Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg University of Applied Sciences. Fachbereich Informatik Department of Computer Science

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1 Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg University of Applied Sciences Fachbereich Informatik Department of Computer Science Abschlussarbeit im Bachelor Studiengang Erstellung einer Messeinrichtung zur dreidimensionalen Erfassung von Freileitungen von Sergej Wagner Erstbetreuer: Prof. Dr. D. Reinert Zweitbetreuer: Prof. Dr.-Ing. N. Jung Eingereicht am: 19. Dezember 2005

2 II Abgrenzung Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Methode zur dreidimensionalen Vermessung von Freileitungen mittels eines Laserscanners. Die Methode ist auf dem Absicherungskonzept der Firma SICK aufgebaut, wobei die Visualisierung der entnommenen Daten eine Eigenentwicklung darstellt. Diese Arbeit befasst sich nicht mit Fragen der elektrischen Energietechnik und der detaillierten Beschreibung von Aufbau und Messprinzip eines Laserscanners in der optischen Messtechnik. Die Hauptfrage, die hier behandelt wird, ist die Eignung des Laserscanners zur Erfassung der Freileitung für die Verbesserung der Arbeitsicherheit bei den Arbeiten in ihrer Nähe. Darüber hinaus wurde in der Arbeit eine mögliche Benutzung des Laserscanners zur Raumvermessung untersucht.

3 III Inhaltsverzeichnis 1 EINLEITUNG Aufgabenstellung Aufbau der Arbeit SICHERHEITSMAßNAHMEN BEI ANNÄHRUNG AN FREILEITUNGEN Allgemeine Maßnahmen Technische Schutzmaßnahmen HARDWAREAUFBAU DES SYSTEM Laserscanner: SICK LMS Schrittmotor + Ansteuerung: SAM a-se Komplettgerät Lasermesstechnik-Interface: SICK LMI Zusammensetzung und Funktionsweise des Hardwareaufbaus SOFTWAREENTWICKLUNG Vorbereitungen Kommunikation Koordinatentransformation Datenvisualisierung ERGEBNISSE DISKUSSION ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS... 49

4 IV Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Unfallursachen anteilig am Gesamtunfallgeschehen an Freileitungen im Zeitraum von 1995 bis 2001 [BGI 887]... 3 Abbildung 2: Arbeiten in der Nähe von elektrischen Freileitungen [EnBW Regional AG]... 8 Abbildung 3: Feldmessungen von 10kV (oben) und 50kV (unten) Freileitungen und Messergebnisse der Firma SICK...11 Abbildung 4: Grundprinzip eines Laserscanners (In rot sind die nacheinander ausgesendeten einzelnen Laserimpulse(Spot) dargestellt.)...12 Abbildung 5: Funktionsprinzip des SICK LMS (S = Sender, E= Empfänger) [SICKLMS 2002, s.6]...13 Abbildung 6: LMS 221,211,291 erforderliche Remission für die Reichweite bei klarer Sicht [SICKLMS 2002, s.8]...13 Abbildung 7: Umstrahlung und Kantentreffer des Messobjekts [SICKTele 2003, s.109]...14 Abbildung 8: Drehrichtung und Abtastbereich(100 und 180 ) des LMS [SICKLMS 2002, s.11]...15 Abbildung 9: Laserscanner mit dem Schrittmotor...16 Abbildung 10: Laser Messtechnik Interface LMI 200 [SICKLMI]...17 Abbildung 11: Blockschaltbild Lasermesstechnik-Interface LMI 200 [SICKLMI, s.5]...18 Abbildung 12: Schematische Zusammensetzung der Hardwarekomponenten...20 Abbildung 13: Das Komplete System bei einer Vermessung...21 Abbildung 14: Package - Diagramm der Softwareanwendung...22 Abbildung 15: "Messaufbau konfigurieren", Oberfläche LMI Benutzersoftware zur Konfiguration einer neuen Messanwendung mit vorhandenen MST-Funktionsblöcken und deren Parameter...23 Abbildung 16: Das Paket "serialport"...25 Abbildung 17: Telegrammaufbau [LMITele, s.5]...26 Abbildung 18: Scanüberlaufwerte [SICKTele, s.121]...28 Abbildung 19: Benutzeroberfläche der Kommunikationsanwendung...29 Abbildung 20: Ablaufschema für den ersten Schritt...30 Abbildung 21: Dateiauszug mit ausgewerteten Entfernungswerten...31 Abbildung 22:Umrechnung in kartesischen Koordinaten [Kugel]...32 Abbildung 23: Benutzeroberfläche der Datenkonvertierung...32 Abbildung 24: Beispiel des Aufbau eines Szenengraphen [Java3D]...34 Abbildung 25: Das Paket "geometryjava3d"...35

5 V Abbildung 26: Visualisierung eines Messversuchs. Oberes Bild gibt die Entfernung vom Laserscanner zu einem Punkt der Leitung und unters Bild zeigt Abstand zwischen Leitung und Vegetation...38 Abbildung 27: Ausmessung einer 110 kv-leitung...39 Abbildung 28: Vermessung einer 10 kv-leitung mit Abschattung durch Vegetation...40 Abbildung 29: 10 kv-leitung mit durch lineare Interpolation korrigierten Bereichen...41 Abbildung 30: Fallturm- und Umweltlabor des BGIA. Das obere Bild zeigt die Höhe des Raums...43 Abbildung 31: Vermessung des Außenbereichs des BGIA...45

6 1 Einleitung 1 1 Einleitung Die optische Messtechnik hat in den letzten Jahrzehnten eine zunehmende Bedeutung erlangt und eine breite Anwendung in der Industrie, Verkehr, Medizin und verschiedenen anderen Bereichen gefunden. Die Vielfalt der Einsatzmöglichkeiten der optischen Messtechnik wird durch die Übersicht in der Tabelle 1 verdeutlicht. Messgrößen Messmethode geometrische Größen Länge, Weg, Distanz Phasenmessung, Laufzeitmessung, Laserscanner, Tringulation Form Interferometrie, Moire-Verfahren, Lichtschnitt, Gitterprojektion Schwingungen Geschwindigkeit Interferometrie, Holografie Doppler-Verfahren, Korrelationsverfahren Oberflächequalität Welligkeit Topographie Interferometrie, Autofocusmethode Gitterprojektion, Triangulation, Interferometrie Topologie Einzelndefekte Streulicht, Autofokus Bildauswertung optische Eigenschaften Reflexionsgrad (Glanz) Farbe winkelabhängige Reflexionsmessung spektrale Reflexionsmessung chemische Größen Gas- und Flüssigkeitskonzentration Partikelkonzentration spektrale Absorptionsmessung Streulicht, Absorptionsmessung Tabelle 1: Typische optische erfassbare Größen/Merkmalen und dazu einsetzbare Meßmethoden [Tränkler/Obermeier] Wie man sieht, erstreckt sich die Nutzung optischer Messverfahren über viele und zum Teil recht unterschiedliche Aufgabenstellungen. Entsprechend ihrer Bedeutung sind die optischen Mess- und Prüfverfahren heute fester Bestandteil für bestimmte sicherheitsrelevante Aufgabenbereiche. Nur eine davon, die Verwendung des Laserscanners, ist das Thema dieser Arbeit.

7 1 Einleitung 2 Der Markt für Laserscannersysteme ist derzeit schnell wachsend. So haben im Mai dieses Jahres auf SPAR Tagung in Texas ca. 20 Unternehmen ihre Scannersysteme präsentiert. Die Anwendungen reichen von der Bereichüberwachung in der Sicherheitstechnik über die Steuerung von Robotern oder fahrerlosen Transportersystemen bis hin zur 3D- Vermessung sehr unterschiedlich großer Objekte. [tm, s.455] Für diese Arbeit verwendete Laserscanner der Firma SICK wurde bisher nur für die Aufgaben, wie Bereichsüberwachung oder Positionsbestimmung eines Objekts, eingesetzt. Bei den komplexeren Aufgaben, wie Form- oder Materialerkennung eines Objekts wird dieser Laserscanner jedoch kaum benutzt. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, welches weitere Maß an Informationen sich aus den Messdaten des Scanners gewinnen und welcher Nutzen für die Verbesserung des Arbeitsschutzes sich hieraus ziehen lassen. 1.1 Aufgabenstellung Der Beweggrund für die Entstehung dieser Arbeit war ein von der Firma SICK AG vorgestelltes Absicherungskonzert. Es beschreibt, wie die Arbeit von den Hubarbeitsbühnen, Kränen, Betonpumpen, mobilen industriellen Maschinen oder Anlagen in Hinblick auf Gefährdungen, die sich aus Kollisionen mit Hindernissen im Arbeitsbereich ergeben, sicher gemacht werden kann. Man teilt dabei die Art der Gefährdung in zwei Bereiche auf: mechanische Kollisionen mit einem Hindernis, wie Scheren, Quetschen, Umstützen eine Annäherung an die Gefahrenquelle, wie Berühren spannungsführender Teile. Die erste Art der genannten Gefährdungen wird in diesem Konzept nicht direkt betrachtet. In den meisten Anwendungsfällen ist die Vermeidung direkter Kollision vom Bediener der Hebebühne abhängig. Ziel des vorgeschlagenen Absicherungskonzepts ist vor allem die Vermeidung einer Annäherung an Gegenstände von denen Gefahr ausgeht, wie unter Spannung stehende Teile, und die technische Unterstützung von Bedienern einer Hebebühne bei seiner Arbeit. Das beschriebene Absicherungskonzept beschränkt sich auf die Probleme bei Ausästarbeiten in der Nähe von Freileitungen. Jedoch ist es für ähnliche Problemstellungen anwendbar. [Görnemann]

8 1 Einleitung 3 BGI 887 bestimmt Ausästen als alle Gehölzschnitte von Baum- und Buschvegetation, die darauf ausgerichtet sind, den betriebssicheren Zustand einer elektrischen Freileitungsanlage zu erhalten oder wieder herzustellen. Für die Durchführung der Arbeit können in vielen Fällen die betroffenen Leitungen nicht ausgeschaltet werden. In der Regel wurden in der Vergangenheit Ausästarbeiten durch ausgebildete Elektrofachkräfte durchgeführt. Durch wirtschaftlichen Zwang ist man jedoch dazu übergegangen viele solche Arbeiten durch Mitarbeiter von Garten- und Landschaftsunternehmen durchführen zu lassen. Dadurch nimmt die Anzahl der elektrischen Unfälle zu, insbesondere durch Berühren der Freileitungen durch Arbeitsmittel und bei Verwendung von Hubarbeitsbühnen oder andern Maschinen. (s Abbildung 1) Abbildung 1: Unfallursachen anteilig am Gesamtunfallgeschehen an Freileitungen im Zeitraum von 1995 bis 2001 [BGI 887] Für Gartenbaufirmen scheint es schwierig zu sein, den Abstand der Vegetation zur Freileitung, der sich aus dem Normabstand für den sicheren Betrieb der Freileitungsanlage zuzüglich des zu erwartenden Wachstums der Vegetation in einem Pflegeintervall ergibt [BGI 887, s.4], abzuschätzen. Deshalb wäre es sinnvoll, eine Vorrichtung zu entwickeln, die Lage und die Entfernung der Freileitung bestimmen kann. Damit lässt sich der Arbeitsablauf solcher Arbeiten vernünftig überwachen und Bewegungen der Arbeitsbühnen gegen ein Eindringen in die Gefahrenzone begrenzen und gegebenenfalls schützen. Die Eindringung in die Gefahrzone ist mit einem Berühren des unter Spannung stehenden Teils gleichzusetzen. [BGI 887] Aufbauend auf der Grundidee des Konzepts sollen im Rahmen dieser Bachelorabschlussarbeit in Kooperation mit dem Berufsgenossenschaftlichen Institut für Arbeitsschutz entsprechende Auswertealgorithmen, sowie Steuerprogramme und die

9 1 Einleitung 4 gesamte Datenerfassung am PC realisiert werden. Die Aufnahmen aus realen Szenarien werden ausgewertet und der gesamte Ansatz auf seine Grenzen hin analysiert. 1.2 Aufbau der Arbeit Die vorliegende Arbeit gliedert sich in 7 Kapitel. Kapitel 1 beschreibt in einer kurzen Einführung die gegebene Problemstellung. In der Aufgabenstellung werden die zu bearbeitenden Punkte erläutert und aufgeführt. Kapitel 2 stellt die Sicherheitsmaßnahmen von Personen bei den Arbeiten in der Nähe von Freileitungen vor. Dabei werden schon angewendete Maßnahmen und möglicher Einsatz der technischen Schutzvorrichtungen vorgestellt. Kapitel 3 befasst sich mit der Entwicklung und dem Aufbau solches technischen Schutzsystems. Als nächstes werden die verwendeten Hardwarekomponenten einzeln vorgestellt. Abgeschlossen wird dieser Abschnitt mit der Beschreibung der Zusammensetzung und Funktionsweise des Systems. Kapitel 4 erläutert die komplette Entwicklung des Softwaretools zur Aufnahme, Auswertung und visuelle Darstellung der Daten von dem aufgebauten Hardwaresystem. Kapitel 5 beschäftigt sich mit der Auswertung der verschiedenen Messversuche. Betrachtet werden die Möglichkeiten und Grenzen der Freileitungserkennung mittels des verwendeten Sensors. Die Messergebnisse von unterschiedlichen Umgebungen werden präsentiert und analysiert. Kapitel 6 diskutiert die implementierten Methoden nach dem Performancevergleich und maximaler Reichweite der Systeme. In Kapitel 7 werden die Ergebnisse der Arbeit zusammengefasst und eine mögliche Erweiterung der Arbeit in Ausblick auf weiterführende Aufgaben angegeben.

10 2 Sicherheitsmaßnahmen bei Annährung an Freileitungen 5 2 Sicherheitsmaßnahmen bei Annährung an Freileitungen Nach der Europanorm EN (VDE 0105 Teil 1) wird jede Arbeit, bei der eine Person mit Körperteilen oder Gegenständen (Werkzeuge, Geräte, Ausrüstungen oder Vorrichtungen) unter Spannung stehende Teile berührt oder in die Gefahrenzone gelangt als Arbeiten unter Spannung(AuS) verstanden. Die Norm unterteilt Arbeiten an elektrischen Anlagen in drei Arbeitsmethoden: Arbeiten im spannungsfreien Zustand, Arbeiten in der Nähe der unter Spannung stehender Teile und Arbeiten unter Spannung. Diese Arbeiten betreffen nicht nur den Niederspannungsbereich (bis AC V bzw. DC V), sondern auch Mittelspannung (über 1 kv bis 36 kv) und den Hochspannungsbereich (über 110 kv bis etwa 380 kv). Die Arbeitsmethode Arbeiten unter Spannung wird generell als besonders gefährlich angesehen. Die Arbeitsmethoden Arbeiten im spannungsfreien Zustand und Arbeiten in der Nähe werden dagegen immer als ungefährlich charakterisiert. Die Unfallzahlen zeigen aber, dass das Arbeiten in der Nähe vielfach unterschätzt wird. Diese Arbeitsart ist gefährlich, weil durch die Unterschätzung der Gefährdung und durch unkontrollierte Bewegungen unter Spannung stehende Teile berührt oder die Gefahrenzone schnell erreicht werden können. [Jühling 2002] Das Arbeitsschutzgesetz( 5) verlangt, dass alle Arbeitsmethoden an elektrischen Anlagen oder in ihrer Nähe auf der Basis einer Gefährdungsbeurteilung gestellt werden. Dabei müssen berücksichtigt werden: die Qualifizierung des Personals, die verwendete Maschine, das Vorhandensein geeigneter Ausrüstungen und die Umgebungsbedingungen an der Arbeitsstelle. Auf dieser Basis soll die Entscheidung für die Maßnahmen zum Arbeitsschutz getroffen werden. Wichtig ist, dass bei gewählter Arbeitsweise, das verbleibende tatsächliche Risiko am geringsten bleibt. Außerdem erfordern alle Methoden nach der Norm gleichermaßen wirksame Sicherheitsmaßnahmen. Im Rahmen dieser Arbeit wird nur auf Sicherheitsmaßnahmen bei den Arbeiten in der Nahe von Freileitung eingegangen.

11 2 Sicherheitsmaßnahmen bei Annährung an Freileitungen 6 Es gibt viele Maßnahmen, die gegen eine Berührung von Freileitungen oder Eindringen in die Gefahrenzone und die dadurch entstehenden Gefahren schützen. Diese reichen von Abschaltung der Stromleitung bis zum Einsatz technischer Schutzvorrichtungen. Die Effektivität und Einsatzbedingungen dieser Maßnahmen sind jedoch unterschiedlich. Die Anwendung der jeweiligen Maßnahmen ist mit einigen Nachteilen verbunden. 2.1 Allgemeine Maßnahmen Folgende Maßnahmen verwendet man, um Gefahren zu vermeiden, wenn Personen oder Maschinen in der Nahe von Freileitungen arbeiten: Schutz durch Abschaltung Bei dieser Schutzart lassen sich Unfälle, die durch Berühren spannungsführender Freileitungen ausgelöst werden, am besten vermeiden. Dies könnte aber zum Beispiel dazu führen, dass komplette Industriebetriebe von der Stromversorgung abgeschnitten werden. In der Praxis ist ein solches Vorgehen deshalb meistens mit hohen Kosten verbunden. [Rother 1996] Schutz durch Hindernisse Hier werden bauliche Hindernisse vor Leitern errichtet. Nachteil dieser Anwendung ist, dass die Hindernisse große Höhen erreichen müssten, wenn sie vor Hochspannungsfreileitungen aufgebaut werden sollten. [Rother 1996] Schutz durch Verlegung In Fällen, bei denen die Stromversorgung nicht unterbrochen werden kann, besteht die Möglichkeit die Freileitungen zu verlegen, um sie aus dem Arbeitsbereich zu entfernen. Nachteil dieser Schutzmaßnahme ist der große Kosten- und Zeitaufwand. [Rother 1996] Schutz durch Isolierung In diesem Fall wird die Isolierung zwischen dem Maschinenteil oder dem Arbeitsmittel, das mit der Leitung in Kontakt kommen kann, und dem Arbeiter eingesetzt. Bei der Verwendung der Hubarbeitsbühne wäre dies nur durch eine komplette Isolierung von Teilen der mobilen Maschine inklusiv Ausleger möglich. Sie müsste für die höchste vorkommende Spannung des geplanten Einsatzbereichs der Maschine ausgelegt werden. Im täglichen Betrieb kann die Isolierfähigkeit der verwendeten Materialien bei einer Hubarbeitsbühne durch Verschmutzungen oder unsachgemäße Instandhaltung schnell aufgehoben werden. [Jühling 2002]

12 2 Sicherheitsmaßnahmen bei Annährung an Freileitungen 7 Schutz durch Abstand Wenn es sich nicht vermeiden lasst, dass eine Maschine oder eine Person sich einer Stromleitung nähert, müssen Maßnahmen ergriffen werden, damit alle Bewegungen der Maschine oder Person innerhalb der Sicherheitsabstände(Schutzabstand) liegt. Der Schutzabstand ist der Abstand zu ungeschützten unter Spannung stehenden Teilen, der von Laien mit Körperteilen, Gegenständen oder Arbeitsmittel nicht unterschritten werden darf. [BGI 887] Die Unterschreitung des Schutzabstandes zu den unter Spannung stehenden Anlagenteilen verursacht schwere oder auch tödliche Unfälle. Nach Absatz der DIN VDE 0105 zählt das Ausästen zu Bauarbeiten und nicht zu elektrotechnischen Arbeiten. Somit sind folgende Schutzabstände zu spannungsführenden Leitungen einzuhalten: bis 1kV =1m über 1kV bis 110kV = 3m über 110kV bis 220kV = 4m über 220kV und unbekannten Netzspannungen =5 m Man muss das Ausschwingen der Leitungsseile bei Wind und den Durchhang der Leitungsseile bei Temperatur- und Lastabhängigkeit bei der Bemessung des Sicherheitsabstandes berücksichtigen. Folgende Abbildung zeigt alle Größen, die man beachten muss, wenn man in der Nähe von Freileitungen arbeitet.

13 2 Sicherheitsmaßnahmen bei Annährung an Freileitungen 8 Abbildung 2: Arbeiten in der Nähe von elektrischen Freileitungen [EnBW Regional AG] Deswegen besteht der nächste Schritt in dem Einsatz von technischen Schutzeinrichtungen. Diese sollen die Aufgabe haben, die Kollision zwischen den beweglichen Teilen der Hubarbeitsbühne und der Freileitung zu verhindern. Das nächste Kapitel beschreibt die Anwendung solchen Systeme. 2.2 Technische Schutzmaßnahmen Bei der Verwendung technischer Schutzmaßnahmen hat man das Ziel, eine Vorrichtung zu erhalten, die im Gegensatz zu den oben beschriebenen Schutzmaßnahmen für alle Situationen flexibel einsetzbar ist und sich universell auf die entsprechenden Arbeitsbedingungen einstellen lässt. Die Erstellung einer solchen Einrichtung würde nur einmalige Kosten verursachen. Man kann zwischen Spannungs- und Objekterkennenden Einrichtungen unterscheiden. Folgende technische Schutzsysteme sind denkbar: Elektrostatische Diese Systeme sind in der Lage unter Spannung stehende Freileitungen von anderen Objekten zu unterscheiden. Bei elektrostatischen Systemen werden Sensoren eingesetzt, die die Quelle, die ein elektrisches Feld um sich bildet, erkennt und die Entfernung zu diesen messen können. Der Messbereich bei

14 2 Sicherheitsmaßnahmen bei Annährung an Freileitungen 9 solchen Systemen beschränkt sich nur auf den Punkt, an dem sich der Sensor befindet. Es erfolgt keine flächendeckende Schutzwirkung und die Reichweite des Sensors ist ziemlich gering. Akustische Ultraschall Sensoren dienen zur Bestimmung der Entfernung zum Objekt, können aber nicht seine Lage im Raum eindeutig ermitteln. Viele Umgebungsfaktoren, wie Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, und Überschreitung bestimmter Mindestabstände können die Messwerte stark beeinflussen. Dadurch wird der Einsatz von akustischen (Ultraschall-) Systemen in Außenbereich sehr eingeschränkt. Optische Im Gegensatz zu akustischen Systemen kann bei optischen Sensoren (Laserscanner) nicht nur die Entfernung, sondern auch eine genaue Ortbestimmung des Objekts (Triangulation) stattfinden. Es erfolgt keine Materialerkennung bei dieser Art von Einrichtungen. Der Nachteil dieser Systeme liegt in der Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen, wie Regen oder Staub, die zur Verschmutzung der Optik führen. Mikrowellen Mikrowellensysteme sind objekterkennende Einrichtungen und ähneln den optischen Systemen. Sie können sogar metallische von nicht metallischen Körpern unterscheiden. Zurzeit sind keine angemessenen Systeme am Markt verfügbar. Sie werden in Zukunft stark an Bedeutung gewinnen. [Görnemann] Die erwähnten und kurz beschriebenen technischen Systeme, außer optischen, werden im weiteren Verlauf dieser Arbeit nicht tiefer untersucht. Da man den Absicherungskonzept der Firma SICK als Grundlage für diese Arbeit hat, wird der Fokus der Arbeit in erste Linie auf Eignung des Laserscanner für diese Aufgaben betrachtet. Bei dem Einsatz von technischen Schutzsystemen soll die spannungsführende Leitung automatisch erfasst werden. Diese können entweder nur auf das Vorhandensein einer Gefahrenquelle hinweisen, oder sie geben die Entfernung zur Freileitung an. Daher kann jede dieser Schutzsysteme auf zwei Weisen angewendet werden.

15 2 Sicherheitsmaßnahmen bei Annährung an Freileitungen 10 Direkte Methode (Annäherung) Hier wird die Bewegung der Hubarbeitsbühne bei der Meldung des Sensors gestoppt. Dazu muss der Sensor immer in Bewegungsrichtung messen. Diese Methode ist nur sinnvoll, wenn der Sensor eine klare Unterscheidung zwischen Freileitung und anderen Objekten (z.b. Baumästen) ermöglicht. Nachteilig wäre nur der Bereich, der durch den Sensor nicht abgedeckt wird. Dadurch ist eine flächendeckende Schutzwirkung eines Mastes nur möglich, wenn entsprechend viele Sensoren angebracht werden. Indirekte Methode (Navigation) In diesem Fall würde man mit einem geeigneten Sensor die Arbeitsumgebung vermessen. Daraus stellt man die Lage der Freileitung fest und begrenzt den Bewegungsbereich der Maschine. Die Unterscheidung Freileitung / andere Objekte (z. B. Baumäste) wäre durch eine entsprechende Auswertesoftware möglich. [Görnemann] Folgende Tabelle zeigt alle beschriebenen technischen Schutzsysteme und ihre Anpassung für die jeweilige Anwendung. Ultraschall Mikrowellen Feldstärke Optisch Annäherung Ungeeignet (viele Umgebungsfaktoren) In Zukunft Möglich (aber mit vielen Sensoren ) Ungeeignet (keine Stoffliche Unterscheidung) Navigation Ungeeignet (keine Triangulation möglich) In Zukunft Ungeeignet (kleine Reichweite) Möglich Tabelle 2: Kombination der Messtechnik und der Schutzverfahren [Görnemann] Aus Tabelle 2 sieht man, dass die Anwendung optischer Messungen in Verbindung mit einer Begrenzung des Arbeitsraumes (Navigation) eine technisch mögliche und realisierbare Lösung ist. Das Prinzip eines solchen Schutzsystems besteht aus der Vermessung der Umgebung mittels eines Laserscanners und die Erkennung der Lage der Freileitungen aus den gewonnenen Messwerten. Dieser Lösungsansatz wird in dieser Arbeit verwirklicht. Die Eignung der Laserscanner, entfernte Freileitungen zu erfassen, wurde vorher durch Feldmessungen der Firma SICK bestätigt. (s. Abbildung 3)

16 2 Sicherheitsmaßnahmen bei Annährung an Freileitungen 11 Abbildung 3: Feldmessungen von 10kV (oben) und 50kV (unten) Freileitungen und Messergebnisse der Firma SICK

17 3 Hardwareaufbau des System 12 3 Hardwareaufbau des System Die nachfolgenden Punkte befassen sich mit der Beschreibung des Hardwareaufbaus des Systems. Der verwendete Laserscanner, die Motorsteuerung und die Auswerteinheit LMI 200 werden kurz vorgestellt. Abgeschlossen wird der Abschnitt mit der Beschreibung der Funktionsweise des Hardwareaufbaus, wie er für die Versuche verwendet wurde. 3.1 Laserscanner: SICK LMS 221 Die Laserscanner der Lasermessystem-Familie LMS 2xx arbeiten nach dem Pulslaufzeit-Prinzip (LIDAR, oder auch Laserradar). Dabei wird im radialen Blickfeld des Scanners alle 0.25, 0.5 oder 1 (je nach eingestellter Winkelauflösung) ein Sendestrahl(Spot) ausgesandt. Abbildung 4: Grundprinzip eines Laserscanners (In rot sind die nacheinander ausgesendeten einzelnen Laserimpulse(Spot) dargestellt.) Trifft der Laserimpuls auf ein Objekt, wird er reflektiert und im Empfänger des Scanners registriert. Die Zeit vom Aussenden bis zum Empfangen des Impulses ist direkt proportional zur Entfernung zwischen Scanner und Objekt (Lichtlaufzeit). Durch einen internen Drehspiegel wird der gepulste Laserstrahl abgelenkt und die Umgebung fächerförmig abgetastet (Laser-Radar). [SICKLMS 2002, S.6].

18 3 Hardwareaufbau des System 13 Abbildung 5: Funktionsprinzip des SICK LMS (S = Sender, E= Empfänger) [SICKLMS 2002, s.6] Ein Laserscanner, der als berührungslos tastendes Messgerät auf der Basis von Licht arbeitet, braucht eine gewisse Rückempfangsenergie, um die Pulslaufzeitmessung zu stoppen. Daraus ergibt sich eine Abhängigkeit von Remission(Reflektivität) des Objekts zum messbaren Abstand. Je weiter ein Messobjekt entfernt ist, desto heller muss das Objekt sein. [SICKTele 2003, S.108] Abbildung 6: LMS 221,211,291 erforderliche Remission für die Reichweite bei klarer Sicht [SICKLMS 2002, s.8] Daher wird Reflektivität einer Freileitung von den verwendeten Materialien der Kabel und ihre Alterung abhängen. Die neuen Freileitungen, die aus Kupfer- oder Alumini-

19 3 Hardwareaufbau des System 14 umseilen gebaut werden, haben von weiten eine glatte und metallisch glänzende Oberfläche, was für eine gute Reflektivität sorgt. Die Zeit und externe Einflüsse ändern Farbe der Oberfläche von Leitung entsprechend dem, voraus ein Leitungsseil gebaut war. Der ausgegebene Messwert zum Objekt ist der Rohmesswert, der mit internen Korrekturen aus interner Entfernungs- und Empfangsenergietabelle verbessert wurde. Bei der Korrektur der Messwerte durch den LMS wird immer von einem vollen Spottreffer ausgegangen. [SICKTele 2003, S.107]. Die ausgesandten Lichtstrahlen des realen Laserscanner weisen außerdem im praktischen Betrieb einige physikalische Eigenschaften auf, die von theoretischen Grundlagen der Lasertechnik abweichen und beachtet werden müssen. Die Laserstrahlung ist nicht streng parallel, sondern weist eine Divergenz auf. Der Strahldurchmesser, sowie der Abstand zwischen den Strahlen werden mit zunehmendem Messabstand größer. Es ergeben sich Effekte wie Kantentreffer oder Umstrahlung (kleinere Objekte als der Spotdurchmesser). [SICKTele 2003, S.14]. Abbildung 7: Umstrahlung und Kantentreffer des Messobjekts [SICKTele 2003, s ] Bei den Kantentreffern oder Umstrahlung können Messwerte entstehen, die über dem Messobjekt, auf dem Messobjekt, zwischen Messobjekt und Hintergrund, oder auf dem Hintergrund liegen. Dies geschieht meistens dann, wenn der Kantentreffer und der Hintergrund innerhalb der Länge des Messpulses (ca. 1 m) liegen. In diesem Fall liefert die gemessene Empfangsenergie einen falschen Wert für die interne Korrektur [SICKTele 2003, S.108]. Da in der Praxis der Remissionswert eines

20 3 Hardwareaufbau des System 15 Messobjekts nicht einfach zu ermitteln ist und bei einer Vermessung im Gelände sich kein Hintergrund hinter einer Freileitung befindet, kann in dieser Arbeit keine Aussage zur Genauigkeit der LMS 2xx bei Teilspots oder schmalen Objekten gemacht werden. Es wird davon ausgegangen, dass, wenn eine Entfernungsmessung auf einem Laserstrahl ausgelöst wird, die als gültiger Wert in Datenstring liegt, ein Objekt auf dem Strahlweg zu finden ist. Die aufbereiteten Messdaten des Laserscanners werden zur Positionsvermessung des Objektes verwendet. Die Messdaten werden in der binären Form über RS- 232/RS-422 Schnittstellen ausgegeben. Das benötigte Telegrammlisting wird in einem späteren Kapitel beschrieben. Die Verarbeitung der Scannerdaten ermöglicht eine individuelle Anpassung an die jeweilige Messaufgabe. Ausgewertet werden die Entfernungen je Einzelimpuls im Scanbereich von 100 oder 180. Das heißt abhängig von der Winkelauflösung des Scanners wird alle 0.25, 0.5 oder 1 ein Entfernungswert ermittelt. (s. Tabelle 3) Winkelauflösung 0,25 0,5 1 max. Scannwinkel *) max. Messwerte *)symmetrisch zur Mitte Tabelle 3: Winkelauflösungen und dazugehörende Anzahl der Messwerte des LMS 2xx [SICKLMS 2002, s.10]. Da die einzelnen Werte hintereinander ausgegeben werden, kann anhand der Position im Datenstring der jeweilige Entfernungswert dem Winkel in der Drehrichtung des Scanners zugeordnet werden. Objekt Objekt Abbildung 8: Drehrichtung und Abtastbereich(100 und 180 ) des LMS [SICKLMS 2002, s.11]

21 3 Hardwareaufbau des System 16 Die Auswertung von Daten kann in einem PC oder auch in einer Auswerteeinheit durch eine geeignete Software erfolgen. 3.2 Schrittmotor + Ansteuerung: SAM a-se Komplettgerät Für die entwickelte Anwendung wird der Laserscanner auf einem Schrittmotor mit der Schrittmotorsteuerung SAM alpha der Firma Phytron montiert. Abbildung 9: Laserscanner mit dem Schrittmotor SAM alpha ist eine einfache Einachsen-, Positionier- und Ablaufsteuerung für Schrittmotoren. Die Motorbewegungen können in Millimeter, Zoll oder Grad eingestellt und die Motorgeschwindigkeit geändert werden. Die Programmierung und Bedienung erfolgt über die serielle Schnittstelle eines PC. Es kann zwischen zwei Betriebsarten mit Vorwahlschalter an der Frontplatte der SAM gewählt werden: Betriebsart REMOTE Man verbindet einen externen Rechner zur Programmierung, zum Editieren und Testen mit der Motorsteuerung. Betriebsart LOCAL Dabei werden gespeicherte Programme mit oder ohne Kopplung an den Rechner selbstständig ausgeführt. [Phytron] 3.3 Lasermesstechnik-Interface: SICK LMI 200 Da die Abtastrate vom LMS Scanner und der dadurch entstehende Datenstrom für eine sofortige Bearbeitung und Übertragung durch eine RS-232 Schnittstelle an ei-

22 3 Hardwareaufbau des System 17 nen PC ziemlich groß sind, wurde der Laserscanner mit der Auswerteeinheit LMI 200(Laserscanner-Interface) durch eine RS 422 Schnittstelle verbunden. Die LMI kann die Daten mit höherer Übertragungsrate einlesen und zwischenspeichern. Wie man aus der Tabelle 4 sieht, kann nur eine Datenverbindung von 500 kbd eine vollständige Übertragung aller Scans gewährleisten. Dadurch können spezifische Messaufgaben mit der Auswerteeinheit LMI 200 schnell und effizient gelöst werden. Die Daten können dann beim Versetzen des Schrittmotors über die langsame RS 232- Schnittstelle an den PC übertragen werden. Datenübertragungsrate/ Auflösung/Scanbereich Schnittstelle 0.25 / /180 1 / Bd/RS-232, RS Bd/RS-232, RS Bd/RS 232, RS Bd/RS 422 kein kein kein Tabelle 4: Anzahl verlorene Datenbytes je Scan bei entsprechender Übertragungsrate [SICKTele 2003, s.122] Das Lasermesstechnik-Interface LMI 200 besteht aus der Auswerteinheit als Hardwarekomponente und dem zugehörigen Messtechnik-Software-Tool MST 200. Abbildung 10: Laser Messtechnik Interface LMI 200 [SICKLMI] Die Auswerteinheit ist mit folgenden Merkmalen ausgestattet: Analoge und digitale Ein-/Ausgänge zur Integration applikationsspezifischer Prozessdaten

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