Entwicklung eines echtzeitfähigen Systems zur Erkennung von Fahrbahnmarkierungen aus 2D-Laserscannerdaten

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1 Technische Universität Braunschweig Institut für Geodäsie und Photogrammetrie Prof. Dr.-Ing. habil W. Niemeier Entwicklung eines echtzeitfähigen Systems zur Erkennung von Fahrbahnmarkierungen aus 2D-Laserscannerdaten von Jan Linxweiler Braunschweig Januar 2005

2 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis... 5 Tabellenverzeichnis Einleitung Motivation Projektbeschreibung Kapitel-Überblick Laserscanner Einführung Theoretische Grundlagen Entfernungsmessung Einflüsse auf die Messgenauigkeit Oberflächenbeschaffenheit Materialfarbe Formfaktor Atmosphärische Einflüsse Maßgebliche Einflüsse auf das Projekt Positionierungseinheit Der SICK LMS Kommunikation und Datenformate Einführung Die serielle Schnittstelle RS Kommunikation mit dem SICK LMS Datentypen Hexadezimalsystem ASCII-Standard Aufbau der Telegramme Ablauf der Kommunikation Konfiguration des LMS h Betriebsmodus wählen h LMS konfigurieren Bh Variante umschalten h Status anfordern h Initialisierung und Reset Codierung der Messwerte Kommunikation mit dem GPS-Empfänger Aufbau und Funktionsweise des GPS Der Leica MC1000 GPS-Empfänger... 36

3 Inhaltsverzeichnis 4. Datenverarbeitung Aufbereitung der Laserscannerdaten Grundsätzliches Vorgehen Eigener Ansatz Verfahrensweise Bewertungsverfahren Ansatz aus Literatur Binarisierung Kantenerkennung Bewertungsverfahren Vergleich der Ansätze Systembeschreibung Echtzeitsysteme Entwicklungsplattform Architektur der Anwendung Drei-Schichten-Aufbau Multithreading Threads innerhalb der Anwendung Programmbeschreibung Abschätzung der Genauigkeit Positionsbestimmung mit dem LMS Globale Positionierung mit GPS Zeitfaktor Fazit Zusammenfassung Ausblick Literaturverzeichnis Anhang... 70

4 Abbildungsverzeichnis Abbildung 2-1 Schematischer Aufbau eines Laserscanners Abbildung 2-2 Funktionsweise SICK LMS Abbildung 3-1 Belegung der RS-232-Schnittstelle Sub-D (9-pol.) Abbildung 3-2 Struktur eines Telegramms Abbildung 3-3 Beispieltelegramm: Betriebsmoduswechsel mit Subkommando 00h Abbildung 3-4 Schematischer Aufbau einer Nachricht des Leica MC Abbildung 4-1 Beziehung zwischen Distanz- und Höhen- und Lagewerten Abbildung 4-2 Ausschnitt aus einem Histogramm der Remissionswerte Abbildung 5-1 Die drei Schichten der Anwendung Abbildung 5-2 Hauptfenster der Anwendung Abbildung 5-3 Schematisches Rasterabbild einer Fahrbahnmarkierung Abbildung 5-4 Darstellung der Ungenauigkeit in Abhängigkeit des Richtungswinkels Abbildung 5-5 Schematischer Aufbau des entwickelten Messsystems

5 Tabellenverzeichnis Tabelle 2-1 Eigenschaften SICK LMS Tabelle 3-1 Belegung der RS-232-Schnittstelle Tabelle 3-2 Mögliche Datenübertragungsraten SICK LMS Tabelle 3-3 Datentypen für Kommunikation mit dem SICK LMS Tabelle 3-4 ASCII-Tabelle (American Standard Code for Information Interchange)

6 Danksagung Mein besonderer Dank gilt Herrn Dipl.-Ing. Sven Thomsen für seine engagierte und kompetente Betreuung dieser Arbeit. Weiterhin danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Niemeier, der mir dieses interessante Thema anvertraut hat. Darüber hinaus danke ich ganz herzlich all denen, die mich bei der Bearbeitung auf unterschiedlichste Art unterstützt haben. 7

7 Kapitel 1 Einleitung 1.1 Motivation Die Volkswagen AG in Wolfsburg führt seit einiger Zeit eine Studie über das Verhalten von Fahrzeugführern im Straßenverkehr durch. Von besonderem Interesse sind dabei die Reaktionen der Verkehrsteilnehmer auf sich verändernde Verkehrssituationen. Beispielsweise soll diese Erhebung darüber Aufschluss geben, aus welcher Entfernung ein Verkehrsschild vom Fahrer registriert wird oder in welcher Distanz vor einer Ausfahrt der Verkehrsteilnehmer einen Spurwechsel durchführt, wenn er die Autobahn verlassen möchte. Dergleichen finden sich zahlreiche weitere Zusammenhänge, die in dieser Studie Beachtung finden. Zur Durchführung der Untersuchungen war es notwendig eine entsprechende Teststrecke festzulegen, die von den Teilnehmern der Studie abzufahren ist. Um Aussagen in Bezug auf den Verlauf bzw. die Beschilderung der Strecke treffen zu können war es notwendig, die entsprechenden Streckenabschnitte zu vermessen. Die Anforderungen an die Genauigkeit lagen dabei im Bereich weniger Dezimeter. Im Sommer 2003 wurde das Institut für Geodäsie und Photogrammetrie der Technischen Universität Braunschweig (IGP) mit den Vermessungsaufgaben beauftragt. Es wurde eigens für dieses Projekt ein Fahrzeug umgerüstet, um die Aufgaben der Fahrstreifenvermessung sowie die Aufnahme der Beschilderung zu ermöglichen. Mittels differentiellem GPS wurde die globale Position des Fahrzeuges bestimmt. Die Aufnahme des Fahrstreifens erfolgte über eine relative Positionierung einer Messmarke in Bezug zum GPS-Empfänger im Fahrzeug. Die Markierung wurde außerhalb des Fahrzeuges befestigt und war über eine Kamera bzw. einen Monitor für den Fahrer einzusehen. Dieser hatte stets darauf zu achten, das Fahrzeug so zu 8

8 Kapitel 1 Einleitung führen, dass die Messmarke und die Fahrbahnmarkierung in Deckung gebracht wurden. Dieser Vorgang erforderte von dem Fahrer ein hohes Maß an Konzentration. Zudem konnte eine derartige Messfahrt nur in einer sehr langsamen Fahrweise erfolgen. Die Vermessung der gesamten Strecken von ca. 65 km Länge nahm mehrere Wochen in Anspruch. Aus der Situation heraus, dass die Volkswagen AG in Betracht zieht, für eine Fortführung der Studie die Route der Teststrecke auszuweiten, entstand die Motivation für dieses Projekt. 1.2 Projektbeschreibung Der Grundgedanke dieses Projektes ist es, einen Laserscanner für die Vermessung der Fahrbahnmarkierungen zu verwenden. Ein zweidimensional messender Laserscanner soll dazu den Querschnitt der Fahrbahn aufnehmen. Weiterhin ist gefordert, eine Softwarelösung zu entwickeln, die aus den Daten des Laserscanners in Echtzeit die Fahrbahnmarkierung identifiziert und entsprechend die Position relativ zum Scanner bestimmt. Dem System stehen dazu sowohl Entfernungsdaten als auch Remissionsdaten des Scanners zur Verfügung. Weiterhin soll das System automatisiert arbeiten und die Koordinaten erkannter Fahrbahnmarkierungen für ein späteres Postprocessing persistieren. Abschließend muss eine absolute Positionierung über GPS erfolgen können. Dazu speichert das System zu den Koordinaten jeder detektierten Markierung die jeweilige GPS-Zeit. In dieser Arbeit wird ein System beschrieben, dass im Rahmen einer Machbarkeitsstudie entwickelt wurde. Dieses böte für die Vermessung der oben genannten Teststrecke der Volkswagen AG wesentliche Vorteile. In erster Linie ließe sich hierdurch der Ablauf der Messfahrten maßgeblich beschleunigen. Zudem würde der Fahrer maßgeblich entlastet, da seine Aufmerksamkeit nicht mehr dem Messvorgang gelten müsste. Weiterhin bestünde keine Notwendigkeit mehr, das Messfahrzeug mit einem Sicherheitsfahrzeug zu begleiten, da dieses sich in den Verkehrsfluss einreihen könnte. Der Aufbau des Systems setzt sich zusammen aus einem oben bereits erwähnten zweidimensional messenden Laserscanner in Kombination mit einem GPS-Empfänger, der die GPS-Zeit liefert sowie einem mobilen Rechner. Der Laserscanner wird mittels einer eigens angefertigten Halterung am Heck des Messfahrzeugs befestigt, so dass eine Messung in Querrichtung zur Fahrbahn erfolgt. Die Daten von GPS und Laserscanner laufen in dem

9 Kapitel 1 Einleitung Rechner respektive der entwickelten Software zur Auswertung der Daten zusammen. Dazu sind die Geräte über eine serielle Schnittstelle mit dem Rechner verbunden. Die Auswertung vom System erfolgt in Echtzeit. Die Implementierung der Softwarelösung erfolgte in der Programmiersprache C# unter Verwendung des Microsoft.NET Frameworks. 1.3 Kapitel-Überblick Das Kapitel 2 gibt eine kurze Einführung in den Bereich der Entfernungsmessung mittels Laserscanner und erläutert die Grundlagen der Lasertechnik. Am Ende des Kapitels wird der für diese Arbeit verwendete Laserscanner SICK LMS 220 vorgestellt. In Kapitel 4 wird zunächst die RS-232-Schnittstelle erläutert, die für eine Kommunikation von PC und Peripheriegeräten von Bedeutung ist. Im weiteren Verlauf erfolgt ein detaillierter Blick auf die Kommunikation zwischen PC und Laserscanner bzw. GPS-Empfänger. Die Auswertung der Laserscannerdaten steht im Mittelpunkt von Kapitel 5. Hier werden zwei Ansätze vorgestellt, von denen der erste im Zuge dieser Studienarbeit selbst entwickelt wurde und der zweite der digitalen Bildverarbeitung entstammt. In Kapitel 5 wird ein Gesamtblick auf das entwickelte Echtzeitsystem geworfen. Dabei wird die Architektur der Anwendung betrachtet und die Funktionsweise erläutert. Das Kapitel 6 gibt eine Zusammenfassung und soll Ansätze für eine mögliche Weiterführung dieses Projektes aufzeigen.

10 Kapitel 2 Laserscanner 2.1 Einführung Mitte der 90er Jahre entstand mit dem terrestrischen Laserscanning eine Alternative zu konventionellen Messtechniken der Geodäsie. Beim Laserscanning werden Oberflächen oder Körper mittels Lasertechnologie abgetastet. Die Messung erfolgt dabei durch einen Laserlichtimpuls, der über das Messobjekt geführt wird. Anschließend wird die Entfernung des Objektes über die Laufzeit oder Phasenverschiebung des reflektierten Lichtstrahles berechnet. Die Ausdehnung der Strecken kann dabei bis zu 50 m betragen. Durch ein System rotierender Spiegel, wird der Laserstrahl in äquidistanten Winkeln abgelenkt, wodurch der Raum (das Gesichtsfeld) diskretisiert wird. Derartige Systeme sind in der Lage, mit sehr hoher Geschwindigkeit eine große Zahl an Messungen automatisiert durchzuführen. Aus der Streckenmessung und den Ablenkungen des Lichtstrahles erhält man anschließend ein Rasterabbild des Zielobjektes in Form kartesischer Koordinaten. Neben der Bestimmung der Lage wird von einigen Geräten auch die Intensität des zurückgestrahlten Signals bestimmt. Derartige Scanner werden auch als abbildende Laserscanner bezeichnet. [Ke03], [WiKi] 2.2 Theoretische Grundlagen Der Begriff Laser ist ein Akronym von Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung). Ein Laser ist eine Lichtquelle, die Licht anders als herkömmliche Lichtquellen durch stimulierte Emission erzeugt. Entgegen gewöhnlichem Licht besitzt Laserlicht in der Regel eine große räumliche 11

11 Kapitel 2 - Laserscanner Kohärenz (Gleichartigkeit), wodurch es sich besonders gut zu einem gebündelten Laserstrahl kollimieren lässt. Die Kollimation bezeichnet die Parallelrichtung von Lichtstrahlen. Aufgrund der ebenfalls großen zeitlichen Kohärenz des Lichtes eines kontinuierlichen Lasers ist dieser in der Lage, extrem monochromatisches (d.h. einfarbiges) Licht zu liefern. Diese Eigenschaften ermöglichen es, Laserlicht einzusetzen, um Informationen über weite Strecken zu übertragen. In diesem Fall stellt es einen Träger dar, auf den die Informationen aufmoduliert werden. [EiEi02] Entfernungsmessung Durch Beobachtung der Frequenz des aufmodulierten Signals ist es möglich, präzise Längenund Zeitunterschiede zu bestimmen. Das Verfahren zur elektrooptischen Entfernungsmessung mittels Laserscanner ist dem Radar-Verfahren sehr ähnlich. Um beispielsweise Distanzen zu entfernten Objekten zu bestimmen, verwendet das Radarsystem reflektierte elektromagnetische Wellen. Dabei arbeitet das Verfahren nach folgendem Ablauf: (1) Das Radarsignal wird erzeugt und über eine Antenne gebündelt abgestrahlt. (2) Die erzeugte Welle breitet sich aus. (3) Am Zielobjekt wird ein Teil des Signals absorbiert. Der übrige Anteil wird von dem Objekt zurückgestrahlt. (4) Ein geringer Anteil des reflektierten Signals breitet sich in Richtung des Radarsystems aus. (5) Im Radarsystem wird dieses Signal empfangen und durch Vergleich zum gesandten Signal ausgewertet. Das vorangegangene Verfahren beschreibt ein so genanntes monostatisches Primärradar. Monostatisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich Sende- und Empfangsteil in einem Gerät befinden. Ein Primärradar ist es, weil sich am Zielobjekt keine Gegenstelle befindet. Das Signal wird demnach passiv reflektiert. Man sagt auch, dass sich das Zielobjekt nicht kooperativ verhält. Übertragen auf die elektrooptische Distanzsmessung ist dieses Verfahren vergleichbar mit einer reflektorlosen Zweiwege-Entfernungsmessung.

12 Kapitel 2 - Laserscanner Abbildung 2-1 Schematischer Aufbau eines Laserscanners Die Abbildung 2-1 zeigt den vereinfachten Aufbau eines Laserscanners zur elektrooptischen Entfernungsmessung. Das Laserlicht wird von dem Laser ausgesendet. Da dieses Licht eine sehr kurze Wellenlänge im Bereich von 400 nm bis 1100 nm besitzt, kann es, wie bereits erwähnt, sehr stark kollimiert werden. Auf dieses Trägersignal können von dem anliegenden Injektionsstrom des Modulators verschiedene Signale aufgeprägt werden, deren Laufzeit die Basis für die Entfernungsmessung zum Zielobjekt ist. Die Empfangseinheit wird von einer Photodiode gebildet, die das reflektierte Signal empfängt. Die Entfernungsmessung kann dabei nach zwei unterschiedlichen Verfahren geschehen. Man unterscheidet zwischen dem Impulslaufzeitverfahren und dem Continous-Wave-Verfahren (Dauerlichtverfahren). Beim Impulslaufzeitverfahren werden Laserimpulse mit hoher Energie ausgesendet. Dies kann beispielsweise durch eine kurzzeitige Amplitudenerhöhung erfolgen oder dadurch, dass der Lichtstrahl von einer Blende freigegeben wird. Der ausgesandte Impuls wird an dem Zielobjekt reflektiert, und ein Teil des zurückgestrahlten Lichts von der Photodiode empfangen. Anschließend kann über die Lichtgeschwindigkeit und die Laufzeit des Impulses die Entfernung des Zielobjektes bestimmt werden. Wichtig ist dabei, dass der Zeitpunkt des Aussendens und des Eintreffens des Laserimpulses präzise bestimmt werden, damit die

13 Kapitel 2 - Laserscanner Laufzeit exakt berechnet werden kann. Um Folgeimpulse voneinander differenzieren zu können, muss zwischen diesen eine bestimmte Latenzzeit eingehalten werden. Dieser Umstand führt zu maßgeblichen Einschränkungen in Bezug auf die Messgeschwindigkeit. Diese Einschränkungen sind bei dem Continous-Wave-Verfahren nicht gegeben, da hier anders als beim Impulslaufzeitverfahren ein kontinuierlicher Lichtstrahl ausgesandt wird. Ebenso wie bei dem vorausgehend beschriebenen Verfahren, wird auch in diesem Fall das reflektierte Laserlicht nach einem bestimmten Zeitintervall wieder an der Photoelektrode registriert. Für die Entfernungsberechnung wird dabei jedoch ein anderes Merkmal verwendet. Das aufmodulierte Signal ist beim so genannten Phasendifferenzverfahren sinusförmig, so dass sich die Laufzeit aus der Phasenverschiebung des Sende- und Empfangssignals berechnen lässt. Daraus ergibt sich, wie bereits erwähnt eine höhere Messgeschwindigkeit. Des Weiteren kann die Unsicherheit in der Bestimmung der Phasendifferenz durch die Wahl eines Modulationssignals mit geringer Wellenlänge sehr klein gehalten werden. Daraus ergibt sich im Vergleich zum Impulslaufzeitverfahren eine höhere Genauigkeit der Streckenmessung. Nachteilig am Phasendifferenzverfahren ist, dass es lediglich im Bereich von 0 bis 2π eindeutig ist. Überschlägig heißt dies: Die maximale Distanz muss geringer sein als die halbe Wellenlänge des Modulationssignals. Eine Möglichkeit, sowohl hohe Messgenauigkeiten zu erzielen, als auch über weite Strecken messen zu können besteht darin, dem Laserlicht eine Feinmessfrequenz mit kurzer Wellenlänge und gleichzeitig auch eine Grobmessfrequenz zum Ausschluss von Mehrdeutigkeiten aufzumodulieren. [Ke02], [DeSt02] Einflüsse auf die Messgenauigkeit Die Entfernungsmessung erfolgt bei allen Laserscannern reflektorlos, so dass folglich keine speziellen Reflektoren benötigt werden. Stattdessen wird der ausgesandte Lichtstrahl von der natürlichen Oberfläche reflektiert. Ermöglicht wird dies durch die hohe Bündelung des Laserlichtes, das an derartigen Oberflächen ausreichend reflektiert wird. Dabei muss gewährleistet sein, dass die Intensität des reflektierten Signals einen bestimmten Minimalwert nicht unterschreitet. Signale mit Leistungen unterhalb dieses Schwellwertes können von dem Laserscanner nicht von dem systemeigenen Rauschen getrennt und somit ausgewertet werden.

14 Kapitel 2 - Laserscanner Oberflächenbeschaffenheit Die Reflektion am Zielobjekt ist unter anderem von der Beschaffenheit der Materialoberfläche abhängig. Man unterscheidet dabei zwischen diffuser Reflektion, regulärer Reflektion und diffuser Reflektion mit Spiegelung. Bei Betrachtung natürlicher Oberflächen ist die häufigste Art die diffuse Reflektion. Sie tritt an rauher Oberflächenbeschaffenheit auf und führt dazu, dass das Laserlicht ohne eine bestimmte Hauptrichtung reflektiert wird. Reguläre Reflektion tritt dagegen an glatten spiegelnden Oberflächen auf. Hier entspricht der Einfallswinkel des Lichtstrahles dem Ausfallswinkel des reflektierten Lichts. Zwischen den beiden erläuterten Phänomenen lässt sich die diffuse Reflektion mit Spiegelung einreihen. Bei dieser Form tritt diffuse Reflektion verbunden mit einer besonders ausgeprägten Reflektionsrichtung auf. Die Art der Reflektion hat letztlich lediglich geringen Einfluss auf die Genauigkeit der Streckenmessung. Im Fall geringer Leistung des reflektierten Lichtes kann Sie jedoch ausschlaggebend dafür sein, ob eine Messung durchgeführt werden kann oder nicht Materialfarbe Ebenso wie die Beschaffenheit der Oberfläche hat auch die Farbe des Zielobjektes einen wesentlichen Einfluss auf die Intensität des reflektierten Laserlichts. Es wurde bereits erwähnt, dass Laserlicht im Wesentlichen monochromatisch ist. D.h. der Lichtstrahl besteht aus Licht eines sehr engen Wellenbandes bzw. einer Farbe. Wenn dieses Laserlicht auf das Zielobjekt trifft, kann von diesem Objekt lediglich Licht eben dieser Wellenlänge reflektiert werden. Ein Objekt, das dem Betrachter beispielsweise in der Farbe rot erscheint, reflektiert insbesondere Licht mit der Wellenlänge, die unser Auge als rot wahrnimmt. Die übrigen Anteile werden zu einem großen Teil absorbiert. Im Fall eines roten Laserlichtstrahles würde dieses Objekt den Lichtstrahl besonders gut reflektieren. Man sagt auch, die Reflektanz für rotes Laserlicht ist besonders hoch. Anders würde die Reflektanz bei gleichem Laserlicht und beispielsweise einem grünen Objekt ausfallen, da Grün einen großen Teil roten Lichts absorbiert. Ein schwarzes Objekt absorbiert Licht aller Wellenlängen in hohem Maße, so dass sich ein derartiges Objekt weniger als Zielobjekt eignet. Im Gegensatz dazu reflektiert ein weißes Objekt alle Farben in gleichem Maße gut.

15 Kapitel 2 - Laserscanner Formfaktor Neben der Oberfläche hat auch die Form des Zielobjektes Einfluss auf die Messgenauigkeit. Diese resultiert aus der Tatsache, dass der Laserstrahl nicht in einem Punkt sondern flächenhaft auf das Zielobjekt trifft. Diese endlich kleine Fläche hat in der Regel eine ellipsoide Form, die sich mit zunehmender Entfernung vom Laserscanner aufweitet. Trifft der Laserstrahl senkrecht auf eine Fläche, so liegt die bestrahlte Fläche in einer Ebene und alle Anteile des Lichtkegels legen dieselbe Strecke zurück, bevor sie reflektiert werden. Trifft das Laserlicht hingegen auf eine schräge Reflektionsfläche, eine Ecke oder gar eine Kante eines Vorsprunges, so legen die einzelnen Strahlen des gebündelten Lichtes aufgrund des endlich kleinen Durchmessers des Laserstrahles unterschiedliche Strecken zurück. Diese Tatsache führt bei Ecken zu dem so genannten Ausrundungseffekt. Dieser besagt, dass konkave Ecken systematisch zu lang gemessen werden wohingegen bei konvexen Ecken das Gegenteil der Fall ist. Dieser Effekt kann im Allgemeinen durchaus in der Größenordnung der Messungenauigkeit des Laserscanners liegen. Noch ausgeprägter fällt der Messfehler aus, wenn das Laserlicht auf die Kante eines Vorsprungs fällt, da dies zur Aufteilung des Lichtstrahls führt und das Licht somit in zwei unterschiedlichen Ebenen reflektiert wird. Die vorhergehend beschriebenen Effekte sind in der Geodäsie hinreichend bekannt, da sie ebenfalls bei der reflektorlosen Tachymetrie auftreten. Beim Laserscanning tritt allerdings erschwerend hinzu, dass die Zielobjekte nicht manuell wie bei der reflektorlosen Tachymetrie angezielt werden, sondern der Messvorgang automatisiert abläuft. Daher ist es nicht möglich, Messpunkte zu vermeiden, die nach den oben genannten Gesichtspunkten kritisch zu bewerten sind Atmosphärische Einflüsse Bei den Erläuterungen zur Streckenmessung mit Lasermesssystemen ist bislang von einer dämpfungsfreien Ausbreitung des Lichtes ausgegangen worden. Diese findet in der Tat allerdings nur im Vakuum statt. Die atmosphärische Ausbreitungsgeschwindigkeit ist von einigen Parametern abhängig. Sie wird unter anderem von Temperatur, Luftdruck, Feuchte und der chemischen Zusammensetzung der Luft beeinflusst. Die Abweichung bei einer Streckenmessung auf einer Distanz von 30 m kann auf Grund dieser Faktoren bis zu 0,3 mm betragen.

16 Kapitel 2 - Laserscanner Maßgebliche Einflüsse auf das Projekt Einige der in dem vorigen Abschnitt besprochenen Einflüsse auf die Messgenauigkeit bei Streckenmessungen mit Lasermesssystemen sind aus diversen Gründen für das Projekt zu vernachlässigen. Sie sollten aber der Vollständigkeit halber erwähnt werden. Die sich ergebenden Einschränkungen aus der Oberflächenbeschaffenheit des Zielobjektes sowie der Materialfarbe sind selbstverständlich auch für dieses Projekt gültig, da diese Einflüsse unmittelbar ausschlaggebend für eine Durchführbarkeit der Messungen sind. Die sich ergebenden Einflüsse aus der Objektform liegen wie bereits erwähnt zum Teil im Rahmen der allgemeinen Messungenauigkeit der Lasermesssysteme. Da die angestrebte Genauigkeit des Systems der Fahrstreifenerkennung weit unter der Messgenauigkeit des Laserscanners liegt, sind diese daher zu vernachlässigen. Darüber hinaus wird das entwickelte System im Zusammenhang mit Straßen- und Fahrbahnmarkierungen eingesetzt. Dabei handelt es sich im Allgemeinen um ebene Flächen und nicht um scharfkantige bzw. scharf abgestufte Objekte, weshalb das Auftreten derartiger Effekte annähernd auszuschließen ist. Ebenso können die atmosphärischen Einflüsse vernachlässigt werden, da auch diese ebenfalls im Bereich der Messungenauigkeit des Gerätes liegen. [Ke02], [DeSt02], [EiEi02] Positionierungseinheit Lasermesssysteme oder auch Laserscanner bestehen aus einer Einheit zur laserbasierten Streckenmessung und einem System zur rasterförmigen Abtastung des Zielobjektes. Während die Distanzmessung mittels Laser bereits ausführlich beschrieben wurde, soll an dieser Stelle näher auf das automatisierte Messverfahren eingegangen werden, bei dem der Laserscanner ein rasterhaftes Abbild des Zielraumes erstellt. Dazu muss das System über eine Einheit zur Ausrichtung des Lasers verfügen. Neben einer hohen Arbeitsgeschwindigkeit wird von dieser meist eine hohe Abtastrate gefordert. D.h. die Auslenkung des Lasers in kleinen Schrittweiten (stepping rate) sollte möglich sein, um den Zielraum fein diskretisieren zu können. Die Positionierungseinheit bestimmt somit maßgeblich die Auflösung des Laserscanners.

17 Kapitel 2 - Laserscanner Eine Möglichkeit zur Ausrichtung des Messsystems folgt Vorbildern aus der Geodäsie. Ähnlich einem Theodoliten oder Tachymeter ist der Laser in der horizontalen und vertikalen Achse schwenkbar. Die Ausrichtung erfolgt mittels Schrittmotoren. Der Vorteil dieses Prinzips liegt darin, dass bewährte Bauteile verwendet werden können. Zudem ist die Genauigkeit der Schrittmotoren sehr hoch, so dass die Ausrichtung des Lasers sehr präzise ist. Auch die Forderung nach einer hohen räumlichen Auflösung wird durch die Möglichkeit sehr geringer Schrittweiten der Servomotoren erfüllt. Dadurch, dass das Messsystem in horizontaler wie auch vertikaler Richtung um 360 drehbar ist, kann nahezu der gesamte dreidimensionale Raum diskretisiert werden. Nachteilig ist allerdings, dass die Schrittmotoren sehr träge sind und der Messvorgang somit verhältnismäßig langsam abläuft. Eine Alternative besteht in Laserscannern, die optische Systeme zur Ausrichtung des Laserstrahls verwenden. Zum Einsatz kommen sowohl Planspiegel, Spiegelpolygone als auch Prismen. Diese Elemente rotieren kontinuierlich mit hohen Geschwindigkeiten, wodurch die Auslenkung des Laserstrahles und somit letztlich der gesamte Ablauf eines Messvorgangs sehr schnell erfolgen kann. Der Anforderung hinsichtlich der Geschwindigkeit genügen diese Systeme demnach eher als die servogesteuerten. Nachteilig wirken sich hier allerdings die teilweise systembedingten Baugrößen aus (Planspiegel). Zudem ist die Auslenkung z.b. von Spiegelpolygonen auf 180 eingeschränkt. Systeme mit Planspiegeln oder Prisma können ähnlich wie die Varianten mit Schrittmotoren nahezu jede Raumrichtung abtasten. Allerdings wird auch bei optischen Systemen die zweite Rotationsachse häufig durch einen Schrittmotor realisiert. So wird eine möglichst schnelle primäre Rotation gewährleistet wohingegen durch den Einsatz eines Schrittmotors in der sekundären Achse eine 360 -Drehung gewährleistet ist. Der abtastbare Bereich eines Laserscanners wird Gesichtsfeld genannt. Scanner, bei denen dieser Bereich begrenzt ist, werden auch Camera-View-Scanner genannt. Dagegen deckt das Gesichtsfeld eines Panorama-View-Laserscanners einen gesamten 360 -Umkreis ab. [Ke02], [DeSt02] 2.3 Der SICK LMS 220 Der in diesem Projekt zum Einsatz kommende Laserscanner wurde von der SICK AG gefertigt. Die SICK AG ist nach eigenen Angaben ein Anbieter hochauflösender

18 Kapitel 2 - Laserscanner Lasermesssysteme für den Einsatz in der Industrie. Angeboten werden sowohl Systeme für die Objektvermessung, Positionsvermessung als auch für Bereichsüberwachung. Der hier eingesetzte Scanner trägt die Bezeichnung LMS und wird im Folgenden abkürzend als Laserscanner oder LMS 220 bezeichnet. Das Messsystem ist mit einem Laser der Klasse 1 ausgestattet. Das heißt, dass die maximal zulässigen Bestrahlungswerte auch bei dauerhafter Bestrahlung vom Laser nicht erreicht werden. Der Umgang mit dem Laserscanner ist somit ungefährlich und es müssen neben einer entsprechenden Kennzeichnung auf dem Gerät keine weiteren Schutzmaßnahmen vorgenommen werden. Das LMS 220 ist ein berührungslos arbeitendes System, das die Umgebung zweidimensional abtastet. Für diese Aufgabe benötigt der Laserscanner weder Positionsmarken noch Reflektoren. Die Arbeitsweise des Gerätes entspricht dem im vorigen Abschnitt beschriebenem Prinzip der Impulslaufzeitmessung. Ein gepulster Laserlichtstrahl wird von dem Gerät ausgesandt und vom Zielobjekt reflektiert. Das LMS 220 arbeitet dabei nach dem Prinzip der Erstpulsauswertung. Das bedeutet, dass die Entfernungsmessung vom ersten empfangenen Rückimpuls ausgelöst wird. Alle weiteren empfangenen Impulse auf dem Strahlenweg werden vernachlässigt. Die Funktionsweise ist in Abbildung 2-2 schemenhaft dargestellt. Abbildung 2-2 Funktionsweise SICK LMS 220 Die Laufzeit des Lichtstrahles ist dabei direkt proportional zur Entfernung des Objektes. Über ein Spiegelpolygon erfolgt die Auslenkung des Laserstrahls, wodurch eine fächerförmige Abtastung in einem Bereich von bis zu 180 ermöglicht wird. Dabei kann die Schrittweite zwischen 1,0 Grad, 0,5 Grad und 0,25 Grad variiert werden. Der Scanner benötigt bei 1,0 - Schritten für einen Scandurchlauf 13,32 ms. Das entspricht einer Messrate von 75 Hz. Bei

19 Kapitel 2 - Laserscanner einer Auflösung von 0,5 bzw. 0,25 verdoppelt bzw. vervierfacht sich die benötigte Zeit. Ohne zusätzliche Reflektoren beträgt die maximale Reichweite des Laserscanners 30 m. Die Datenübertragung erfolgt über die serielle Schnittstelle, an der die gemessenen Daten in Echtzeit anliegen. Die genauere Betrachtung der Datenübertragung sowie der Datenformate erfolgt in Kapitel 3. Eine umfassende Zusammenstellung der Eigenschaften des Laserscanners ist in Tabelle 2-1 gegeben. Technische Daten Reichweite Reichweite (ohne zusätzliche Reflektoren) Reichweite bei Mindestremission 1,8% Auflösung Systematischer Fehler max. 150m bis zu 30m 4 m 10mm ±15mm Reichweite 1 bis 8m (mm-auflösung) Remission: 10% % ±4 cm Reichweite 8 bis 20m (cm-auflösung) Remission: 30% % Max. Scanwinkel 180 Winkelauflösung Scan 100 : 0,25 /0,5 /1, Scan 180 : 0,5 /1 Ansprechzeiten 52/26/13 ms je nach Winkelauflösung Schnittstelle Messdaten Datenübertragungsrate Seriell RS-422 bzw. RS-232 umschaltbar Echtzeitübertragung, Binärdaten 9,6/19,2/38,4/500 kbaud Direkte Schaltausgänge 3 x PNP-Ausgänge, typ. DC 24 V, zu 3 Überwachungsbereichen zugeordnet Versorgungsspannung Elektronik DC 24V ± 15% Laserschutzklasse 1 Schutzart IP 67 Betriebsumgebungstemperatur C Lagertemperatur C Größe 352mmx 266mmx 194,5 mm (B x H x T) Gewicht 9,0 kg Leistungsaufnahme max. 17,5 W; max. 150 W mit Heizung Tabelle 2-1 Eigenschaften SICK LMS 220

20 Kapitel 2 - Laserscanner Die beschriebenen Eigenschaften des Scanners bilden einen Rahmen für den Einsatz des Gerätes innerhalb dieses Projektes. Dabei werden die Einschränkungen in Bezug auf die Maximale Reichweite deutlich eingehalten. Die Distanzen der ausschlaggebenden Messungen werden sich eher in einem Bereich unterhalb von 4 m befinden. Das Gesichtsfeld des Scanners ist mit 180º groß genug, um den gesamten Straßenquerschnitt vermessen zu können. Die zweidimensionale Messweise des Laserscanners ist für die Fahrstreifenerkennung insbesondere dadurch sehr gut geeignet, weil das anfallende Datenvolumen wesentlich geringer als bei dreidimensional arbeitenden Geräten ist und daher in Echtzeit ausgewertet werden kann. Allerdings ergeben sich aus der Wahl des Laserscanners auch einige Rahmenbedingungen z.b. hinsichtlich der systemeigenen Messungenauigkeit. Diese liegt bei einer Winkelschrittweite von 0,5º und einer Distanz von 4 m seitens des Laserscanners bei ca. 3 cm. [Sick], [Si00], [Si01], [Si02], [Si03]