w re Als Anforderungen wurden Punktabst nde zwischen 0 05 m und 0 1 m sowie Punktgenauigkeiten von besser als 20 cm definiert Inhalt der Erfassung waren alle von der Stra e aus sichtbaren Geb ude und topographischen Elemente 10 2 Welfenschloss mit Vorplatz Abbildung 10 1 Welfenschloss in der Gesamtansicht Scanaufl sung mittel gering 10 2 Welfenschloss mit Vorplatz 151 Als erste der beiden Vergleichsumgebungen wurde der Au enbereich vor dem Hauptgeb ude der Leibniz Universit t Hannover ausgew hlt der von den Untersuchungen zur Genauigkeit der Azimutbestimmung bekannt ist Dieser besteht neben dem Hauptgeb ude sowie einer ausgedehnten Freifl che aus verschiede nen Verwaltungsgeb uden der Universit tsbibliothek Abbildungen CH und einem langgestreck ten Abschnitt im weiteren Verlauf der Nienburger Stra e Abbildung 10 5 Zur besseren Vergleichbarkeit wurde der gesamte Erfassungsvorgang in einzelne Schritte bestehend aus den notwendigen Vorarbeiten der Erfassung durch kinematisches oder terrestrisches Laserscanning sowie der Auswertung der Scandat
211. gen Hierzu bieten sich sensorseitig die Art der Positionsbestimmung sowie die M glichkeiten zur Umgebungs erfassung an Auch die erzielbare Genauigkeit der Objekterfassung ist hierzu grunds tzlich geeignet Ausgehend von der Tatsache dass die Verwendung eines terrestrischen Laserscanners im Profilmodus eine wesentliche Neuerung des vorliegenden Systems darstellt erfolgt eine Gruppierung der vorhande nen Systeme anhand der Art der Umgebungserfassung in drei Gruppen Videogrammetrische Systeme Systeme mit Profilscannern und Systeme auf Basis terrestrischer Laserscanner Tabelle 2 2 16 2 Mobile Mapping Systeme Eine bersicht ber diese heterogene Systemlandschaft kann naturgem nie abschlie end geleistet wer den weshalb die Diskussion zum Stand der Technik anhand ausgew hlter Systeme erfolgen soll 2 2 Vorstellung ausgew hlter Systeme 2 2 1 MoSES Universit t der Bundeswehr M nchen Das Mobile Stra en Erfassungs System MoSES ging 2001 als Nachfolgesystem aus der Entwicklung von KiSS hervor und kann bez glich der Genauigkeitsanforderungen als high end Sys tem bezeichnet werden Es besitzt eine Erfassungsgeschwindig keit von vg 100 km h und wird zur Erstellung und Fortf h rung digitaler Bestandspl ne in Stra enr umen eingesetzt Die Positionsbestimmung erfolgt bei diesem System durch dif ferentielle GNSS Positionierung ber SaPOS oder eigene Refe renzstationen sowie eine App lanix POS LV 420 Inertialme
212. gezeigte Amplitudenspek 9 4 Verfahren zur Azimutbestimmung 139 350 r r e T T 1 6 wf d We 349 FRE N 1 A es A 1 4 F 0 084 Hz A vun d d LA 348 AA d NN fi K vi W D 347 A u e N K P 4 L A D u 1 T 346 N a ZS d 2 345 d J E Fl 3 0 d f A 344 f amp a RE M d 0 4 342 IMU l 0 2 er RTS Filter E 340 i s i o eegenen zeegt 148 150 152 154 156 158 160 o 05 15 2 25 3 25 F 25 e Zeit s Frequenz Hz Abbildung 9 27 Azimute aus IMU und RTS Filterung im Detail Abbildung 9 28 Amplitudenspektrum der Azimutdif ferenz trum l sst zwei Frequenzen mit 0 28 Hz sowie 0 084 Hz erkennen die jedoch keinen Ursachen zugeordnet werden k nnen Im Rahmen einer zus tzlichen Evaluierung wurde das implementierte Verfahren zur Azimutbestim mung mit den Werten einer hochpr zisen LASERNAV II IMU von Honeywell des Institutes f r physi kalische Geod sie der Technischen Universit t Darmstadt verglichen Im Gegensatz zu vorangegangenen Untersuchungen wurde das Messsystem in diesem Fall auf einem Anh nger adaptiert und von einem Kfz ber ein ann hernd rechteckiges Testgel nde mit einer Ausdehnung von 100 m x 100 m bewegt Die Fahrbahn bestand hierbei aus einer vergleichsweise ebenen Betonoberfl che die Empfangsbedingungen f r GPS Signale k nnen aufgrund der geringen Abschattungen als sehr gut bezeichnet
213. gkeit von 40 km h ausgelegt 2002 Die hierbei verwendeten drei profilmessenden Laserscanner sind vertikal aus gerichtet und dienen im Unterschied zum MoSES System als prim re Senso ren zur Datenerfassung Die Profilebenen der Scanner sind zur Verringerung von Abschattungen gegeneinander gedreht angeordnet ber insgesamt sechs CCD Zeilensensoren mit 2048 Pixeln pro Zeile kann eine zus tzliche Textur erfassung der Umgebung erfolgen Dar ber hinaus wurde das System mit ei ner CCD Videokamera ausgestattet die eine Aufl sung von 659 x 494 Pixel besitzt MANANDHAR und SHIBASAKI 2000 Die verwendeten Laserscan ner besitzen ein Gesichtsfeld von 300 und arbeiten mit einer Profilfrequenz von yp 20 Hz bei einer Schrittweite von 0 5 MANANDHAR und SHIBASA 20014 Ob eine direkte Referenzierung der Scanzeilen durch Erfassung eines Triggersignals durchgef hrt wird oder ob die Scanprofile anhand des Abbildung 2 3 VLMS Eintreffzeitpunktes der Daten einer Raumposition zugeordnet werden ist nicht publiziert Zur Bestimmung von Position und r umlicher Orientierung wird ein Inertialmesssystem mit GPS Unter st tzung und digitalem Odometer verwendet Das Odometer liefert nicht nur Streckendifferenzen f r die Positionsbestimmung sondern sendet zudem einen Triggerpuls zur Ausl sung der Bildmessung an die CCD Zeilensensoren MANANDHAR und SHIBASAKI 2000 18 2 Mobile Mapping Systeme Das VLMS System verfolgt ebenso
214. gt die durch das Inklinometer ermittelten Rollwinkel des Fahrzeugs w hrend einer Geradeausfahrt auf ebener Strecke ber einen Zeitraum von 100 s bei der eine deutliche Variation der Amplituden in Abh ngigkeit von der Fahrtgeschwindigkeit zu erkennen ist Zur Ermittlung eventuell auftretender periodischer Bewegungen der Plattform wurden die in Abbil dung 9 15 dargestellten Daten durch ein Polynom 5 Grades von systematischen Effekten befreit und in den Frequenzraum transformiert Abbildung 9 16 Es ist deutlich zu erkennen dass die Rollbewegung des Fahrzeuges im Wesentlichen durch zwei Frequenzen von 1 3 Hz und 2 6 Hz gebildet wird Diese ent sprechen den Schrittfrequenzen die durch manuelle Bewegung der Plattform auf den Wagen bertragen werden wobei die Frequenz von 1 3 Hz durch den ungleichm igen Krafteinsatz beider Beine und eine somit vorhandene Oberschwingung der Schrittfrequenz erkl rt werden kann Ra EZ Rollbewegung GPS Trajektorien _Fahrzeug Trajektorie Abbildung 9 17 Auswirkung der Rollbewegung auf die Trajektorienbestimmung Die Auswirkung einer unzureichend kompensierten periodischen Rollbewegung des Fahrzeuges auf die Positions und Azimutbestimmung wird in Abbildung verdeutlicht Bei einer unzureichenden Re duktion der GPS Beobachtungen auf den Ursprung des Fahrzeugsystems werden die verbleibenden hori zontalen Querabweichungen vom Filter quivalent zu realen Fahrzeugbewegungen behandelt Aus
215. h HOFMANN WELLENHOF 2003 in seiner seit 1996 g ltigen Fassung keine signifikanten systematischen Unterschiede mehr 3 1 R umliche Koordinatensysteme 21 zum ITRS Da dem WGS84 ein Ellipsoid zugrunde liegt erfolgt die Darstellung von Koordinaten nicht ausschlie lich kartesisch sondern h ufig auch in ellipsoidischer Notation durch die L nge yo die Breite A und die ellipsoidische H he h F r die ellipsoidische Darstellung ist auch der Begriff der geographischen oder auch geod tischen Koordinaten Torge 2003 Seite 89 zu finden 3 1 2 Parametersysteme in der Abbildungsebene Das Gau Kr ger System als aktuelles amtliches Koordinatensystem der Landesvermessungen ist als zweidimensionales Koordinatensystem realisiert da das Landessystem eine strikte Trennung von Lage und H he vollzieht Es beschreibt ein Festpunktfeld auf der Grundlage des im Zentralpunkt Rauenberg auf dem Bessel Ellipsoid gelagerten Deutschen Hauptdreiecksnetzes und ist als erdfestes System anzuse hen Die nach Norden ausgerichtete Hochachse des Systems wird mit dem Index H bezeichnet seine in der GK Ebene orthogonal dazu angeordnete Rechtsachse mit R Zur Abbildung der dreidimensionalen Koor dinaten in die Ebene wird eine konforme Mercator Projektion verwendet deren Abbildungsvorschriften in weiterf hrenden Quellen Seite 19 ff zu finden sind Der Vollst ndigkeit halber sei darauf hingewiesen dass die im Gau Kr ger System vorgehaltenen Ko ordinatens
216. h eine m glichst glatte Irajektorie gew hrleistet werden In diesem Zusammenhang sind jedoch zwei wesentliche Probleme zu beachten die h ufig bei mobilen Messsystemen auftreten und einer realit tsgetreuen und homogenen Punktwolke entgegenstehen e Beobachtungen die von systematischen Effekten und Unstetigkeiten berlagert sind e Reale Eigenbewegungen des Fahrzeuges die aufgrund einer begrenzten Sensordynamik mit syste matischen Effekten berlagert sind oder durch zu starke Gl ttung der Trajektorie verschmieren W hrend die mit Abweichungen behafteten Beobachtungen in der Regel nicht vorhandene Pseudo bewegungen des Fahrzeuges vorspiegeln die sich jedoch nicht in Form einer Abstands nderung zum Objekt in den Daten des Scanners wiederfinden induzieren unvollst ndig erfasste Fahrzeugbewegungen einen gegenteiligen Effekt innerhalb der Punktwolke Das Problem bei der Wahl eines angemessenen Gl ttungsgrades besteht darin einen Ausgleich zwischen der Elimination stochastischer Bewegungen des Rovers sowie unzureichend kompensierter systematischer Effekte auf der einen Seite und der vollst ndigen Repr sentation der realen Fahrzeugbewegung auf der anderen Seite zu finden Die Auswirkung der angesprochenen Probleme auf die vorliegende Aufgabenstellung soll anhand der Gl ttung einer mit systematischen Abweichungen behafteten GPS Trajektorie Kapitel 9 3 2 und der durch u ere Erregerfrequenzen herbeigef hrten Oszillation de
217. halten des gesamten Systems hinsichtlich externer Ereignisse bei m glichen Taktzeiten im Bereich weniger Millisekunden gew hrleistet werden NATIONAL Instruments 12004 Der Controller dient in erster Linie zur Steuerung der gesamten Datenerfassungshardware sowie zur Kommunikation mit dem Host System und besteht aus Standard PC Komponenten Somit k nnen neben dem standardm ig verwendeten Echtzeitbetriebssystem PharLap OS von Citrix auch Betriebssysteme 66 5 Echtzeitf hige Messsysteme AEP PXI PCI Compact Compact RT System Desktop PC RIO FieldPoint Systemtyp stand alone stand alone embedded embedded Systemleistung Antwortverhalten O Timing Trigger Sync O Prozessorleistung O O Technische Daten Anzahl Module 4 6 8 14 18 n a 4 8 4 8 Stromversorgung diverse 220 V DC 11 30 V DC 11 30 V DC Leistungsaufnahme gt 145 W gt 200 W 17 20 W lt 15 W Am Besten geeignet o Gut Geeignet Geeignet Tabelle 5 4 Echtzeitf hige Tr gersysteme von NI NATIONAL INSTRUMENTS 2007B anderer Anbieter wie Windows XP in Verbindung mit der Echtzeiterweiterung RTX betrieben werden bei der das Host System parallel zum RT System auf der Echtzeit Plattform l uft LE u 5 2 zZ 2 2 2020 L MEZLIRBE ei __ d D a i 7 Im e LOW POWDR PAI Abbildung 5 9 NI PXI Chassis Abbildung 5 10 NI PXI Controller NATIONAL INSTRUMENTS 20074 NATIONAL INSTRUMENTS 20074 Sowohl PXI als auch PCI Systeme
218. heit der verebneten Koordinaten R und H eines Punktes sowie der ellipsoidischen H he ist mittels Varianzfortpflanzung nach bekanntem Schema zu bestimmen UcK i ES J oa Vi Bessel i T a 3 4 Hierbei kann die Jakobi Matrix J Ge se unter Zuhilfenahme verschiedener Ellipsoidparameter wie folgt gebildet werden 2000 Ze 0 0 JES us lU N cosd 0 mit 3 5 0 0 1 Wer 1 cos A 3 6 l a V 1 7 3 7 N mF 3 8 3 2 4 Auswirkung des Versatzes zwischen Antenne und Fahrzeugnullpunkt Die Messungen mit der GPS Antenne auf dem vorgestellten Prototypen sollen in erster Linie dazu dienen Position und Orientierung des Laserscanners zu jedem Zeitpunkt zu ermitteln Die Adaptierung der Antenne ist jedoch mit einer Reihe von Einschr nkungen verbunden die im Folgenden n her erl utert werden sollen Zum einen kann die Antenne weder ber noch unter dem Laserscanner befestigt werden um dessen Gesichtsfeld nicht einzuschr nken zum anderen sollten ihre Messungen geeignet sein die Orientierung des Fahrzeuges und somit auch die des Laserscanners m glichst realit tsnah abzubilden Grunds tzlich ist hierbei zu beachten dass eine Ableitung der Gier und Nickwinkel aus Einzelpunkt positionen der GPS Messung nur dann erfolgen kann wenn die Bewegungen der Antenne ausschlie lich in Richtung der Fahrzeugl ngsachse geschehen Eventuell auftretende Bewegungen quer zur Fahrtrichtung m ssen zwangsl ufig als Richtungs nderung aufgef
219. henfolge der Vergabe richtet sich hierbei nach dem Zeitpunkt zu dem jede Task ablaufwillig wird Im Unterschied zum FIFO Verfahren wartet der Scheduler hierbei nicht auf die Beendigung einer aktiven Task sondern entzieht ihr nach Ablauf des Zeitfensters den Zugriff auf den Prozessor Werden die Zeitscheiben zu gro gew hlt steigt das Risiko einer Verletzung von Zeitschranken Ist die Zeitschei be hingegen sehr klein muss der Scheduler h ufige Kontextwechsel zwischen den ablaufwilligen Tasks durchf hren was negativen Einfluss auf die Systemleistung hat H ufig wird die Gr e der Zeitschei ben w hrend des Betriebs entsprechend der aktuellen Prozessorauslastung angepasst Dieses Verfahren ben tigt aufgrund seiner Einfachheit nur geringe Ressourcen und stellt ein h ufig genutztes Scheduling Verfahren bei ausreichend schneller Hardware und kleinen Tasksets dar 5 3 2 Zur Steuerung komplexer Systeme mit einer gro en Anzahl verschiedenartiger Signalperioden und Prio rit ten existieren eine Reihe weiter entwickelter preemptiver Scheduling Algorithmen wie das Earliest Deadline First EDF oder Least Laxity First Verfahren LLF Das EDF ber cksichtigt bei der Zu teilung der Rechenzeit den bis zur Verletzung einer Zeitschranke verbleibenden Zeitraum er l einer jeden Task Eine Erweiterung des EDF Verfahrens stellt das Least Laxity First Scheduling dar bei dem zus tzlich zur maximalen Restzeit noch die voraussichtliche Dauer der Ausf hr
220. hl Time Slice Scheduling als auch Fixed Priority Mechanismen beherrscht Zur Entwurfszeit erfolgt eine Einteilung aller Tasks in eine der f nf Kategorien Standard Instrument I O Data Acquisition DAQ sowie zwei benutzerdefinierte Kategorien Bei dieser Einteilung ist zu beachten dass der sequentielle Auf ruf zweier Tasks aus unterschiedlichen Kategorien immer einen Kontextwechsel auf Betriebssystemebene erfordert Bei h ufigen Kontextwechseln kann ein signifikanter Anstieg der Systemlast erfolgen durch den die maximale Ausf hrungsgeschwindigkeit dementsprechend sinkt Aus diesem Grund sollten alle Tasks bei zeitkritischen Anwendungen in wenigen Kategorien zusammengefasst werden Innerhalb dieser Kategorien k nnen einer Task die f nf Priorit tsstufen time critical high above nor mal normal und background zugewiesen werden Abbildung verdeutlicht beispielhaft die beiden vorhandenen Scheduling Verfahren anhand einer Priorit tsmatrix JOHNSON und JENNINGS 12006 Standard Instrument Other 2 UO Time Gritical Bu npayas AUold paxI4 Back ground Abbildung 5 14 Priorit tsmatrix des LabVIEW RT Schedulers Above Normal Standardm ig erfolgt die Zuteilung von Rechenzeit mit Hilfe des preemptiven Time Slice Verfahrens sofern ablaufwillige Tasks gleiche Priorit ten besitzen F r den Fall dass unterschiedlich priorisierte Tasks die verf gbare Rechenzeit beanspruchen erfolgt eine Zuteilung entsprechend
221. hme erst durch Einf hrung von terrestrischen Laserscannern wie dem Cyrax 1000 im Jahre 1997 entscheidend erweitert Hierdurch war es m glich Objekte mit Hilfe eines engmaschigen Punktrasters auch bei schlechten Lichtverh ltnissen durch aktive Distanzmessung mit vergleichsweise hoher Genauigkeit zu erfassen Im Unterschied zu photogrammetrischen Systemen bieten terrestrische Laserscanner die M glichkeit der direkten dreidimensionalen Punktbestimmung mit Datenraten von bis zu 500 000 Punkten pro Sekunde Ungeachtet der genannten Vorteile werden diese Instrumente bisher berwiegend f r statische Aufnah men das hei t von festen Standpunkten aus eingesetzt Aufgrund der hohen Messfrequenz erscheint es sinnvoll terrestrische Laserscanner als Erg nzung zu statischen Scans auch auf bewegten Plattformen einzusetzen Abbildung 1 1 Genau dieser Ansatz der kinematischen Umgebungserfassung von einer be wegten Plattform mit einem profilmessenden Laserscanner soll in der vorliegenden Arbeit verfolgt werden 10 1 Einleitung SEKR g s g Dimension 3D We Scanner gt Zusatz Sensorik f r Translation erforderlich INS GNSS Tachymetrie 3D Koordinaten Intensit t Resultat gt Abbildung 1 1 Einsatzm glichkeiten terrestrischer Laserscanner GER und WUNDERLICH 2007 Die Aufgabe zur Entwicklung eines Mobile Mapping Systems gestaltet sich somit wie folgt Als zentra ler Sensor soll in die
222. hrzeuges nicht vollst ndig durch Inklinometermessungen erfasst werden so dass eine Restsystematik mit einer Amplitude zwischen 0 09 m und 0 16 m entsprechend 0 23 gon bis 0 43 gon in der Punktwolke zu erkennen ist Als Gr nde f r diesen Effekt k nnen der Dynamikbereich sowie die Reaktionszeit des verwendeten Neigungsmessers vermutet werden die dazu f hren dass auftretende Neigungen mit Frequenzen von mehr als 0 5 Hz nicht oder mit Verz gerungen von bis zu 0 3 s aufgezeichnet werden Hierbei ist jedoch anzumerken dass der vom Hersteller angegebene Frequenzgang von 0 5 Hz auf gro e Neigungs nderungen bezogen ist die in diese Fall nicht vorliegen so dass dieser Wert relativiert werden muss Abhilfe kann zum einen durch die Wahl eines Inklinometers mit optimiertem Frequenzgang oder durch zwei Neigungsmesser mit unterschiedlichen Frequenzg ngen geschaffen werden Zu diesem Thema sei auch auf verwiesen Dar ber hinaus sollte der verwendete Wagen aufgrund des vergleichsweise geringen Eigengewichtes von 200 kg in der vorliegenden Sensorkonfiguration stabilisiert werden Die kann durch den Einsatz des Systems auf Kfz gest tzten Plattformen erreicht werden auf denen bedingt durch die h here Massentr gheit deutlich niederfrequentere Rollbewegungen zu erwarten sind 9 3 4 Vergleich der Gl ttungsverfahren Im Rahmen der Evaluierung des Gesamtsystems sollen im Folgenden auch die bereits in den Kapiteln 3 5 2 und 3 5 3
223. hteckimpulse zu einer Signalfolge verkn pft 0 V Eingang Ausgang Quelle Pegel Typ Loe High V Low V High V TTL 5 V 0 0 8 2 0 5 0 lt 0 4 gt 24 CMOS 5 V 0 1 5 3 0 5 0 lt 0 05 gt 4 95 CMOS 10 V 0 3 0 7 0 10 0 lt 0 05 gt 9 95 CMOS 15 V 0 40 110 15 0 lt 0 05 gt 14 95 LV TTL Low Voltage TTL Tabelle 6 11 Pegel digitaler I O Schnittstellen Optoentkoppelte Ein und Ausg nge stellen eine Sonderform digitaler Schnittstellen dar bei denen Ein und Ausgangssignal vollst ndig potentialgetrennt sind Der Grund f r eine Potentialtrennung liegt in den unterschiedlichen Massen die verschiedenartige Ger tegruppen h ufig gegeneinander aufweisen Hierdurch werden Potentialdifferenzen hervorgerufen die gleich oder gr er als die verwendeten Logik pegel sein k nnen und somit zu fehlerhaften oder ausbleibenden nderungen der Logikzust nde f hren Die bertragung des Eingangs auf den Ausgangsstrom kreis erfolgt bei optoentkoppelten Schnittstellen mit Hil fe eines lichtemittierenden und eines lichtempfangenden Elementes Der lichtemittierende Teil wird standardm ig durch eine LED gebildet wohingegen f r den lichtempfan senden Teil Fotodiode oder Fototransistor dienen k nnen Optokoppler eignen sich somit sowohl f r analoge als auch digitale Schaltungen 11991 Be dingt durch eine nichtlineare Diodenkennlinie wird in aller Regel ein Vorwiderstand verwendet mit dessen Hilfe ge regelt werd
224. i zierten Erst in der n chstfolgenden Epoche mit GPS Beobachtungen kann wieder eine Aufdatierung und somit Einbeziehung von Messwerten stattfinden was zu den aus Abbildung 8 11 ersichtlichen sprunghaf ten nderungen der pr dizierten Trajektorie f hrt Die Fortschreibung eines nachfolgenden Systemzu i r r r r l standes ohne Messungen ist unkritisch solange zwi 71 215 schen zwei GPS Messungen keine abrupte nderung nal der Beschleunigungswerte stattfinden durch die sich das Systemverhalten von den gemessenen Zust nden entfernt In diesem Fall w rde die Innovation 3 29 also die Differenz zwischen pr dizierten und gemes 71 185 senen Beobachtungen anwachsen und m glicherwei 71 19 se zu einer Verletzung der Nullhypothese des Glo baltests f hren Ein solches Verhalten ist jedoch als 71 2057 1 2 Hoch m 71 185 Trajektorie aus Kalman Filter 71 187 allgemeines Problem einer Filterung anzusehen und ee kann durch langsamere Geschwindigkeiten oder hohe II _ 4 amp S 17 1 17 2 17 3 17 4 1 5 1 6 17 17 8 17 9 Abtastraten vermieden werden Rechts m Im Anschluss an die Filterung der Trajektorien daten und Sch tzung der Positionen der Scanprofile kann zur Verbesserung der Sch tzwerte aller Epochen eine optionale R ckw rtsfilterung vorgenommen werden SCHRICK 1977 Die Vereinigung der im Hin und R ckweg ermittelten Zustandsvektoren kann Kapitel 3 5 2 entnommen werden En
225. i spielen nicht nur die Abma e eines Systems sondern auch sein Gewicht und die notwendige Form der Spannungsversorgung eine gro e Rolle 5 2 Echtzeitbetriebssysteme 5 2 1 Begriffliche Einordnung der Echtzeit Bei der Definition des Begriffes Echtzeit wird h ufig davon ausgegangen dass diese direkt abh ngig von Parametern wie Systemgeschwindigkeit oder Datendurchsatz ist Die Geschwindigkeit im absoluten Kon text spielt hierbei jedoch eine untergeordnete Rolle vielmehr ist die Geschwindigkeit eines Systems im Hinblick auf Echtzeitanwendungen als relative Kenngr e zu betrachten So bedeutet Echtzeit bei B rsen informationssystemen dass Kurse innerhalb einiger Sekunden bereitstehen m ssen wohingegen unter der Echtzeitf higkeit bei der Motorsteuerung maximale Latenzzeiten von wenigen Mikrosekunden verstan den werden WORN und BRINKSCHULTE 2005 Eine Zeitbedingung wird bei echtzeitf higen Systemen weniger durch die Verarbeitungsgeschwindigkeit sondern vielmehr durch einzuhaltende Zeitschranken definiert die auf eine Erfassungs oder Steuerungsaufgabe bezogen sind 2003 Obwohl die Geschwindigkeit einer Messdatenerfassung allgemein stark von der Leistungsf higkeit des zugrunde liegenden Betriebssystems abh ngt ist bei Echtzeitanwendungen zwischen der reinen Software komponente dem Echtzeitbetriebssystem und der vollst ndigen Realisierung eines Systems durch Hard und Softwarekomponente dem Echtzeitsystem zu untersche
226. iagonalen identifiziert werden da diese eine starke nderung der Raumstrecken zu nahe liegenden Punkten signa lisieren Einen Hinweis auf das Vorliegen von Ausrei ern geben Zeilen oder Spalten mit einem hohen Anteil roter Quadrate da hierdurch hohe Differenzen f r eine gr ere Anzahl an Raumstrecken zu einem einzelnen Punkt gekennzeichnet sind Zur Ausschaltung der noch vorhandenen Translationen zwischen beiden Datens tzen wurden die im R ckweg bestimmten Punkte mit Hilfe einer dreidimensionalen Helmert Transformation auf die Punkte 9 5 Genauigkeit des Systems im Objektraum 147 des Hinwegs transformiert Die Verteilung der Restklaffungen im Rechts und Hochwert sowie in der H henkomponente und der resultierenden Restklaffung im Raum k nnen den Abbildungen und entnommen werden 0 1 E 0 05 e 2 E S 3 ZS ZS 0 05 Kategorie B Kategorie B i e An 4 4 H SN A L A a 0 10 20 30 40 50 60 70 ar 10 20 30 40 50 60 70 Punktnummer Punktnummer eu EEE Hochwert E S S E 0 05 0 1 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 Punktnummer Punktnummer Abbildung 9 45 Restklaffungen der Rechts und Abbildung 9 46 Restklaffungen der H he und Raum Hochkomponente strecke Aus diesen Abbildungen ist deutlich zu ersehen dass die in den Koordinatendifferenzen vorhandenen Abweichungen weiter verringert werden konnten W hrend im Rechts und Hochw
227. ichen Abstand der Messwerte k nnen Autokorrelationen entstehen die signifikanten Einfluss auf das aufgezeichnete Signal haben Zur Auswertung derartig beeinflusster Messungen sind sogenannte Formfilter Ans tze zu verwenden deren stochastisches Modell in der Lage ist zeitliche Korrelationen zwischen den Messwerten zu ber cksichtigen 2006 Der Trimble 5700 besitzt drei 7 polige Schnittstellen von denen eine zur Ausgabe des PPS Pulses sowie des dazugeh rigen Zeitstempels im ASCH Format genutzt werden kann Aus Abbildung 6 8 geht hervor dass Zeitstempel und PPS Signal mit einem Versatz von 500 ms zueinander ausgegeben werden Aus diesem Grund sollte die serielle Schnittstelle zur Erfassung der Zeitstempel mit einer Frequenz von mindestens 1 Hz abgefragt werden um den PPS Pulsen P 0 und P 1 die entsprechenden Zeitstempel Z 0 und Z 1 zuzuordnen PPS Puls 500 ms 500 ms 500 ms z0 zu Zeitstempel Abbildung 6 8 Versatz zwischen Zeitstempel und PPS Puls Die Breite des PPS Pulses betr gt 8 us mit einer Genauigkeit von ann hernd 1 us Diese ergibt sich aus den Faktoren Ansteigzeit Abfallzeit und Aufl sung der Flanken Hinzu kommt eine durch die varianzbe haftete Position des Empf ngers bedingte Ungenauigkeit des Zeitsignals von wenigen Nanosekunden Die zu den PPS Signalen korrespondierenden Zeitstempel werden vom Empf nger ber RS 232 codierte serielle Leitungen der Empf ngerschnittstelle mit einer Geschw
228. iden Dar ber hinaus ist zu beachten dass ein echtzeitf higes System nicht allein durch den Einsatz eines entsprechenden Betriebssystems garan tiert werden kann sondern auch von Mechanismen zur Priorit tssteuerung sowie von Eigenschaften der Hardwareplattform abh ngt Echtzeitsysteme sind durch ihre F higkeit gekennzeichnet Daten innerhalb einer a priori definierten und reproduzierbaren zeitlichen Toleranz zu erheben oder zu verarbeiten Als quantitatives Ma f r die Leistungsf higkeit dient hierbei der Zeitraum zwischen dem Auftreten eines Ereignisses und einer definierten Systemreaktion der als Latenzzeit bezeichnet wird Im Hinblick auf die Einhaltung vor gegebener Zeitschranken arbeiten Echtzeitsysteme innerhalb systembedingter Grenzen deterministisch 2000 Eine Beantwortung der Frage ob ein zu entwickelndes System echtzeitf hig sein muss um bestimmte Aufgaben erledigen zu k nnen ist somit nicht allgemeing ltig zu beantworten und h ngt wesentlich vom Einsatzumfeld ab 5 2 2 Abgrenzung zu konventionellen Betriebssystemen Der berwiegende Teil von Aufgaben in der elektronischen Datenerfassung ist nicht mit festen zeitlichen Beschr nkungen verkn pft Moderne Betriebssysteme OS wie Windows Unix oder Linux sollen dem Anwender in erster Linie eine m glichst komfortable Arbeitsweise und hohe Systemleistung erm glichen In den F llen in denen die Korrektheit und Zuverl ssigkeit eines Ergebnisse
229. iden die zu systematischen und stochastischen Effekten f hren Dies Einfl sse sind zum einen aufgrund der spezifischen geometrischen Eigenschaften des erfassten Objekts und zum anderen durch das Material und die Oberfl chenstruktur des Objekts bedingt Die Mehrzahl der geometrischen Einfl sse f hrt im Falle einer Nichtber cksichtigung zur systemati schen Abweichungen wie die umfangreichen Untersuchungen von 2003 belegen Auch der als Kometenschweif bei Zielmarken in Kugelform bekannte Effekt KERSTEN u a l ist auf geome trische Beziehungen zwischen dem Laserstrahl und der Neigung der Objektoberfl che zur ckzuf hren Neben den geometrisch bedingten Abweichungen stehen vor allem die durch das Material und die Struktur der Objektoberfl che bedingten Effekte im Vordergrund Neben der Oberfl chenrauigkeit die im Verh ltnis zur Wellenl nge des Lasers betrachtet werden muss ist auch die m gliche Eindringtiefe in das Material f r die Standardabweichung der Entfernungsmessung entscheidend wie die von INGENSAND 2003 durchgef hrten Messungen auf Marmor belegen Untersuchungen von 2005 sowie 2004 zeigen dass die Farbe und Reflektanz der Objektoberfl che nicht nur zu erh hten Standardabweichungen der Entfer 7 3 Kalibrierung des Laserscanners 101 nungsmessung sondern auch zu einer Nullpunktabweichung der Distanzmessung f hren k nnen Dar ber hinaus wird von sowie mit Hilfe einer Spektralanalyse ein Zusam menhang zw
230. ie reinen Raumkoordinaten des Systemzustands sondern aufgrund des kinematischen Ansat zes auch seine aktuellen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen in Richtung der Koordinatenachsen Abbildung 3 11 zeigt die Koordinaten des Systems sowie seine Geschwindigkeitsvektoren in der ebenen Darstellung Die Varianz der Beobachtungen wurde aus Gr nden der Vereinfachung mit Null angenom men ber die einfache Beziehung Wg arctan o 3 49 k nnen unter Ber cksichtigung der Vorzeichen von v und vy f r jeden Systemzustand das Azimut Yk und seine Unsicherheit o2 0 ibh F o z Ti 3 50 Vy k mit 1 1 1 vz F reen u EE zl 3 51 abgeleitet werden Bezeichnet man die Resultierende der Geschwindigkeitsvektoren in der X Y Ebene mit UR k Vi deg 3 52 so kann mit Hilfe von ot auch der Nickwinkel analog zu den Gleichungen und bestimmt werden Wesentlicher Vorteil der Verwendung eines Kalman Filters ist die Forderung nach gleichzeitiger Er mittlung der Raumwinkel f r diejenigen Zeitpunkte und somit Epochen zu denen ein Scanprofil erfasst wurde ber die Pr diktionsgleichung k nnen die Geschwindigkeitsvektoren sehr einfach f r Zwi schenepochen bestimmt werden in denen keine GPS Beobachtungen erfasst wurden Bedingt durch das Wesen des verwendeten Filteralgorithmus besitzt das aus GPS Einzelpositionen abgeleitete Azimut insbesondere in Bereichen mit hoher Fahrdynamik eine vergr erte Unsicherheit Die se tritt
231. iedene Aufnahmen des ffentlichen Stra enraumes mit Hilfe des GeoVAN durchgef hrt Die aus den Laserscannermessungen ermittelten Objektpunkte an Fassaden wurden mit digitalen GIS Daten validiert Der Abweichungsvektor R VAX AY AY zu jeweils zehn als Referenz angenommenen Koordinaten wurde mit R lt 0 82 m bestimmt wobei die Standardabweichung der Referenzkoordinaten selbst mit ox oy oz 0 2 m angegeben wurde Die angegebenen Standardabweichungen der Koordinatendifferenzen liegen f r die horizontalen Koordinaten richtungen zwischen 0 18 m und 0 36 m 2004 Zur Genauigkeit der photogrammetrischen Objekterfassung siehe auch ALAM US u a l Hinsichtlich der Ausstattung des Systems stellt der GeoVAN sicherlich den aktuellen Stand der Tech nik dar der jedoch auch mit erheblichen finanziellen Investitionen verbunden ist Allein aus diesem Grund kommt die verwendete Systemkonfiguration f r die vorliegende Arbeit nicht in Betracht zumal die Erfassung mit dem Laserscanner auf ein Gesichtsfeld von 80 beschr nkt ist Auch die pr sentierten Genauigkeiten f r die Punktbestimmung im Objektraum sind unter Ber cksichtigung der technischen M glichkeiten dieses Systems nicht zufriedenstellend 2 3 Zusammenfassung 19 2 3 Zusammenfassung Die in Kapitel 1 definierten Anforderungen an das zu entwickelnde Messsystem bez glich einer schnellen und wirtschaftlichen Erfassung von Objekten im Au enbereich mit einem hochaufl senden terre
232. iedrig M Mittel H Hoch GNSS PPP Auswertung von GNSS Beobachtungen durch Precise Point Positioning 3CCD Charge Coupled Device TLS Terrestrische Laserscanner Tabelle 2 1 Sensoren eines MMS und ihre Charakteristik 2 1 Charakteristik und Klassifizierung von Mobile Mapping Systemen 15 Die M glichkeiten zur Positionsbestimmung sind sehr vielf ltig und werden wesentlich durch die benutzer definierten Anforderungen an Genauigkeit Redundanz und Investitionsvolumen bestimmt Bei hohen und h chsten Anforderungen kommen differentielle GNSS L sungen zum Einsatz die zur berbr ckung von Signalausf llen zus tzlich durch Inertialmesssysteme unterst tzt werden Bei Anwendungen mit streng begrenztem Aktionsradius werden gelegentlich auch tachymetrische Systeme zur Positionsbestimmung verwendet die allerdings meist als zus tzliche Option angeboten werden Durch eindimensionale Senso ren wie Odometer oder Korrelationsgeschwindigkeitssensoren kann die Genauigkeit der zur ckgelegten Wegstrecke ber kurze Zeitr ume deutlich erh ht werden Dar ber hinaus wurden auch aufwendige M g lichkeiten zur Nutzung von GPS Pseudolites bei starken Signalabschattungen in urbanen Umgebungen Die bildgebende Sensorik richtet sich in erster Linie nach den Anforderungen an die zu erfassenden Objekte F r die Erfassung von Objekten im Nahbereich werden h ufig digitale Videokameras im Ste reobildverfahren eingesetzt Dar ber hinaus existieren Systeme die Vid
233. ielverfolgendes Tachymeter verwendet werden Zur Unter st tzung der Positionsbestimmung mit GPS kommen zwei Odometer zum Einsatz die bei Kurvenfahrten auch als Differentialodometer benutzt werden k nnen Zus tzlich werden Nick und Rollwinkel ber zwei fl ssigkeitsged mpfte Inklinometer sowie die Umgebungstemperatur bestimmt 2004 2 2 Vorstellung ausgew hlter Systeme 17 Die f r eine Modellierung der Fahrzeugbewegung notwendige Ermittlung des Gierwinkels erfolgt in die sem System nicht ber origin re Messungen sondern wird indirekt aus den Einzelpunktpositionen auf algorithmischem Wege abgeleitet Hierbei wird jedoch die Eigenschaft gleisbasierter Systeme genutzt bei denen Vorder und Hinterr der des Messwagens abgesehen von geringen Abweichungen die gleiche TIrajektorie zur cklegen Das Bewegungsmodell wird in horizontale und vertikale Bewegung unterteilt wobei die horizontale Trajektorie auf der bereits von anderen Systemen bekannten Annahme einer Kreis bewegung mit konstanter Geschwindigkeit aufsetzt Die Umgebungserfassung erfolgt in der optionalen Konfigu ration durch zwei Laserscanner vom Typ Sick LMS 200 In einer gemeinsamen Steuereinheit wird das PPS Signal ei nes angeschlossenen GPS Empf ngers zur Synchronisation mit den Scannerdaten genutzt Die Anforderungen an die Synchronisiergenauigkeit der Sensordaten werden mit ver gleichsweise geringen 1 ms angegeben 2006 Obwohl der SwissTrolley urspr nglich
234. ierung des Systems 360 T T T T T T T 2 pes T IMU Az u B ss 350p RTS Filter A N J A F Fa i ga ke Ke a e d er t A Systematischer Effekt h 1 320 H A i l sinusf rmige Trajektorie a 05 1 sinusf rnige sa Trajektorie I Hi Azimut jgan CH Azimutdifferenz gon E n enge eg E ba og _ a E we m e I j KN V d r A f 4 51 20 PR N u Sa mm 1 2 io nmo ua op an i50 e mm en mm mp 120 mp 10 pn en 170 180 Zeit s Zeit s Abbildung 9 25 Azimute des Messwagens in der Abbildung 9 26 Azimutdifferenz zwischen IMU und bersicht RTS Bestimmung Trajektorie f hrt und somit als systematische Abweichung in die Berechnung der Punktwolke eingeht Auch die vorhandenen sinusf rmigen Bewegungen auf gerader Strecke f hren zu Querbeschleunigungen des Fahrzeuges die vom Inklinometer nicht von realen Neigungswerten getrennt werden k nnen und unter Umst nden zu berkompensationen der neigungsbedingten Korrektion von GPS Positionen f hren Die Differenzen zwischen den durch IMU Messungen bestimmten Azimuten und einer RTS gegl tteten L sung eines GPS Empf ngers k nnen Abbildung 9 26 entnommen werden Sie bewegen sich in einer Bandbreite von 3 gon und liegen somit deutlich ber den Abweichungen die durch differentielle GPS Phasenmessungen Kapitel erzielt werden k nnen Auff llig ist jedoch dass die Azimutdifferenz von einer sichtbaren
235. ig von der Neigungsrichtung sind so dass zwei getrennte Kalibrierfunktionen bestimmt wurden Da die Temperatur w hrend der Kalibrierung um lediglich 0 36 C variierte liegt die Vermutung nahe dass die beiden Kammern des Inklinometers Abbildung 6 12 divergierende Kennlinien besitzen oder nicht symmetrisch zur Neigungsachse gelagert sind Parameter Wert Standardunsicherheit Bereich 0 gon lt a lt 20 gon Bestimmtheitsma B 0 999999994 Ma stab m 19 6797 gon Volt 4 52 mgon Volt Nullpunkt 0 2093 gon 2 71 mgon Bereich 20 gon lt a lt 0 gon Bestimmtheitsma B 0 999999992 Ma stab m 19 6075 gon Volt 4 37 mgon Volt Nullpunkt 0 1809 gon 2 59 mgon Tabelle 7 8 Vergleich der Latenzzeiten bei unterschiedlicher Systemlast Im Vorgriff auf die Abbildungen und ist anzumerken dass das analoge Ausgangssignal des Inklinometers nicht nur mit einem vergleichsweise hohen Rauschniveau sondern auch mit Ausrei ern be haftet ist Aus diesem Grund wurden die ermittelten Medianwerte anstelle der Mittelwerte als Eingangs sr en der Regression verwendet was sich in deutlich besseren Bestimmtheitsma en sowie niedrigeren Standardabweichungen der Regressionsparameter bemerkbar machte 106 7 Pr fung und Kalibrierung der Komponenten 7 4 2 Temperatureinfluss und Signalrauschen Eine Variation der Sensortemperatur f hrt h ufig zu systematischen Effekten bei fl ssigkeitsbasierten Nei gungsmessern Abbildung 6 10 Aus diesem Gr
236. igen Verringerung des PDOP zu erkennen ist entsteht ein signifikanter Sprung in der beobachteten Trajektorie der nicht durch Fahrzeugbewegungen verursacht wird Abbildung 9 12 Wie aus dem Vergleich der beiden Abbildungen hervorgeht besteht ein deutlicher Zusammenhang zwischen dem Wechsel von f nf auf sechs Satelliten bei GPS Sekunde 409399 der sich auch in den Beobachtungen des zweiten nach hinten versetzten GPS Empf ngers in einem Abstand von zwei Sekunden zeigt Die hohen PDOP Werte sind durch eine vergleichsweise starke Abschattung der Satellitensignale bedingt da sich der dargestellte Trajektorienabschnitt direkt unter einer gr eren Baumgruppe befindet 132 9 Validierung des Systems 29 77 Sprung GPS 1 _ A 409399 E8 PDOF GPS 1 Anzahl Satelliten 409400 4 1 1 L L 3 409397 409398 409399 409400 409401 409402 409403 u a a 3 a D S Sekunden _ GPS Sekunden s E 409401 13 T T r 33 10 d lt GPS 1 Rohdaten E g PDOP GPS 2 Anzahl Satelliten 35 H GPS 1 gegl ttete Trajektorie H S GPS 2 Rohdaten 6 GPS 2 gegl ttete Trajektorie a al L L 4 i e S 116 ep 120 ee es SS d 409397 409398 409399 409400 409401 409402 409403 Rechts m GPS Sekunden s Abbildung 9 11 Versatz in den GPS Beobachtungen Abbildung 9 12 Satellitenkonfiguration Die beiden GPS Empf nger sind entsprechend der in Abbildung
237. ignet sind Diese Scanner unterscheiden sich nicht nur durch ihre F higkeit zur Profilmessung von den Modellen der Wettbewerber sondern auch durch die variable Art der Strahlablenkung Diese kann nicht nur durch eine Oszillation des Spiegels in vertikaler Richtung sondern optional auch durch eine 360 Rotation um seine Kippachse durchgef hrt werden Da sich die einzelnen Modelle vornehmlich durch ihre Reichweite die m gliche Aufl sung im Ob jektraum und die Genauigkeit der Streckenmessung unterscheiden soll im Folgenden der LMS Z390 Abbildung H gl stellvertretend vorgestellt werden Dieser Scanner ist verglichen mit anderen Riegl Scan nern auf h here Genauigkeitsanforderungen f r die Strecken und Winkelmessung bei Reichweiten von bis zu 300 m ausgerichtet Er bietet dar ber hinaus Profilaufnahmen mit Frequenzen von fp 20 Hz Weitergehende technische Daten k nnen Anhang Alentnommen werden Abbildung 4 8 Riegl LMS Z390 Abbildung 4 9 Riegl Internal Sync Timer Drot 2007 Eine Besonderheit die von keinem anderen terrestrischen Laserscanner geboten wird ist die durch ein Erweiterungsmodul des Herstellers gegebene M glichkeit einer direkten Referenzierung der Scanner daten Hierzu wird der PPS Puls eines GPS Empf ngers ber den sogenannten Internal Sync Timer Abbildung in den eigentlichen Datenstrom des Scanners integriert Der korrespondierende ASCII String der ben tigt wird um den mehrdeutigen Rechtecki
238. indigkeit von 19200 Baud ausgegeben und k nnen somit durch jedes RS 232 f hige Schnittstellenmodul erfasst werden Neben dem in der UTC Skala 18 6 Das Messsystem angegebenen Zeitstempel werden vom Empf nger weitere Systeminformationen zur Verf gung gestellt aus denen sich die Art der Positionsbestimmung engl Type of Position Fix sowie die Anzahl der f r die Positionsbestimmung genutzten Satellitensignale ergibt Aufgrund dieser Information kann festgestellt werden ob Code oder Phasenmessungen zur Positionsbestimmung verwendet wurden beziehungsweise ob eine g ltige Positionsinformation vorliegt Eine detaillierte bersicht ber die Arten des Position Fix kann 2005 entnommen werden Abk rzungen JI Jahr MM Monat TT Tag hh Stunde mm Minute ss Sekunde X Art der Positionsbestimmung Y Anzahl der verf gbaren Satelliten XY Keine Positionsbestimmung m glich Abbildung 6 9 Inhalt des Zeitstempels eines Trimble 5700 Ein Zeitstempel der am 23 Dezember 2005 ber einen Zeitraum von 5 Sekunden aufgezeichnet wurde ist in Abbildung 6 9 zu sehen Zus tzlich zur UTC Zeit ist zu erkennen dass sich die Anzahl der genutz ten Satellitensignale um 07 26 24 von 9 auf 8 Satelliten ndert In der darauffolgenden Sekunde wurde die Kabelverbindung zum Empf nger unterbrochen so dass keine Satellitensignale mehr zur Verf gung standen und somit auch keine Positionsbestimmung durchgef hrt werden konnte Diese Zu
239. indigkeitsvektoren f r die Ableitung des horizontalen Raumwinkels geeignet Abbildung 8 11 Pr diktion der Profilpositionen 126 8 Messung und Auswertung der Daten 8 4 6 Erzeugung der Punktwolke Nach erfolgreicher Azimutbestimmung liegt f r jeden Zeitpunkt einer Profilmessung ein Vektor der Form Rechtsck Rechtswert Hochck Hochwert Hoehe H he PGK Azimut U w mit Nickwinkel 8 6 K Rollwinkel e E N X Koordinate Z Scanner Z Koordinate IN sahen Intensit tswert vor Ausgehend von diesen Daten kann jetzt eine Transformation der Punkte jedes einzelnen Profils von 2D Profilkoordinaten in das Gau Kr ger System erfolgen Abbildung 8 12 die in drei Schritten abl uft 1 Transformation der 2D kartesischen in 2D Polarkoordinaten 2 Anbringung der Kalibrierwerte f r den Scanner 3 Polares Anh ngen eines Scanpunktes Aus Gr nden der Verarbeitungsgeschwindigkeit werden die ermittelten Kalibrierwerte f r den Scanner erst in diesem Schritt ber cksichtigt zumal es bisher nur um die Positionsbestimmung f r den Zeitpunkt eines Profil Nulldurchgangs ging Da die Koordinaten bereits in polarer Form vorliegen k nnen hierbei die von Tachymetern bekannten Rechenregeln zur Korrektion polarer Messelemente angewendet werden Kalman Filterung Gl ttung Legende Ergebnis d 3D Punktwolke A Abbildung 8 12 Transformation der Profile in Objektraum F r jeden Scanpunkt werden zun
240. indlichen Objekte mit minimalen Abschattun gen ist jedoch eine Ausrichtung der Scanprofile quer zur L ngsachse des Fahrzeuges w nschenswert Aus diesem Grund wurde der nach Adaptierung auf dem Fahrzeug willk rlich um den Winkel y zur Y Achse verdrehte Scan ner vor jeder Messung quer zur Fahrtrichtung gedreht Abbildung Um eine m glichst pr zise Ausrichtung zu gew hrleis ten wird hierzu vor jeder Messung eine Kugel im vorderen Teil des Fahrzeuges erfasst deren Mittelpunktkoordina ten im Fahrzeugsystem bekannt sind Somit kann auch der Winkel yo yg zwischen der Mittelpunktgeraden zur Kugel und der Y Achse des Fahrzeugsystems berechnet und zur Drehung des Scanners genutzt werden Abbildung 7 21 Automatische Ausrichtung des Scan ners 7 6 Pr fung und Kalibrierung des Echtzeitrechners 109 7 6 Pr fung und Kalibrierung des Echtzeitrechners 7 6 1 Drift der Uhr Die Bestimmung der Erfassungszeitpunkte f r die digitalen Signale von GPS Empf nger und Scanner erfolgt grunds tzlich ber die interne Uhr des Echtzeitrechners Da eine Verkn pfung von Scandaten und GPS Positionen ausschlie lich ber eine zeitliche Referenzierung vollzogen wird ist die Genauigkeit einer solchen Referenzierung als wesentlicher Parameter dieses Systems zu sehen Obwohl auftretende Driften durch die kontinuierliche Aufzeichnung des hochgenauen PPS Pulses in der nachfolgenden Auswertung korrigiert werden k nnen sollte die interne Uhr des Mess
241. ine PURE EUER SUR EEE UNE Abbildung 3 9 Zusammenf hrung von Mess und Systemgleichung im Kalman Filter Weusch u a 2000 der Epochen 1 n dazu verwendet werden um n zu ermitteln Hierbei ist es nicht zwingend notwendig dass in jeder Epoche Messungen f r alle zu beobachtenden Gr en anfallen Dieser Umstand wird ins besondere beim vorliegenden System dazu genutzt Systemzust nde f r Epochen zu erzeugen in denen lediglich Scanprofile erfasst wurden um diese r umlich zuzuordnen Durch Messwerte er Art der mittelter Zustand o Bestimmung en Filterung gt n Pr diktion Lee Gl ttung Tabelle 3 3 Filterung Pr diktion und Gl ttung Ausgehend vom Umfang des Datenmaterials das zur Bestimmung eines Systemzustandes verwendet wird k nnen die Begriffe Filterung Pr diktion und Gl ttung wie in Tabelle 3 3 langegeben unterschieden werden Hierbei ist zu beachten dass im Rahmen einer Kalman Filterung aufgrund des aufgestellten funktio nalen Modells nicht nur die Filterung der Daten sondern auch eine Pr diktion des Systemzustandes ber die aktuelle Epoche hinaus vorgenommen werden kann Ein System dessen Zust nde mit Hilfe ei nes Kalman Filters bestimmt werden sollen muss nach SCHRICK folgende Optimalit tskriterien erf llen 1 Linearit t 2 Erwartungstreue 3 Stabilit t 4 Minimale Fehlervarianz Bei geod tischen Fragestellungen wie der vorliegenden sind prim r die dreidimensionalen Punktk
242. iner Maximalaufl sung von bis zu 100 000 Punkten 360 erm glicht Zus tzlich wurde der Imager 5006 um ein internes Inklinometer erweitert das nach Herstellerangaben eine Aufl sung von Ayy 0 001 bei einer Genauigkeit von oy 0 002 besitzt Angaben ber den m glichen Messbereich des Inklinometers liegen nicht vor f r weitere technische Daten sei auf die tabellarische bersicht in Anhang A verwiesen Zus tzlich dazu besitzt dieses Modell einen internen Akku und einen PC zur Steuerung des Messablaufs sowie zur Speicherung der Daten so dass Messungen ohne den Anschluss weiterer Hardware durchgef hrt werden k nnen Die beim Imager 5006 verbesserte Aufl sung der Zenitwinkelmessung und erh hte Profilfrequenz wirken sich im Vergleich zum Imager 5003 auch bei kinematischen Anwendungen positiv aus Aufgrund dieser Neuerungen k nnen durch den Einsatz des Imager 5006 in kinematischen Anwendungen die Punktdichten in Profil und Fahrtrichtung signifikant erh ht werden Die M glichkeit zur Synchronisierung der Scan nerdaten mit externer Peripherie ist auch bei diesem Modell gegeben so dass das Ger t f r kinematische Anwendungen dieser Art pr destiniert ist 4 5 Profilmessende Scanner 51 4 5 4 Riegl LMS Z390 Die Firma Riegl aus Horn sterreich bietet eine Reihe terrestrischer Laserscanner an die als Hybrid scanner konzipiert wurden und sowohl zur dreidimensionalen als auch zweidimensionalen Objekterfassung gee
243. ingen Punktabst nden ergeben k nnen Diejenigen Gr en bei denen sich der Einfluss systematischer Effekte aufgrund von Erfahrungswerten mit ausreichender Genauigkeit als unbedeutend absch tzen l sst werden nicht kalibriert 7 3 Kalibrierung des Laserscanners 7 3 1 Indexabweichung des Vertikalencoders Die scannerinternen Rohdaten einer Profilmessung bestehen quivalent zu Messungen mit Tachymetern aus einem Vertikalwinkel und einer Raumstrecke Durch mechanische Abweichungen ist der Nullpunkt des Vertikalencoders nie exakt auf die idealisierte Referenzrichtung Nadir oder Zenit bezogen sondern besitzt in der Regel einen ger tespezifischen Offset der einer von Theodoliten bekannten Indexabweichung entspricht Kipp achse Scanner achse 2 D T Se wesch 5 d Abbildung 7 9 Bestimmung des Vertikaloffsets in zwei Lagen Dieser Offset ist in den vom Hersteller ermittelten und im Scanner abgelegten Kalibrierwerten enthalten und wird bei Messungen bereits im Ger t ber cksichtigt was jedoch nur f r Messungen im 3D Modus gilt Bei zweidimensionalen Profilmessungen wird ein eventuell vorhandener Offset bei der Ausgabe der kartesischen Koordinaten nicht ber cksichtigt und ist insofern kalibriertechnisch zu bestimmen Dies kann mit Hilfe einer in zwei Lagen durchgef hrten Messung zu einem oder mehreren diskretisierten Punkten geschehen Abbildung 7 9 Bei Profilmessungen kann der vertikale S
244. ingenieur seod tischen Praxis gefunden und sind aufgrund ihres aktiv abtastenden Messprinzips in der Lage eine Reihe der bestehenden Nachteile von Mapping Systemen zu kompensieren Zudem verwendet die Mehr zahl dieser Systeme inertiale Sensoren zur Bestimmung von Position und Orientierung deren Einsatz mit hohen Kosten verbunden ist Die Aufgabe dieser Arbeit besteht in der konzeptionellen Entwicklung und anschlie enden Evaluierung eines Systems zur hochaufl senden Erfassung von Objekten im Au enbereich mit Hilfe eines profilmessenden terrestrischen Laserscanners unter Verzicht auf Inertialsensoren Der Einsatz eines profilmessenden Scanners auf einer bewegten Plattform f hrt zu einer helixf rmigen Abtastung der Umgebung Um Verzerrungen innerhalb der Punktwolke bei Kurvenfahrten zu vermeiden m ssen Position und Raumwinkel f r jeden erfassten Scanpunkt bestimmt werden Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Messrechner mit Echtzeitbetriebssystem dazu verwendet die durch den Scanner erfassten Profildaten mit den Positionsmessungen eines GPS oder GLONASS Empf ngers und den Neigungsdaten eines fl ssigkeitsbasierten Inklinometers zu synchronisieren Die hierdurch m gliche gegenseitige Referen zierung von Scanner und GPS Daten bildet die Grundlage f r eine Bereinigung der erfassten Punktwolke um systematische Effekte die durch den Einfluss der Fahrzeugbewegung entstehen Die zweite Besonderheit des entwickelten Konzeptes die sich durch den Verzich
245. integriert und im Rahmen einer anschlie enden Auswertung extrahiert Sollen mehr als zwei Sensoren 6 1 Anforderungen an Sensorik und Messhardware 73 gleichzeitig synchronisiert werden sind f r die Zusammenf hrung der Signale sogenannte Multiplexer oder Latch Register M SCHWITZER und LUNZE 1988 erforderlich mit deren Hilfe parallel auftre tende Signale in einem seriellen Datenstrom verarbeitet werden k nnen A Multiplexer B Echtzeitrechner C Event Marker Ge Antenne Antenne Antenne Weitere Sensoren Weitere Sensoren AH IN IN Abbildung 6 1 Optionen zur Synchronisierung von Sensordaten Der wesentliche Nachteil dieser Variante besteht in der Notwendigkeit einen Multiplexer zur gleich zeitigen Synchronisierung mehrerer Signalquellen zu verwenden Zudem bezieht sich dieser Ansatz vor nehmlich auf die Erfassung von digitalen Rechtecksignalen und weniger auf die Aufzeichnung analo ser oder seriell codierter digitaler Datenstr me Die Erfassung RS 232 codierter serieller Daten ist zwar srunds tzlich m glich jedoch mit erh htem Aufwand verbunden Vor dem Hintergrund dass bei einer Systemerweiterung weitere hochfrequent messende Sensoren mit dem auch aus seriellen digitalen Daten bestehenden GPS Zeitnormal zu synchronisieren sind erscheint diese Variante aufgrund der weniger gu ten Skalierbarkeit unvorteilhaft Als Beispiel einer praktischen Umsetzung ist
246. ischen Abweichungen in die Auswertung ein 2000 Die daraus entstehenden physikalischen Korrelationen k nnen dazu f hren dass die Angabe der Messunsicherheit des Gesamtergebnisses durch nicht ber cksichtigte Kor relationen zu optimistisch gesch tzt wird Generell sollte jede Art von Kalibrierung unter kontrollierten u eren Bedingungen durchgef hrt werden so dass nicht modellierbare St rgr en nur wenig Einfluss auf die Ergebnisgr e haben In diesem Zusammenhang sei angemerkt dass die Frage ob alle wesentlichen Einflussgr en Ber cksichtigung in einem Kalibrierprozess gefunden haben h ufig nicht abschlie end beantwortet werden kann Eine durch Kalibrierung ermittelte Korrekturfunktion ist streng genommen nur f r den Zeitpunkt tgal der Kalibrierung g ltig So weisen 2001 darauf hin dass verschiedene Kom ponenten eines Messsystems zeitvariante Figenschaften besitzen Eine solche nderung von Eigenschaften ist in aller Regel auf eine Vereinfachung des Korrekturmodells zur ckzuf hren und kann sowohl kurz als auch langperiodischer Natur sein berichten in diesem Zusammenhang von einer mittelbaren zeitlichen Ver nderung der Kalibrierwerte f r die Streckenmessung eines Cyrax 2400 Scanners die von den Autoren auf Ersch tterungen w hrend des Transports zur ckgef hrt wird Vorgehensweise und Umfang einer Kalibrierung h ngen wesentlich von der Art des Sensors der Zug ng lichkeit zu einzelnen Sensorkomponenten un
247. ischen der Standardabweichung der Entfernungsmessung auf der einen und der Reflektanz der Objektoberfl che sowie der Wellenl nge des Lasers auf der anderen Seite hergestellt Eine Korrektur der durch das Objekt bedingten systematischen und zuf lligen Abweichungen ist zwar grunds tzlich m glich erfordert jedoch dezidierte Kenntnisse des gescannten Objekts Da das vorliegende System auf die Erfassung ausgedehnter Au enbereiche ausgelegt ist kann eine solche Ermittlung der Objekteigenschaften nur mit sehr hohem Aufwand realisiert werden Da der Laserscanner das zentrale Modul des Systems bildet und dar ber hinaus auch die Mehrzahl der zu kalibrierenden Gr en beinhaltet wird der Schwerpunkt der Kalibrierarbeiten im Modul Laserscanner liegen Innerhalb dieses Moduls sind vor allem die Auswirkungen der Ger tetemperatur die Abweichun sen von Ziel und Kippachse sowie die des Vertikalindexes zu kalibrieren da diese entfernungsabh ngig wirken und somit die Genauigkeit der Punktbestimmung signifikant beeinflussen Weitere Effekte besit zen bezogen auf den Scanner entweder keine Relevanz bei zweidimensionalen Profilmessungen oder liegen durch bereits ber cksichtigte ger teinterne Korrektionen in einer Gr enordnung die f r die Genauigkeit des vorliegenden Systems unbedenklich ist Dies gilt auch f r die von CHEOK u a 2002 beschriebenen zeitlichen und r umlichen Autokorrelationseffekte die sich aufgrund der hohen Abtastrate und den ge r
248. iskre tisierung von Vergleichsgr en mit Hilfe geometrischer Formen notwendig aus denen die Kalibriergr en indirekt abgeleitet werden k nnen Abh ngig von der Art der zu kalibrierenden Parameter werden hierzu h ufig ebene Zielmarken SCH FER und SCHULZ 2005 Kugeln mit bekanntem Radius 2004 oder auch Zylinder verwendet B TTNER und STAIGER 2007 Das in Abbildung gezeigte Schema f r den Aufbaus eines Multi Sensor Systems kann ohne Ein schr nkung auch auf terrestrische Laserscanner bertragen werden Im Vergleich zu Tachymetern besteht das endg ltige Messergebnis bei Laserscannern jedoch nicht nur aus origin ren Strecken und Winkel messungen sondern aus einer mit Regelgeometrien approximierten Punktwolke Abbildung 1 2 Laserscanner Messung Datenerfassung Auswertung Modul If Modul Modul Laserscanner Atmosph re Objekt Abbildung 7 5 Am Ergebnis einer Laserscanneraufnahme beteiligte Module Somit erscheint es sinnvoll die zur Bereitstellung des Messergebnisses notwendigen Module in die beiden Kategorien Datenerfassung und Auswertung zu unterteilen Abbildung 7 5 Aus Gr nden 98 7 Pr fung und Kalibrierung der Komponenten der Vereinfachung sollen die folgenden Betrachtungen jedoch auf diejenigen Module beschr nkt werden die zur Erfassung der Punktwolke beitragen In diesem Zusammenhang ist anzumerken dass eine Kalibrierung der Auswerte und Modellierungs
249. it t der Sensordaten als auch die unterschiedlichen Verfahren zur Filterung und Gl ttung der Trajektorie sowie zur Azimutbestimmung untersucht Diese Untersuchungen wurden entweder im Labor durchgef hrt oder mit Hilfe von Daten umgesetzt die im Rahmen der oben genannten Testmessungen in realen Umgebungen erhoben wurden Zudem konnten die Ergebnisse verschiedener Genauigkeitsuntersuchungen genutzt werden die in Zusammenarbeit mit dem Institut f r Physikalische Geod sie der Technischen Universit t Darmstadt umgesetzt wurden 9 2 Qualit t der Sensordaten 9 2 1 Standardabweichung der GPS Positionen Die mit Hilfe eines oder mehrerer GPS Empf nger beobachteten Positionsdaten tragen entscheidend zur r umlichen Referenzierung der gescannten Objektpunkte bei wodurch die Qualit t dieser Daten f r das gesamte System von besonderer Bedeutung ist und im Folgenden betrachtet werden soll Neben der Position im WGS84 System liefert die GPS Auswertesoftware Trimble Total Control TTC dar ber hinaus weitere Informationen zu jeder Epoche Insbesondere die Standardabweichungen der Punkte die 128 Testgebiet Beschreibung GPS Empfang Welfenschloss Offener Platz vor dem Hauptgeb u de mit wechselnden Fahrbahnbel gen und GPS Empfangsbedingungen sowie zahlreichen Geb uden in unmittelbarer Nachbarschaft der Trajektorie Schlecht 4 SV bis gut 8 SV mit Abschattungen unter B umen und m glichen Mehrwegeeffekten entlang der 9
250. itt des vertikalen Gesichtsfeldes verteilt und mit dem Imager 5003 in zwei Lagen erfasst Abbildung 7 10 zeigt den realisierten Messaufbau in der bersicht Im Anschluss wurden die Ziel und Kippachsabweichung mit Hilfe einer Ausgleichung nach kleinsten Quadraten ermittelt und den von 2006 ermittelten Werten gegen bergestellt Tabelle 7 5 zeigt dass die Gr enordnung der von NEITZEL 2006 beobachteten Zielachsabweichung best tigt werden kann auch wenn sie ein umgekehrtes Vorzeichen besitzt Aufgrund der Gr e der fest gestellten Abweichungen erscheint es notwendig diese im Rahmen der Auswertung noch vor der Transformation der Objektpunkte vom Abbildung 7 10 Zielmarken Scanner in das Fahrzeugkoordinatensystem zu ber cksichtigen Ausgehend von der gro en Differenz der Abweichungen zu den in Tabelle genannten Vergleichswerten ist die Frage nach einer Zeitvarianz dieser Gr en zu stellen die jedoch im Rahmen dieser Arbeit unbeantwortet bleiben muss Neben den genannten Achsabweichungen ist prinzipiell auch die von SCHULZ und INGENSAND beschriebene Taumelabweichung bei Laserscannern vorhanden Dieser spielt jedoch ebenso wie die Steh achsabweichung bei Messungen im Profilmodus keine Rolle so dass eine Bestimmung an dieser Stelle unterbleibt zu K Parameter Zielachsfehler c Kippachsfehler i Eigene Kalibrierung Achsfehler Standardunsicherheit 35 6 mgon 0 7 mgon 3 4 mgon Achsfehle
251. itzu sch tzen und zu modellieren weshalb dieser Ansatz auch als Parametersch tzung bezeichnet wird Im Gegensatz dazu werden beim Ansatz zur Parameterelimination durch Differenzbildung ein oder mehr fache Differenzen der Phasenbeobachtungen abgeleitet um die durch Empf nger und Raumsegment be dingten systematischen Abweichungen zu beseitigen und eine zuverl ssige L sung von Mehrdeutigkeiten der Phasenbeobachtungen zu erm glichen Unsicherheitsanteil Unsicherheit Abso Unsicherheit differen lutmessung tielle Basislinie Entfernungsabh ngig Satellitenuhr 5 100 m 0 ppm Satellitenorbit 9 50 m 0 2 2 ppm Troposph re 0 01 0 5 m 0 1 3 ppm Ionosph re 0 5 100 m 0 1 50 ppm Stationsabh ngig Mehrwegeausbreitung mm cm mm cm Antennenphasenzentrum mm cm mm cm Messrauschen lt 3 mm lt 4 mm Tabelle 3 5 Unsicherheitseinfl sse der GPS Positionierung 2005 Werden die systematischen Abweichungen konsequent eliminiert so k nnen die differentiellen Koordi natenunterschiede zwischen zwei Empf ngern mit hoher Genauigkeit bestimmt werden Die verbleiben den Unsicherheiten bei der Verwendung absoluter und differentieller GPS Beobachtungen bewegen sich in aller Regel innerhalb der in Tabelle genannten Grenzen Neben den entfernungsabh ngigen Ein fl ssen existieren auch stationsabh ngige Einfl sse wie eine Mehrwegeausbreitung und die Variation des Antennenphasenzentrums Diese Effekte sind auch in kinema
252. keit sondern auch von der Profilrate und der damit verbundenen Aufl sung in Querrichtung abh ngen Da die Geschwindigkeit der Auswertealgorithmen noch nicht optimiert wurde sind die Zeitangaben im Hinblick auf zuk nftige Messungen vielmehr als N herungswerte zu betrachten 152 10 Vergleichende Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit des Systems 10 3 Fassade des Welfenschlosses S RE KE e S ee Zb Ken Diet cht aer Kg iri AA AI Te ErP IR g SEKR Au RK Abbildung 10 2 Fassade des Welfenschlosses in sehr hoher Scanaufl sung Projekt K3 Um dar ber hinaus die Prozessierungszeit eines kinematischen Scans zu ermitteln der eine mit stati schen Scans vergleichbare Objektaufl sung besitzt wurde die 130 m lange Fassade des Welfenschlosses in der mit K3 bezeichneten Aufnahme mit einer Geschwindigkeit von 0 5 m s und einem Profilabstand von 2 5 cm erfasst HESSE und Kurrerenl 2007 Bereits aus dem visuellem Vergleich der beiden Abbildungen und ist ersichtlich dass die kinematisch erfasste Punktwolke der Fassade K3 zwar eine vergleichbare Scandauer wie Aufnahme K2 ben tigt hinsichtlich ihrer Objektaufl sung jedoch einem statischen Scan entspricht WI RERLLSZERRKUEL RAR Nothing selected kr EMATE Abbildung 10 3 Fassade des Welfenschlosses in der Detailansicht Projekt K3 Dieser Eindruck wird durch die Detailansicht der Punktwolke in Abbildung best tigt in der verschiedene Details der kine
253. ktpunktkoordin ten die in Tabelle definierten Anforderungen hinsichtlich Lage und H he deutlich bererf llt Die verbleibenden nicht stochastischen Resteffekte k nnen grunds tzlich durch die Positionsbestim mung mit GPS die Ausrichtung und Kalibrierung von Fahrzeug und Scanner sowie den Auswerter be sr ndet sein In diesem Zusammenhang sind folgende Einflussgr en zu nennen wobei die Buchstaben in Klammern angeben ob die resultierenden Abweichungen mit konstantem Wert K oder als entfer nungsabh ngiger Ma stabsfaktor M wirken e Arbeitsrichtung des Benutzers in der Punktwolke K e Abweichungen bei der Mittelpunktbestimmung der Kugel zur Scannerausrichtung M e Zeitvarianz der Achsabweichungen des Scanners M e Abweichungen bei der Definition der Fahrzeugl ngsachse M e Genauigkeit der Scannerausrichtung 0 01 M Insgesamt bleibt festzuhalten dass mit dem vorliegenden Prototypen sowohl relative als auch abso lute Genauigkeiten im Nahbereich bis 10 m von besser als 0 05 m erreicht werden k nnen sofern ein ausreichender GPS Signalempfang gew hrleistet ist 150 10 Vergleichende Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit des Systems 10 Vergleichende Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit des Systems 10 1 Definition von Beispielprojekten Da sich der entwickelte Prototyp in einer direkten Konkurrenzsituation zu einer gro en Anzahl existieren der Messverfahren und Systeme befindet soll abschlie end eine kur
254. l dass die Trajektorie mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann ist auf der anderen Seite jedoch mit sehr hohen Investitionskosten verbunden Dar ber hinaus sind f r die oben genannten Anwendungsgebiete nicht in jedem Fall Genauigkeiten im einstelligen Zentimeterbereich gefordert F r die Erfassung der Objektpunktinformationen kommen bei den am Markt verf gbaren Systemen gr tenteils photo beziehungsweise videogrammetrische Stereo bildsysteme zum Einsatz Die Verwendung dieser Sensoren f hrt zu geringen Sensorkosten und bietet den Vorteil dass die Stereobilder mit sehr hoher Frequenz erfasst werden k nnen Nachteilig wirkt sich hierbei jedoch aus dass Objektpunkte nur bestimmt werden k nnen wenn diese in beiden Stereobildern erkenn bar sind Eine automatisierte Ableitung hochaufgel ster Objektinformationen ist bei den in Kapitel vorgestellten aktuell existierenden Ans tzen noch nicht m glich Wie bei allen passiven Sensoren ist die ausreichende Beleuchtung der gesamten Szene grundlegende Voraussetzung f r einen Einsatz Insbeson dere die hohen Systemkosten der manuelle Auswerteaufwand sowie die beschr nkten Einsatzbedingungen machen die Neuentwicklung eines Messsystems zur Kompensation dieser Nachteile notwendig Obwohl Laserscanningverfahren bereits seit Ende der achtziger Jahre zur luftgest tzten Erfassung der Erdoberfl che zum Einsatz kommen wurde die Palette der terrestrischen geod tischen Sensoren zur Objektaufna
255. ldet wird Die Metallwanne ist in der Mitte durch einen d nnen Steg in zwei Kammern unterteilt zwischen denen die jeweiligen Kapazit tsdifferenzen bestimmt werden Abbildung 6 12 In beiden Messkammern befindet sich eine Fl ssigkeit mit hoher Dielektrizit t und einem dar ber liegenden Gaspolster Neigt sich der Sensor um seine sensitive Achse so flie t ein Teil der Fl ssigkeit durch feine Schlitze im Steg langsam von einer Kammer in die andere Je nach Neigung befinden sich unterschiedliche Mengen der Fl ssigkeit zwischen den beiden Elektroden und der Kondensatorplatte Die resultierenden Kapazit tsunterschiede k nnen ber einen Schwingkreis mit Z hlmodul erfasst und in Neigungswerte umgerechnet werden Der maximale Frequenzgang und die D mpfung des Sensors h ngen somit von der Flie geschwindigkeit zwischen beiden Kammern ab Die Geometrie der symmetrischen Gegenelektroden bestimmt hierbei die Kurvenform des Ausgangssi gnals 2006 Die in Abbildung dargestellte Kondensatorform erzeugt einen proportionalen Zusammenhang zwischen Neigungswinkel und Ausgangssignal und somit einen linearen Signalverlauf der jedoch nur f r Messwerte zwischen 45 lt Ymc lt 45 G ltigkeit besitzt Bei Neigungen von mehr 80 6 Das Messsystem Parameter Wert Anmerkung Gesamter Messbereich 60 Linearer Messbereich 45 Aufl sung 0 001 Neigungs nderung ab der die nderung des Ausgangssignals gr er als das Rau
256. len Objekten untersucht und beurteilt werden Im Hinblick auf die Beurteilung von Messsystemen ist grunds tzlich zwischen innerer und u erer Ge nauigkeit zu unterscheiden die auch in diesem System betrachtet werden sollen Als innere Genauigkeit ist hierbei die Pr zision des Systems also die Abweichung der Messergebnisse unter Wiederholbedingun gen zu verstehen 12002 Sie wird h ufig auch als relative Genauigkeit bezeichnet und kann durch die wiederholte Aufnahme eines Objektes mit anschlie endem Koordinatenvergleich bestimmt werden Demgegen ber liefert die u ere Genauigkeit Angaben ber die Ann herung der Messergebnisse an den wahren Wert der durch ein bergeordnetes Pr fnormal zu realisieren ist Die u ere Genauigkeit ist im Vergleich mit der inneren als absolute Angabe zu verstehen und kann durch die Erfassung gescann ter Objekte mit unabh ngigen Messverfahren ermittelt werden die aufgrund h herer Genauigkeiten als Referenzl sung betrachtet werden k nnen Im Gegensatz zu skalaren Messgr en wie der Streckenmessung bei Tachymetern besitzt die innere Genauigkeit bei kinematischen Messsystemen einen gro en Einfluss auf die nachbarschaftlichen Zusam menh nge der erfassten Punktwolke Die Gew hrleistung hoher Nachbarschaftsgenauigkeiten ist f r viele Anwendungen des entwickelten Systems von vorrangiger Bedeutung So sind bei Visualisierungen aus sedehnter Objekte lokale Verzerrungen in der Punktwolke u e
257. lf ltigen M glichkeiten zur Kombination von Priorisierungs und Schedulingaufgaben ergeben sich die in Abbildung 5 19 dargestellten Optionen zur Klassifizierung unterschiedlicher Tasks nn m e teeseen Ligen Fuer O EECHER Abbildung 5 19 Scheduling Verfahren unter OsX Unterschiedliche 5 3 4 Zwischenfazit Zusammenfassend kann festgestellt werden dass National Instruments eine u erst breite Produktpalette zur Messdatenerfassung im Hinblick auf Ausstattung Leistung und Funktionsvielfalt anbietet Insbeson dere die Compact RIO Serie ist f r den feldtauglichen Einsatz in mobilen Datenerfassungssystemen durch ihre geringe Stromaufnahme die robuste Bauweise und die hohe Systemleistung gut geeignet Bei allen Hardwarel sungen von NI ist jedoch zu ber cksichtigen dass die mit LabVIEW und LabVIEW RT erstellten virtuellen Instrumente nicht in eine quelltextbasierte Struktur berf hrt werden k nnen und mit Hilfe einer propriet ren Entwicklungsumgebung erstellt werden m ssen Diese L sung erm glicht auf der einen Seite die schnelle und einfache Entwicklung von echtzeitf higen Programmen ist jedoch auf der anderen Seite mit vergleichsweise hohen Lizenzgeb hren f r den Einsatz und die Weitergabe dieser Software verbunden Zudem ist eine Portierung der entwickelten Software auf Plattformen fremder Hersteller nur mit erheblichem Aufwand zu realisieren Demgegen ber erf llt die Firma Sorcus mit den sehr ko
258. lich unrealistische Startwerte gew hlt so kann es zu einer Divergenz der Filterergebnisse kommen Ziel der Bestimmung von Startwerten ist es die in Abbildung 8 10 gezeigte Initialisie rungsphase so kurz wie m glich zu halten um ohne gro e Zeitverz gerung zu einem nutz baren Sch tzwert f r den Zustandsvektor zu kommen Im Gegensatz zu Anwendungen des Kalman Filters in der Analyse von Netzmes sungen kann der Eintritt in die Nutzphase beim vorliegenden System durch die vergleichs weise hohe Abtastrate von 10 Hz des GPS Empf ngers deutlich schneller herbeigef hrt werden da eine h here Anzahl an Beobach Abbildung 8 10 Phasen der Kalman Filterung tungsepochen verf gbar ist WELSCH u a 2000 Zur Absch tzung des Startzustands und sei ner VKM wird der Mittelwert der Messungen f r die ersten Epochen verwendet um Startwerte f r die Positionen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen zu ermitteln Der Vektor yo ergibt sich somit durch 1 Identifikationsphase HNutzphase 2 1 2 H x T l 4 1 n AAt IE Ges Es ist anzumerken dass durch Annahme konstanter Beschleunigungen ber vier Epochen eine Kon stanz von Position und Geschwindigkeit zwar nicht gegeben ist jedoch dienen diese Werte lediglich zur Ermittlung von N herungswerten die ohnehin varianzbehaftet sind Neben der Ermittlung der Startwerte f r den Zustandsvektor sind zudem noch die in seiner VKM angegebenen Unsicherheiten abzusch tzen
259. ls integraler Bestandteil der Synchronisierungsaufgabe genutzt werden 1 2 Problemstellung 11 1 2 Problemstellung Die im vorangegangenen Kapitel beschriebenen Anforderungen an das System f hren zu verschiedenen Problemstellungen die in der vorliegenden Arbeit zu diskutieren und zu l sen sind Sie basieren auf der Notwendigkeit die w hrend der Bewegung erfassten zweidimensionalen Scanprofile verzerrungsfrei in eine dreidimensionale Punktwolke zu berf hren Grunds tzlich besteht jeder dreidimensionale Laserscan implizit aus einer Reihe zweidimensionaler Pro filscans Zur berf hrung der zweidimensionalen Profile in den dreidimensionalen Objektraum wird ledig lich der aktuelle Drehwinkel um die Stehachse des Scanners ben tigt Dieser wird w hrend einer Messung ber einen internen Winkelencoder ermittelt Bewegung D Abbildung 1 3 Helixf rmige Objekterfassung Im kinematischen Modus hingegen ist der horizontale Drehwinkel des Scanners ber die gesamte Mess dauer quer zur Fahrtrichtung fixiert Hierdurch liegen die gescannten zweidimensionalen Objektpunkte Pan bei bewegtem Fahrzeug in Form einer langgezogenen Helix vor die sich entlang der abgefahrenen Trajektorie erstreckt Abbildung 1 3 Aufgrund der Fahrzeugbewegung sind sowohl die Scannerposition als auch seine Orientierung bezogen auf ein bergeordnetes Koordinatensystem unbekannt und unterlie gen dar ber hinaus w hrend der Fahrt einer permanenten zeitlichen n
260. mann Wellenhof u a 2003 HOFMANN WELLENHOF Bernhard LEGAT K WIESER M Navigation Pricip les of Positioning and Guidance Springer Verlag Wien 2003 163 Horemuz und Andersson 2006 HOREMUZ Milan AN DERSSON Johan V Polynomial interpolation of GPS sa tellite coordinates In GPS Solutions 10 2006 Nr 1 S 67 72 Hovenbitzer 2003 HOVENBITZER Michael Zur Automa tion ber hrungsloser 3D Objekterfassung im Nahbereich Geod tisches Institut der Technischen Universit t Darm stadt Deutsche Geod tische Kommission DGK Reihe C Nr 556 M nchen 2003 Iavarone und Martin 2003 IAVARONE A MARTIN E Calibration Verification Facilities for Long Range Laser Scanners In GR N Armin Hrsg KAHMEN Heribert Hrsg Proceedings of Optical 3D Measurement Techni ques VI 07 14 07 2009 Z rich Schweiz Bd 1 2003 S 268 278 Illner und Kn pfler 2007 ILLNER Michael KN PFLER Andreas Exemplarische Untersuchungen zur Genauig keit des SAPOS HEPS Dienstes in Baden W rttemberg In GPS und GALILEO Methoden L sungen und neues te Entwicklungen Beitr ge zum 66 DVW Seminar 21 22 02 2007 Darmstadt Wi ner Verlag Stuttgart 2007 Schriftenreihe des DVW Nr 49 S 71 90 IIngensand 1985 NINGENSAND Hilmar Ein Beitrag zur Entwicklung und Untersuchung hochgenauer elektroni scher Neigungsme systeme f r kontinuierliche Messungen Rheinische Friedrich Wilhelms Universit t zu Bonn Dis s
261. matisch erfassten Fassade zu erkennen sind Auch hier wird die bereits diskutierte Problematik der systematischen Effekte in den berechneten Azimuten deutlich die durch hochfrequente Fahrzeugbewegungen hervorgerufen werden Kapitel 9 3 3 Seite 133 Diese Effekte k nnen nur durch den Einsatz des Systems auf Fahrzeugen mit niederfrequenteren Eigenbewegungen oder durch eine vollst ndige Erfassung der Nick und Rollbewegungen vermieden werden 10 4 Nienburger Stra e 153 Die in Tabelle 10 2 genannten Parameter dieses Scans verdeutlichen insbesondere die erheblichen Da tenmengen die im Rahmen einer kinematischen Objekterfassung mit anschlie ender Georeferenzierung entstehen 10 4 Nienburger Stra e Abbildung 10 4 Nienburger Stra e Ausschnitt Da das entwickelte Mapping System in erster Linie auf die Erfassung langgestreckter Objekte ausge richtet ist soll zudem ein Vergleich anhand einer exemplarischen Objekterfassung entlang der Nienburger Stra e erfolgen der eine L nge von insgesamt 610 m besitzt In diesem Fall wurde die zu realisierende Aufl sung auf 0 05 m erh ht die Genauigkeitsanforderung lag unver ndert bei 0 2 m Parameter S4 K4 2007 Scanmodus statisch kinematisch Objektaufl sung Punktabstand Sehr hoch lt 3 cm Hoch 4 8 cm Anzahl Scanpunkte 43 5 Mio Datenvolumen 1 6 GByte Anzahl Standpunkte Anzahl Passpunkte Passpunkte Einrichtung 120 min Tachymetrische Bestimmu
262. me der Gruppe der Triangulationsscanner besitzen terrestrische Laserscanner drei orthogo nal zueinander angeordnete Achsen Diese sollen im Folgenden analog zu tachymetrischen Instrumenten als Stehachse Kippachse und Zielachse bezeichnet werden Tabelle 7 3 zeigt die verschiedenen Einfluss sr en auf die Winkelmessung und ihre Relevanz f r die 2D und 3D Punktbestimmung wobei der La serscanner in diesem System im 2D Modus betrieben wird Aus dieser bersicht wird deutlich dass die ma geblichen Einflussgr en sowohl konstante als auch entfernungsabh ngige Abweichungen hervorrufen k nnen die f r die zweidimensionale Profilmessung nur teilweise zu ber cksichtigen sind Einflussgr e 2D 3D E K Abweichung der Kippachse x x x Abweichung der Zielachse x x x Abweichung der Stehachse x xX Abweichung des Vertikalindex x x x Taumelabweichung X X Exzentrizit t der Achsen X x Einfluss der Ger tetemperatur x X X Einfluss von Autokorrelation X X X X Entfernungsabh ngige Auswirkung Konstante Auswirkung Tabelle 7 3 Auswirkung der Einflussgr en auf die Winkelmessung 100 7 Pr fung und Kalibrierung der Komponenten Zur Kalibrierung der Winkelencoder existieren eine Reihe von Ans tzen die sowohl auf die Bestim mung einzelner Achsabweichungen beschr nkt sind als auch mehrere Achsen gleichzeitig behandeln So f hren 2003 eine Komponentenkalibrierung der Winkelencoder mit Hilfe meh rerer koordinat
263. mgebung sondern auch die Struktur der Programme abh ngen So unterscheidet sich die Installation von Programmen auf Windows Plattformen und dem Echtzeitrechner erheblich Die hierzu erforderlichen Schritte werden in Kapitel 8 3 2 n her erl utert Tabelle 8 1 gibt einen berblick ber die Aufgaben die Art der Programmsteuerung und die Anforde rungen der jeweiligen Plattform an die Softwarekomponente Modul RAMSYS Con RAMSYS RT RAMSYS PointCloud trol Aufgabe Freignisabh ngige Echtzeiterfassung von Auswertung von Echtzeitdaten und Steuerung des Synchronisationssignalen Rohdaten externer Peripherie Er Messablaufes und weiteren Sensordaten zeugung der 3D Punktwolke Steuerung Benutzergesteuert Events Benutzergesteuert Events Timer Plattform Windows PC Echtzeitrechner unter OsX Windows PC Sprache C NET C C Matlab Tabelle 8 1 bersicht der eingesetzten Softwarepakete Die unterschiedlichen Aufgaben zur Steuerung Erfassung und Datenauswertung zeigen dass die be n tigten Module auf unterschiedliche Zielgr en hin zu optimieren sind Bei der Steuerung des Mess vorganges stehen die Transparenz der aktuellen Systemparameter die Benutzerfreundlichkeit sowie eine unkomplizierte Anbindung der Sensorik im Vordergrund Demgegen ber ist die Erfassung der Sensorda ten durch den Echtzeitrechner mit minimaler Latenzzeit und Systemlast durchzuf hren Die Auswertung der Daten und die Erzeugung der Punktwolke im letzten Auswertes
264. mieren Aus oben genannten Gr nden wird zur Transformation der durch den Scanner erfassten Objektpunkte ein dreistufiger Ablauf vorgeschlagen Abbildung 3 5 1 Transformation der Antennenpositionen von WGS84 nach Gau Kr ger Kapitel mit optionaler Ber cksichtigung des Antennenversatzes durch Umrechnung UR1 vom Antennen in das Fahrzeugkoordinatensystem Abbildung 3 5 2 Ableitung der fehlenden Raumwinkel durch indirekte Berechnung Berl im Rahmen der Kalman Filterung Kapitel 13 7 3 3 Transformation Iral der Scannerdaten ber das Fahrzeugsystem in die Gau Kr ger Ebene Diese Vorgehensweise f hrt zu dem in Abbildung dargestellten Ablauf Hierbei erfolgt die Trans formation der GPS Beobachtungen in die Gau Kr ger Ebene bereits vor der eigentlichen Kalman Filterung und nicht erst nach Berechnung der Punktwolke Der Grund hierf r liegt im Volumen der GPS Beobachtungen das signifikant geringer als das der gescannten Objektpunkte ist wodurch der f r die Transformation ben tigte Rechenaufwand erheblich vermindert werden kann Im Rahmen der Filterung ist jedoch zu beachten dass die Ableitung von Winkeln aus Einzelpunktpo sitionen Berl Abbildung B 5 durch Einsatz eines Kalman Filters Kapitel streng genommen nur zul ssig ist wenn das verwendete Fahrzeug Rotationen ausschlie lich um den Ursprung des Ko ordinatensystems der GPS Antenne durchf hrt Eine solche Bedingung ist nur dann erf
265. mit Hilfe der dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektoren realisiert die den Bewegungsvektor des Fahrzeuges im Raum aufspannen Diese wurden durch Filterung der Irajektorie im kinem tischen Kalman Filter aus dem Zustandsvektor jeder Epoche abgeleitet Die indirekte Bestimmung der Orientierungsparameter im Kalman Filter bietet gegen ber der direkten Mes sung den Vorteil dass die Raumwinkel nicht nur f r die quidistanten Epochen der GPS Beobachtungen ausgeglichen sondern auch f r die Erfassungszeitpunkte der Scannerdaten pr diziert werden k nnen 158 11 Zusammenfassung und Ausblick Da die GPS Beobachtungen somit nicht nur zur Bestimmung der Raumposition sondern auch zur Ermittlung des Gier und optional des Nickwinkels beitragen sind vergleichsweise hohe Genauigkeitsan forderungen an diese Sensorkomponente zu stellen Eine Auswertung der GPS Beobachtungen erfolgte aus diesem Grund durch kinem tische Einzelpunktpositionierung unter Zuhilfenahme einer virtuellen Refe renzstation des SAPOS Netzes wodurch unter guten Empfangsbedingungen Genauigkeiten von wenigen Zentimetern f r die ermittelten Raumpositionen realisierbar sind Zus tzlich zur Filterung der Messwerte im Kalman Filter erfolgte eine abschlie ende Gl ttung der Positionsdaten und der daraus abgeleiteten Geschwindigkeitsvektoren mit Hilfe eines RTS Algorithmus Eine solche Gl ttung tr gt insbesondere zur Verbesserung der lokalen Genauigkeiten der Punktwolk
266. mit denen Kfz gebundener Systeme vergleichbar Kategorie A B C1 C2 Punktnummern Anzahl 1 2 2 3 44 42 45 68 24 Abstand vom Scanner Horizontal m 1 5 2 0 6 0 6 9 22 9 23 0 Vertikal m 0 0 1 5 0 0 1 5 6 0 8 5 Beschreibung Ebene Zielmarken Pfeiler der Lauf Fensterkreuze der auf Bodenh he in bahnbegrenzung in Sporthallen in zwei Scannern he Bodenh he Ebenen Tabelle 9 3 bersicht der verwendeten Kontrollpunkte F r die angestrebte Ermittlung der inneren Systemgenauigkeit wurden insgesamt 68 identische Punkte in den vier Entfernungsklassen A B und ausgew hlt um zudem eine Aussage ber entfernungsabh n gige Restabweichungen treffen zu k nnen Die Punkte der Kategorie C sind zudem in zwei Unterkatego rien Cl und C2 gruppiert da sie auf verschiedenen Ebenen am Objekt liegen Diese identischen Punkte wurden durch Zielmarken Kategorie A an markanten Stellen der Laufbahnbegrenzung Kategorie B sowie an zwei Turnhallen gew hlt Kategorie C1 und C2 die seitlich der Trajektorie lagen Hierdurch konnten neben unterschiedlichen horizontalen Distanzen auch H hendifferenzen von bis zu 8 m realisiert werden um die G te der Korrektion verschiedener Achsabweichungen zu berpr fen Tabelle 9 3 Abbildung 9 37 zeigt eine Auswahl der verwendeten Objektpunkte sowie ihre Lage bezogen auf die Trajektorie des Scanners Die kinematische Erfassung der Objektpunkte erfolgte in zwei unabh ngigen Aufnahmen di
267. mpakten Tr gerplattformen MAX5dip und MAX8dip sowie einer gro en Zahl an Datenerfassungsmodulen die gestellten Anforderungen bez glich Flexibilit t Modularit t und Mobilit t in vollem Umfang Zudem kann die Skalierbarkeit durch Ver wendung eines zweiten CPU Moduls im Rahmen der ben tigten Systemleistung als gesichert angesehen werden Insbesondere der vergleichsweise niedrige Systempreis und das lizenzfreie Echtzeitbetriebssystem OsX in Verbindung mit einer breiten Auswahl an Schnittstellenmodulen pr destiniert das X Max System f r den Einsatz im vorliegenden Konzept 12 6 Das Messsystem 6 Das Messsystem 6 1 Anforderungen an Sensorik und Messhardware Nachdem in den Kapiteln zwei bis f nf der aktuelle Stand der Forschung beschrieben sowie verschiedene theoretischen Grundlagen zur Positionsbestimmung Sensorik und Messdatenerfassung im kinematischen Umfeld erarbeitet wurden soll mit Beginn dieses Kapitels der bergang zur konzeptionellen Realisierung eines Prototypen vollzogen werden vgl Abbildung 1 4 Seite 13 Das zu entwickelnde System soll geeignet sein die kinematische Objekterfassung mit Hilfe eines profilmessenden terrestrischen Laserscanners unter Einhaltung der in Tabelle definierten Rahmenbedingungen durchzuf hren Hierzu sind f r jeden Scanpunkt eines Profils das r umliche Koordinatentripel sowie die drei Orientierungsparameter f r den Ursprung des Scannersystems in einem bergeordneten Koordinatenrahmen zu
268. mpf ngers di rekt an den Rover bertragen um dessen Position in Echtzeit bestimmen zu k nnen 2005 Bei einer Auswertung im Postprocessing werden Code und Phasenmessungen einer koordinatenm ig bekannten Referenzstation zum Auswerterechner transferiert Als Alternative f r die Verwendung einer eigenen Referenzstation k nnen die entsprechenden Daten auch vom Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung SAPOS bereitgestellt werden der ein bundesweites Referenzstationsnetz 38 3 Bestimmung von Position und Orientierung betreibt Hieraus k nnen zusammen mit den Rohdaten des Rovers hochgenaue Koordinatendifferenzen zwischen SAPOS Referenz und Rover berechnet werden Durch Addition der Differenzen zu den bekann ten Koordinaten der Referenzstation erh lt man die absoluten Positionen des Rovers Abbildung 3 10 SAPOS Referenz SE Legende station Positon Xa f X A f Se E An ardware Auswerterechner Aktie HAT zeen 4 amp V E E EEN d Ergebnis Abbildung 3 10 Prinzip der relativen GPS Bestimmung Grundlegend muss bei einer Auswertung von GPS Messungen die mit mehreren Empf ngern durch gef hrt wurden zwischen der differenzierten und der undifferenzierten Phasenauswertung unterschieden werden Die unter anderem von vorgestellte undifferenzierte Phasenauswertung ver folgt den Weg die Zustandsparameter der Beobachtungsgleichung von Phasenmessungen explizit m
269. mpuls einer eindeutigen GPS Zeit zuzuordnen muss von einem externen PC oder Notebook ber die Serielle Schnittstelle erfasst werden Mit Hilfe der Auswertesoftware von Riegl k nnen Daten und PPS Signal dann wieder voneinander getrennt werden Der Internal Sync Timer kommt sowohl im GeoVan System der Universit t Barcelona TALAYA u a 2004B als auch im StreetMapper der Firma 3DLM zur Referenzierung von Profilscans im kinema tischen Modus zum Einsatz Dar ber hinaus finden Riegl Scanner auch in Systemen wie dem CityGRID SCANNER der Firma GeoDATA aus Leoben sterreich Verwendung Hier erfolgt die Objekterfassung jedoch nicht kinematisch sondern im Stop and Go Modus Insgesamt bietet der Riegl LMS Z390 als einziger terrestrischer Laserscanner mit Laufzeitmessung die M glichkeit der direkten Datenreferenzierung ab Werk Durch diese M glichkeit ist er grunds tzlich zur kinematischen Objekterfassung geeignet und erm glicht gleichzeitig Profilfrequenzen von fp 20 Hz sowie eine gute Genauigkeit der Objektpunktbestimmung Nachteilig f r die vorliegende Aufgabenstel lung erweist sich hingegen das auf einen ffnungswinkel von 80 beschr nkte Gesichtsfeld welches eine beidseitige Erfassung von Stra enr umen in einem Scanvorgang verhindert 4 5 5 Sick Profilscanner Die Sick AG aus Waldkirch bietet eine gro e Anzahl profilmessender Laserscanner an von denen die LD Abbildung 4 10 sowie die LMS Serie Abbildung 4 10 st
270. n Intensit t 760 755 675 783 622 544 611 609 A L kk k h k FA O 0 0 0 0 0 0 0 Abbildung 6 17 ASCII codierter Datensatz einer Profilmessung Bei der Umwandlung vom herstellerspezifischen Bin r in das in Abbildung dargestellte ASCII Format ist zu beachten dass sich das Datenvolumen einer Punktwolke deutlich vergr ert F r die nach folgende Auswertung bedeutet dies dass der Zugriff auf Punktinformationen nach M glichkeit ber die vom Hersteller zur Verf gung gestellten Bibliotheksfunktionen stattfinden sollte da mit Hilfe dieser Funktionen Daten direkt aus der Bin rdatei gelesen werden k nnen Die Kommunikation zwischen externem Notebook und dem Scanner erfolgt wie bereits in Kapitel 4 5 2 erl utert auf Basis des TCP IP Protokolls Transmission Control Protocol Internet Protocol nach dem Client Server Prinzip W hrend des Scanvorganges ist es dadurch m glich die vom Scanner gelieferten Statusinformationen periodisch abzurufen und f r eine sp tere Auswertung zu nutzen p i Nulldurchgang des D e ae d Vertikalwinkels t V Synchronisierungssigna Abbildung 6 18 Synchronisierung des Imager im Profilmodus Zur Synchronisierung der Scandaten mit externen Sensoren k nnen beim Imager 5003 prinzipiell die beiden in Abbildung 6 1 beschriebenen Optionen A und B genutzt werden Aus den bereits darge legten Gr nden soll im vorli
271. n gen Y Yy gesetzt werden kann Demgegen ber wird die Unsicherheit des pr dizierten und gest rten Zustandsvektors durch die Unsicherheit der St rbeschleunigung im Rahmen einer Varianzfortpflanzung zus tzlich erh ht 1988 L Djeg Egge Ok 1 k Eww k 1 Orr 3 26 Nach der erfolgten Pr diktion des Zustandsvektors vollzieht die zweite und wichtigste Stufe des Kalman Filters die Integration der Messwerte in das Sch tzergebnis Im Sinne der Filtertheorie erfolgt in diesem Schritt die Zusammenf hrung von Mess und Systemgleichung zu HERE E Das entsprechende stochastische Modell in Form der VKM Zrtt lautet Yk l Vy v Erna 00 EE eg De 3 28 0 Q k mit Our Kofaktormatrix der Beobachtungen Auf die explizite Herleitung der Normalgleichungen sowie deren L sung wird an dieser Stelle verzichtet Fine ausf hrliche Darstellung aller Rechenformeln kann der Fachliteratur entnommen werden PELZER 1089 sowie mc Zum besseren Verst ndnis der Kalman Filterung und der aufzustellenden Testgr en soll stattdessen n her auf den logischen Ablauf des Filterprozesses eingegangen werden Zur Ermittlung des optimalen Sch tzergebnisses f r den Zustandsvektor werden zun chst die ermittel ten Messwerte mit dem pr dizierten Beobachtungsvektor l verglichen Dieser kann mit Hilfe der in der Matrix A enthaltenen mathematischen Beziehungen aus dem Zustandsvektor y abgeleitet werden Die Differenz die si
272. n 95 D mmler Verlag Bonn 1995 S 561 568 Heister und Gr fe 2004 HEISTER H GR FE G Pro jekterfahrungen beim Einsatz der Kinematischen Messsys teme KiSS und MoSES In 58 DVW Seminar Kinema tische Messmethoden Vermessung in Bewegung Konrad Wittwer Verlag Stuttgart 2004 Schriftenreihe des DVW Nr 45 S 95 112 Hennes und Ingensand 2000 HENNES Maria INGEN SAND Hilmar Komponentenkalibrierung versus System kalibrierung In SCHN DELBACH K Hrsg SCHILCHER M Hrsg Ingenieurvermessung 2000 XIII International Course on Engineering Surveying 13 17 03 2000 M n chen 2000 S 166 177 Hesse u a 2006 Hesse C HORST S NEUNER H HEER R A Concept for Monitoring Wind Energy Tur bines with Geodetic Techniques In Proceedings of 3rd IAG Symposium on Geodesy for Geotechnical and Structu ral Engineering and 12th FIG Symposium on Deformation Measurements Baden sterreich CD ROM 2006 Hesse u a 2005 HESSE C NEUNER H KUTTERER H Statistical Analysis of Kinematic Laser Scans In GR N Armin Hrsg KAHMEN Heribert Hrsg Proceedings of Optical 3D Measurement Techniques VII 03 05 10 2005 Wien sterreich Bd 1 Oktober 2005 S 103 112 Hesse 2006 Hesse Christian Neue Entwicklungen im Bereich der kinematischen Datenerfassung In VSVI Se minar Geoinformationssysteme GIS Entwicklung Er fassung Verwaltung Pr sentation 01 03 2006 Hanno ver 2
273. n Effekten innerhalb der Fahrzeugtrajektorie f hren Durch die Ableitung des Gierwinkels aus dem Zustandsvektor des Kalman Filters werden diese Periodizit ten zum Teil auf die Punktwolke bertragen Effekte dieser Art entstehen aufgrund des gefor derten Verzichts auf inertiale Sensoren und k nnen selbst durch den Einsatz hochwertiger Sensorik nicht vollst ndig ausgeschaltet werden Der entwickelte Prototyp sollte somit in der vorliegenden Konfiguration nicht f r Anwendungszwecke eingesetzt werden in denen Situationen mit hoher Fahrdynamik zu erwar ten sind An dieser Stelle sei jedoch ausdr cklich darauf hingewiesen dass eine Umgebungserfassung mit terrestrischen Laserscannern durch die aktuell verf gbaren Profilfrequenzen von bis zu 50 Hz nur mit Fahrtgeschwindigkeiten von bis zu 50 km h sinnvoll ist da die Vorteile des entwickelten Systems im Vergleich zu konkurrierenden Mapping Systemen ansonsten nicht zum Tragen kommen Zur empirischen Bestimmung der inneren Systemgenauigkeit wurde eine Beispielumgebung mit insge samt 68 Objektpunkten durch getrennte Messungen im Hin und R ckweg von einer ebenen Fahrbahn aus erfasst Die mit einer dreidimensionalen Helmert Transformation ermittelten Restklaffungen zwischen beiden Aufnahmen betrugen f r Objektpunkte in einer Entfernung von 25 m weniger als 0 1 m f r Objek te bis 7 5 m sogar weniger als 0 05 m Die Restklaffungen in der H henkomponente lagen f r alle Objekte sogar unt
274. n Einzelscans zu verkn pfen und zu georeferenzieren Hierdurch erw chst die M glichkeit einer vollst ndigen Automa tisierung des rtlichen Erfassungs und Bearbeitungsaufwandes Denn nur durch gr tm gliche Auto matisierung k nnen Effizienz und Wirtschaftlichkeit der scannergest tzten Objektaufnahme signifikant gesteigert werden In diesem Zusammenhang sei auch auf algorithmische Entwicklungen zur automa tisierten Verkn pfung einzelner Punktwolken hingewiesen wie sie zum Beispiel von f r das sogenannte Surface Iemplate Matching mit Hilfe von Fl chennormalen unter Zuhilfenahme von Referenzfl chen beschrieben werden Installation von Verkn pfung Aktuell Passpunkten Referenzierung Be S IER implizit durch Zuk nftig Nicht notwendig Automatisch ee dar Cyan Abbildung 1 2 Aktueller und zuk nftiger Ablauf eines Scanprozesses Hesse und Neumann 2007 Ein zweiter Bereich ist die Integration heterogener Sensorik zu der auch verst rkt Laserscanner geh ren werden in einem gemeinsamen Messsystem Diese h ufig mit dem Begriff Sensornetzwerke bezeichnete Verkn pfung verschiedenster Einzelsensoren in einem einheitlichen Konzept erfordert unter anderem die pr zise Synchronisation aller Sensoren Je nach Anforderungen an die Genauigkeit der Messergebnisse und die Zuverl ssigkeit des Systems k nnen wie in der vorliegenden Arbeit echtzeitf hige Messrechner a
275. n Modulen der X OPT Serie beherrscht wird ber sogenann te Callback Funktionen Kapitel k nnen nach Ausl sung eines Interrupts Triggerung beliebige Unterprogramme auf den CPU Modulen der Tr gerplattform ausgef hrt werden die eine Zeitreferen zierung und Speicherung der Signale vornehmen Die TIriggerung kann in diesem Fall sowohl auf der steigenden als auch auf der fallenden Signalflanke erfolgen Eingang Ausgang Fegel Iyp Low High Max Low High TTL Pegel lt 22V gt 40V 18V lt OAV lt TOV Prozesspegel lt 90 V gt 13 0V 30 V lt 04V lt TOV Tabelle 6 12 Eingangsbereiche der X OPT io Module 6 3 4 Erfassung analoger Signale Die messtechnische Erfassung analoger Signale erfolgt in der Regel durch Umwandlung einer analogen Eingangsspannung in einen dazu proportionalen Bin rwert Die verf gbaren A D Wandler unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Geschwindigkeit der Wandlung die m gliche Aufl sung und den zuge lassenen Wertebereich des Eingangssignal sowie die damit einhergehende Unterscheidung zwischen uni und bipolarem Messbereich Die Aufl sung des Wandlungsbausteins bestimmt in Verbindung mit seinem Messbereich die kleinste detektierbare nderung des Eingangssignals Die Eing nge von AD Wandlern k nnen zudem in massebezogene Eing nge und Differenzeing nge unterschieden werden 12005 Bei massebezogenen Eing ngen erfolgt die Spannungsmessung gegen ber einem Bezugspunkt der in der Regel dur
276. n der Regel vollst ndig mit einem 360 Scan erfasst werden Ger te mit Phasenvergleichsmessung und rotierendem Spiegel sind nahezu ausschlie lich als Panora mascanner realisiert Abbildung 4 5 Aufgrund des maximalen Gesichtsfeldes in vertikaler Richtung eignen sich diese Scannertypen hervorragend zur profilm igen Erfassung in kinematischen Messsyste men 4 4 Strahlablenkung Die Art der Ablenkung des Laserstrahls ist h ufig sowohl mit dem Gesichtsfeld als auch mit dem Verfahren zur Distanzmessung verbunden da hohe Datenraten der Distanzmessung eine ausreichend schnelle Form der Strahlablenkung erfordern Hierbei haben sich im Wesentlichen die Strahlablenkung mit oszillieren dem und rotierendem Spiegel Abbildung 4 5 durchgesetzt Bei Ger ten mit rotierendem Spiegel kann zudem noch zwischen rotierendem Polygonspiegel Riegl und einem gegen die Kippachse angewinkelten Spiegel Zoller Fr hlich Faro Callidus unterschieden werden Oszillierender Spiegel Rotierender Spiegel Rotierender szillieren Leica Trimble u a Zoller Fr hlich u a der Polygonspiegel Riegl Laserstrahl Rotation Laserdiode Rotation 5 Abbildung 4 5 Unterschiedliche Arten der Strahlablenkung Die Scangeschwindigkeit in horizontaler Richtung ist direkt von der Art der Spiegelbewegung abh ngig So besitzen Systeme mit oszillierendem Spiegel aufgrund der Tr gheit des Spiegels und der notwendigen Umkehrung der Bewegungsri
277. n einem Messsystem erzeugte origin re Messwert als auch ein daraus abgeleitetes Ergebnis wie ein Koordinatenvektor sein Ist es m glich einen funktionalen Zusammenhang zwischen einer oder mehreren Eingangsgr en und der beobachteten Ausgangsgr e her zustellen so sind die Kalibrierergebnisse analytisch nach Gleichung 7 1 in Form einer Korrekturfunktion anzubringen Kann ein solcher Zusammenhang aufgrund fehlender Kenntnisse ber das Systemverhalten jedoch nicht hergestellt werden sind die unkorrigierten Messwerte mit Hilfe einer sogenannten Look Up Table LUT zu korrigieren bei der jedem m glichen Messwert ein oder mehrere Korrekturwerte zugewiesen werden Abbildung 7 2 Der schematische Ablauf einer Kalibrierung ist in Abbildung 7 2 zu sehen 7 1 Ans tze zur Kalibrierung Eingangstest gr e Positions oder Form nderung einer Sollgeometrie nderung der Objekteigenschaften nderung der System und Komponenten oder Komponente A Ausgangs gr e Korrektur funktion Funktionaler Zusammenhang d TG Al oder Look Up Table 93 Ger tetemperatur K te B nderung der Saale I Messkonfiguration Kalibriereffekt Abbildung 7 2 Prinzipskizze des geod tischen Kalibrierprozesses Hennes und INGENSAND 2000 Unterbleibt eine vollst ndige Kalibrierung und somit die Elimination systematischer Messabweichun gen so gehen diese zusammen mit vorhandenen stochast
278. n teilweise stark abgeschattet ist Eine genaue Beschreibung der Rahmenbedingungen einer Messung sowie des Un tergrundes kann Tabelle 9 1 entnommen werden Abbildung zeigt die aus Kalman Filterdaten sowie Messungen der IMU abgeleiteten Azimute des gew hlten Streckenabschnitts mit jeweils zwei Geraden und einer Linkskurve die zwischen Sekun de 130 und 145 durchfahren wurde Um einen Bezug zwischen den dreidimensionalen Punktpositionen und den dazugeh rigen Azimuten vornehmen zu k nnen wurde eine Verkn pfung ber den Referenzie rungszeitpunkt der Daten ab Beginn der Messung umgesetzt Der von GPS Abschattungen unbeeinflusste Streckenabschnitt wurde von der mobilen Plattform somit zwischen Sekunde 100 und Sekunde 180 des Er fassungszeitraums befahren Abbildung 9 23 Aus dieser Darstellung ist klar zu erkennen dass auch auf den Geradenabschnitten sinusf rmige Azimut nderungen durch IMU und GPS Empf nger aufgezeich net wurden obwohl die Strecke berwiegend frei von Hindernissen war Da diese Oszillationen weder durch die Schrittfrequenz noch durch niederfrequente Eigenbewegungen des Fahrzeuges erkl rt werden k nnen ist ihre Ursache in Lenkbewegungen zu vermuten die zur Korrektur der Fahrzeugtrajektorie vorgenommen wurden Bei der Auswertung dieser Messungen ist das aus Kapitel bekannte Rollen des Fahrzeuges zu beachten das aufgrund von seitlichen Eigenbewegungen zu scheinbaren Azimut nderungen der GPS 138 9 Valid
279. n und Ressourcen auch als Mutex mutually exclusive bezeich net DIJKSTRA 1965 Der Einsatz dieser Synchronisationsmechanismen ist zwar vergleichsweise einfach 64 5 Echtzeitf hige Messsysteme umzusetzen muss jedoch bei der in Echtzeitbetriebssystemen anzutreffenden hardwarenahen Program mierung unbedingt beachtet werden 5 2 10 Inter Task Kommunikation Die Inter Prozess oder auch Inter Task Kommunikation spielt f r den Datenaustausch und die Para meter bergabe zwischen unterschiedlichen Tasks eine wesentliche Rolle Hierunter f llt nicht nur die Kommunikation zwischen den einzelnen Tasks des Echtzeitbetriebssystems sondern auch die Kommu nikation zwischen dem Echtzeitbetriebssystem auf der einen und einem extern angeschlossenen Host System auf der anderen Seite Als Beispiel kann die unter RT Linux realisierte Kommunikation zwischen dem Echtzeitbetriebssystem und dem innerhalb einer Echtzeittask laufenden Gastsystem genannt werden Anno 2003 Sowohl Kommunikationsaufgaben als auch der Datenaustausch zwischen zwei Tasks desselben Betriebs systems werden vorwiegend durch zwei Mechanismen umgesetzt e Nutzung gemeinsamen Speichers e Versendung von Nachrichten Die Kommunikation ber gemeinsamen Speicher kann entweder durch einen f r alle Tasks adressierba ren Bereich des Hauptspeichers oder durch globale Variablen erfolgen Der Schutz des Speicherbereiches vor konkurrierenden Zugriffen erfolgt wie in K
280. n vollwertigen Compact Flash Steckplatz Auf diesem k nnen sowohl Speichermedien als auch optionale WLAN oder Bluetooth Module zur Erweiterung der Kommunikationm glichkeiten eingesetzt werden Die MAX2box kann mit Betriebss pannungen von 6 V bis 60 V betrieben werden Alternativ ist auch eine Spannungsversorgung ber die USB Schnittstelle m glich Aufgrund der geringen Anzahl an Modulsteckpl tzen kommen die CANbox sowie die MAX2box f r den Einsatz in Mobile Mapping Systemen trotz eines hohen Ma es an Mobilit t und Robustheit nicht in Frage Die Ausf hrung von Anwendungsprogrammen zur Datenerfassung kann sowohl auf der Max CPU des Tr gersystems als auch auf einem optional angeschlossenen Host P stattfinden Der f r den Zugriff auf die Module und deren Schnittstellen zust ndige Quellcode ist durch die Verwendung von Bibliotheks funktionen unabh ngig vom Betriebssystem Die Echtzeitf higkeit von Programmen kann hingegen nur gew hrleistet werden wenn das Tr gersys tem mit einer eigenen CPU best ckt ist und somit als Embedded System genutzt werden kann Ab bildung 5 1 Nur hierdurch kann der Zugriff auf Schnittstellen und die Reaktion auf Ereignisse wie Interrupts oder Timeraufrufe mit der erforderlichen Geschwindigkeit erfolgen Sorcus bietet f r seine Tr gersysteme mit eigenem CPU Modul das selbst entwickelte Echtzeitbetriebs system OsX an das als Mikrokernel System ohne grafische Oberfl che realisier
281. n von besser als 0 1 m sind als realistisch anzusehen und bertreffen die f r diese Arbeit geforderten Genauigkeiten Der gro e Nachteil des Systems besteht in der Art der Datenerfassung und der nachfolgenden Auswertung Durch die klare Fokussierung auf photo beziehungsweise videogrammetrische Stereobilderfassung ist ein erheblicher Auswerteaufwand notwendig um die gew nschten Objektinformationen zu erzeugen und aus dem Datenbestand zu extrahieren Die verwendeten Profilscanner Kapitel sind allein aufgrund ihrer geringen Punktdichte ungeeignet um die in Kapitel definierten Anforderungen zu erf llen Dar ber hinaus verhindern die gesch tzten System und Personalkosten f r eine Messung und Auswertung einen wirtschaftlichen Einsatz in zahlreichen Anwendungsfeldern 2 2 2 SwissTrolley ETH Z rich Das von 2002 entwickelte System ist eine der aktuellen Entwicklungen auf Ba sis von Profilscannern im Bereich der Mobile Mapping Systeme Es zielt von seiner Ausrichtung her in erster Linie auf die Erfassung von Gleisgeometrien mit einer Erfassungsgeschwindigkeit von 1 m s be sitzt jedoch einige interessante Ans tze die seinen Einsatz auch auf Stra enfahrzeugen m glich machen Abbildung Zur Positionierung stehen beim SwissIrolley verschiedene Optionen zur Verf gung standardm ig er folgt sie mit Hilfe einer RTK GPS Einheit Beim Einsatz innerhalb von Tunnelbauwerken kann anstelle der satellitengest tzten L sung optional ein z
282. n wurde f r die absolute Punktge nauigkeit ein Rahmen von besser als 0 2 m sowohl f r die Lage als auch die H henkomponente definiert Bezogen auf die relative Einzelpunktgenauigkeit innerhalb der Punktwolke die f r verschiedene An wendungsgebiete eine h here Priorit t als absolute Genauigkeitsma e besitzt wurde der Grenzwert mit jeweils 0 1 m f r die Lage und H henwerte festgelegt Der Relativbezug der angegebenen Genauigkeitsan forderungen richtet sich ebenso wie die angestrebte Aufl sung in L ngsrichtung nach dem zu erfassenden Objekt sowie dem Anwendungszweck und ist somit nur schwer zu konkretisieren Im Hinblick auf die ge planten Evaluierungsmessungen ist die angegebene Relativgenauigkeit des Systems auf eine Ausdehnung von bis zu 10 m bezogen Stand der Forschung Grundlagen a e a any gt en Technische Grundlagen Kapitel 4 amp 5 Konzeptionelle Planung Realisierung des Prototypen 4 Integration der Hardware Pr fung Kalibrierung Softwareentwicklung Kapitel 6 Kapitel 7 Kapitel 8 Empirische Untersuchungen Systemevaluierung Evaluierung en deeg Messungen Betrachtungen zur Stellung im Wettbewerb Kapitel 10 Abbildung 1 4 Aufbau der vorliegenden Arbeit Die vorliegende Arbeit besch ftigt sich mit der Entwicklung und empirischen Erprobung eines Mobile Mapping Systems das zur Umgebungserfassung unter den in Tabelle 1 1 Jdefinierten Bedingungen geeignet ist Aus diesem Grund besteht sie sowohl au
283. nd 159 Ausblick auf zuk nftige Entwicklungen Im Rahmen der durchgef hrten Validierung wurde gezeigt dass die vollst ndige Bestimmung von Po sition und Orientierungselementen des entwickelten Prototyps ausschlie lich mit satellitengeod tischen Verfahren sowie einem fl ssigkeitsbasierten Neigungsmesser m glich aber durch verschiedene Rahmen bedingungen beschr nkt ist W hrend die durch den Scanner bedingten Anteile am Genauigkeitsbudget durch die Verwendung der bereits verf gbaren Nachfolgegeneration des Imager 5003 vernachl ssigbar klein sind sollten weiterf hrende Arbeiten vielmehr an der Problematik der systematisch beeinfluss ten Trajektorienbestimmung ansetzen Nur hierdurch k nnen die nachgewiesenen systematischen Effekte durch Fahrzeugbewegungen und St rbeschleunigungen vermindert und die Qualit t der Punktwolke er h ht werden Weitere Verbesserungen sind unter anderem durch den Einsatz von Neigungsmessern mit einem auf kinem atische Anwendungen ausgerichteten Frequenzgang oder durch explizite Messung der auftreten den Beschleunigungswerte erzielbar In jedem Fall sollte der bergang auf eine Kfz gebundene Platt form erfolgen die zumindest im unteren Geschwindigkeitsbereich verbesserte Eigenschaften hinsichtlich Tr gheit Fahrdynamik und Eigenfrequenzen aufweist Dies gilt gleicherma en f r die m glichen Er fassungsgeschwindigkeiten des Mobile Mapping Systems da bei einem Einsatz im Stra enraum erh hte
284. ndigkeiten und Kurvenradien betrachtet werden die auf Objektpunkte im Scanradius von SR 20 m bezogen sind Abbildung 6 3 Wird f r die maximal zul ssige Abweichung in der Ebene ein Wert von OXY Syne 2 cm unterstellt so ergeben sich aus Fahrtgeschwindigkeiten von 5 10 und 15 km h in Verbindung mit Kurvenradien von 3 und 5 m die in Tabelle 6 4 aufgef hrten Synchronisiergenauigkeiten durch einen linearen Zusammenhang Szenario Geschwindigkeit v Kurvenradius r Synchronisiergenauigkeit 1 10 km h 3m 1080 us 2 15 km h 5m 1200 us 3 25 km h 5m 720 us Tabelle 6 4 Erforderliche Synchronisiergenauigkeit bezogen auf oxy synce 2 cm Diese Abweichungen sind als Differenz zwischen den Erfassungszeitpunkten von GPS Beobachtungen und Scannermessungen zu sehen so dass die in Tabelle genannten Abweichungen zu gleichen Teilen auf die Erfassungsvorg nge beider Signale zu verteilen sind Bezogen auf die Terminierung in Echtzeit messsystemen darf die maximale Ausf hrungszeit einer Task tmar bei v 25 km h und r 5 m einen Wert von tmax UD OXY Sync Ji ei li 360 us 6 2 nicht berschreiten Durch Auswahl der geeigneten Messhardware ist somit sicherzustellen dass der maximale Erfassungszeitraum eines Einzelsignals tmaz bestehend aus Reaktionszeit je Ausf hrungszeit e und Spielraum l der Task Abbildung 5 6 einen Wert von 360 us nicht berschreitet Da Neigungs und Temperatursensoren ereignisbezogen erfasst werden e
285. ne Rolle wenn mehrere Sensoren mit hohen zeitlichen Anforderungen in einem System abgefragt werden sollen Hierunter wird die F higkeit eines Systems verstanden mehrere parallel anfallende Aufgaben ohne signifikante Erh hung der Latenz zeit auszuf hren Die zul ssige Verz gerung durch nicht gew hrleistete Gleichzeitigkeit h ngt wesentlich von der Art der geforderten Echtzeit und dem zugrunde liegenden Systemdesign ab Eine Optimierung kann in dieser Hinsicht durch folgende hard und softwaretechnische Verfahren zur Prozessierung erfolgen e Multiprozessorsystem mit paralleler Prozessierung e Multiprozessorsystem mit quasi paralleler Prozessierung Kapitel 5 2 8 e Einprozessorsystem mit quasi paralleler Prozessierung Kapitel 5 2 8 Die Verwendung von Multiprozessorsystemen ist im Vergleich zum Einprozessorsystem die leistungs f higere aber auch kostenintensivere L sung Bei paralleler Prozessierung wird jedem Prozessor nur eine Aufgabe beziehungsweise ein Prozess zugeordnet so dass dieser nicht durch andere Aufgaben belastet wird Hierbei ist die Gesamtzahl der m glichen Prozesse jedoch stark eingeschr nkt Eine solche Begren zung kann mit Hilfe einer quasi parallelen Prozessierung umgangen werden bei der alle Aufgaben mit Hilfe einer intelligenten Betriebssystemroutine dem sogenannten Scheduler auf die verf gbaren Pro zessoren aufgeteilt werden Kapitel 5 2 8 Auch bei nur einem zur Verf gung stehenden Prozessor kann
286. ne grundlegende Sensorpr fung durch den Anwender sollte ohne r umliche und messtechnische Vor aussetzungen durchf hrbar sein wohingegen die Kalibrierung und Untersuchung von Instrumenten h ufig unter Laborbedingungen und von Fachleuten mit speziellem Instrumentarium und Hilfsmitteln sowie ei nem Bezug zu Sollgr en vorgenommen wird Abbildung 7 1 ern ANFOrderuUngen essee gains VE sees Anfertigung spezieller Hilfsmittel Anwender Labor Spezialist Spezialinstrumente EE Sollwerte SCH L Pag _ Mi v erforderlich v optional Kalibrierung Untersuchung vy y V v X nicht erforderlich Abbildung 7 1 Pr fung Kalibrierung und Untersuchung von Messsystemen 2001 Nach 2000 ist unter einer Kalibrierung im Sinne der geod tischen Mess technik die Ermittlung einer Korrekturfunktion k f 1 2 3 n mit n Anzahl der Einflussgr en auf das Messergebnis 7 1 f r unbekannte oder unvollst ndig ber cksichtigte systematische Abweichungen einer Messgr e von ih rem Sollwert zu verstehen Ein solcher funktionaler Zusammenhang ist meist in linearer Form definiert und auf einzelne Komponenten des Systems bezogen Die Korrekturfunktion wird nach abgeschlossener Kalibrierung zur Bestimmung des korrigierten Messergebnisses beziehungsweise der korrigierten Mess gr e Ykorr verwendet Ykorr YM k mit ym unkorrigierte Messgr e 7 2 Grundlage einer Kalibrierung k nnen sowohl der vo
287. nerdaten der Positionsbestimmung aus GPS Beobachtungen sowie des daraus abgeleiteten Azimutes h ngen von konstanten Parametern mit stochastischem Anteil ab Demgegen ber wird der durch die Synchronisierung der Sensoren bedingte Betrag entscheidend von der Fahrtgeschwindigkeit des Wagens sowie vom Kurvenradius der Trajektorie bestimmt 6 1 Anforderungen an Sensorik und Messhardware 79 Im Gegensatz zur Geradeausfahrt bei der die Unsicherheit der Objektpunktbestimmung eine Funk tion in Abh ngigkeit von der Fahrtgeschwindigkeit ist vollzieht der Laserstrahl bei Kurvenfahrten eine tangentiale Schwenkbewegung Je kleiner der Kurvenradius gew hlt wird desto h her sind die tangen tialen Geschwindigkeiten und desto gr er ist die Auswirkung einer Synchronisierungenauigkeit auf die Punktbestimmung im Objektraum Bezogen auf den Objektraum f hren systematische Abweichungen der Referenzierung von Raumpositionen und Scannerdaten zu einem Zeitversatz der daf r sorgt dass den einzelnen Scanprofilen fehlerhafte Raumpositionen zugeordnet werden und die erstellte Punktwolke verzerrt wird v 10km h r 3m v 15km h r 5m Aare v 25km h r 5m Systematische Abweichung m 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 12 1 4 1 6 1 8 2 Genauigkeit der Synchronisierung ms Abbildung 6 3 Auswirkung eines Synchronisierungsfehlers bei Kurvenfahrt Zur Absch tzung der ben tigten Synchronisiergenauigkeit sollen drei Szenarien mit unterschiedlichen Geschwi
288. nfalls ber die serielle Schnittstelle durchgef hr ten Temperaturmessungen weshalb das entsprechende Programm unter einer aperiodisch aufzurufenden NI Task installiert wird Neben den beschriebenen Tasks zur Erfassung von Sensordaten ist eine spezielle Task auf Betriebssyste mebene notwendig die f r die Verwaltung der Echtzeituhr zust ndig ist Auf diesem Wege ist es m glich den genauen Erfassungszeitpunkt eines Signals durch die Nutzung eines der vorhandenen Hardware Timer mit einer Aufl sung von 0 84 us zu referenzieren Das dieser Task zugrunde liegende Eindeutigkeitspro blem der Timer Bausteine kann Kapitel entnommen werden Um eventuelle Driften der Echtzeituhr weitgehend zu minimieren ben tigt das f r diese Aufgabe eingesetzte Programm die h chste Priori t t aller installierten Tasks Aufgrund der Interruptf higkeit der Timerbausteine kann ein Timer des CPU Moduls dazu genutzt werden diese Softwarekomponente als II Task mit maximaler Priorisierung zu installieren 8 3 Datenerfassung auf der MAX5dip 117 8 3 2 Struktur und Installation von Echtzeitprogrammen Zum genaueren Verst ndnis der Funktionsweise des Echtzeitbetriebssystems OsX ist grunds tzlich zwi schen der bertragung einer compilierten und ausf hrbaren Bin rdatei Programm in den Hauptspeicher des CPU Moduls und der eigentlichen Installation eines Programms unter einer Echtzeittask installier te Task zu differenzieren Unter OsX erfolgt die
289. nflusses f r das vorliegende System nicht notwendig ist Hz Di Ta Ts T4 45 Te Hz Hz Winkel 1 0 72 0 71 0 68 0 70 0 73 0 73 T Interal Air 1 0 90 0 90 0 94 0 98 0 98 D Laser Head 1 0 99 0 76 0 87 0 86 T TEC 1 077 087 0 87 T AS Board 1 0 98 0 98 Ts RF Box 1 0 99 Te Receiver 1 Tabelle 7 6 Korrelationsmatrix zwischen Temperaturwerten und Horizontalwinkel 7 4 Kalibrierung des Inklinometers 7 4 1 Nullpunkt und Ma stab F r die in diesem System verwendete AccuStar Libelle wurden bereits durch die Herstellerfirma Schae vitz die in Tabelle aufgef hrten Kalibrierwerte bestimmt F r den Einsatz im vorliegenden System war das Inklinometer mit Hilfe einer speziellen Adaptierung zu befestigen so dass eine Neubestimmung des Nullpunktversatzes im Labor durchgef hrt werden musste In diesem Zusammenhang wurden auch der Ma stab der Neigungsmessung sowie die Temperaturabh ngigkeit Kapitel des Sensors einer erneuten berpr fung unterzogen F r die praktische Ermittlung der Parameter Nullpunkt und Ma stab wurde die Libelle auf der Adap tierungsplatte des Distanzmessers eines Wild T3000 befestigt wodurch eine sichere Fixierung des Sensors gew hrleistet werden konnte Das Objektiv wurde mit Hilfe des Feintriebes ber einen Zenitwinkelbereich von 80 gon lt z lt 120 gon in Schritten zu je 0 5 gon gekippt was einer Neigung des Inklinometers von 20 gon os 20 gon entspricht Zus tzlich wurde die Raumtemperatu
290. nformation als auch durch die Art der physikalischen Messwerter fassung vorgenommen werden Die beiden genannten Methoden zur Realisierung der Neigungsinformation und zur Messwerterfassung sind jedoch nicht in jedem Fall streng aneinander gekoppelt sondern werden in verschiedenen Kombinationen angeboten So sind Inklinometer mit kapazitivem Messprinzip sowohl als fl ssigkeitsbasierte Neigungsmesser Abbildung 6 11 als auch in Form von Pendelneigungsmessern realisiert Die in einem Sensor verwendete Methode zur Realisierung von Neigungsinformationen ist im wesent lichen vom Einsatzzweck und den Anforderungen an Robustheit Aufl sung und Messfrequenz abh ngig So besitzen Pendelneigungsmesser mit Ausnahme der servobasierten Varianten in der Regel kleinere Messbereiche innerhalb derer die Neigungen jedoch mit vergleichsweise hoher bis sehr hoher Genauigkeit erfasst werden k nnen Demgegen ber k nnen fl ssigkeitsbasierte Sensoren g nstiger produziert werden sind robuster und in der Regel auf gro e Messbereiche mit geringeren Genauigkeitsanforderungen aus gerichtet F r Anwendungen bei denen gro e Neigungsunterschiede auftreten und gleichzeitig eine hohe Linearit t gefordert wird kommen vor allem Neigungsmesser zum Einsatz die nach dem servomotori 6 2 Begr ndung der Sensorauswahl 79 Realisierung der Neigungsinformation Fl ssigkeit Libelle Oberfl che Vertikal TTT Neigungsmessung TTT Eege Physikalische
291. ng 60 Standpunkt Einzeln Gesamt Objekt und Passpunktscan 10 150 min 8 min Umbau auf n chsten Standpunkt 3 45 min Auswertung Standpunktverkn pfung 210 min GPS Auswertung 5 min Trajektorie und Punktwolke 106 min Summe bezogen auf S2 625 min 100 119 min 19 In Fahrtrichtung Rechner Pentium 4 3 4 GHz 1 GB RAM 3 Im Unterschied zu Tabelle 4 3 ist hier das Datenvolumen der Punktwolke angegeben Tabelle 10 3 Erfassungsaufwand f r das Projekt Nienburger Stra e Der in Tabelle ermittelte Zeitbedarf macht deutlich dass die St rken der kinematischen L sung bei Projekten dieser Art voll zum Tragen kommen Um die geforderte Genauigkeit der Punktwolke von 0 2 m zu gew hrleisten ist f r die Verkn pfung statisch gescannter Aufnahmen die zus tzliche Bestim mung ausgew hlter Passpunkte mit Hilfe von Tachymetern notwendig um systematische Abweichungen an den R ndern der Punktwolke zu vermeiden Dar ber hinaus ist die durch statische Scans erfasste Punktwolke weder lage noch h henm ig referenziert was nur durch den zeitaufwendigen Anschluss an 154 10 Vergleichende Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit des Systems ein Festpunktfeld erfolgen kann Theoretisch kann bei den statischen Aufnahmen auf die Einrichtung von Passpunkten vollst ndig verzichtet werden wenn die einzelnen Standpunkte mit hohen oder sehr hohen Scanaufl sungen erfasst werden so dass nat rlich Objektpunkte
292. ng der Daten auf dem Echtzeitrechner RAMSYS RT 3 Auswertung der Daten und Erstellung der dreidimensionalen Punktwolke RAMSYS PointCloud Die bereits in der Problemstellung Kapitel thematisierte Automatisierung des gesamten Mess und Auswerteprozesses spielt auch bei der Konzeption der Softwaremodule eine entscheidende Rolle Nur hierdurch ist eine durchgreifende Beschleunigung der kinematischen Objektaufnahme mit Laserscannern und somit auch die Erh hung von Wirtschaftlichkeit und Anwenderakzeptanz m glich b Laserscanner Kapitel 6 2 4 b F SE EE In GPS Empf nger Temperatursensor Neigungsmesser Kapitel 6 2 1 Kapitel 6 2 3 Kapitel 6 2 2 Le RAMSYS Control Kapitel 8 2 E Sp F Installation ER ge RT Programme Steuerung g Daten RT Programme ba L Scanner RAMSYS RT Kapitel 8 3 Analog Digital Kapitel 6 3 4 f sSeriel io Digital EH Kapitel 6 3 5 Kapitel 6 3 3 Laser ontrol Hersteller Hersteller f SAPOS VRS N software software Kapitel 3 6 3 Legende Sensor Messhardware Sync Puls Sync Puls Zeitstempel Tempera Scandaten f GPS Scanner GPS GPS turdaten ASCII LI 1 Positionen f WON N V Datenobjekt RAMSYS PointCloud Kapitel 8 4 N esse Kalibrierfunktion Ke SCC I Kapitel
293. ng in Kapitel ist anzumerken dass die Standardabweichungen der berechneten Azimute signifikant besser sind als die durch empirische Untersuchungen ermittelten Tabelle 9 2 Der Grund hier f r liegt in hohem Ma e in der Vernachl ssigung der physikalischen Korrelationen bei der GPS gest tzten Positionsbestimmung die insbesondere bei hohen Abtastraten von mehr als 1 Hz auftreten Diese starken positiven Korrelationen werden durch das wei e Rauschen das im verwendeten stochastischen Modell des Kalman Filters vorausgesetzt wird nicht modelliert und f hren somit zu einer zu optimistischen Sch tzung f r die Standardabweichungen der Punktpositionen und der Geschwindigkeitsvektoren Aus diesem Grund werden die auftretenden Abweichungen zwischen innerer und u erer Genauigkeit der Azimutbestimmung nicht nur durch unber cksichtigte systematische Effekte hervorgerufen sondern sind vielmehr auf modellbedingte Gr nde zur ckzuf hren Zur besseren Anpassung des stochastischen Modells kann der bereits in Kapitel 6 2 1 diskutierte Formfilteransatz verwendet werden Um optimale Empfangsbedingungen der Satellitensignale zu gew hrleisten wurde der f r die Aus wertung zu verwendende Trajektorienabschnitt entsprechend den rtlichen Gegebenheiten angepasst So existieren sowohl in der N he des Bibliotheksgeb udes als auch im Verlauf der Nienburger Stra e Berei che in denen der Empfang von Satellitensignalen durch hohe Bauwerke und dichte Vegetatio
294. ngangsgr en m ssen 7 1 Ans tze zur Kalibrierung 95 f r eine Kalibrierung zug nglich und ihre Abh ngigkeit von der Ergebnisgr e muss durch funktionale Zusammenh nge formulierbar sein Bei modernen Sensoren wie terrestrischen Laserscannern kann der berwiegende Teil dieser Gr en weder bestimmt noch kann der in einer Korrekturfunktion formulierte Zusammenhang aufgrund sensorinterner Wechselwirkungen exakt ermittelt werden 20054 Dar ber hinaus m ssen die verschiedenen Eingangsgr en allgemein im Rahmen einer Kalibrierung in einem ausreichend gro en Intervall variiert werden k nnen f hrt am Beispiel der Sys temkalibrierung von Tachymetern aus dass aufgrund der hohen Messgenauigkeit der Komponenten eine Ableitung von genauigkeitssteigernden Korrektionen aus Netzbeobachtungen allein nicht mehr durchf hr bar ist Durch diese Art der Systemkalibrierung ist lediglich eine Pr fung des Messsystems auf G ltigkeit der angegebenen Genauigkeitsma e m glich Eine solche Einschr nkung kann auch im Hinblick auf die Systemkalibrierung von Laserscannern formuliert werden da diese Sensorsysteme eine noch h here Kom plexit t besitzen und Ausgangsgr en dar ber hinaus bereits von der Systemsoftware mit Korrektionen versehen werden Im Gegensatz zur Systemkalibrierung wird bei einer Komponentenkalibrierung der Ansatz verfolgt alle Komponenten eines Messsystems und ihre relevanten Einflussgr en soweit m glich isoliert zu
295. ngen kleiner als dieser Wert sind ist eine Be einflussung der Ergebnisgr e des Gesamtsystems nicht zu erwarten und eine Kalibrierung somit nicht notwendig Bei der Positionsbestimmung mit differentiellen GPS Verfahren kommen eine Reihe von Einflussgr en in Frage die zur Entstehung systematischer Abweichungen f hren k nnen Hier sind in erster Linie Mehrwegeffekte Multi Path sowie eine fehlerhafte Bestimmung der Antennenphasenzentren zu nennen Mehrwegeflekte sind in erster Linie ortsabh ngig und k nnen aus diesem Grund in einem kinematischen Messsystem das entlang gr erer Streckenabschnitte bewegt wird nicht mit vertretbarem Aufwand be r cksichtigt werden Die Ermittlung von Variationen des Antennenphasenzentrums in Abh ngigkeit von der Ausrichtung der Antenne ist zwar grunds tzlich m glich jedoch ist die zu erwartende Standardab weichung einer Einzelpositionierung mit GPS deutlich gr er als der Effekt der durch eine Abweichung des Phasenzentrums hervorgerufen wird In Anbetracht der zu erwartenden Variationen von wenigen Millimetern soll eine Kalibrierung in der vorliegenden Arbeit unterbleiben Demgegen ber ist die in Kapitel diskutierte Kalibrierung von Neigungssensor und Laserscanner ausgehend von Erfahrungswerten sowie vor dem Hintergrund der Genauigkeitsanforderungen an den konzipierten Prototypen angebracht Zudem kann sie mit vergleichsweise einfachen Mitteln durchgef hrt werden Auch eine Bestimmung d
296. notwendig ist wird die Systemlast stark von der Kommunikation mit dem Host PC beeinflusst So k nnen h ufige an den Host gesendete Service Requests SRQ ebenso wie eine gro e Anzahl an Speicherzugriffen durch die daf r notwendigen Bibliotheksaufrufe die Systemleistung signifikant vermindern 3007 Stil A ns A ns 100 H 200 Eeoa p n nd A deg 100 200 300 400 500 00 HU a00 s00 1000 1100 1000 2000 3000 4000 S000 DIN Messwert Messwert Abbildung 7 23 Verz gerung bei 0 6 kByte Puffergr Abbildung 7 24 Verz gerung bei 60 kByte Puffergr De De Wie sehr eine umfangreiche Daten bertragung vom Echtzeitrechner zum Host die Antwortzeiten des Systems beeinflussen kann zeigen die Abbildungen 7 23 und Hierbei wird eine mit einer Frequenz von 10 kHz durchgef hrte AD Wandlung durch die bermittlung eines SRQ an den Host Rechner so wie die anschlie ende bertragung der gepufferten Daten gest rt Bei einer Puffergr e von 0 6 kByte Abbildung 7 23 muss die bertragung der Daten sehr h ufig aber mit kurzer Dauer bei 60 kByte Abbildung 7 24 hingegen seltener aber mit l ngerer bertragungszeit durchgef hrt werden Werden w hrend einer solchen Daten bertragung Interrupts oder Timer ausgel st k nnen die entsprechenden Tasks nicht aktiviert werden so dass harte Echtzeitanforderungen unter Umst nden verletzt werden Oszilloskop Abbildung 7 25 Messanordnung zur Bestimmung der Latenzzeit PPS Pul
297. nsoren Die in Tabelle 7 11 genannten Genauigkeiten Sx Sx und Sz entsprechen den von der Software Leica AXYZ angegebenen gemittelten Standardabweichungen aus einer Messung in zwei Lagen Da das optische Zentrum des Scanners Punkt 1000 durch Transformation ber identische Punkte bestimmt wurde und keine Genauigkeiten f r die erfassten Scanpixel verf gbar sind wird auf die Angabe einer Standardab weichung verzichtet Im Hinblick auf die Standardabweichung der Positionen der GPS Antennen sowie der Referenzkugel ist zu beachten dass diese aufgrund der fehlenden Diskretisierbarkeit nur indirekt bestimmt werden konnten Somit sind bei der Angabe der Standardabweichungen die Genauigkeiten des Kugelradius Radius und der Zentrierung auf den Antennenmittelpunkt o y Z Zentrierung additiv zu ber cksichtigen Auf eine Bestimmung von Ursprung und Achsen des Koordinatensystems des Inklinometers sowie der zur Systempr fung verwendeten Inertialmesseinheit Kapitel 9 4 1 wurde an dieser Stelle verzichtet da diese Sensoren ausschlie lich relative Messwerte Neigungen liefern In diesem Fall erfolgte lediglich eine sorgf ltige Ausrichtung der Sensorachsen zueinander 7 5 2 In situ Orientierung des Scanners Grunds tzlich kann die Objekterfassung mit einem be liebig orientierten Profilscanner durchgef hrt werden so lange die Parameter seiner r umlichen Orientierung be kannt sind F r eine optimale Erfassung der auf beiden Seiten bef
298. nte mit einem Wert von 0 3 mm mit einer Standardabweichung von 0 1 mm quantifiziert werden Aufgrund der vergleichsweise geringen Auswirkung wird die Bestimmung der Achsexzentrizit ten nicht vorgenommen Im Gegensatz zur Kalibrierung des Moduls Laserscanner kann von einer Kalibrierung des Atmosph renmoduls aus verschiedenen Gr nden abgesehen werden Zum einen liegen die anzubringenden Korrek tionen aufgrund der geringen Messentfernung im Bereich weniger Millimeter zum anderen ist fraglich ob die Erfassung der entsprechenden Eingangsgr en bei bewegten Fahrzeugen mit der notwendigen Genauigkeit erfolgen kann um signifikante Verbesserung des Messergebnisses herbeizuf hren Die Kalibrierung des Software Moduls ist aufgrund der starken Verkn pfung mit dem Modul Laser scanner nicht eigenst ndig durchf hrbar Vielmehr erfolgt eine implizite Kalibrierung der bereits in der Software implementierten Korrekturmodelle im Rahmen der Laserscanner Kalibrierung da sich die Effek te dieser beiden Module stark berlagern Geometrie Konfiguration Objektoberfl che Spotgr e Rauigkeit Spotabstand Wellenl nge des Lasers Abstand vom Scanner Farbe der Oberfl che Auftreffwinkel Helligkeit der Oberfl che R umliche Korrelationen Tabelle 7 4 Einflussgr en auf das Objektmodul Bei der Kalibrierung der objektspezifischen Komponenten sind generell zwei Arten von Einflussgr en zu untersche
299. ntsprechen die Anforderungen an die Synchronisierung der gew nschten Periodendauer Dennoch sollte die Zeitreferenzierung der Mess werte direkt und ohne vorherige Pufferung der Rohdaten geschehen um systematische Abweichungen zu vermeiden 76 6 Das Messsystem 6 2 Begr ndung der Sensorauswahl 6 2 1 GPS Da bei der vorliegenden Systementwicklung auf die Verwendung einer Inertialmesseinheit verzichtet wird stellt die satellitengest tzte Positionsbestimmung die zentrale Komponente zur Bestimmung von Fahr zeugtrajektorie und r umlicher Orientierung dar Um die in Kapitel diskutierten systematischen Abweichungen der Trajektorie die durch einen Versatz zwischen Antenne und Fahrzeugnullpunkt ent stehen zu vermeiden soll eine Positionsbestimmung mit GPS in zwei unterschiedlichen Konfigurationen umgesetzt werden A A S rr Rw Plattform f r Scanner Scanner Zusatzsensorik l Wi wm TT HI Harpag g Auer rer We Kktz ZE Y Pn ess A eceiver A M Receiver M M Receiver C B Bes Ben Res Renz Abbildung 6 4 Konfiguration mit einem Empf nger Abbildung 6 5 Konfiguration mit zwei Empf ngern Bei Verwendung eines GPS Empf ngers Abbildung 6 4 kann die Trajektorienberechnung f r die Hin terachse und somit f r den Ursprung des Fahrzeugkoordinatensystems nach dem in Kapitel 3 2 4 disku tierten Verfahren erfolgen Voraussetzung hierf r ist jedoch dass sich der Nullpunkt der GPS Antenne ber dem Dreh
300. nungen In Verkehrsunfall und Fahrzeugtech nik 43 2005 Nr 4 S 85 90 Paffenholz u a 2007 PAFFENHOLZ Jens Andre NEU MANN Ingo KUTTERER Hansj rg Entwicklung eines remote monitoring Systems f r den HDS 4500 In LUH MANN Thomas Hrsg Photogrammetrie Laserscanning Optische 3D Messtechnik Beitr ge der Oldenburger 3D Tage 2007 Wichmann Verlag Heidelberg 2007 S 188 195 Pelzer 1987 PELZER Hans Deformationsuntersuchungen auf der Basis kinematischer Bewegungsmodelle In Allge meine Vermessungsnachrichten 97 1987 Nr 2 S 49 62 Pelzer 1988 PELZER Hans Anwendung der Kalman Filtertechnik auf die Deformationsanalyse In SCHN DELBACH K Hrsg EBNER H Hrsg Ingenieurver messung 1988 Beitr ge zum X Internationalen Kurs f r Ingenieurvermessung Bd 1 1988 S B4 1 B4 12 Pfl ging 1988 PFL GING Kurt Erfahrungen ber den Einsatz von kontinuierlich arbeitenden Neigungsme ein heiten In Das Markscheidewesen 95 1988 Nr 1 S 14 17 Philips 1995 PHILIPS Integrated Circuits Family Speci fications IC04 Philips Semiconductors Januar 1995 Produktdatenblatt Priess 1982 PRr Ess Ulrich Schwingquartze als hochauf l sende Temeraturf hler In Elektronik 6 1982 S 49 52 Ramm 2006 RAMM Kathrin Enhanced Kinematic Po sitioning Methods by Shaping Filter Augmentation In 165 Proceedings on 3rd IAG International Symposium on Geo technical and Structu
301. obachtungen vorliegen sondern zu denen Scanprofile erfasst wurden Mit Hilfe von dreidimensionalen Punktpositionen sowie drei Raumwinkeln sollen die zweidi mensionalen Scanprofile mit Translations und Rotationswerten versehen werden so dass sie in den dreidimensionalen Objektraum berf hrt werden k nnen In den nachfolgenden Ausf hrungen soll der in Kapitel 3 1 4 definierte Begriff des Azimutes anstelle des Gierwinkels f r die Beschreibung der horizontalen Orientierung der Fahrzeugachse in der Gau Kr ger Ebene verwendet werden um den Bezug zur Hoch Achse des Gau Kr ger Systems zu verdeutlichen 3 7 2 Differentielle GPS Phasenmessungen Die Bestimmung der r umlichen Orientierung von Plattformen durch GPS Beobachtungen wird seit lan ger Zeit wissenschaftlich verfolgt So wird von ein Verfahren vorgeschlagen bei dem die Phasen nderungen der Signale mehrerer GPS Satelliten zur Azimutbestimmung verwendet werden k nnen Die Ableitung von Gier Nick und Rollwinkel erfolgt hierbei aus den Phasenmessungen einer kreisf rmig rotierenden Antenne f hren ausgiebige Tests zur Bestimmung des Kurses der USS Yorktown durch Die drei Raumwinkel werden hierbei ebenfalls mit einem einzelnen Empf nger bestimmt der jedoch ein aus drei Antennen bestehendes Array zur Signalerfassung nutzt Die Antennen bilden hierbei die Eckpunkt eines rechwinkligen Dreiecks mit Kathetenl ngen von 40 cm und 60 cm Auf der Grundlage der gleichzeitig beobachte
302. obal Positioning System 15 18 04 1985 Rockville USA 1985 S 347 356 Gordon u a 2001 GORDON Stuart LICHTI Derek STE WART Mike TSAKIRI Maria Metric Performance of a High Resolution Laser Scanner In EL HAKIM Sabry F Hrsg GR N Armin Hrsg Videometrics and Optical Methods for 3D Shape Measurement 22 23 January 2001 San Jose USA 2001 Proceedings of SPIE s International Symposium on Electronic Imaging S 172 184 Grejner Brzezinska und Toth 2002 GREJNER BRZEZINSKA D TOTH C Real Time Mobile Multisensor System and its Applications to Highway Mapping In Proceedings of 2nd Symposium on Geodesy for Geotech nical and Structural Engineering 21 24 05 2002 Berlin 2002 S 202 212 Grejner Brzezinska und Yi 2002 GREJNER BRZEZINSKA D Y Y Design and Navigation Performance Analysis of an Experimental GPS INS PL System In Proceedings of 2nd Symposium on Geodesy for Geotechnical and Structu ral Engineering 21 24 05 2002 Berlin 2002 S 452 461 Grewal und Andrews 2001 GREWAL Mohinder S AN DREWS Angus P Kalman Filtering Theory and Practice Using Matlab 2 Auflage John Wiley amp Sons New York USA 2001 Gr fe 2003 GR FE G Mobile Mapping With Laser Scanners Using the MoSES In GR N A Hrsg KAH MEN H Hrsg Optical 3 D Measurement Techniques VI Z rich Schweiz Bd 1 2003 S 381 388 Gr fe und Heister 2004 GRAFE G HEISTER H Kine matische
303. oder nicht modelliertes Fahrverhalten sind in ihrer Wirkungsweise zwar mehrheitlich bekannt ihre Gr enordnung kann jedoch meist nicht mit vertretbarem Aufwand quantifiziert werden Auf grund dieser Imperfektion der mathematischen Modellierung des Systemverhaltens in der Matrix T schl gt 1988 vor den pr dizierten Zustandsvektor in Gleichung 3 22 k nstlich mit einer additiven St rbeschleunigung w _ zu berlagern 3 Als dritte Komponente der Abweichung zu den gemessenen Systemzust nden ist schlie lich die Unsicherheit der Messungen Zu selbst zu nennen da diese ebenfalls Einfluss auf die Pr diktion des Zustandsvektors besitzt Die unter 2 genannte St rbeschleunigung an ut berlagert den pr dizierten Zustand y so dass sich mit Hilfe der St rgr enmatrix Ck 1 k deren Herleitung 1987 entnommen werden kann ein gest rter Zustandsvektor y berechnen l sst Hz Yy k 1 k Wk 1 k 3 24 32 3 Bestimmung von Position und Orientierung F r die St rbeschleunigung gilt ein Erwartungswert von Him url 0 seine VKM muss auf geeignete Weise abgesch tzt werden und ergibt sich aus Sab EI 34 on 3 25 In der Praxis wird die St rbeschleunigung jedoch als Pseudobeobachtung mit w 0 in Glei chung 3 24 eingef hrt da ihre Gr enordnung nicht bestimmt werden kann so dass die St rbeschleuni gung bei der Ermittlung des Zustandsvektors y ohne Auswirkung bleibt und f r die weiteren Berechnu
304. ommen f r die Modellierung kine matische und dynamische Ans tze in Frage von denen die dynamischen eine explizite Ber cksichtigung derjenigen Einflussgr en vornehmen die das Systemverhalten bestimmen Da im vorliegenden Fall le diglich eine beschreibende Modellierung des Bewegungsverhaltens gefordert ist kann eine Modellierung mit Hilfe des kinematischen Ansatzes erfolgen Beispiele f r die Nutzung dynamischer Modelle geben Kunt mann 1996 Eicnnonn 2005 und Eicnnonn 2007 3 4 Filteralgorithmen 3 4 1 Kalman Filter Eine nicht nur in der Geod sie gestellte Aufgabe besteht in der Bestimmung des Zustands linearer Systeme unter Zuhilfenahme von Messungen die durch lineare oder linearisierte Funktionen der Systemzust nde beschrieben werden Der gesuchte Systemzustand wird hierbei in diskreter Formulierung durch seinen Zustandsvektor yg zur Epoche k beschrieben Naturgem sind Messungen f r die Ermittlung des Zustandsvektors mit systematischen und zuf l ligen Messabweichungen behaftet die eine Bestimmung des Sch tzwertes f r den wahren Wertes des Systemzustandes erschweren W hrend die systematischen Messabweichungen vor der eigentlichen Aus wertung durch geeignete Wahl der Messanordnung oder durch modellbasierte Korrektion so weit wie m glich auszuschalten sind l sst sich der Einfluss zuf lliger Abweichungen durch die Verwendung soge nannter Filter Verfahren minimieren Eines der am h ufigsten verw
305. on offenbart ist diese mit Hilfe weiterf hrender Testverfahren zu bestimmen Laut sollten an die Bestimmung der Unvertr glichkeit nicht allzu strenge Anforderungen gestellt wer den Grunds tzlich kann eine Unvertr glichkeit wie aus Gleichung ersichtlich ist durch den Beobach tungsvektor l oder den pr dizierten Zustandsvektor y verursacht werden Die Frage ob zun chst das Beobachtungsmaterial zu pr fen oder das stochastische Modell zu hinterfragen ist kann nicht allgemein beantwortet werden Sie h ngt wesentlich von den verwendeten Parametern ab und ist somit auf der Grundlage von Erfahrungswerten abzuw gen Da insbesondere bei der Verwendung von GPS Beobachtungen grobe Fehler im Datenmaterial aufgrund verschiedener Einfl sse wie Multipath auftreten k nnen soll zun chst der Beobachtungsvektor mit Hilfe eines multiplen t Tests dahingehend untersucht werden ob ein grober Fehler in den Beobachtungen l einer Epoche k enthalten ist Werden der Verbesserungsvektor der Beobachtungen mit vy und der Selektionsvektor der j ten Beobachtung mit e bezeichnet so lautet die aufzustellende Testgr e T 1 1 EI Qu UI ou TAn Se ve Qur Gun ut Ej N 0 1 3 37 34 3 Bestimmung von Position und Orientierung mit d Qu Au Al mm Wll k k yy kfAr gt ej Selektionsvektor der Beobachtung j Werden grobe Fehler in den Beobachtungen detektiert sollte die Verwendung des Messwertes im jewei ligen Filterschritt verhin
306. oor dinaten in Abh ngigkeit von der Zeit t von Interesse Eine solche Formulierung des Systemverhaltens wird als kinematisches Modell bezeichnet Kapitel DA bei dem der jeweilige Systemzustand durch n dimensionale hier n 3 Vektoren des Ortes z t der Geschwindigkeit Sit und der Beschleunigung Zitt eines oder mehrerer Punkte dargestellt werden kann F r den in dieser Arbeit relevanten Fall r umlicher Koordinaten enthalten die Vektoren zitt tk und Sit die dreidimensionalen Parameter Tripel tk y Koordinatenvektor 3 18 z Ux D 2 vy Geschwindigkeitsvektor 3 19 Uz 3 4 Filteralgorithmen 31 ax tk zl ay Beschleunigungsvektor 3 20 az Eine solche Formulierung ber cksichtigt lediglich die erste und zweite Ableitung des Ortes und setzt so mit eine gleichm ig beschleunigte Bewegung zwischen zwei Abtastzeitpunkten voraus Diese Bedingung wird in der Praxis nicht immer streng zu erf llen sein dennoch kann bei geringen Geschwindigkeiten oder wahlweise hohen Abtastraten unter Inkaufnahme geringer Abweichungen von der G ltigkeit des Modells ausgegangen werden Zur Vereinfachung wird der Zustand eines Punktes zum Zeitpunkt t auf Grundlage der Vektoren aus den Gleichungen 3 18 3 19 3 20 in einem gemeinsamen Vektor zusammengefasst Ro y tk l t 3 21 E Die Bestimmung des gesuchten ausgeglichenen Zustandsvektors erfolgt im Kalman Filter zweistufig In einer ersten Stufe we
307. or allem durch die vergleichsweise niedrigen Sensorkosten und die hohen Profilfrequenzen begr ndet die mit diesen Modellen erzielt wer den k nnen Demgegen ber stehen deutlich niedrigere Aufl sungen verglichen mit den Modellen von Zoller Fr hlich sowie Riegl Auch die vom Hersteller angegebenen Genauigkeiten der Punktbestimmung liegen oberhalb von zwei Zentimetern Bedingt durch diese Tatsache ist der Einsatz als zentraler bild sebender Sensor f r die vorliegende Aufgabenstellung nicht sinnvoll Die Sick Scanner sind hingegen als erg nzende Profilscanner neben weiteren bildgebenden Sensoren in Mapping Systemen hervorragend ge eignet um zus tzliche Elemente aus dem Objektraum wie die Fahrbahnquerneigung zu erfassen wo sie bereits vielfach zum Einsatz kommen HEISTER und GR FE 2004 4 5 6 Zusammenfassung Grunds tzlich bieten die Hersteller terrestrischer Laserscanner eine breite Auswahl profilf higer Sensoren Insbesondere in diesem Bereich existiert eine Reihe von Modellen die f r hochspezialisierte Aufgaben entwickelt wurden und zum Teil in sehr geringen St ckzahlen hergestellt werden Hierzu z hlen Sensoren wie der Zoller Fr hlich Imager 6000 300 oder die Modelle von SpaceTec welche die Mehrheit der hier gestellten technischen Anforderungen unzweifelhaft erf llen Aufgrund der hohen Kosten f r diese Ger te kommen sie f r eine Verwendung im vorliegenden System nicht in Frage 4 5 Profilmessend
308. orhandenen systematischen Abweichungen vorzunehmen Im Rahmen der bereits erw hnten Entwicklung zu immer komplexeren Systemen ist eine Systemkalibrierung dar ber hinaus messtechnisch einfacher umzusetzen Hierbei wird das zu untersuchende System als sogenannte Black Box Abbildung betrachtet bei der eine nderung der Messgr e Ergebnisgr e durch Variation einer oder mehrerer Eingangsgr en herbeigef hrt wird Aus diesem Grund ist der direkte Zugang zu einzelnen Komponenten oder Sensoren in aller Regel nicht notwendig Komponente 1 2 Sensor 1 2 A Algorithmus K Abbildung 7 3 Grundaufbau eines Messsystems Die Durchf hrung einer Systemkalibrierung ist nur dann sinnvoll wenn zwei Randbedingungen vor ausgesetzt werden k nnen Die erste ist die Unver nderlichkeit des Systems hinsichtlich seiner Kompo nenten Erfolgt zum Beispiel die Systemkalibrierung eines Laserscanners mit einheitlichen Zielmarken oder bestimmten Materialien so gelten die ermittelten Kalibrierparameter und funktionalen Zusam menh nge ausschlie lich f r die vorliegende Konfiguration Die Voraussetzungen einer gleichbleibenden Konfiguration von Scanner und Objekteigenschaften sind jedoch insbesondere bei kinematisch bewegten Laserscannern nicht gegeben Die zweite und wesentlich schwerwiegendere Voraussetzung bezieht sich auf die Tatsache dass eine Er gebnisgr e h ufig von einer Vielzahl von Eingangsgr en beeinflusst wird Diese Ei
309. pt Task von OsX Inertial Mess System Kinematic Survey System Light Form Modeler Least Laxity First Scheduling Least Significant Bit Module Device Driver Man Machine Interface Mobile Mapping System Mobiles Stra en Erfassungs System Most Significant Bit Non Interrupt Task von OsX Echtzeitbetriebssystem der Firma Sorcus Program Descriptor Table Precise Point Positioning Pulse Per Second PCI Extension for Instrumentation Random Access Memory Rapid Mapping System Receiver Independent Format Read Only Memory Remote Procedure Call Rauch Tung Striebel Algorithmus Satelliten Positionierungs Service Service Request Space Vehicle Akronym f r Satellit Transmission Control Proto col Internet Protocol Task Descriptor Table Pr ziser Exchange TI Task TLS TMS TTC TTL USB VI VKM VLMS WGS84 WLAN ZfH Z F Timer Task von OsX Terrestrischer Laserscanner Theodolit Messsystem Trimble Total Control Transistor Transistor Logik Universal Serial Bus Virtuelles VIEW Varianz Kovarianz Matrix Vehicle Born Laser Mapping Sytsem World Geodetic System von 1984 Wireless Local Area Network Zentrum f r Hochschulsport der Leibniz Universit t Hannover Zoller Fr hlich Instrument von Lab 169 A Technische Daten Laserscanner fei og 0 s el o0ST w 0z w OI cuu G wu G HI Us PIG 002 SWI 9qESUBSSUNIHFJYUN 2000 ot 2 CPI 000 081 1887 00007 6000 rat 6000 i 09 09
310. punkt der vorderen Fahrzeugachse befindet Abbildung 6 6 Trimble 5700 Abbildung 6 7 Trimble R8 TRIMBLE GMEH 2007 Cause GMBH 2007 Bei der alternativen Variante mit zwei symmetrisch vor und hinter der Stehachse des Scanners ange ordneten GPS Antennen Abbildung 6 5 wird die horizontale Position des Fahrzeugnullpunktes hingegen direkt als Mittel zwischen beiden Antennen bestimmt Zwar werden f r diese Konfiguration zwei GPS Empf nger mit vergleichbaren Leistungsdaten ben tigt jedoch besteht hierbei die zus tzliche M glichkeit einer direkten Azimutbestimmung aus den gemessenen Koordinatendifferenzen ber die in Kapitel 3 7 4 vorgestellte relative DGPS Positionierung Daten Signale Trimble 5700 Trimble R8 Leica GPS1200 Positionen e 10 Hz e 10 Hz e 20 Hz PPS Signal e 1 Hz e 1 Hz ASCII Timetag e 1 Hz e 1 Hz Antenne Zephyr extern Integriert Standard extern Tabelle 6 5 Datenraten der GPS Empf nger Bei der Auswahl m glicher GPS Empf nger zur Umsetzung der genannten Konfigurationen wurden die Modelle Trimble 5700 Abbildung und Trimble R8 Abbildung in Betracht gezogen da 6 2 Begr ndung der Sensorauswahl 17 sie am Geod tischen Institut verf gbar waren Alternativ k nnen auch Empf nger von Herstellern wie Leica verwendet werden Beide Modelle sind geod tische L1 L2 Empf nger und unterscheiden sich we sentlich durch die M glichkeit zur Ausgabe eines PPS Pulses Tabelle 6 5 sowie d
311. r Standardunsicherheit 35 4 mgon 14 6 mgon 3 6 mgon 3 2 mgon Tabelle 7 5 Kalibrierwerte des Inklinometers 7 3 Kalibrierung des Laserscanners 103 7 3 3 Temperaturabh ngigkeit Die Bestimmung systematischer Restabweichungen aufgrund eines nicht kompensierten Temperaturein flusses auf die Ergebnisgr e ist bei der geod tischen Kalibrierung von Sensoren obligatorisch Insbeson dere beim vorliegenden System ist eine solche Pr fung unumg nglich da f r eine Erfassung ausgedehnter Objekte vergleichsweise lange Scanzeiten ohne Beeintr chtigung der Messergebnisse gew hrleistet werden m ssen Wie bereits in den Abbildungen 7 7 und 7 8 gezeigt wird die Sensortemperatur jedoch nicht bei allen am Markt verf gbaren Scannermodellen ausreichend ber cksichtigt Als einer der wenigen Scanner bietet der Imager 5003 die M glichkeit verschiedene interne Tempera tursensoren ber Bibliotheksfunktionen des Ger tetreibers abzufragen Da der Scanner im Client Server Betrieb angesteuert wird kann dies auch zu beliebigen Zeitpunkten w hrend der Messung geschehen Ein beispielhaftes Ergebnis der internen Temperaturmessung kann Abbildung 7 11 Jentnommen werden Internal air Temperature ok min 12 60 max 49 80 Laser Head Temperature ok min 27 60 max 32 40 TEC Temperature ok min 8 80 max 54 50 AS Board Temperature ok min 12 70 max 59 20 RF Box Temperature ok min 10 80 max 57 10 Receiver Temperature ok min 11 90 m
312. r GPS Antenne im WGS84 Pscan Objektpunkt im Scansystem S BS e Be e E Abbildung 3 4 Transformation der Sensordaten mit Hilfe von IMU Daten Ga Tra2 Insbesondere f r die Transformation vom Fahrzeugsystem in ein topozentrisches System ist die Kenntnis der zeitvarianten Drehwinkel zwischen beiden Systemen eine grundlegende Voraussetzung f r die Trans formation Tral Abbildung 3 4 Im Unterschied zu Mobile Mapping Systemen mit Inertialmesseinheit werden bei dem vorliegenden System im Rahmen einer Messung jedoch lediglich die vier Parameter XwGs GPS De Sensor ae 3 1 WGS OF Inklinometer erfasst Aus diesem Grund kann eine Transformation vom Fahrzeugsystem in andere bergeordnete Syste me Ira2 bis Tra4 Abbildung 3 4 erst nach Ermittlung der fehlenden Parameter Gierwinkel Yp und Nickwinkel Op erfolgen Diese k nnen wie in Kapitel erl utert aus dem gesch tzten Zustandsvektor der Kalman Filterung abgeleitet werden Prinzipiell kann eine solche Filterung im WG59S84 oder in einem beliebigen anderen System erfolgen Da die Neigungsmessungen des Inklinometers die den Rollwinkel dr darstellen zudem auf die Lotrichtung und nicht auf die Ellipsoidnormale des WGS84 bezogen sind wird die Filterung in einem lokal bestanpassenden ellipsoidischen System beziehungsweise seiner Projektion in die Ebene durch Gau Kr ger Abbildung vollzogen Somit sind zun chst nur die Raumpositionen der GPS Antenne zu transfor
313. r einer Task Auto mut Initialisierung der Task Descriptor Table auch vom Host PC aus m glich Main_ callback Ausf hrung des Programmcodes bei Aufruf der Task Start Aktivierung der Task Stop Deaktivierung der Task Tabelle 8 4 Prozeduren einer Task 118 8 Messung und Auswertung der Daten Ein weiterer Unterschied zur PC basierten Programmierung besteht in den vorgeschriebenen Prozedu ren eines Programmes die w hrend seiner bertragung auf die MAX5dip seiner Installation sowie beim Aufruf der zugrundeliesgenden Task ausgef hrt werden Tabelle 8 4 Die main Prozedur enth lt im Gegensatz zur DOS und Windows Programmierung lediglich die f r das Betriebssystem wesentlichen Parameter zur Einrichtung der PDT sowie zur Anmeldung des Programmes als OsX Task Nach Ausf hrung dieser Funktion ist die Task lediglich eingerichtet kann jedoch noch nicht durch Interrupts oder Timer aufgerufen werden Im Anschluss an die Initialisierung der TDT erfolgt dann die Einrichtung eines Ringpuffers im Datenbereich das ffnen der Schnittstellen sowie die Aktivierung der Task durch die Start Prozedur Ab diesem Zeitpunkt ist die Task in der Lage auf Ereignisse zu reagieren oder timergesteuerte wahrzunehmen Dieser Schritt kann durch Verwendung der Stop Prozedur wieder r ckg ngig gemacht werden Wie bereits diskutiert m ssen nach dem Einschalten der MAX5dip sowohl das Betriebssystem als auch die kompilierten Echtzeitprogramme in den Arbeitsspei
314. r in der N he des Inklino meters erfasst Der analoge Spannungswert Volt des Sensors wurde ber das Analog Digital Modul des Echtzeitrechners erfasst und als Mittel sowie Medianwert aus jeweils zehn Einzelmessungen bestimmt 7 4 Kalibrierung des Inklinometers 105 Parameter Wert Einheit Erl uterung bertragungsfunktion Ma stabsfaktor 19 718 gon mVolt Linearit tsabweichung 0 55 Nullpunkt mVolt Abh ngig von Adaptierung Temperatur TKnullpunkt 0 0029 gon C TK Temperatur TKya stab 0 017 C koeffizient Wiederholgenauigkeit Nullpunkt Pass Pr fung bestanden Tabelle 7 7 Kalibrierwerte des Inklinometers ab Werk Wie aus Kapitel entnommen werden kann besitzt das Inklinometer eine lineare Kennlinie im Bereich von 45 bis 45 Der Zusammenhang zwischen Neigung des Inklinometers und seinem Signal ausgang ist in Abbildung zusehen _ 20m 5 d I A LL S 0 H e m d ze E I a 104 4 03 DE 204 e S 0 5 10 15 20 Neigung gon ke el 20 T T T i T gt 10 S AN M e Pi LLL 5 10 03 X j i f i f f 20 L l 20 15 10 5 0 5 10 15 20 20 15 10 5 0 Neigung gon Neigung gon Abbildung 7 16 Kalibrierkurve des Inklinometers Abbildung 7 17 Residuen der Regression Die gesuchten Parameter wurden nun durch lineare Regression ermittelt Tabelle Va Eine genauere Betrachtung der Residuen ergab dass die Parameter der linearen Kalibrierfunktion abh ng
315. r verf gen und die Auswertung der GPS Beobachtungen ohnehin manuell geschehen muss f llt diese Einschr nkung weniger stark ins Gewicht Tabelle zeigt die M glichkeiten zur Ansteuerung und Datenspeicherung sowie die Nutzung von Statusinformationen der Sensoren 8 2 Steuerung des Messablaufs 115 Hardware GPS Laser Echtzeit Inklino Temperatur scanner rechner meter sensor Steuerung durch System Nein Ja Ja Ja Ja Datenspeicherung Intern PC PC PC PC Informationen zum Ja Ja Nein Ja Ja Betriebszustand ber Echtzeitrechner Steuerungs PC oder Notebook Tabelle 8 2 M glichkeiten zur Steuerung und Datenspeicherung Zur Ablaufsteuerung wurde das zentrale Programm RAMSYS Control entwickelt ber das die Kom munikation mit der Messhardware und dem Anwender sowie die Speicherung der Daten abgewickelt wird Die Kommunikation mit dem angeschlossenen Laserscanner wird hierbei ber Bibliotheksfunktionen des Herstellers umgesetzt die f r verschiedene Windows Betriebssysteme verf gbar sind Ein Beispiel zur Ansteuerung eines baugleichen Leica HDS4500 wird in gegeben wo dieser Scanner in einem System zur Durchf hrung von berwachungsmessungen verwendet wird Die Objekterfassung mit RAMSYS Control wird in den drei Phasen Messungsvorbereitung Daten erfassung und Messungsabschluss vollzogen Abbildung 8 2 Zun chst erfolgt eine Drehung des Scan ners quer zur L ngsachse des Fahrzeugs und di
316. ral Engineering and 12th Interna tional Symposium on Deformation Measurements 22 24 05 2006 Baden sterreich CD ROM 2006 Riegl 2007 Ber RIEGL Laser Measurement Sys tems GmbH Internetpr sentation Zugriff am 06 01 2007 http www riegl com 2007 Rietdorf 2005 RIETDORF Andreas Automatisierte Aus wertung und Kalibrierung von scannenden Messsystemen mit tachymetrischem Messprinzip Fakult t VI Bauinge nieurwesen und Angewandte Geowissenschaften Deutsche Geod tische Kommission DGK Reihe C Nr 582 M n chen 2005 Rogers 2000 ROGERS Robert M Applied mathematics in integrated navigation systems American Institute of Aeronautics and Astronautics 2000 ISBN 1 56347 445 X 1 56347 397 6 Saeger u a 2007 SAEGER H EHM M FR HLICH C Der neue Imager 5006 In LUHMANN Thomas Hrsg Photogrammetrie Laserscanning Optische 3D Messtechnik Beitr ge der Oldenburger 3D Tage 2007 Wichmann Ver lag Heidelberg 2007 S 361 368 Santala und Joala 2003 SANTALA J JOALA V On the Calibration of a Ground Based Laser Scanner In Pro ceedings FIG Working Week 2003 13 17 04 2003 Paris Frankreich CD ROM 2003 Schaudel 1989 SCHAUDEL Dieter Anwendung des Temperatur Me systems QuaT in der Prozesstechnik In Chem Ing Tech 3 1989 Nr 61 S 229 234 Sch dlbauer 1982 SCH DLBAUER Albert Rechenformeln und Rechenbeispiele zur Landesvermessung Teil 2 Herbert Wichmann Verlag Ka
317. rammierbaren Zu griff auf alle I O Module des Systems mit einer Aufl sung von 25 ns 2006 Der Vorteil von FPGA gegen ber Integrierten Schaltkreisen IC liegt vor allem in der M glichkeit die Programmlogik erst vor Ort auf den Baustein zu bertragen und jederzeit ndern zu k nnen Hierdurch lassen sich unterschiedliche Aufgaben der Datenerfassung u erst flexibel l sen CompactRIO Systeme sind verglichen mit PXI und PCI Hardware robuster lassen sich modular er weitern und eignen sich gut f r den mobilen Einsatz im Stand alone Betrieb Sie bestehen aus einem Embedded Controller und bis zu acht Datenerfassungsmodulen die w hrend des laufenden Betriebes austauschbar sind Ein vollst ndig mit Modulen und Controller ausgestattetes CompactRIO System be 5 3 Ausgew hlte Systeme 67 A Abbildung 5 11 NI Compact FieldPoint Abbildung 5 12 NI CompactRIO NATIONAL INSTRUMENTS 2007A NATIONAL INSTRUMENTS 20074 n tigt eine vergleichsweise geringe Leistungsaufnahme von 17 W bis 20 W Neben serieller und Ethernet Schnittstelle besitzen die CompactRIO Controller zudem einen USB Host Anschluss ber den externe Speichermedien wie USB Festplatten f r die Datensicherung ange schlossen werden k nnen Insbesondere die M glichkeit Daten mittels USB Host Schnittstelle w hrend der Messung auf externen Speichermedien abzulegen ist f r Mobile Mapping Systeme mit hohem Da tenvolumen ideal Hochfrequente Messdaten k nnen w h
318. rde Innerhalb der hierdurch aktivierten Task wird direkt die in der PDT mit Main_ callback bezeichnete Prozedur ausgef hrt die auch als callback Funktion bezeichnet wird Neben der Programmsteuerung durch Interrupts besteht zudem die M glichkeit der regelm igen Akti vierung von Tasks ber Timeraufrufe Abbildung 8 4 Im Fall des verwendeten CPU Moduls X MAX E 8 3 Datenerfassung auf der MAX5dip 119 Programmsteuerung Abbildung 8 4 Arten der Ablaufsteuerung von Programmen stehen insgesamt drei nutzbare Timer f r Anwendungsprogramme zur Verf gung Zwei dieser Timer sind zudem interruptf hig und k nnen somit zur Aktivierung von Interrupt Tasks verwendet werden Ein weiterer Timer ist zur Steuerung von Programmen oder Wartungsfunktionen mit Hilfe von Timer Tasks nutzbar Interrupt und Timeraufrufe unterscheiden sich aus Sicht der Echtzeitprogramme vor allem durch die Art des Schedulings sowie die M glichkeiten zur Priorisierung Die Eingangsfrequenz des auf dem CPU Modul verwendeten Timerbausteins betr gt 1 189 180 Hz so dass der kleinstm gliche Taktschritt Atrimer min der auch als Timer Tick bezeichnet wird mit Altimermin 0 84 US 8 1 angegeben werden kann Die Inkrementierung der Timer Ticks wird vom Betriebssystem mit Hilfe einer Z hlvariablen durchgef hrt Durch die bei 80486 Prozessoren und dem OsX Betriebssystem verf gbare Busbreite von 16 Bit k nnen somit 65536 Taktschritte bis zu
319. rden die Parameter des aktuellen Zustands zum Zeitpunkt t aus dem Zustand der vorigen Epoche tg pr diziert Werden die Zeitdifferenz zwischen aktueller und neu zu bestimmender Epoche mit At tk tk 1 und der Einheitsvektor mit bezeichnet ergibt sich der pr dizierte und ungest rte Zustandsvektor Y in Matrizenschreibweise durch Tk E A E gt At E Tk 1 Yk 0 E At E r 3 22 k 0 0 E Tki Yk Tk 1 k Dr mit der entsprechenden VKM Zei Tran Da Tar 3 23 Die Matrix T wird auch als Transitions oder Pr diktionsmatrix bezeichnet und beinhaltet Differential oder Differenzengleichungen mit Hilfe derer der bergang von einem ausgeglichenen Systemzustand Hr zum pr dizierten Folgezustand y erfolgen kann Der im Rahmen der Pr diktion ermittelte Zustandsvek tor weicht in der Regel aus mehreren Gr nden vom tats chlichen Zustand des Systems ab 1 Bereits der Anfangszustand yo besitzt eine in Xg enthaltene Unsicherheit die dazu f hrt dass auch s mtliche Folgezust nde mit einer Unsicherheit behaftet sind Im Laufe der Filterung verringert sich ohne Eingriff in das stochastische Modell die Varianz des Zustandes durch Einbeziehung von Messungen und die Aufdatierung des Systemzustandes und seiner VKM 2 Das Systemverhalten in diesem Fall die Bewegung eines Fahrzeuges ist einer Vielzahl u erer Einfl sse ausgesetzt Einfl sse wie ber oder Untersteuern Schlupf Achsfehlstellungen Seiten wind
320. rechners dennoch einer Kalibrierung unterzogen werden Nur dann k nnen bei eventuellen Signalausf llen von GPS vor handene Datenl cken ohne systematische Effekte allein durch die Uhr des Echtzeitrechners berbr ckt werden Aus diesem Grund wurden die durch den PPS Puls ausgel sten Interrupts und deren Zeitpunkte im Zeitsystem des Echtzeitrechners ber eine Dauer von 360 Sekunden beobachtet F r das PPS Signal kann ein quidistanter Epochenabstand von 1 s mit einer Standardunsicherheit von besser als 1 us angenommen werden Die Drift der Uhr des Messrechners wird zun chst auf bekanntem Wege mit Hilfe einer linearen Regression bestimmt Als Ergebnis der Regression konnte ein Ma stabsfaktor m der Echtzeituhr von m 0 99993 S mit om 0 25 7 5 festgestellt werden was einem Wert von 3 86 ms min entspricht Die in Abbildung dargestellten Residuen eines linearen Regressionsansatzes zeigen dass der Zu sammenhang zwischen GPS Zeitnormal und der Zeit des Sorcus Rechners mit Hilfe einer Funktion h herer Ordnung beschrieben werden sollte Aus vorangegangenen Untersuchungen ist bekannt dass das Frequenznormal des Echtzeitrechners eine signifikante Abh ngigkeit von der Innentemperatur des Sys tems besitzt 0 3 2 02 E 5 01 5 8 0 0 1 0 50 100 150 200 250 300 350 Zeit s Abbildung 7 22 Drift der internen Uhr des Echtzeitrechners Nach etwa 350 Sekunden kann die temperaturbedingte Drift hingegen durch eine lin
321. rechnung von Fl chenkorrekturparametern FKP 2 Erzeugung einer virtuellen Referenzstation VRS Die Berechnung von Fl chenkorrekturparametern ist vornehmlich f r Echtzeitanwendungen konzipiert und setzt auf der Grundlage der in Kapitel beschriebenen undifferenzierten Auswertung von Pha senmessungen auf GOAD 1085 1991 2003 Das Verfahren zur Erzeugung einer VRS innerhalb einer Dreiecksmasche des SAPOS Referenzsta tionsnetzes ist prim r auf Postprocessing Anwendungen ausgelegt Bei diesem Verfahren werden virtuelle GPS Beobachtungen an einer beliebigen Position innerhalb des SAPOS Net zes in Form einer synthetischen Referenzstation berechnet Der Vorteil diese L sung besteht darin dass diese Referenzstationsdaten analog zu den Beobachtungen einer eigenen Referenzstation mit Hilfe der g ngigen Auswerteprogramme genutzt werden k nnen 2004 Aus Gr nden der Vereinfachung der GPS Auswertung wurde das Verfahren der VRS f r die Posi tionsbestimmung des Messsystems verwendet da eine Echtzeitf higkeit zum aktuellen Zeitpunkt nicht gefordert ist 3 6 4 Interpolation von GPS Beobachtungen F r eine Auswertung der im Rahmen dieser Systementwicklung durchgef hrten DGPS Beobachtungen sind wie bereits diskutiert Referenzstationsdaten notwendig Hierf r sollen die ber den Rinex Datenser vice des SAPOS Netzes zur Verf gung stehenden Daten einer virtuellen Referenzstation Kapitel genutzt werden die mit origin ren Tak
322. reich und ihrer Umgebung unter Verzicht auf eine IMU bislang nicht gel st wurde 20 3 Bestimmung von Position und Orientierung 3 Bestimmung von Position und Orientierung 3 1 R umliche Koordinatensysteme Zur Abbildung eines Punktes im dreidimensionalen Raum ist im Allgemeinen ein Koordinatentripel erfor derlich welches bei kinematischen Anwendungen auch zeitbezogen formuliert werden kann Jedes Koordi natentripel ben tigt zur eindeutigen Festlegung ein Koordinaten oder Referenzsystem welches wiederum durch seinen Ursprung und seine Ausrichtung definiert ist Entsprechend der g ngigen Nomenklatur wird in diesem Zusammenhang zwischen dem reinen Konzept dem sogenannten System und seiner konkre ten Realisierung durch die Zuweisung von Werten zu den Parametern eines Koordinatensystems dem Rahmen engl Frame unterschieden 2003 Im Rahmen dieser Arbeit werden erdfeste topozentrische und k rperfeste Systeme beziehungsweise Fra mes verwendet die h ufig auch mit ihrer englischen Bezeichnung Earth Centered Earth Fixed ECEF local level und body System bezeichnet werden Tabelle 3 1 gibt einen berblick ber allgemein in Mobile Mapping Systemen und speziell im vorliegenden Projekt verwendete Systeme sowie deren Bezeichnungen System Bezeichnung Verwendung f r ECEF XE Xwas GPS Beobachtungen Ellipsoidisch isotherm X GK Gau Kr ger Zielsystem Lokal topozentrisch Xr Zwischensyst
323. rend des mobilen Betriebes au erhalb des Echt zeitrechners gespeichert werden und belasten somit die Systemressourcen des Echtzeitsystems nicht System PXI PCI cRIO cFP Bemerkung PharLap e e e e Standard RTOS f r LabVIEW RT RTX e Realtime Extensions f r Windows XP RTAI Linux e QNX e VxWorks e e Nur f r MPC Controller PowerPC cRIO CompactRIO cFP Compact FieldPoint Tabelle 5 5 Echtzeitbetriebssysteme f r NI Hardware Zur Softwareentwicklung bietet NI standardm ig die grafische Entwicklungsumgebung LabVIEW La boratory Virtual Instrument Engineering Workbench an Auch hierbei wird die in Abbildung dar gestellte Trennung zwischen Anwendungsentwicklung und Datenerfassung vollzogen So wird das Host System zur Entwicklung und Kompilierung der Mess und Erfassungssoftware sowie zur Speicherung der Daten genutzt Die zeitkritische Datenerfassung wird mit den in LabVIEW entwickelten Programmen umgesetzt die in der Regel auf dem angeschlossenen Embedded System unter dem Echtzeitbetriebssys tem PharLap ausgef hrt werden Daneben sind auch eine Reihe weiterer RTOS f r die verschiedenen Hardwareplattformen von NI verf gbar die in Tabelle aufgef hrt sind Der Vorteil von LabVIEW liegt in der M glichkeit automatisierte Mess und Erfassungsvorg nge ohne Kenntnis einer Hochsprache ber eine grafische Entwicklungsumgebung zu programmieren Die hierdurch erm glichte Trennung von Datenfluss und Programmcode wirkt
324. rerer Empf nger zudem m glich auf eine Winkelmessung mit Inklinometern vollst ndig zu verzichten Beim Einsatz unterschiedlicher Sensoren in kinematischen Messsystemen ist die gegenseitige Synchro nisierung aller Daten genauer gesagt die Referenzierung in einer einheitlichen Zeitskala unverzichtbare Voraussetzung Ein solcher Synchronisierungsvorgang wird nicht nur f r bewegte Plattformen sondern auch zur kinematischen Erfassung bewegter Objekte ben tigt und gew hrleistet dass alle erfassten Mess daten auf identische Zeitpunkte bezogen werden k nnen In der ingenieurgeod tischen Praxis werden h ufig GPS Empf nger aufgrund des hohen Genauigkeitsni veaus der GPS Zeitskala f r Synchronisierungszwecke verwendet wobei sowohl die Aufzeichnung externer Signale ber einen Trigger Eingang Event Marker als auch die Ausgabe des hochgenauen PPS Pulses durch den Empf nger m glich sind Abbildung 6 1 zeigt drei Varianten am Beispiel der Synchronisation von Laserscanner und GPS Empf nger die auch von einigen am Markt verf gbaren Mobile Mapping Systemen verwendet werden Da der Laserscanner die zentrale Komponente des Systems bildet ist grunds tzlich zwischen einer Synchronisierung externer Sensoren durch den Scanner Option A und einer Synchronisierung der Scannerdaten au erhalb des Laserscanners Optionen B und C zu unterscheiden Bei der mit A bezeichneten Option werden externe Sensorsignale in den Datenstrom des Scanners
325. rgebnis der Auswertung ist die vollst ndig entzerrte und um die Bewegung der mobilen Plattform korrigierte dreidimensionale Punktwolke 8 4 2 Vorauswertung der Daten Die Vorauswertung der Daten setzt direkt auf den Daten der digitalen Signalzeitpunkte von GPS Empf nger und Scanner auf die durch den Echtzeit P erfasst und abgespeichert wurden Hierunter fallen nicht die eigentlichen Nutzdaten wie GPS Positionen und Scannerrohdaten deren Verf gbarkeit erst im folgenden Auswerteschritt Kapitel 8 4 3 erforderlich ist Die Vorauswertung besteht im Wesent lichen aus der Konsistenzpr fung und Korrektur der Daten sowie der anschlie enden Erzeugung eines Zeitreferenzobjekts zur berf hrung der Systemzeit des Echtzeit PC in die UTC Zeitskala Im Rahmen der Konsistenzpr fung erfolgt eine Pr fung auf quidistanz der Abtastzeitpunkte da diese f r den weiteren Auswertegang entscheidend ist Bei einer Abweichungen von mehr als 1 vom Sollwert ist davon auszugehen dass ein Ausrei er oder eine der in Kapitel beschriebenen Signalverz gerungen vorliegt Aus diesem Grund werden die entsprechenden Epochen zun chst gel scht und die fehlenden Zeitmarken im folgenden Schritt zusammen mit vorhandenen Abtastl cken interpoliert Die nach diesem Schritt kontinuierlich und gleichabst ndig vorliegenden Abtastzeitpunkte werden in der Folge dazu verwendet ein Zeitreferenzobjekt zu erstellen Dieses definiert den Zusammenhang zwi schen der Systemzeit des
326. rgestellten Systemkonfiguration sind mindestens sechs Echt zeitprogramme zur Erfassung der Datensignale und zeitlichen Referenzierung notwendig die jeweils unter einer eigenen Task installiert werden Tabelle 8 3 Schnittstelle Digital I O Seriell I O A D Signal Uhr PPS Scanner PPS Temperatur Neigung Erfassung von Zeitre Logik Pegel Logik Pegel ASCII String ASCII String Neigungs ferenz PPS Signal Scanner PPS Signal Temperatur daten Steuerung Interrupt Interrupt Timer Timer Timer Priorit t 1 2 3 4 6 5 Tabelle 8 3 Unter OsX installierte Tasks von RAMSYS RT Durch die Ausf hrung als Interrupt oder Timer Task k nnen den Programmen verschiedene Priorit ten zugewiesen werden deren Gewichtung sich hierbei nach ihrer Bedeutung f r das Gesamtsystem richtet Die Tasks zur Erfassung der digitalen Rechtecksignale von PPS Puls und Scanner m ssen in diesem Fall mit sehr hoher Priorit t realisiert werden was aufgrund der Interruptf higkeit des X OPT Moduls durch Installation als II Task gelingt Die analog digital Wandlung auf dem X AD Modul ber das die Nei gungswerte des Inklinometers aufgezeichnet werden kann ebenso wie die Erfassung des PPS Zeitstempels mit Hilfe von timergesteuerten TI Tasks vollzogen werden Die hierbei zul ssigen Latenzzeiten liegen mit weniger als 0 5 Sekunden in einem f r das vorliegende Echtzeitsystem unkritischen Bereich und k nnen mit niedriger Priorit t erfolgen Gleiches gilt f r die ebe
327. rlsruhe 1982 Sch fer und Schulz 2005 SCH FER Thomas SCHULZ Thorsten Kalibrierung Einflussgr en und Genauig keiten von Terrestrischen Laserscannern In BARTH Wolf Hrsg FOPPE Karl Hrsg SCH FER Thomas Hrsg Terrestrisches Laserscanning TLS Ein geod ti sches Messverfahren mit Zukunft Beitr ge zum 65 DVW Seminar am 21 22 11 2005 in Fulda 2005 Schriftenreihe des DVW Nr 48 S 29 50 Schlemmer 1996 SCHLEMMER Harald Grundlagen der Sensorik Wichmann Verlag Heidelberg 1996 Schmidt und Karl 1988 SCHMIDT G KARL G A 3 D Laser Range Camera for Mobile Robot Motion Control In Proceedings of IEEE International Workshop on Intel ligent Robots and Systems IROS 88 31 10 02 11 2988 Tokio Japan 1988 S 605 610 Schrick 1977 SCHRICK Karl Wilhelm F LLINGER Ot to Hrsg SARTORIUS Hans Hrsg Anwendungen der Kalman Filter Technik R Oldenbourg Verlag M nchen Wien 1977 Schulz und Ingensand 2004a SCHULZ Thorsten IN GENSAND Hilmar Influencing Variables Precision and Accuracy of Terrestrial Laser Scanners In Proceedings of the INGEO 2004 and FIG Regional Central and Eas tern European Conference on Engineering Surveying 11 13 11 2004 Bratislava Slowakei CD ROM 2004 166 Schulz und Ingensand 2004bl SCHULZ Thorsten INGEN SAND Hilmar Terrestrial Laser Scanning Investigations and Apllications for High Precision Scanning In Procee dings of the F
328. rst st rend und weniger zu tolerieren als absolute Abweichungen gleicher Gr enordnung die auf die gesamte Punktwolke wirken Zur empirischen Validierung der inneren und u eren Genauigkeit wurden unterschiedliche Testumge bungen genutzt Da das entwickelte System vornehmlich auf den Einsatz im Stra enraum ausgerichtet ist sollten die Systemtests vornehmlich auf glatten Fahrbahnoberfl chen mit geringen Unstetigkeiten ausge f hrt werden Um eine Beeintr chtigung des flie enden Verkehrs zu vermeiden wurden die Testmessungen auf folgenden Arealen durchgef hrt 1 Welfenschloss heutiges Hauptgeb ude der Leibniz Universit t Hannover Abbildung 9 22 2 Zentrum f r Hochschulsport ZfH der Leibniz Universit t Hannover Abbildung 9 36 Beide Areale sind f r den ffentlichen Verkehr unzug nglich so dass eine gr ere Anzahl unabh ngiger Objektaufnahmen unter verschiedenen Bedingungen insbesondere im Hinblick auf die Abschattung von GPS Signalen durchgef hrt werden konnten Eine Beschreibung der speziellen Charakteristika der beiden Testumgebungen kann Tabelle 9 1 entnommen werden Neben der empirischen Pr fung des Gesamtsystems soll im folgenden Kapitel auch eine Pr fung und Bewertung einzelner Systembestandteile vorgenommen werden auf deren Grundlage die Qualit t kriti scher Komponenten und ihre Auswirkung auf die Genauigkeit des Messsystems beurteilt werden kann In diesem Zusammenhang werden sowohl die Qual
329. rstellung der dreidimensionalen Punktwolke f hrt wird in drei Schritten vollzogen deren Abl ufe in Abbildung 8 7 dargestellt sind Grundlage f r dieses Modul sind die vollst ndig ausgewerteten kinematischen GPS Einzelpositionen der abgefahrenen Trajektorie die durch den Echtzeit P erfassten Daten sowie die vom Scanner ausgegebenen Profildaten im ASCII Format Die Prozessierung der Daten erfolgt hierbei in drei wesentlichen Schritten In einem ersten Schritt wer den die Daten in diesem Programm einer Vorauswertung unterzogen Im Anschluss an die Aufbereitung Ka 8 Messung und Auswertung der Daten den ur 7 een Scanner profilsignale Vorauswertung der Daten GPS Daten Y Ausgabe der Positions nderung j Erzeugung der Datenobjekte Gesamtdaten Legende LS Ce d fC Benutzerschnittstelle Vollst ndig korrigiertes Datenobjekt Filterung der Daten und Erzeugung der Punktwolke 3D Punktwolke Ausgabedaten Abbildung 8 7 Workflow des RAMSYS PointCloud Moduls werden alle notwendigen Datenobjekte erzeugt auf deren Grundlage dann im dritten Schritt eine Fil terung im Kalman Filter Algorithmus mit anschlie ender Gl ttung der Trajektorie stattfindet Um die abschlie ende Transformation der Profilmessungen zu einer Gesamtpunktwolke durchf hren zu k nnen sind zun chst die Azimute der einzelnen Profilzeitpunkte zu berechnen Ende
330. rthogonale rechtsh ndige System nderungen der r umlichen Orientierung eines Body Systems in diesem Fall des Fahrzeuges bezogen auf ein bergeordnetes Koordinatensystem k nnen als Drehwinkel um die jeweiligen Achsen beschrieben werden In der vorliegenden Arbeit werden Drehungen um die X r Achse als Rollen Winkel dr um die Yr Achse als Nicken Winkel Or und um die Zr Achse als Gieren Winkel Wr bezeichnet Das Azimut a von Fahrzeug und Scanner bezeichnet den Gierwinkel zu einem erdfesten global geozentrischen System und wird wie folgt definiert 2003 Das Azimut ist der in der Horizontalebene gemessene Winkel zwischen der ellipsoidischen Me ridianebene des Fahrzeugursprungs Po r und der durch die Fl chennormale in Po r und den ak tuellen Bewegungsvektor aufgespannten Vertikalebene Das Azimut o z hlt von Norden aus im Uhrzeigersinn Neben dem Fahrzeugsystem werden auch Sensoren durch Body Systeme definiert um die Anbringung von Kalibrierwerten zu beschreiben Aufgrund von Drifterscheinungen sind derartige Body Systeme un ter Umst nden zeitvariant zu formulieren Die in diesem System verwendeten Body Systeme k nnen Tabelle 3 2 entnommen werden ihre konkrete Definition erfolgt in Kapitel 6 Sensor Bezeichnung Laserscanner X B Scan GPS Antenne X BGPS Neigungsmesser X B Ink Tabelle 3 2 bersicht ber die verwendeten Bodysysteme 3 2 Transformation der Messungen in ein Gebrauchskoordinatensystem 3 2 1 Grun
331. s PPS Echo Aus diesem Grund ist die Verwendung gro er bertragungsvolumina aus dem Ringpuffer des Echtzeit rechners bei hohen Anforderungen an die Determiniertheit des Systems zu vermeiden Da Interrupts mit h chster Priorit t auch andere Tasktypen unterbrechen k nnen soll im Folgenden die genaue Latenzzeit eines mit h chster Priorit t versehenen Interrupteingangs quantifiziert werden Hierzu wurde das PPS Signal des GPS Empf ngers verwendet indem es gleichzeitig auf einen der Eing nge des Sorcus Digitalmoduls und den eines Oszilloskops geschaltet wurde ber einen Ausgang des 7 7 Fazit der Kalibrierarbeiten 111 Digitalmoduls wurde der erfasste PPS Puls direkt nach seiner Registrierung durch die Sorcus Hardware in Form eine Echos auf den zweiten Eingang des Oszilloskops weitergeleitet Abbildung 7 25 Anhand der berlagerung des urspr nglichen Signals mit seinem Echo aus dem Echtzeitrechner konnte die Latenzzeit in beiden Konfigurationen bestimmt werden 200 200 Ee ams aen 180 d 180 Sorcus TTL Antwort d Sorcus TTL Antwort 160 3 160 vs 117 us ka vs Bd us iia apaa K 6 Pegel skaliert Pegel skaliert Panai g e iian ia kani i aai a Ka oaia aala ia hoani e heit ge Ke ag a a A 1007 GPS PPS Signal 1007 GPS PPS Signal 20 40 60 80 100 120 o 20 40 en 80 100 120 Zeit t us Zeit t us Abbildung 7 26 Latenzzeit bei hoher Systemlast Abbildung 7 27 La
332. s Fahrzeuges um seine L ngsachse Kapi tel 9 3 3 diskutiert werden 9 3 2 Einfluss des GPS Empfangs Die bei der Positionierung mit GNSS Verfahren auftretenden Abweichungen sind insbesondere bei kine matischen Anwendungen zu beachten da hierbei in aller Regel Einzelpunktpositionen f r jede Epoche berechnet werden und somit keine Mittelbildung der Messwerte ber einen l ngeren Zeitraum m glich ist W hrend der berwiegende Teil der systematisch wirkenden Einflussgr en durch die Beobachtung der beiden Frequenzen L1 und L2 sowie durch relative Positionierungsverfahren wie SAPOS weitgehend ausgeschaltet werden kann lassen sich die Auswirkungen verschiedener stationsabh ngiger Effekte nicht vermindern Hierzu z hlen unter anderem Mehrwegeffekte durch Signalreflexion an Geb uden nderungen in der zur Positionsbestimmung verwendeten Satellitenkonfiguration sowie Signalabschattungen durch B ume und Geb ude Abbildung 9 11 zeigt die Auswirkungen die durch Hinzunahme eines zus tzlichen Satelliten zur Positionsbestimmung entstehen der in das Gesichtsfeld von zwei unabh ngigen GPS Empf ngern mit einer Mindestelevation von 10 eintritt Die dargestellte Trajektorie entspricht den bereits vollst ndig ausgewerteten und durch den RTS Algorithmus gegl tteten Filterdaten Obwohl die geometrische Konfiguration durch die Hinzunahme eines zus tzlichen Satelliten grunds tz lich verbessert wird was auch an der gleichzeit
333. s Scanzeile kleine Winkelschritte 4 Direkte Synchronisierbarkeit der Scandaten Auf der Grundlage dieser Bedingungen sollen im Folgenden die in Frage kommenden Scannermodelle n her vorgestellt werden 4 5 2 Zoller Fr hlich Imager 5003 Der im Jahr 2003 vorgestellte Imager 5003 Abbildung von Zoller Fr hlich ist auch unter der Bezeichnung Leica HDS 4500 verf gbar Sein technisches Messprinzip basiert auf dem von 4 5 Profilmessende Scanner 4 1988 sowie 1996 vorgestellten System zur dreidimensionalen Umgebungser fassung mit mobilen Robotern Die technischen Daten werden an dieser Stelle aus Platzgr nden nur kurz diskutiert f r eine ausf hrliche Aufstellung sei auf den Anhang A verwiesen Das Gesichtsfeld des Scanners besitzt eine Gr e von vertikal 360 und horizontal 320 wodurch der Imager als Panoramascanner klassi fiziert werden kann Kapitel 4 3 Der Imager 5003 f hrt die Distanzmessung nach dem Phasenver gleichsverfahren durch was die in Kapitel beschriebenen Ein schr nkungen hinsichtlich des Eindeutigkeitsbereichs mit sich bringt F r die Distanzmessung wird das zweifrequente Phasenvergleichsver fahren mit einer Feinfrequenz von 45 454 MHz und einer Grobfrequenz von 2 804 MHz eingesetzt Dies entspricht Wellenl ngen von Ar 6 6 m f r die Feinmessung sowie A 107 m f r die Grobmessung SCHULZ 12004 Hierdurch ist die eindeutige Messentfernung auf ASR 53 5 m begrenzt Auch Objekte die si
334. s auch klar identifi Steig Funktie 1 Fumkipolkon Wire 1 Fi Edi Selection ia Nee Mm L C Tee ep Kinematischer Scan StatischerScan E d zierbare identische Punkte am Objekt f r Vergleichsmes x sungen verwendet Verglichen mit Referenzkugeln bei de nen vielfach systematische Effekte an den R ndern auftre Se ten bieten diese Zielmarken den Vorteil dass eine Mittel aF punktbestimmung durch die ebene Form der Marke deut z lich erleichtert wird Nachteilig wirkt sich jedoch die gerin 2 se Gr e der Zielmarken aus die einen Einsatz in gro en D Entfernungen und bei Geschwindigkeiten von mehr als 3 m s verhindert Die Problematik einer nicht eindeutig identifizierbaren Zielmarke aufgrund des bei kinematischen Aufnahmen vor handenen Profilabstands ist in Abbildung 9 35 zu sehen in der dieselbe Zielmarke zur besseren Vergleich barkeit einer statischen Scanaufnahme gegen bergestellt ist Insbesondere der Mittelpunkt der durch den bergang zwischen schwarzen und wei en Fl chen realisiert wird ist in der kinematischen Aufnah me deutlich schlechter bestimmbar Die Genauigkeit eines Punktes im Objektraum oxyz 3n setzt sich somit aus den Komponenten der systembedingten Standardabweichung sowie der Standardabweichung der Diskretisierung zusammen Abbildung 9 35 Vergleich zwischen kinematisch und statisch gescanntem Target 2 2 2 OXYZ3D OXYZ System Sp OXYZ Diskretisierung 9 1 Die hierdur
335. s einem konzeptionellen Teil der zur Erarbeitung der theo retischen Grundlagen dient als auch aus der konkreten Auswahl geeigneter Sensoren und Algorithmen sowie der Realisierung eines einsatzf higen Prototypen Wie aus Abbildung entnommen werden kann gliedert sich der Ablauf der Arbeit in drei wesentli che Abschnitte welche die bereits angesprochene Trennung von Theorie und Empirie widerspiegeln Im Rahmen des ersten Teils werden bestehende Mobile Mapping Systeme betrachtet und bewertet sowie die theoretischen und technischen Grundlagen der kinematischen Umgebungserfassung erarbeitet Der zweite Abschnitt beginnend mit Kapitel sechs vollzieht den bergang hin zur konkreten ingenieur technischen Umsetzung und befasst sich aufbauend auf den Erkenntnissen des ersten Teils mit der konzeptionellen Planung des Systementwurfs Obwohl in diesem Abschnitt verst rkt Bezug auf das zu entwickelnde System genommen wird k nnen die diskutierten Themenbereiche auch auf allgemeine geo d tische Fragestellungen wie die Kalibrierung von Sensoren bertragen werden Dieser Abschnitt schlie t nach der erfolgten Realisierung eines praxistauglichen Prototypen mit der Entwicklung der notwendigen Mess und Auswertesoftware Im abschlie enden dritten Teil werden eine Evaluierung des Systems anhand realer Datens tze sowie eine Beurteilung der wirtschaftlichen Konkurrenzf higkeit des Systems im Wettbewerbsumfeld vorge nommen Im diesem Abschnitt sind neben einer
336. s von der Einhaltung zeitlicher Schranken abh ngen wird hingegen der Einsatz von Echtzeitbetriebssystemen notwendig die in der Fachliteratur berwiegend unter ihrer englischen Bezeichnung Real Time Operating Systems RTOS bekannt sind Konventionelle Betriebssysteme bestehen h ufig aus einer gr eren Anzahl an Schichten S1 Sn die jeweils aufeinander aufbauen und somit die Funktionalit t der darunter liegenden Schichten berneh men Niedrigere Schichten besitzen hierbei h here Rechte als weiter oben gelegene Abbildung 5 2 Die kritischen Aufgaben innerhalb des Betriebssystems werden von demjenigen Teil wahrgenommen der als Kern oder bei Vorhandensein vieler Schichten als Makrokern bezeichnet wird Dieser Makrokern l uft in einem mit dem Begriff Kernelmode bezeichneten Modus der weitreichende Rechte besitzt und Zugriffe auf zentrale Komponenten des Rechner gestattet Echtzeitbetriebssysteme m ssen in aller Regel flexibel konfigurierbar sein und auch mit knappen Res sourcen betrieben werden k nnen Hierzu wird bei vielen Echtzeitbetriebssystemen ein sogenannter Mi 56 5 Echtzeitf hige Messsysteme i Anwendungsprogramm VM5 Betriebsmittelverwaltung VM4 E Ge VM3 Ein Ausgabesteuerung Abbildung 5 2 Monolithischer Kernel Abbildung 5 3 Mikrokernel W RN und Brinkscnurre 2005 WORK und BRINKSOHULTE 2005 User Mode Module Makrokern OS krokern als unterste Schicht
337. satzinformationen k nnen zur dynamischen Steuerung des Erfassungsvorgangs genutzt wer den So kann die Datenerfassung durch den Laserscanner nach einer vordefinierten Ausfallzeit der GPS Signale unterbrochen werden um eine Speicherung der gro volumigen Scandaten zu vermeiden Eine solche automatisierte Steuerung ist als unterst tzende Ma nahme f r den Benutzer zu betrachten da die Bestimmung von Scanpunkten bei berschreiten der geforderten Positionsgenauigkeit nicht mehr sinnvoll ist Die Speicherung der Positionsdaten erfolgt beim Trimble 5700 auf einer Speicherkarte vom Typ Com pactFlash beim Trimble R8 im internen Speicher des Empf ngers Eine Datenspeicherung auf externen Rechnern oder Speichermedien ist zwar grunds tzlich m glich im Rahmen der verwendeten Datenraten von 10 Hz jedoch nur bei sehr langen Beobachtungszeiten notwendig 6 2 2 Inklinometer Sensoren die dazu geeignet sind Neigungen oder Neigungs nderungen im Bezug zur Lotrichtung zu erfassen werden allgemein als Neigungsmesser oder auch Inklinometer bezeichnet Zur Neigungsmessung existiert eine gro e Zahl unterschiedlicher Verfahren die sich im Wesentlichen durch ihren Messbereich ihre Eigenfrequenz ihre Robustheit gegen ber Ersch tterungen und St rbeschleunigungen sowie ihren Preis unterscheiden Wie aus Abbildung 6 10 ersichtlich ist kann eine Klassifizierung von Inklinometern sowohl anhand der Methode zur Realisierung der Neigungsi
338. sem System ein hochaufl sender terrestrischer Laserscanner zum Einsatz kommen Dieser Scanner muss in der Lage sein hochfrequente Profilmessungen bei Objektpunktgenauigkeiten von wenigen Millimetern durchzuf hren Die Georeferenzierung aller Scandaten ist unter Verzicht auf eine Inertialmesseinheit ausschlie lich mit Hilfe satellitengest tzer Verfahren und zus tzlicher Sensoren um zusetzen Aus Gr nden der Wirtschaftlichkeit ist bei der Konzeption des Systems so weit wie m glich auf Standardkomponenten zur ckzugreifen Eine Vorstellung des dieser Arbeit zugrunde liegenden Konzeptes kann dar ber hinaus sowie HESSE und NEUMANN entnommen werden Der vorgestellte Ansatz f gt sich in zwei zentralen Bereichen in den bergeordneten Kontext der aktuellen wissenschaftlichen Forschung ein Eines der weiterf hrenden Ziele das sich aus dieser Arbeit ergeben soll ist die vollst ndige Automatisierung der kinematischen Objekterfassung mit terrestrischen Laserscannern Bisher m ssen im Rahmen einer Objektaufnahme mit Laserscannern mehrere Passpunkte manuell am oder in der N he des Objektes installiert werden W hrend der eigentliche Scan automatisiert abl uft ist die sp ter durchzuf hrende Verkn pfung und Referenzierung einzelner Scans vor der Segmentierung und Modellierung ebenfalls manuell vorzunehmen Abbildung 1 2 Durch den Einsatz des in dieser Arbeit entwickelten Prototyps ist es weder notwendig Passpunkte zu installieren noch die erfasste
339. ser Scanner In Proceedings IEEE Intelligent Vehicles Symposium 2003 S 95 99 Fr hlich 1996 FR HLICH C Aktive Erzeugung korrespondierender Tiefen und Reflektivit tsbilder und ihre Nutzung zur Umgebungserfassung Lehrstuhl f r Steuerungs und Regelungstechnik der Technischen Uni versit t M nchen Dissertation 1996 Gander und Hrebicek 2004 GANDER Walter HREBICEK Jiri Solving problems in scientific computing using Maple and MATLAB 4 Auflage Springer Verlag Berlin 2004 ISBN 3 540 21127 6 GeoData 2005 GEODATA CityScanner Produktdaten blatt GeoData Ziviltechniker Gesellschaft mbH Leoben sterreich 2005 Gertig 1988 GERTIG Udo Digitales Temperatur Me system auf Schwingquartzbasis In Chem Ing Tech 60 1988 S 896 898 Glaus 2006 Gas Ralph Kinematic Track Surveying by Means of a Multi Sensor Platform Swiss Federal Institute of Technology Zurich Dissertation April 2006 Glaus u a 2004 GLAUS Ralph LAUENER Nathan M LLER Urs BAUMELER Martin Der Gleismesswa gen swiss trolley Leistungsmerkmale und Anwendungen In Proceedings of 14th International Conference on Engi neering Surveying 15 19 03 2004 Z rich Schweiz 2004 Ss 27 37 Goad 1985 Goap C C Precise relativ position deter mination using Global Positioning System carrier phase measurements in a nondifferenced mode In GOAD C C Hrsg 1st International Symposium on Precise Positio ning with the Gl
340. sgesamt 0 605 m vergleichsweise kurz ist so dass selbst geringe Positionsdifferenzen zum Beispiel durch Phasenzentrums variationen einen erheblichen Einfluss auf die Azimutbestimmung haben Abbildung 9 31 zeigt die Positionen der drei GPS Antennen in der maximal m glichen Konfigurati on sowie die aus den Sollkoordinaten gebildeten Winkel zur Fahrzeugachse aus denen die theoretische Azimutdifferenz abgeleitet werden kann Hierbei ist zu beachten dass eine Bestimmung der Antennen positionen mit Genauigkeiten von besser als 0 1 mm nicht sinnvoll erscheint da f r dieses Projekt auf eine gesonderte Bestimmung der Antennenphasenzentren verzichtet wurde Zur pr zisen Bestimmung der Azimute wurden die Positionen aller drei GPS Antennen bei ruhender Plattform ber einen Zeitraum von 500 Sekunden mit einer Datenrate von 10 Hz beobachtet Die Aus wertung der Messungen und Ermittlung der Koordinaten im Gau Kr ger System erfolgte differentiell mit einer virtuellen Referenzstation des SAPOS Netzes und kinematischer Einzelpunktpositionierung f r jede Epoche Die in Abbildung dargestellten Einzelpunktpositionen besitzen eine Streuungsbreite von 1 cm in allen Koordinatenrichtungen was n herungsweise der durch vernetzte SAPOS Beobachtungen erzielbaren 9 4 Verfahren zur Azimutbestimmung 141 Positionierungsgenauigkeit entspricht Erwartungsgem ist die Streuung der gemessenen Punkte beim Trimble 5700 aufgrund der besseren An
341. sk Formen der Definition von Zeitschranken sind weich fest und hart Ab bildung D Periodendauer Bei periodisch auszuf hrenden Tasks kennzeichnet dieser Parameter die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ausf hrungen e Ausf hrungszeit Die Ausf hrungszeit ist die Zeitspanne w hrend der sich die Task im Zustand Laufend befindet Eine bei Echtzeitbetriebssystemen wichtige Konkretisierung ist die maximal zul ssige Ausf hrungszeit die als Worst Execution Time bezeichnet wird Hier durch wird speziell bei harten Echtzeitanforderungen Kapitel A die u erste Zeitschranke definiert bis zu der eine Task beendet sein muss er Restausf hrungszeit Die noch verbleibende Zeit die eine Task bis zu ihrer Beendigung ben tigt wird als Restausf hrungszeit bezeichnet Sie spielt vor allem in der Taskplanung durch den Scheduler eine Rolle bi Spielraum Laxity Verbleibender Zeitraum zur Ausf hrung der Task bis zum Erreichen der Zeitschranke d Diese Gr e wird auch als Laxity bezeichnet Eine Reihe von Scheduling Verfahren verwenden diese Zeitmarke als Grundlage der Priorisierung K Reaktionszeit Die Reaktionszeit ist der Zeitraum der zwischen der Anforderung einer Task zum Beispiel durch Timer oder Interrupts und ihrer Ausf hrung als laufende Task vergeht Durch Systemlast und wechselseitige Beeinflussung verschiedener Tasks kann diese Zeitspanne durchaus variieren Tabelle 5 2 Zeitparameter ein
342. sse ist zu beachten dass aufgrund der ermittelten Bestimmt heitsma e kein pr ziser Zusammenhang zwischen Sensortemperatur und systematischer Messabweichung abgeleitet werden kann Dennoch wird klar dass der Einfluss der Sensortemperatur bei geringen Neigun gen des Inklinometers vergleichsweise unbedeutend ist Da das vorliegende System jedoch auf den Einsatz auf Stra en ausgelegt ist sind Querneigungen von mehr als 10 gon nur in Ausnahmef llen zu erwarten so dass eine Temperaturkorrektion auf ebenen Strecken nicht zwigend notwendig ist Nach Abzug des Temperatureinflusses sind keine weiteren systematischen Effekte mehr zu erkennen Das verbleibende Signalrauschen besitzt eine Standardabweichung von umgerechnet 45 3 mgon was im Kontext der geforderten Objektpunktgenauigkeiten als relativ hoch einzusch tzen ist Da die verwendete Libelle einen Dynamikbereich von 3 Hz schnellstm gliche Reaktion auf differentielle Neigungs nderung besitzt sollte die am Echtzeitrechner gew hlte Wandlungsrate des analogen Signals um den Faktor 10 h her gew hlt werden um eine Medianfilterung vornehmen zu k nnen Unter Vernachl ssigung von Auto korrelationseffekten kann das Signalrauschen durch diese Ma nahme um den Faktor 3 verringert werden 7 5 Fahrzeug und Sensorkoordinatensysteme 107 7 5 Fahrzeug und Sensorkoordinatensysteme 7 5 1 Einrichtung des Fahrzeugkoordinatensystems Das Fahrzeugkoordinatensystem ist wie in Kapitel erl utert
343. sseinheit Durch Verwendung die ser hochgenauen IMU k nnen Drehungen um die horizontalen Abbildung 2 1 MosSES Fahrzeugachsen siehe Abbildung 3 3 die mit Nick und Roll HEISTER und GR FE 2004 winkel bezeichnet werden mit einer Standardaweichung von ONick CO Roll 0 005 der Gierwinkel mit OGier 0 02 bestimmt werden Zus tzlich verf gt das System ber ein digitales Barometer sowie ein Odometer zur Wegmessung Die Erfassung der digitalen Objektinformationen erfolgt bei diesem System mit Hilfe von drei unterschied lichen Sensorsystemen Die bergeordnete Erfassung semantischer Informationen erfolgt durch zwei digi tale Videokameras die genauen Objektpunktkoordinaten werden mit mindestens zwei CUD Kameras in einer Stereobildauswerung ermittelt Neben diesen beiden Systemen kommen profilmessende Laserscanner vom Typ Sick LMS 200 Kapitel H AA zum Einsatz die ein Gesichtsfeld von 180 bei einer Schrittweite zwischen 0 25 bis 1 besitzen und hinter dem Fahrzeug quer zur Fahrtrichtung ausgerichtet sind 2004 Mit einer maximalen Profilrate von fp 75Hz f r 1 Schrittweite werden diese Scanner zur Erfassung von Querprofilen der Fahrbahn sowie der angrenzenden Fahrbahnrandbebauung eingesetzt Das System MoSES stellt was die Sensorik zur Positions und Orientierungsbestimmung anbelangt eines der am h chsten entwickelten Mapping Systeme dar Die in empirischen Tests nachgewiesenen relativen Objektpunktgenauigkeite
344. stalla tionsvorgang eines Programms zwei betriebssysteminterne Tabellen angelegt die mit Task Descriptor Table TDT und Program Descriptor Table PDT bezeichnet werden Die PDT ist fester Bestandteil eines jeden Echtzeitprogramms und wird bereits zur Entwurfszeit festgelegt Sie beinhaltet allgemeine Informationen ber das zu installierende Programm wie die Gr e von Daten und Parameterbereich den Typ der Task unter der das Programm zu installieren ist die entsprechende Interrupt Nummer sowie die Adressbereiche der in Tabelle 8 4 genannten Taskprozeduren Die Task Descriptor Table steht direkt vor dem Parameterbereich einer Task und beinhaltet Informationen zur Verwaltung und Installation der Task Hierzu geh ren zum Beispiel die Priorit t nur bei TI Tasks und die Interrupt Nummer der Task nur bei II Tasks Wird die Einrichtung von Daten und Parameterbereich sowie der TDT dem Betriebssystem berlas sen so kann eine vollst ndige Trennung zwischen dem eigentlichen Programmcode und den notwendigen Betriebssystemstrukturen erreicht werden In diesem Fall ist auch die in Abbildung 8 3langedeutete Mehr fachinstallation eines Programmes unter verschiedenen Tasks m glich da die individuelle Konfiguration der Task ber spezielle Prodeduren vorgenommen wird die auch au erhalb der Task aufrufbar sind Prozedur Einsatzbereich Main Initialisierung der Program Descriptor Table und Installation unte
345. strischen Laserscanner werden von keinem der vorgestellten Systeme erf llt Sowohl MoSES als auch GeoVAN zeigen zwar L sungen zur hochgenauen Positions und Orientie rungsbestimmung k nnen aber lediglich als modellhafte Forschungsvorhaben betrachtet werden Ein wirtschaftlicher Einsatz in einem breiten Anwendersegment erscheint aufgrund des enormen technischen Aufwandes unrealistisch GeoVAN besitzt als einziges System die M glichkeit einer hochpr zisen Refe renzierung der Scannerdaten die jedoch herstellerseitig erfolgt und somit nicht auf Scanner von Wettbe werbern mit gr erem Gesichtsfeld adaptierbar ist Das VLMS System st tzt die Datenerhebung ausschlie lich auf profilmessende Laserscanner die jedoch aufgrund der sehr geringen Aufl sung nicht in der Lage sind eine anspruchsvolle Umgebungserfassung vorzunehmen Als einziges System verzichtet der SwissTrolley auf eine Inertialmesseinheit und kommt hinsichtlich der Anforderungen an die Trajektorienbestimmung der vorliegenden Arbeit am n chsten Hierbei ist jedoch anzumerken dass die Modellierung der Bewegung des Gleismesswagens auf den Schieneneinsatz ausgerichtet ist Zudem kommt auch hier der gleiche Profilscanner zum Einsatz der in MoSES verwendet wird Zusammenfassend l sst sich sagen dass der Einsatz eines terrestrischen Laserscanners mit hochgenau er zeitlicher Referenzierung der Scannerdaten zur kinematischen Erfassung langgestreckter Objekte im Au enbe
346. sung 10 km h 15 km h 25 km h 12 5 Hz 0 6 cm 11 1 cm 22 2 cm 33 3 cm 55 5 cm 18 4 Hz 1 2 cm 1 5 cm 15 1 cm 22 6 cm 37 7 cm 25 0 Hz 1 2 cm 9 90 cm 11 1 cm 16 6 cm 27 8 cm 33 0 Hz 2 5 cm 4 2 cm 8 4 cm 12 6 cm 21 0 cm 50 0 Hz 2 59 cm 2 7 cm 5 5 cm 8 3 cm 13 9 cm Erweiterung der Hardware notwendig Tabelle 6 9 Vergleich der Aufl sungen in L ngs und Querrichtung Bei der Wahl der Profilfrequenz ist zu beachten dass die erfasste Punktwolke in allen Richtungen eine vergleichbare Aufl sung besitzen sollte Die durch die Kombination von Profilfrequenz und Fahrtge schwindigkeit realisierbaren Punktabst nde in L ngsrichtung L ngsaufl sung sowie die entsprechenden Aufl sungen innerhalb der Profilebene Queraufl sung sind in Tabelle f r verschiedene Fahrtge schwindigkeiten dargestellt Aus dieser bersicht wird klar dass die L ngsaufl sung der Punktwolke selbst bei einer Profilfrequenz von 33 Hz und einer vergleichsweise geringen Geschwindigkeit von 5 km h um 1 7 cm h her als die Queraufl sung ist Aus diesem Grund sollte der Scanner nach M glichkeit mit hohen Profilfrequenzen betrieben werden um eine gleichm ig aufgel ste Objekterfassung zu gew hrleisten Z Frontansicht Wa Abbildung 6 16 Rechtsh ndiges Koordinatensystem des Imager 5003 Y Draufsicht Die erfassten Objektpunkte werden f r 1D 2D und 3D Messungen vom Scanner als kartesische Koor dinaten in einem rechtsh ndigen System ausgegeben A
347. t auf eine Inertialmess einheit ergibt besteht in der indirekten Ableitung der Raumwinkel aus den im Zustandsvektor enthalte nen Geschwindigkeitsvektoren Diese k nnen unter Verwendung eines kinematisch formulierten Kalman Filters f r jede Epoche und somit auch f r jeden beliebigen Erfassungszeitpunkt der Scannerdaten pr diziert werden Als Eingangsgr en der Filterung dienen hierbei die kinematisch prozessierten Einzel punktpositionen einer differentiellen GPS Auswertung f r die eine virtuelle Referenzstation VRS des Satellitenpositionierungsdienstes der deutschen Landesvermessung SAPOS genutzt wird Aufgrund des erh hten Messrauschens von GPS Messungen mit kurzen Beobachtungszeiten wird die gefilterte Trajektorie zus tzlich durch einen Rauch Tung Striebel Algorithmus gegl ttet um die Homo senit t der Punktwolke zu verbessern Eine ausreichende Gl ttung der Trajektorie ist notwendig da vergleichsweise geringe Abweichungen der Einzelpunkte bedingt durch die Extrapolation des Azimutes auf entfernte Bereiche der Punktwolke zu gr eren Verzerrungen im Objektraum f hren k nnen Im Rahmen einer anschlie enden Evaluierung werden verschiedene Messungen auf drei unterschiedlichen Testarealen durchgef hrt um eine konkrete Aussage ber die erzielbaren Genauigkeiten des Messsystems seiner Komponenten und die Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu statischen Verfahren treffen zu k nnen Die hierbei festgestellten systematischen Effekte
348. t ist Das ROM des CPU Moduls wird hierbei zur dauerhaften Speicherung von zwei OsX Versionen genutzt Eine Version mit minimalem Funktionsumfang wird nach jedem Reset der Tr gerkarte aktiviert und vollst ndig im ROM der Max CPU ausgef hrt Sie kann zum einen f r das Debugging installierter Anwendungen genutzt werden dient aber in der Hauptsache dazu das regul re Betriebssystem ins RAM des CPU Moduls zu kopieren und dort zu booten Hierdurch wird ein vollautomatischer Start des gesamten Systems nach Anlegen der Betriebsspannung erm glicht OsX kommuniziert ber Makrobefehle und vordefinierte Bibliotheksfunktionen mit einem optional angeschlossenen Host PC und den installierten Echtzeitprogrammen Kapitel 8 3 3 Die Datenerfassung erfolgt mit Hilfe anwenderspezifischer Programme die in den Sprachen Borland Pascal Borland C oder Assembler geschrieben werden k nnen Die Funktion der einzelnen Programme ist hierbei nicht blo auf die reine Erfassung von Daten ber die Schnittstellen der verschiedenen Max Module beschr nkt sondern kann sich auch mit der Systempflege der Speicherung und bertragung von Daten oder Steuer und Regelaufgaben befassen Zur Taskverwaltung kommen unter OsX sowohl das Fixed Priority in preemptiver und nicht preempti ver Form als auch das FIFO Scheduling zum Einsatz Zur Festlegung der Priorit ten sind alle Tasks bei ihrer Installation einer der drei folgenden Klassen zuzuordnen 1 Interrupt II Task
349. te Hersteller echtzeitf higer Messhardware 5 3 Ausgew hlte Systeme 65 Anbieter RTOS Bus ADLINK Technology Inc LabVIEW PXI PCIe Goldammer GmbH LabVIEW PCI IO Tech Inc LabVIEW PCI Keithley Instruments Inc k A PXI Meilhaus Electronic LabVIEW QNX VxWorks PXI PCI Microstar Laboratories LabVIEW DAPL k A National Instruments LabVIEW QNX VxWorks RTX RTAI PCI PXI cPCI Newport Electronics GmbH LabVIEW PCI Rohde amp Schwarz k A PXI Sorcus GmbH OsX X Bus k A Keine Angabe verf gbar Tabelle 5 3 Hersteller echtzeitf higer Messhardware Unter Ber cksichtigung weiterer Parameter wie Systemleistung Flexibilit t Robustheit und Preis kann die verbleibende Auswahl weiter verringert werden Aus diesem Grund sollen im Folgenden die Produkte der beiden Firmen National Instruments und Sorcus GmbH im Rahmen eines Systemvergleichs auf die Verwendbarkeit in der vorliegenden Entwicklung untersucht werden Beide Firmen besitzen Produktlinien im Bereich der embedded Systeme mit einer gro en Anzahl verschiedener Schnittstellen vertreiben eigene oder angepasste Echtzeitsysteme und bieten direkten Herstellersupport 5 3 2 National Instruments Die Firma National Instruments NI ist einer der weltweit f hrenden Anbieter von Mess und Steuer technik Die angebotenen L sungen umfassen nicht nur Embedded Systeme sondern auch Module zur Datenerfassung an standardisierten PC Schnittstellen Hierzu sind Datener
350. te abgesch tzt werden soll die durch Verwendung eines anderen Scannertyps zu erwarten ist Eine solche Modifikation der Systemkonfiguration kommt vor allem dann in Betracht wenn h here Profilfre quenzen und somit auch Punktdichten am Objekt oder gr ere Reichweiten der Streckenmessung bei gleichzeitiger Absch tzung der erzielbaren Genauigkeiten ben tigt werden 4 2 Verfahren zur Distanzmessung 4 2 1 Phasenvergleichsverfahren Das Phasenvergleichsverfahren ist auch unter dem Begriff AMCW Verfahren Amplitude Modulation Continuous Wave bekannt Hiermit lassen sich in der Regel deutlich h here Abtastraten als mit dem Verfahren der Impulslaufzeitmessung erzielen 2002 Aufgrund der m glichen Datenraten von fs lt 500 000 Hz eignet sich dieses Messprinzip insbesondere f r den Einsatz auf bewegten Plattformen Zur Distanzmessung wird eine amplitudenmodulierte Tr gerwelle von einer Sendediode permanent emittiert und gleichzeitig von einer Empfangsdiode erfasst Abbildung 2 zeigt eine einfach amplituden modulierte Tr gerwelle die zur Bestimmung der Raumstrecke zwischen Sender Empf nger und Objekt verwendet wird M Sender Empf nger Phasen messung Ap Abbildung 4 2 Phasenvergleichsverfahren Die formelm ige Darstellung des en warden Aerer wird an dieser Stelle als bekannt vorausgesetzt kann jedoch auch der Literatur entnommen werden Kern 2003 RIETDORrF 2005 DEUMLICH und STAIGER 2002
351. te auf einem der in Tabelle aufgef hrten Echtzeitbetriebssysteme zust ndig Abbildung 5 13 Standardm ig wird zur Ausf hrung von LabVIEW RT das Echtzeitbetriebssystem PharLap der Firma Ardence verwendet Insofern stellt LabVIEW RT kein Echtzeitbetriebssystem im eigentlichen Sinne dar sondern vielmehr eine Entwicklungs und Laufzeitumgebung f r die auf der Zielplattform laufenden VI Bei Multitasking Anwendungen werden hierzu mehrere Instanzen von LabVIEW RT auf dem Echtzeit betriebssystem installiert wobei die Anzahl der Instanzen von der Anwendung selbst sowie der Anzahl der installierten VI abh ngig ist Host Rechner Echtzeitrechner mit RTOS LabVIEW RT run time engine LabVIEW LabVIEW RT run time engine Real time Development System LabVIEW RT run time engine Abbildung 5 13 bertragung virtueller Instrumente bei LabVIEW RT Zus tzlich zu den in LabVIEW implementierten Routinen k nnen auch eigene C C Bibliotheken mit Hilfe des Code Interface Nodes CIN eingebunden werden 12001 Hierdurch lassen sich bereits vorhandene Codebibliotheken zur Auswertung und Verarbeitung der Messdaten nutzen zeigen am Beispiel einer unter Linux entwickelten LabVIEW Anwendung wie mit Hilfe von CIN fremde Ger tetreiber und somit auch Hardware von Drittanbietern in beliebige LabVIEW Programme eingebunden werden k nnen LabVIEW RT verwendet in Kombination mit PharLap einen preemptiven Scheduling Algorithmus der sowo
352. te sind zeitlich auf die Uhr des Echtzeitrech ners bezogen und m ssen somit durch das Zeitreferenzobjekt in UTC transformiert werden Nach der Transformation werden die Neigungsdaten mit Hilfe der im Labor bestimmten Kalibrierfunktion und der Temperaturmessungen um systematische Effekte korrigiert und von der elektrischen Gr e Volt in die geometrische Gr e gon umgerechnet Aufgrund des hohen Rauschniveaus der Neigungswerte werden diese zus tzlich mit einem Median Filter tiefpassgefiltert Analog zu den Neigungswerten werden auch die Zeitmarken der Laserscannerprofile in UTC berf hrt Die hochfrequent erfassten Neigungsdaten k nnen nun dazu verwendet werden jedem Scanprofil einen Wert f r seine Querneigung zum Zeitpunkt der Messung zuzuweisen Diese werden bei der abschlie enden Transformation der Einzelprofile in eine Gesamtpunktwolke zur Korrektur des Rollwinkels verwendet Abschlie end wird ein gemeinsames Datenobjekt f r GPS Positionen und Profilzeitpunkte des Scanners gebildet auf dem die nachfolgende Filterung und Gl ttung aufsetzt 8 4 4 Bestimmung der Startwerte f r die Filterung Die Bestimmung der Startwerte ist ein wichtiger vorbereitender Schritt einer jeden Kalman Filterung Der in Kapitel 3 4 1 beschriebene Algorithmus setzt die Kenntnis des Zustandsvektors yo sowie seiner VKM o voraus deren Werte jedoch in aller Regel unbekannt sind und geeignet abgesch tzt werden m ssen Werden hier deut
353. ten Verfahren wurden auch zahlreiche Kalibrierungen auf interferometrischen Laborstrecken durchgef hrt Beispielhaft seien hier die Arbeiten von 2006 20044 und nee u a 2002 genannt 2005 sowie in Ans tzen auch KERSTEN u a und LICHTI u a verwenden dar ber hinaus auch dreidimensionale Testfelder zur Ermittlung der unbekannten Parameter Die Festlegung des notwendigen Kalibrierumfangs der Distanzkomponente h ngt ganz wesentlich vom verwendeten Scanner und somit auch vom zugrundeliegenden Verfahren der Entfernungsmessung ab W hrend bei Scannern mit Impulslaufzeitmessung Abweichungen von mehreren Zentimetern festgestellt wurden 2003 liegen die Differenzen zum Sollwert beim verwendeten Imager 5003 im 7 2 Ermittlung des Kalibrierumfangs 99 Bereich weniger Millimeter wie die umfangreichen Untersuchungen von INGENSAND 2006 zeigen Dies ist vor allem auf kontinuierliche Verbesserungen der Systemhardware und die berarbeitung von Korrek turmodellen zur ckzuf hren die vom Hersteller aufgrund ver ffentlichter Instrumentenuntersuchungen und Kalibrierungen vorgenommen wurden Im Rahmen von ausf hrlichen Untersuchungen eines Laserscanners mit Impulslaufzeitmessung die am Geod tischen Institut der Leibniz Universit t Hannover durchgef hrt wurden konnte ein signifikanter Temperatureinfluss auf die Distanz und Winkelmessung bestimmt werden 45 71 0 03 Quer H he gt
354. ten differentiellen Phasenmessungen aller drei Antennen werden die unbekannten Parameter bestimmt Die empirisch bestimmte Standardabweichung f r den ber die 60 cm lange Basis bestimmten Gierwinkel wird mit oA lt 2 angegeben bei einer ebenfalls getesteten Basisl nge von 25 m mit oA lt 0 1 Der Nickwinkel wird bei 60 cm Basisl nge mit einer Unsicherheit von sick 5 5 angegeben der Rollwinkel kann aufgrund der k rzeren Basis von 40 cm nur mit speit 7 bestimmt werden stellt ein GPS basiertes System zur absoluten Bestimmung von Gier Nick und Roll winkel eines Fahrzeuges mit Hilfe eines sogenannten Antennen Multiplexers vor Hierzu werden die von n Antennen hier mit n 4 gleichzeitig erfassten Phasenmessungen ber einen Multiplexer auf den Anten neneingang eines einzelnen GPS Empf ngers geschaltet und dort verarbeitet Abh ngig von der Anzahl der verwendeten Antennen reduziert sich somit auch die Anzahl der nutzbaren Kan le um den Faktor n Dar ber hinaus ist eine Modifikation der Empf ngersoftware zur Verarbeitung der durch das Multiplexing kombinierten Phasenmessungen notwendig Vorteilhaft wirkt sich hierbei aus dass nur ein Empf nger verwendet wird wodurch verschiedene Quellen der Messunsicherheit eliminiert werden Hauptanwen dungsgebiet f r dieses System ist weniger die terrestrische Navigation sondern vielmehr die Bestimmung der aktuellen Raumwinkel von Luftfahrzeugen F
355. tenne geringf gig besser als die des Trimble R8 Aus der in Abbildung 9 31 veranschaulichten Konfiguration GPS 1 Trimble 5700 mit den Antennen GPS 1 bis 3 lassen sich zwei unabh ngige Raumvektoren mit einer Lange von 0 60 m und 1 44 m bilden 0 02 die im Folgenden als Basis 1 2 GPS 1 nach GPS 2 und Basis 001 1 3 GPS 1 nach GPS 3 bezeichnet werden sollen Aufgrund der 0 vergleichsweise geringen L nge der Basis 1 2 bewirken die sto GG chastischen Punktbewegungen der Antennen ein h heres Rau I 0 01 schen der Winkelmessung als dies bei der Basis 1 3 der Fall ist 0 02 Der zeitliche Verlauf der Azimute f r die Basen 1 2 und 1 3 0 03 kann Abbildung entnommen werden Aus den vorliegen 0 02 0 0 02 den Zeitreihen ist ersichtlich dass beide Messgr en von un Rechts m terschiedlichen systematischen Effekten in der Gr enordnung l von bis zu 0 5 gon berlagert sind Diese sind in erster Linie auf GPS 3 Trimble R8 Ver nderungen in der Satellitenkonfiguration zur ckzuf hren k nnen jedoch durch eine weitere Differenzbildung der beiden 0 02 Azimutwinkel teilweise eliminiert werden E 0 01 Eine Transformation der Zeitreihe des Azimutes von Basis 1 3 A in den Frequenzraum ergibt eine klar erkennbare Frequenz von I 001 1 Hz sowie die dazugeh rigen h heren harmonischen Schwin gungen Abbildung 9 34 Da Bewegungen der Antennen f r ia die Dauer der Messung ausgeschlossen werden k nnen un
356. tenzzeit bei niedriger Systemlast Die in den Abbildungen 7 26 und 7 27 dargestellten Differenzen zwischen Signal und Echo entsprechen in etwa der doppelten Latenzzeit des Echtzeitrechners da dieser sowohl f r die Erfassung als auch f r die erneute Ausgabe des Signals eine Task aktivieren und somit einen Kontextwechsel vornehmen muss Die Latenzzeit Auc ergibt sich somit aus 2 Ar Echo t Signal 7 6 Im Rahmen der Untersuchungen wurde eine maximale Latenzzeit ermittelt die bei sehr hoher System last im Bereich von A 59 us lag Abbildung 7 26 Bei niedriger Auslastung betrug die festgestellte Latenzzeit hingegen nur 42 us Obwohl an dieser Stelle deutlich wird dass sich die Reaktionszeit des Sys tems unter hoher Last um bis zu 50 verschlechtert k nnen die an das System gestellten Anforderungen bei weitem erf llt werden 1 7 Fazit der Kalibrierarbeiten Im Rahmen der vorangegangenen Untersuchungen wurden eine Reihe von Komponenten des entwickel ten Systems identifiziert durch die das m gliche Genauigkeitsniveau der Ausgabedaten in Form einer dreidimensionalen Punktwolke wesentlich beeinflusst wird Hierzu geh ren insbesondere diejenigen Kom ponenten die f r eine zeitliche Referenzierung der Daten sorgen sowie Sensoren bei denen nicht oder nur unzureichend ber cksichtigte Einflussgr en zu entfernungsabh ngigen Fehlern f hren k nnen Diese Systemkomponenten sind e Echtzeitrechner und Echtzeit Softwar
357. terechner um zus tzliche Prozessoren und Optimierung der Auswertealgorithmen weiter verringert werden Demgegen ber besteht im Hinblick 156 10 Vergleichende Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit des Systems auf die Gl ttung der Trajektorie und die GPS Auswertung eine konzeptionelle Beschr nkung der Echt zeitf higkeit des Systems In diesen F llen ist eine weitere Reduzierung der Latenzzeiten nur durch den bergang auf alternative Algorithmen und Auswerteverfahren zu erreichen Zur Bestimmung der befahrenen Trajektorie in Echtzeit kann der Hochpr zise Echtzeitpositionierungs Service des SAPOS Netzes SAPOS HEPS genutzt werden der Korrekturdaten ber den Mobilfunkstan dard GSM Global System for Mobile Communications oder eine Internetverbindung zur differentiellen Punktbestimmung mit GPS anbietet Die bei der Verwendung von SAPOS HEPS zugesicherten Latenz zeiten At RT PC liegen in einem Bereich von deutlich unterhalb 1 s Die erzielbare Genauigkeit der in Echtzeit bestimmten Raumpositionen wird von 2007 f r die horizontalen Koordinatenrichtungen aufgrund empirischer Untersuchungen mit OXY HEPS lt S 2cm im Vergleich zu oxy gpps lt 1 cm mit SAPOS GPPS angegeben Schwerer wiegt in diesem Zusam menhang die maximal verf gbare Datenrate von 1 Hz die zu zehnfach gr eren Punktabst nden der GPS Positionen f hrt und somit insbesondere die Trajektorienbestimmung bei Kurvenfahrten erschwert Neben dem Auswerteverfahren d
358. ternen Oszillator zur Synchronisation der beiden Empf ngeruhren zu nutzen In diesem Ansatz werden dar ber hinaus sehr ausf hrliche Untersuchungen zur Signalqualit t der einzelnen Satellitensignale und des Einflusses von Multipath durchgef hrt Unter Verwendung von Einfachdifferenzen konnte bei einer Basislinie von 1 m im statischen Anwendungsfall 20 min Beobachtungszeit eine Unsicherheit der Azi mutbestimmung von oA 0 017 erreicht werden bei kinematischem Einsatz auf einem Fahrzeug und einem Antennenabstand von 1 1 m immerhin 0 4 Aus den vorangehenden Ausf hrungen wird klar dass die Bestimmung von Gier Nick und Roll winkel aus GPS Beobachtungen eine ad quate Methode ist Hierbei stellen jedoch die Basisl nge als geometrische und Multipath Effekte als signaltechnische Gr en die wesentlichen genauigkeitsbeeinflus senden Komponenten dar Insgesamt k nnen mehrere GPS Empf nger zu einer erh hten Redundanz und somit zu besseren Genauigkeiten beitragen k nnen Ausgehend von einer angenommenen Unsicher heit des Azimutes von oA 0 1 ergibt sich f r eine Messentfernung von 20 m eine Unsicherheit der Punktbestimmung in tangentialer Richtung von Szy 3 5 cm was f r die vorliegende Aufgabenstellung ausreichend ist Die Bestimmung von Raumwinkeln durch differentielle Phasenmessungen kann unabh ngig von in ertialen Sensoren bei vergleichsweise hohen Genauigkeiten und einer weitgehenden Unabh ngigkeit von Drift
359. tet f r die Erfassung und Ausgabe von digitalen Signalen sowohl CMOS und TTL f hige Module in der Baureihe X DIO als auch optoentkoppelte Schnittstellen mit der Modellbezeichnung X OPT an F r die Ermittlung der Reaktionszeit des Gesamtsystems die im Rahmen der Kalibrierung durchzuf hren ist Kapitel 7 6 2 wird eine gleichzeitige Verf gbarkeit von digitalen Ein und Ausg ngen vorausgesetzt Aus diesem Grund wurde das X OPT128 Modul ausgew hlt Abbildung 6 25 das 12 Eing nge sowie acht Ausg nge besitzt und in zwei Schnittstellenausf hrungen lieferbar ist Die L Variante ist zur Er fassung von T TL Pegeln geeignet wohingegen die mit dem Buchstaben P bezeichnete Version auf die Erfassung von Prozesspegeln ausgerichtet ist Tabelle 6 12 Aufgrund der Tatsache dass sowohl der 5 V TTL Pegel des PPS Signals als auch der 24 V Prozesspegel zur Synchronisierung der Scan profile zu erfassen sind ist das TTL f hige Modul vorzuziehen Zwar liegt der High Pegel des Laserscannersignals mit 24 V deutlich ber der maximalen Flankenh he der Modulschnittstelle jedoch kann das Synchronisierungssignal mit Hilfe eines in Abbildung 6 24 gezeigten Pegelumsetzers auf den zul ssigen Eingangsbereich transformiert wer den Zur pr zisen Erfassung der Flanken aller Eingangssignale ist die Abbildung 6 25 X OPT 128 L Interruptf higkeit der Erfassungshardware entscheidend die jedoch Sorcus GMBH 2006 von alle
360. the scanner with the position measurements of a GPS receiver and the inclination data of a liquid based inclinometer The thereby possible determination of the interdependencies between the scanner and GPS data allows the elimination of systematic effects within the point cloud which result from the influence of the vehicle movement The second characteristic of the developed concept which arises from the renouncement of an inertial measurement system consists in the indirect derivation of the spatial orientation parameters by evaluating the speed vectors contained in the state vector By using a kinematically formulated Kalman filter these data can be predicted for each GPS epoch same as for any moment the scanner data are acquired The input values are kinematically processed single point positions of a differential GPS evaluation using a virtual reference station VRS of the Satellite Positioning Service SAPOS of the German State Survey Due to the increased measurement noise of GPS observations with short observation times the filtered trajectory was smoothed additionally by a Rauch Tung Striebel algorithm in order to ensure a homoge neous point cloud A sufficiently smoothed trajectory is mandatory since due to the extrapolation effect of the azimuth on distant regions of the point cloud even comparatively small deviations of the single points can lead to larger distortions in the object space In the context of an evaluation various measuremen
361. tischen Anwendungen vorhanden variieren aufgrund der Bewegung der Antenne jedoch im Laufe der Messung Da das zu entwickelnde System ohne eigenen Referenzempf nger auskommen soll erscheint die Nutzung von Referenzstationsnetzen wie SAPOS als ideale L sung Der von der Arbeitsgemeinschaft der Vermes sungsverwaltungen der L nder AdV eingerichtete Korrekturdatendienst SAPOS bietet Korrekturdaten verschiedener Genauigkeitsniveaus im RINEX Format Receiver Independent Exchange Format die so wohl f r Echtzeit als auch f r Postprocessing Anwendungen genutzt werden k nnen Tabelle 3 6 liefert einen berblick ber die hochpr zisen SAPOS Dienste die f r den Echtzeit und Postprocessingbetrieb des vorliegenden System in Frage kommen 3 6 3 Vernetzung und virtuelle Referenzstationen Wie aus Tabelle zu ersehen ist sind die Genauigkeiten einer differentiellen GPS L sung zu gro en Teilen entfernungsabh ngig Das Netz der aktuell installierten SAPOS Referenzstationen weist berwie 3 6 Positionsbestimmung mit GPS 39 Verfahren Service Genauigkeit Taktrate bertragungsmedium Echtzeit HEPS 1 2 cm Lage Is GSM Internet 2 6 cm H he ls Postprocessing GPPS lt 1 cm lt Is Internet email Tabelle 3 6 bersicht der SAPOS Dienste ADV 2004 gend eine Maschenweite von mehr als zehn Kilometern auf Zur weiteren Steigerung der Genauigkeit innerhalb des SAPOS Netzes haben sich zwei Verfahren durchgesetzt 1 Be
362. traten von 1 60 s erh ltlich sind 2004 Da die auf dem Fahrzeug eingesetzten GPS Empf nger eine Positionsbestimmung stets mit maximaler Datenrate von 10 Hz durchf hren besteht eine Diskrepanz zwischen den Taktraten von Referenzstation und Rover G ngige Auswerteprogramme f r GPS Beobachtungen wie die verwendete Software Trimble Total Control f hren eine kinematische Einzelpunktbestimmung mit der jeweils niedrigeren Frequenz von Referenzstation und Rover durch so dass die eigentlich h here Datenrate der Rover ohne Interpolation ungenutzt bleibt Soll eine Interpolation der Referenzstationsdaten durchgef hrt werden so ist zun chst die Frage zu kl ren ob bei einer DGPS Positionierung signifikante systematischen Effekte mit einer Periodendauer im Bereich der Datenrate der Referenzstation verbleiben Aus den von durchgef hrten Untersuchungen wird deutlich dass eine Interpo lation von GPS Beobachtungen von 0 1 Hz auf 1 Hz ohne signifikanten Genauigkeitsverlust m glich ist Hierbei werden die Pseudoranges um die geometrische Entfernung zwischen Empf nger und Satellit nach Anbringung der Uhrkorrektionen reduziert und als Grundlage der Interpolation verwendet Als Interpola tionsfunktion werden sowohl lineare als auch polynomiale Ans tze verwendet Eine konkrete Umsetzung f r die polynomiale Interpolation von GPS Beobachtungen ist in 2006 zu finden Auch untersuchen die Interpolation mit Hilfe polynomialer und linea rer Ans tze
363. trollpunkte auf Werte im unteren einstelligen Zentimeterbe reich reduziert werden k nnen Dies gilt insbesondere da sich die festgestellten Koordinatendifferenzen additiv aus den Abweichungen beider Objektaufnahmen zusammensetzen 148 9 Validierung des Systems 9 5 3 u ere Messgenauigkeit des Systems Zum Abschluss der empirischen Genauigkeitsuntersuchungen soll nach der Betrachtung der inneren Ge nauigkeit auch die u ere Genauigkeit des Systems mit Hilfe eines unabh ngigen Messverfahrens in diesem Fall dem Geod tischen Pr zisen Positionierungs Service des SAPOS Netzes SAPOS GPPS verifiziert werden Der Vorteil dieses Messverfahrens besteht darin dass Messungen unabh ngig von vor handenen Festpunkten m glich sind und zudem in einem globalen Referenzsystem vorliegen Ausgehend von der in Tabelle H auf Seite 12 geforderten Genauigkeit des Systems von 0 2 m f r die Bestimmung von Objektkoordinaten kann SAPOS GPPS mit einer nominellen Genauigkeit von 0 01 m als ausreichend genaue Referenzl sung betrachtet werden ModelSpace Punktwolke 1 Punktwolke 1 Yiew 1 File Edit Selection View Viewpoint Create Object Edit Object Tools Help Irnaselao les CR CIEEIEEISECKEKEKKIEGRT EIERBREKKRRER RE S Nothing selected Abbildung 9 48 Punkt bersicht mit abgeschatteten Zielmarken Da die Objektpunkte die f r die Ermittlung der inneren Genauigkeit verwendet wurden f r Messungen mit
364. ts R ckw rts Kalmanfilter als auch der RT S Algorithmus ben tigen zur Gl ttung den ge samten Datenbestand vgl Kapitel 3 5 1 Transformation 5 5 s 32 5 s Die zur Transformation der Profile ben tigte Rechen zeit ist direkt vom Datenvolumen und somit von der Aufl sung abh ngig Sie wird als Latenzzeit pro Se kunde Scandaten angegeben Die angegebenen Laten zen sind aus den Beispielprojekten abgeleitet Messhardware GPS gt gt Rest Scandauer Die GPS Trajektorie wird differentiell im Postproces sing mit VRS Daten des SAPOS Netzes berechnet Nach Eingang der Daten werden 5 min f r die Aus wertung ben tigt Scanner Rest Scandauer Vor der Speicherung der Rohdaten auf dem ange lt 3 s Rohdaten schlossenen Rechner erfolgt eine Datenaufbereitung im Scanner Echtzeitrechner lt 5 s Zur Entlastung des Echtzeitrechners werden die Daten in gr eren Bl cken bertragen Der Periodenabstand der bertragungen der von der Frequenz des Signals abh ngig ist betr gt bei diesem Prototypen lt 10 s Tabelle 10 4 Anteile der Module an der Latenzzeit des Systems Diese Zusammenstellung verdeutlicht dass die Echtzeitf higkeit des entwickelten Prototypen sowohl durch messtechnische als auch auswertetechnische Randbedingungen beschr nkt wird Die durch den Echtzeitrechner sowie die Transformation der Profildaten verursachten Verz gerungen Ar pr pc und AL Scanner k nnen durch eine Erweiterung der Mess und Auswer
365. ts in addition to detailed calibration work were accom plished on three different test areas in order to be able to give evidence of the achievable accuracies of the prototype its components and cost eflectiveness compared to static methods Concerning accuracy issues it was stated that remaining systematic effects of the vehicle position determined by GPS observations indeed have a significant influence on the accuracy of the derived yaw angles Apart from these well known influence values also high frequency roll motions of the prototype led to uncompensable systematic effects on the spatial orientation parameters Despite the deviations caused by these influence values the precision demands on the system could partly be exceeded clearly The relative accuracies of two transformed and corrected point clouds obtained in opposite directions for example were better than 0 1 m In addition the outer system accuracy which was determined by measurements with the precise SAPOS GPPS service showed a mean deviation significantly below 0 1 m This dissertation has shown that the development of a mobile mapping system for highly resolved ob ject acquisition with mid range accuracies using profile measuring terrestrial laser scanners and geodetic standard sensors is possible even without the application of inertial sensors Keywords Laser scanning kinematic terrestrial real time object acqusition mobile mapping Imager GPS point cloud
366. tscheidend ist hierbei dass die letzte Epoche der Vorw rtsfilterung mit ihrer VKM die Startwerte yo und o f r die Filterung im R ckweg bilden Zudem sind f r die Zusammenf hrung zu einem einzigen Zustandsvektor Op mit seiner VKM Xy vR alle ausgeglichenen Zustandsvektoren und ihre VKM zu speichern Alternativ zur Gl ttung mit Hilfe der Kombination von vorw rts und r ckw rts gefilterter Trajektorie kann eine Gl ttung durch den Rauch Tung Striebel Algorithmus durchgef hrt werden F r die Filterung des Hinweges werden die durch Kalman Filterung bestimmten Zustandsvektoren verwendet Im R ckweg hingegen erfolgt eine Formulierung des Kalman Filter Algorithmus als Informationsfilter bei dem der ausgeglichene Zustand und seine VKM mit Hilfe der Inversen von Gut und z aufdatiert werden 2001 Der in diesem System verwendete RTS Algorithmus liefert hierbei eine deutlich glattere Trajektorie im Vergleich zur Kombination aus Vorw rts und R ckw rts Kalman Filterung Als letzter Prozessierungsschritt vor der abschlie enden Transformation der Profile sind die horizonta len Raumwinkel des Fahrzeuges hier als Azimut bezeichnet zu berechnen Wie bereits in Kapitel 3 7 beschrieben existieren unter Verzicht auf eine kreiselgest tzte Bestimmung in der Praxis eine Reihe von L sungen Da alle Positionsbestimmungen im langzeitstabilen WGS84 System durchgef hrt wurden und in die Gau Kr ger Ebene berf hrt wurden sind die horizontalen Geschw
367. tze zur Beschreibung von Deformationen und Fahrzeugbewegungen hnlich So k nnen die in der Deformationsanalyse nach DIN 18710 verwendeten Modelle mit kleineren Einschr nkungen auch zur Modellierung der hier stattfindenden Fahrzeugbewegung herangezogen werden Hierbei erfolgt im Wesentlichen eine Unterscheidung zwischen Modellen welche die Ursachen Einflussgr en ber ck sichtigen die zu einer Zustands nderung des Systems f hren und denjenigen die sich ausschlie lich auf eine Beschreibung des Systemverhaltens beschr nken Sie werden als deskriptive Modelle im Unterschied zu erstgenannten kausalen Modellen bezeichnet In Anlehnung an die in 2000 gezeigte 3 4 Filteralgorithmen 29 Einordnung von Modellen der technischen Mechanik kann die aus der DIN 18710 bekannte Eingruppie rung modifiziert werden Abbildung 3 8 Bewegungsmodelle Keine Modellierung der Explizite Modellierung der Einflussgr en deskriptiv Einflussgr en kausal Ber cksichti Egine Ber cksich Ber cksichti gung der Zeit tigung der Zeit gung der Zeit Kinematisches Statisches Dynamisches Modell Modell Modell Abbildung 3 8 Ans tze zur Bewegungsmodellierung Die Modellierung des Systemverhaltens in Abh ngigkeit von der Zeit ist f r das vorliegende System von essentieller Bedeutung da die Integration der Messwerte verschiedener Sensoren insbesondere des Laserscanners ausschlie lich ber die Zeit geschehen kann Somit k
368. tzeitsystems feiner zu unterteilen betrachtet man h ufig die Auswirkung W die eine Verletzung 58 5 Echtzeitf hige Messsysteme von Zeitbedingungen auf die gew nschte Systemaufgabe hat Hierbei steht nicht nur die Betriebssystem komponente sondern das Echtzeitsystem insgesamt im Vordergrund da nicht erf llte Zeitbedingungen unmittelbaren Einfluss auf das Gesamtsystem besitzen 2002 und WITZAK 2000 nehmen eine Klassifizierung in harte und weiche Echtzeitsys teme anhand der Auswirkung vor die eine verletzte Zeitbedingung auf die Programmaufgabe hat Diese Einteilung wird von 2005 noch um die Klasse der festen Echtzeitsysteme erweitert die insbesondere bei kinema tischen Messsystemen von Bedeutung ist Abbildung 5 5 Bei Systemen mit weicher Echtzeit sind die zeitlichen Rahmenbedingungen im Wesentlichen als Em pfehlung anzusehen Die vorgegebene Zeitschranke kann in diesen F llen ohne grundlegende Auswir kungen auf das Gesamtergebnis berschritten werden Eine geringf gige Verletzung der vorgegebenen Zeitbedingung kann jedoch in der Regel h ufiger toleriert werden als erhebliche Abweichungen Im Gegensatz zur weichen Echtzeit kann bei fester Echtzeit eine berschreitung der Zeitvorgabe zwar srunds tzlich hingenommen werden f hrt jedoch dazu dass die erfassten oder verarbeiteten Daten un brauchbar werden Speziell bei Anwendungen und Programmen die in kinematischen Echtzeitsystemen zum Einsatz komm
369. u sein wohingegen die Querneigung auf den Geradenst cken deutlich geringer ist Abbildung 9 10 400 Gerade 300 200 100 Azimut gon Neigung gon ia 100 200 200 400 500 600 700 800 um 200 300 400 500 600 700 800 Zeit s Zeit s Abbildung 9 9 Azimute der Teststrecke Abbildung 9 10 Neigungswerte der Teststrecke Die auch auf den Geraden vorhandenen Restabweichungen zur Horizontalen sind vermutlich auf eine ungleiche Gewichtsverteilung auf dem Wagen und weniger auf bautechnische Abweichungen der Laufbahn zur ckzuf hren 9 3 Verfahren zur Filterung und Gl ttung der Trajektorie 131 9 3 Verfahren zur Filterung und Gl ttung der Trajektorie 9 3 1 St rken und Schw chen der Filter und Gl ttungsalgorithmen Die Filterung und Gl ttung der durch GPS Beobachtungen erfassten Fahrzeugtrajektorie mit Hilfe eines RTS Algorithmus Kapitel 3 5 3 oder eines Vorw rts R ckw rts Kalmanfilters Kapitel 3 5 2 ist essenti eller Bestandteil der beschriebenen Systementwicklung Hierbei ist neben der bestm glichen Ann herung der gegl tteten Trajektorie an die mit zuf lligen und systematischen Abweichungen behafteten Messwerte vor allem die Homogenit t der Punktwolke zu gew hrleisten Unter der Voraussetzung dass die Tr gerplattform und somit auch der Laserscanner eine gleichf rmig beschleunigte Bewegung vollziehen kann die Homogenit t der Punktwolke vor allem durc
370. uges abgesehen von GPS Satelliten 1 Standardabweichung Tabelle 1 1 bersicht ber die Anforderung an das MMS Tabelle definiert eine Reihe von Anforderungen an das zu entwickelnde System die sich sowohl aus dem Einsatzzweck als auch aus verschiedenen messtechnischen Rahmenbedingungen ergeben So soll das 1 2 Problemstellung 13 System in erster Linie der Erfassung von Stra enr umen und deren n herem Umfeld dienen die in aller Regel eine gro e L nge bei einer vergleichsweise geringen Breite von bis zu 20 m aufweisen Obwohl bei einem Einsatz im Wettbewerbsumfeld auch langgestreckte Aufnahmen von mehreren Kilometern L nge durchzuf hren sind soll der Erfassungsumfang aus Gr nden der Datenmenge und der durchzuf hrenden Evaluierung des Systems auf 500 m begrenzt werden Die angegebenen Genauigkeiten der Einzelpunktbestimmung orientieren sich zum einen an der Einord nung des Systems in einen Bereich der von der Mehrzahl der vorhandenen Mapping Systeme entweder aufgrund mangelnder Rentabilit t nicht angestrebt oder sensorbedingt nicht erreicht wird Zum anderen ergeben sich die genannten absoluten Standardabweichungen f r das vorliegende System aufgrund der starken Abh ngigkeit der zu bestimmenden Positions und Orientierungsparameter von satellitengest tz ten Messverfahren Sie beschreiben in diesem Fall die mit aktueller Sensorik erzielbare Genauigkeit der Systemkomponente Ausgehend von umfangreichen Voruntersuchunge
371. und Anwendungen In Zeit schrift f r Vermessungswesen zfv 2 2007 Nr 132 S 81 86 Stephan u a 2003 STEPHAN A METTENLEITER M HARTL F GEMEINDER M HEINZ I FR HLICH C Visuelles Laserradar zur 3D Erfassung und Modellierung realer Umgebungen Die Digitale Fabrik Zukunft oder Realit t In Mitteilungen des DVW Baden W rttemberg 2003 2 S 48 59 Sternberg u a 2001 STERNBERG H CASPARY W HEISTER H KLEMM J Mobile Data Capturing on Roads and Railways Utilizing the Kinematic Survey Sys tem KISS In Proceedings of the 3rd International Sympo sium on Mobile Mapping Technology 03 05 01 2001 Kai ro gypten CD ROM 2001 Sternberg u a 2005 STERNBERG Harald KERSTEN Thomas CONSEIL Nicole Untersuchungen des Men si GS 100 Einfluss unterschiedlicher Oberfl cheneigen schaften auf die Punktbestimmung In LUHMANN Tho mas Hrsg Photogrammetrie Laserscanning Optische 3D Messtechnik Beitr ge der Oldenburger 3D Tage 2005 Wichmann Verlag Heidelberg 2005 S 56 65 ISBN 3 87907 420 8 Talaya u a 2004al TALAYA J ALAMUS R BOSCH E SERRA A KORNUS W BARON A Integration of a Terrestrial Laser Scanner with GPS IMU Orienta tion Sensors In Proceedings of XXth ISPRS Congress 12 23 07 2004 Istanbul T rkei CD Rom 2004 Interna tional Archives of Photogrammetry Remote Sensing and Spatial Information Sciences Talaya u a 2004bl Tarlaya J B
372. und H sowie ihre H he Die H henkomponente liegt als ellipsoidische H he h vor und kann durch ein Quasigeoidmodell wie das 3 2 Transformation der Messungen in ein Gebrauchskoordinatensystem 25 GCG05 in Normalh hen umgerechnet werden Bei regional begrenzten Aufgabenstellungen sind hierbei Relativgenauigkeiten f r die Bestimmung von Normalh hen im Bereich weniger Zentimeter bis Dezimeter erzielbar Seite 231 Kann auf einen absoluten H henbezug wie im Fall der vorliegenden Aufgabenstellung verzichtet werden so sind grunds tzlich auch ellipsoidische H hen zur Erfassung r um lich begrenzter Objekter nutzbar F r den Einsatz des Systems im Bereich Hannover ergeben sich relative H henabweichungen durch Nichtber cksichtigung des Quasigeoidmodells von bis zu 35 Millimeter je Kilometer Ausdehnung des Messgebietes die sich n herungsweise auf der Grundlage der Quasigeoidgradienten des GCGO5 grafisch ermitteln lassen 2007 Hieraus wird deutlich dass bei weitr umigen Erfassungsvorg ngen in Bereichen mit gro en Quasigeodgradienten eine berf hrung der ellipsoidischen H hen in Normalh hen unumg nglich ist Da das Lagebezugssystem der nieders chsischen Landesvermessung aktuell auf die Universale Trans versale Mercator Abbildung UTM umgestellt wird AnpV 2005 sei an dieser Stelle erw hnt dass auch die UTM zugrunde liegenden Rechenvorschriften auf der gau schen konformen Abbildung beruhen Die Unsicher
373. und wird in Mobile Mapping Systemen h ufig auf die Verwendung von Inklinometern zur Bestimmung der Raumwinkel verzichtet und auf inertiale Systeme zur ckgegriffen az Neigungsebene a Unkritische St rbeschleunigung ay Kritische St rbeschleunigung az Kritische St rbeschleunigung g Erdbeschleunigung op Neigungswinkel Abbildung 6 14 Einfluss von St rbeschleunigungen Zur Korrektion systematischer Effekte die durch St rbeschleunigungen hervorgerufen werden k nnen prinzipiell die durch eine Kalman Filterung ermittelten Beschleunigungsvektoren des Fahrzeuges genutzt werden Kapitel 3 4 1 ber eine zu bestimmende Korrekturfunktion in Abh ngigkeit der Vertikal az und Lateralbeschleunigung ay entlang der Trajektorie kincl Sp f ay az Yind 6 5 k nnten die in den Neigungswerten enthaltenen fahrdynamisch bedingten St rbeschleunigungen be r cksichtigt werden die von der Kurvengeschwindigkeit und dem Radius abh ngen 82 6 Das Messsystem 6 2 3 Thermometer Die Temperaturabh ngigkeit von Sensoren wie zum Beispiel von Inklinometern ist insbesondere bei kinematischen Anwendungen unter wechselnden Umgebungsbedingungen zu ber cksichtigen Zur Ver meidung systematischer Effekte die durch unber cksichtigte Temperatur nderungen entstehen sind all gemein zwei Ans tze m glich Zum einen k nnen die Sensoren eines Systems in klimati sierten Beh ltnissen untergebracht werden die f r gleichblei bend
374. und wurde die Temperaturabh ngigkeit des verwendeten Schaevitz AccuStar Inklinometers innerhalb eines klimatisierbaren Beh lters untersucht Die Messungen wurden jeweils f r eine Neigung von ann hernd 0 gon sowie 30 gon durchgef hrt Aufgrund des be srenzten Raumes innerhalb des Beh lters konnte keine absolute Referenz f r den Neigungswert ermittelt werden so dass diese als N herungswerte zu verstehen sind Signal gon O 3 ur r L A 4 Zeit 4 0 2 R 6 8 10 vun x10 Zeit s 10 Abbildung 7 18 Signal und Temperaturkurven bei 0 Abbildung 7 19 Signal und Temperaturkurven bei 30 Neigung Neigung Die Abbildungen und zeigen den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals unter wechselnder Sensortemperatur Durch lineare Regression l sst sich f r die Messung mit dem um 30 gon geneigten Inklinometer auch hier der Zusammenhang modellieren So f hrt eine Temperatur nderung von 1 C bei einer Neigung von 30 gon zu einer systematischen Abweichung des Ausgangssignals von 16 mgon F r die Nullstellung des Neigungsmessers war hingegen kein signifikanter Zusammenhang mit einer Tempe ratur nderung nachweisbar Parameter Neigung 0 gon Neigung 30 gon Bestimmtheitsma B 0 993 0 999997 Ma stab m 1 8 mgon C 15 8 mgon C Standardabweichung om 0 05 mgon C 0 11 mgon C Tabelle 7 9 Regressionsparameter bei 0 gon und 30 gon Neigung Bei der Bewertung der Regressionsergebni
375. ung der A D Wandlung im 2 5 V Spannungsbereich von 2 78 mgon Bezogen auf die angestrebte Messentfernung von 20 m entspricht dies einer Aufl sung im Objektraum von 3 5 mm Die weiteren technischen Daten k nnen Tabelle 6 13lentnommen werden Parameter X AD12 16 L Eing nge Masse Differenz 16 e o Spannungsbereiche 10 0V 2 5V Aufl sung 12 Bit bezogen auf 10 V 0 6 mV bezogen auf 2 5 V 0 15 mV Abtastrate 0 8 Msps Tabelle 6 13 Leistungsdaten des X AD12 16 L Moduls 6 3 Das Echtzeitmesssystem 91 6 3 5 Serielle Datenerfassung Serielle Schnittstellen finden in der Informationstechnologie und im industriellen Umfeld gro e Verbrei tung zur Realisierung einer dezentralen Systemstruktur Der in Europa und den USA unter dem Namen RS 232 bekannte Standard bezeichnet die am h ufigsten verwendete serielle Schnittstellenspezifikation Sie ist durch eine Reihe internationaler Standards hinsichtlich ihrer Signalstruktur ihrer elektrischen Ei senschaften sowie der Pinbelegung ihrer Schnittstelle normiert Die bertragungsraten serieller Schnittstellen werden in Bit pro Sekunde gemessen und sind prin zipiell in Sende und Empfangsrichtung unbegrenzt Sie liegen bei aktuellen seriellen Schnittstellen in einem Bereich zwischen 300 und 460 800 Bit s wobei die gebr uchlichen Datenraten in der Regel Werte von 300 2 Bit s annehmen In diesem Zusammenhang ist jedoch die maximal zul ssige Leitungs l nge zu beachten die von
376. ung einer Task ber cksich tigt wird Diese Verfahren entsprechen dem Optimalit tskriterium und k nnen f r Scheduling Aufgaben bei Prozessorlasten von bis zu 100 eingesetzt werden um einen bedingungskonformen Ablaufplan zu gew hrleisten W RN und BRINKSCHULTE 2005 5 2 9 Tasksynchronisation Insbesondere beim Einsatz preemptiver Scheduling Verfahren in Multitaskingumgebungen besteht die Notwendigkeit den wechselseitigen Zugriff unterschiedlicher Tasks auf gemeinsam genutzte Ressourcen zu regeln Hierzu z hlen sowohl Hardwareelemente wie ge ffnete Schnittstellen und Flie kommaeinheiten als auch Timerobjekte und Speicherbereiche auf der Softwareebene Diejenigen Bereiche einer Task im Sinne von Abschnitten des auszuf hrenden Quellcodes die Zugriffe auf gemeinsam mit anderen Tasks genutzte Ressourcen ben tigen werden auch als kritische Bereiche bezeichnet Um Dateninkonsistenzen und Zugriffsverletzungen zu vermeiden m ssen gemeinsam genutzte Ressourcen innerhalb kritischer Bereiche gesperrt werden Hierzu stehen eine Reihe von Verfahren wie die Sperrsynchronisation oder die Reihenfolgensynchronisation zur Verf gung die Zugriffe mit Hilfe von Semaphoren regeln k nnen Semaphore sind einfache Datenstrukturen meist in Form eines Bits die zur Synchronisation von Pro zessen oder zur Regelung konkurrierender Zugriffe zum Einsatz kommen H ufig werden diese Strukturen zur Sperrsynchronisation von Prozesse
377. ung einer passiv abtastenden bildgebenden Sensorik ist die gro e Abh ngigkeit von u eren Umgebungsbedingungen und strukturier ten Oberfl chen zur Ableitung von Punktkoordinaten Eine wirtschaftliche Erfassung von Bestandsdaten wird vor allem durch den geringen Automatisierungsgrad gebr uchlicher Mapping Systeme erschwert Zwar bieten die eingesetzten inertialen Messsysteme hohe bis sehr hohe absolute Genauigkeiten erfor dern jedoch Investitionskosten von zum Teil deutlich mehr als 100000 Terrestrische Laserscanner sind aufgrund ihres aktiv abtastenden Messprinzips prinzipiell in der Lage eine Reihe dieser Nachteile zu kompensieren besitzen auf der anderen Seite jedoch erheblich l ngere Integrationszeiten zur Erfassung fl chenhafter Informationen so dass sie bislang nur wenig Verwendung in Mobile Mapping Systemen finden Existierende L sungen verwenden h ufig profilmessende Laserscanner die aufgrund der geringen Aufl sung vornehmlich zur Dokumentation von Stra enprofilen und nicht zur bildhaften Erfassung von Objekten genutzt werden L sungsvorschlag Ausgehend von dieser Problemstellung bestand die Aufgabe der vorliegenden Arbeit in der Entwicklung und Evaluierung eines Prototypen zur schnellen und hochaufl senden Umgebungserfassung im Au enbe reich Die zu entwickelnde L sung sollte geeignet sein Objekte mit einer Genauigkeit von besser als 0 2 m und weitgehend unabh ngig von vorherrschenden Umgebungsbedingungen
378. ung zu erfassen wird der Scanner durch das Steuerprogramm RAMSYS Control Kapitel in eine um 90 zur Fahrtrichtung gedrehte Position gebracht Da die ermittelten Azimute auf die Ausrichtung des Fahrzeugs bezogen sind muss diese zus tzliche Drehung bei einer Transformation der gescannten Punkte ins Fahrzeugkoordinatensystem ber cksichtigt werden Somit gilt f r die Rotationsmatrix REIZ vom Scan ins Fahrzeugsystem 1 0 0 RE 0 cos 90 sin 90 Ry Rx mit Ry Rx Einheitsmatrix 3 15 0 sin 90 cos 90 Als Alternative zur numerisch aufwendigen Berechnung der trigonometrischen Funktionen sin und cos bietet sich die Verwendung von Quaternionen an durch die eine beliebige Drehmatrix mit Hilfe von vier Parametern dargestellt werden kann Die Transformation mittels Quaternionen kann zum Beispiel 2000 und RIETDORF 2005 entnommen werden 3 3 Bewegungsmodelle Sowohl Interpretierbarkeit als auch Qualit t der Ergebnisse einer Auswertung h ngen wesentlich von der Wahl des zugrunde liegenden Modells in diesem Fall des Bewegungsmodells ab Im Sinne der Systemtheo rie wird zur Unterscheidung verschiedener Ans tze der Begriff des Systems verwendet Diese Einordnung erscheint hier jedoch weniger angemessen da hier die Betrachtung der konkreten Zusammenh nge zur Beschreibung einer Bewegung im Vordergrund steht Wie im Rahmen der Formulierung des Filteransatzes Kapitel 3 4 1 diskutiert sind die theoretischen Ans
379. unktbestimmung wesentlich durch eine pr zise Zeitmessung bestimmt wird Ein zweites Problem ist hier der auftretende Jitter der ansteigenden und abfallenden Signalflanke so dass die Genauigkeit der Streckenmessung realistisch im Bereich von os 10 mm einzuordnen ist 1996 Eine Ma nahme zur Verbesserung der Streckenmessgenauigkeit ist die Mehrfach messung der Raumstrecke mit anschlie ender Bildung des arithmetischen Mittels Hierdurch lassen sich stochastische Effekte merklich reduzieren die systematischen Fehleranteile bleiben jedoch erhalten Bei Verwendung des Impulslaufzeitverfahrens ist die maximale Entfernung im Wesentlichen durch die St rke des Laserimpulses limitiert Probleme bereitet bei der Realisierung eines gro en Entfernungsmess bereiches vor allem das Signal Rausch Verh ltnis bei gr eren Distanzen weshalb die Signalprozessierung bei diesen Ger ten einen hohen Aufwand erfordert Problematisch im Hinblick auf die Objekteigenschaf ten sind hierbei vor allem Messungen auf spiegelnde Oberfl chen oder Materialien die im Vergleich zur Wellenl nge des Lasers eine erh hte Rauigkeit aufweisen Diese bewirken eine diffuse Reflexion des Signals und dadurch eine erschwerte Bestimmung des Signalmaximums was sich negativ auf die Genauigkeit der Streckenmessung auswirkt 4 3 Gesichtsfeld Im Hinblick auf die Gr e des Gesichtsfeldes k nnen Laserscanner nach in die drei Klassen Kamera Panorama und Hybridsc
380. urch den verwendeten Antennentyp Da die Erfassung des PPS Pulses als entscheidende Voraussetzung zur Synchronisierung von Scandaten und Raumposition ben tigt wird ist die Verwendung von mindestens einem Trimble 5700 Empf nger zwingend notwendig Hinsichtlich der Datenrate wurde bei beiden Empf ngern die maximal m gliche Positionierungsrate von 10 Hz verwendet um eine m glichst gro e Anzahl unabh ngiger Einzelpositionen f r die Trajektorienbestimmung zu erhalten Tabelle zeigt die bei Messraten von 1 Hz und 10 Hz erzielbaren horizontalen Punktabst nde bei Geradeausfahrt Geschwindigkeit 1 Hz 10 Hz 5 km h 1 39m 0 14m 10 km h 2 78 m 0 28 m 15 km h 4 17m 0 42m 25 km h 6 94m 0 69m Tabelle 6 6 Punktabst nde der GPS Positionen In diesem Zusammenhang wird deutlich dass eine Interpolation der mit 1 Hz verf gbaren Daten der virtuellen Referenzstation VRS des SAPOS Netzes auf eine Frequenz von 10 Hz insbesondere bei h heren Bewegungsgeschwindigkeiten erforderlich ist Kapitel 13 6 4 So liegen die Abst nde der mit 1 Hz bestimmten GPS Positionen insbesondere bei hohen Fahrtgeschwindigkeiten in einer Gr enordnung bei der eine vollst ndige Erfassung der befahrenen Trajektorie nicht in jedem Fall m glich ist Es ist jedoch einschr nkend zu bemerken dass eine Erh hung der Abtastraten durch Verwendung h herfrequent messender GPS Empf nger nicht in jedem Fall sinnvoll ist Bedingt durch den gerin gen zeitl
381. verschoben sind Hierdurch kann die Aufl sung der Punktwolke zwar vervielfacht werden die Profilfrequenz fp nimmt jedoch aufgrund der zus tzlich not wendigen Spiegeldrehungen f r jede Scanzeile um den gleichen Betrag ab Die maximale Profilfrequenz betr gt f r die LMS Serie bis zu 75 Hz bei Winkelschritten von 1 Eine ausf hrliche bersicht ber die technischen Daten der Sick Scanner ist in Anhang A zu finden Zur zeitlichen Referenzierung der Scannerdaten kann ein Triggersignal genutzt werden welches zu Beginn einer jeden Spiegeldrehung an einer der externen Schnittstellen ausgegeben wird Angaben ber die m gliche Genauigkeit des Synchronisierungssignals liegen nicht vor Die Daten bertragung vom Scanner zu einem Messrechner erfolgt ber die RS 232 422 Schnittstelle auf der die erfassten Distanzmesswerte bertragen werden Eine Messung des Ablenkwinkels f r jeden Scanpunkt erfolgt nicht vielmehr wird eine quidistante Inkrementierung f r jeden Winkelschritt gem den vorher definierten Scanparametern angenommen Nachteilig wirkt sich hierbei aus dass auftreten de bertragungsfehler zwar durch eine geringere Zahl an Messwerten je Profil erkannt aufgrund der fehlenden Winkelinformation aber keiner Winkelmessung zugeordnet werden k nnen Zusammenfassend l sst sich feststellen dass die Scanner der beiden Modellreihen von Sick grunds tzlich f r den Einsatz in Mobile Mapping Systemen geeignet sind Dies ist v
382. vorgestellten Algorithmen zur Gl ttung der Trajektorie in Hinblick auf ihre Leistungsf higkeit untersucht werden Ausgehend von der Aufgabe eine abgefahrene Trajektorie m glichst exakt anhand der beobachteten GPS Positionen zu rekonstruieren und zu gl tten ergeben sich zwei wesentliche Anfor derungen an die Algorithmen 1 Hinreichend gute Gl ttung der Trajektorie und dadurch auch insbesondere des Azimutes um ho mogene Punktwolken mit hoher lokaler Formtreue zu erhalten 2 F higkeit der Algorithmen zur Ber cksichtigung von Beschleunigungs nderungen bei Kurvenfahr ten um bersteuerungseffekte Abbildung 9 21 in den Extrempunkten der Kurven zu vermeiden Beide Anforderungen werden in der Regel ber das stochastische Modell der Kalman Filterung gesteuert da die VKM der ausgeglichenen Zustandsvektoren sowohl in die Gl ttung mit dem Vorw rts R ckw rts Kalmanfilter als auch mit dem RTS Algorithmus eingehen In diesem Zusammenhang ist die entgegen gesetzte Wirkungsweise der St rbeschleunigungen auf die formulierten Anforderungen zu beachten So kann auf der einen Seite eine hohe Ann herung an die GPS Beobachtungen erreicht werden was auf der andere Seite jedoch gleichzeitig eine starke Gl ttung der Trajektorie ausschlie t 9 3 Verfahren zur Filterung und Gl ttung der Trajektorie 135 Zur L sung dieses Problems sind mehrere Ans tze denkbar Zum einen kann bereits bei der Erfassung der Objektpunkte auf gro e Drehraten
383. wand f r das Projekt Welfenschloss W hrend bei der statischen Aufnahme der berwiegende Teil des Zeitbedarfs f r die Einrichtung der Passpunkte und den Scan der Objekte ben tigt wird erfolgt die reine Objekterfassung beim kinematischen Verfahren automatisiert aus der Bewegung heraus und kann somit deutlich schneller durchgef hrt werden Bei diesem Verfahren liegt der Schwerpunkt vielmehr auf der Berechnung der Punktwolke die im Vergleich zur Standpunktverkn pfung bei statischen Scans jedoch vollst ndig automatisiert ablaufen kann Der f r die Berechnung der Trajektorie und Transformation der Profildaten verwendete Zeitrahmen h ngt signifikant von der zur Verf gung stehenden Rechenleistung des Auswerte PCs ab und kann somit durch eine Implementierung multitaskingf higer Algorithmen Kapitel 5 2 7 weiter verringert werden Der Vergleich der Messverfahren macht deutlich dass die kinem atische Objekterfassung selbst bei fl chenhaften Objekten durch den Verzicht auf Passpunkte und die M glichkeit der bewegten Objekter fassung Zeitvorteile von 83 bis 91 erm glicht wenn eine Befahrbarkeit des Gel ndes gew hrleistet ist Es ist jedoch zu beachten dass die kinematische Aufnahme in L ngsrichtung eine niedrigere Aufl sung als statische Scans besitzt die sich auch in einer geringeren Berechnungszeit widerspiegelt Die in Tabelle aufgef hrten Daten zeigen dass Datenvolumen und Prozessierungszeit nicht nur von der Fahrtgeschwindig
384. wei auch im RS 422 oder RS 485 Standard betrieben werden k nnen Jede Schnittstelle besitzt eine Geschwindigkeit von 460 800 Baud pro Kanal sowie einen 16 Byte gro en FIFO Sende und Empfangspuffer Sowohl die ber tragungsgeschwindigkeit als auch Anzahl und Typ der Schnittstellen entsprechen hierbei den durch die Sensorik gestellten Anforderungen 92 7 Pr fung und Kalibrierung der Komponenten 7 Pr fung und Kalibrierung der Komponenten 7 1 Ans tze zur Kalibrierung 7 1 1 Begriffliche Einordnung Die konsequente Pr fung und Kalibrierung von Sensoren und Messsystemen ist grundlegende Voraus setzung zur Sicherung der Qualit t von Messergebnissen und seit jeher integraler Bestandteil einer Mess aufgabe Aus diesem Grund sind die im nachfolgenden Kapitel vorgenommenen Betrachtungen zwar konkret auf das realisierte System ausgerichtet k nnen jedoch auch leicht auf allgemeine Fragestellungen hinsichtlich der Kalibrierung und Pr fung kinematischer Messsysteme und terrestrischer Laserscanner bertragen werden Bezogen auf den vorliegenden Themenkomplex werden h ufig die Begriffe Pr fung und Untersuchung f r T tigkeiten verwendet die im eigentlichen Sinne als Kalibrierung zu verstehen sind Die Pr fung von Sensoren oder Messsystemen stellt in der Regel die Vorstufe einer Kalibrierung dar auf deren Grundlage der erfasste Messwert auf systematische Abweichungen untersucht und eine Entscheidung zur Kalibrierung getroffen wird Ei
385. wie die vorliegende Arbeit den Ansatz die Umgebungserfassung vor nehmlich auf Basis profilmessender Laserscanner durchzuf hren Hierzu werden zwar drei Scanner mit ad quater Profilfrequenz verwendet jedoch besitzen diese lediglich eine Aufl sung von 600 Punkten pro Profil und liegen somit deutlich unterhalb der Objektaufl sung von terrestrischen Laserscannern Auch die Genauigkeit der verwendeten Profilscanner ist wie die in 2001B pr sentierten Auswerteergebnisse zeigen f r die vorliegenden Anforderungen nicht ausreichend 2 2 4 GeoVAN Das am Institut Cartografic de Catalunya in Barcelona entwickelte GeoVAN System ehemals Geomobil ist wie auch MosSES in die Kategorie der high end Mapping Systeme ein zuordnen Die Besonderheit bei diesem System besteht darin dass es als einziges bekanntes System einen terrestrischen La serscanner der Firma Riegl zur kinematischen Umgebungs erfassung im Profilmodus verwendet Position und r umliche Orientierung werden bei diesem Sys tem mit Hilfe einer Applanix POS LV 420 ermittelt die ei ne IMU zwei GPS Empf nger sowie ein Odometer beinhal tet Auch hier k nnen Nick und Rollwinkel mit einer Ge Abbildung 2 4 GeoVAN nauigkeit von ONick O Roll 0 005 der Gierwinkel mit TALAYA u a 20045 OGier 0 02 bestimmt werden siehe Abbildung 3 3 Die POS LV 420 Einheit ist in der Lage das Azimut des Geo VAN nicht nur ber die Kreiselbeobachtungen der I
386. ze Betrachtung der Wirtschaftlichkeit des Systems f r Zwecke der Umgebungserfassung im Au enbereich erfolgen ohne den Anspruch auf Voll st ndigkeit zu erheben Als quantitatives Ma f r die Wirtschaftlichkeit von Messverfahren kommt im Allgemeinen die betriebswirtschaftliche Kenngr e der Effizienz zur Anwendung die das Verh ltnis von eingesetzten Ressourcen zum gew nschten Ergebnis charakterisiert Beispielprojekt Welfenschloss Nienburger Stra e Gebietsausdehnung 70 m x 250 m 20 m x 610 m Punktabstand lt 0 1 m lt 0 05 m Objektpunktgenauigkeit 0 2 m 0 2 m Tabelle 10 1 Anforderungen an die Objekterfassung Neben den als Fixkosten eingehenden Anschaffungskosten des Systems ist bei der Ermittlung der Res sourcen insbesondere der zeitliche Aufwand f r Messung und Auswertung zu ber cksichtigen Aufgrund des prototypischen Stadiums des vorliegenden Systems scheint ein Vergleich ber anfallende Kosten nicht sinnvoll umsetzbar zu sein zumal die Kapitalisierung des Zeitaufwands von konkreten Stundens tzen abh ngig ist Somit soll der Schwerpunkt der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen auf einem exemplarischen Vergleich des zeitm igen Erfassungs und Auswerteaufwands liegen Hierzu wurden die beiden in Tabelle 10 1 aufgef hrten innerst dtischen Umgebungen mit dem entwickelten Prototypen in verschiedenen Aufl sungsstufen erfasst und dem Zeitbedarf f r eine statische Scanneraufnahme mit dem Zoller Fr hlich Imager 5003
387. zu erfassen Als zentraler Sensor zur Objekterfassung soll ein profilmessender terrestrischer Laserscanner bei gleichzeitigem Ver zicht auf kostenintensive inertiale Messhardware zum Einsatz kommen Das System sollte kompakt und flexibel einsetzbar sein und nach M glichkeit geod tische Standardsensoren wie GPS Empf nger und Inklinometer zur Bestimmung von Position und Raumwinkeln verwenden Aufgrund der helixf rmigen Abtastung der Objekte ist es notwendig neben der zeitvarianten Scanner position auch die entsprechenden Gier Nick und Rollwinkel des Systems zu bestimmen die zur Trans formation der zweidimensionalen Profilmessungen in die dreidimensionale Punktwolke ben tigt werden W hrend Nick und Rollwinkel grunds tzlich ber Inklinometermessungen bestimmt werden k nnen ist der Gierwinkel des Fahrzeuges aus der mit GPS Beobachtungen bestimmten Trajektorie abzuleiten Um eine Zuordnung der Erfassungszeitpunkte von Scannerdaten zu der durch GPS Messungen be stimmten Raumposition sowie den dazugeh rigen Gier Nick und Rollwinkeln vornehmen zu k nnen wurde ein echtzeitf higer Messrechner mit digitalen analogen und seriellen Eing ngen verwendet Durch den Einsatz eines preemptiven und multitaskingf higen Echtzeitbetriebssystems konnten den einzelnen Datenquellen unterschiedlichen Task Priorit ten entsprechend ihrer Relevanz f r die Einhaltung der Ge nauigkeitsanforderungen zugewiesen werden Die Bestimmung des Gierwinkels wurde
388. zur Optimierung der Systemleistung Bei knappen Systemressourcen sind neben dem Einsatz eines zus tzlichen CPU Moduls auch Ma nahmen zur Optimierung der Systemleistung m glich die im Folgenden diskutiert werden sollen e Im Hinblick auf die realisierte Programmlogik ist zur Erfassung asynchroner Ereignisse stets die Verwendung von Interrupts anstelle der Erfassung mit Hilfe periodischer Taskaufrufe umzusetzen Insbesondere bei Multitasking Betriebssystemen erm glicht ein ereignisgesteuerter Programmab lauf die parallele Verarbeitung weiterer Aufgaben Die bei Singletasking Systemen verwendeten Endlosschleifen zur Erfassung von Ereignissen f hren in der Regel zu einer Prozessorlast von nahe zu 100 wodurch eine Echtzeitf higkeit verhindert wird e Bei der bertragung von Messdaten auf einen angeschlossenen Host PC sollte auf die bertra gung kleinerer Datenbl cke verzichtet werden da jede Daten bertragung mittels eines SRQ von der MAX5dip zum Host PC initiiert wird Der Host PC bertr gt die Daten durch Nutzung von Bibliotheksaufrufen in seinen Speicher wodurch ein Overhead zwischen Steuer und Nutzdaten entsteht Aus diesem Grund sollten alle Messdaten zun chst im RAM der Max CPU zwischenge speichert und in Bl cken von mehreren kByte bis zu wenigen MByte bertragen werden Die Gr e der Datenbl cke ist anhand der Auslastung des Max PC zu optimieren e Auftretende Ereignisse die zur Steuerung des Messprozesses genutzt wer
389. zur Verkn pfung dienen k nnen Insgesamt ergibt sich durch den Einsatz des kinematischen Scanverfahrens bei vergleichsweise hoher Objektaufl sung eine Verminderung des Zeitaufwands von 81 bezogen auf die statische Erfassung Dar ber hinaus ist es m glich den Zeitvorteil der kinematischen Objekterfassung f r dieses Beispielprojekt bei einer um 50 verminderten Aufl sung der Punktwolke in L ngsrichtung auf mehr als 90 zu steigern Ein Teil des kinematisch erfassten Streckenabschnitts im Verlauf der Nienburger Stra e ist in Abbil dung 10 5 in der Detailansicht dargestellt Abbildung 10 5 Nienburger Stra e Ausschnitt 10 5 Steigerung der Effektivit t durch Echtzeiterfassung 155 10 5 Steigerung der Effektivit t durch Echtzeiterfassung Aus den zeitlichen Absch tzungen der Kapitel und ist deutlich zu ersehen dass die Vorteile einer statischen Aufnahme in erster Linie bei der fl chenhaften Objekterfassung von wenigen Stand punkten aus zum Tragen kommen da hierbei die Einrichtung von Passpunkten sowie der zeitaufwendige Standpunktwechsel weniger starken Einfluss auf die Gesamtdauer besitzen Aus Effizienzgesichtspunkten ergibt sich somit durch den Einsatz des in dieser Arbeit vorgestellten kinematischen Scanverfahrens eine signifikante Verbesserung Zus tzlich zur Effizienz des Mapping Systems soll im Folgenden auch seine Effektivit t hinsichtlich verschiedener Erfassungsaufgaben diskutiert werden die durch den

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