AUFBAU EINES MESS-BUSSES ZUR DATENERFASSUNG FÜR KINEMATISCHE VERMESSUNG

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1 AUFBAU EINES MESS-BUSSES ZUR DATENERFASSUNG FÜR KINEMATISCHE VERMESSUNG Leopold-Th. BIELAWSKI In: CASPARY, Wilhelm / HEISTER, Hansbert / SCHÖDLBAUER, Albert / WELSCH, Walter (Hrsg.) [2000]: 25 Jahre Institut für Geodäsie. Teil I: Wissenschaftliche Beiträge und Berichte. Schriftenreihe Studiengang Geodäsie und Geoinformation, Universität der Bundeswehr München, Heft 60-1, Neubiberg, S ISSN:

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3 Bielawski: Aufbau einer Meß-Busses zur Datenerfassung für kinematische Vermessung 111 AUFBAU EINES MESS-BUSSES ZUR DATENERFASSUNG FÜR KINEMATISCHE VERMESSUNG Dipl.-Phys. Leopold-Th. Bielawski Institut für Geodäsie Universität der Bundeswehr München Neubiberg Zusammenfassung Das KiSS (Kinematic Survey System) ist ein System für die kinematische 3D-Aufnahme und Erfassung der Möblierung von Straßen und Transportwegen. Das System ist auf einem Kleinbus aufmontiert und besteht aus Sensoren zur Bestimmung der Fahrzeugtrajektorie (Inertiales Navigationssystem (INS), Global Positioning System (GPS), Weg-/Geschwindigkeitssensor, Barometer), sowie CCD- Kameras zur photogrammetrischen Erfassung der Umweltobjekte vor dem Fahrzeug (Videokamera und Grauwert-CCD-Kamerapaar auf einer festen Basis). Die offene Architektur des PC s, sowie die auf dem Markt in einer großen Auswahl vorhandenen Datenerfassungskarten, verschiedene Schnittstellenadapter, Signalkonditionierungs-Hardware und fertige Softwaremodule erlauben dem Systemdesigner in kurzer Zeit ein leistungsfähiges System für diese Meßaufgaben zusammenzustellen.

4 112 Bielawski: Aufbau einer Meß-Busses zur Datenerfassung für kinematische Vermessung 1 Einleitung Der Anstieg des Verkehrsaufkommens und das Verlangen nach Sicherheit im Straßenverkehr führt dazu, daß die Nachfrage nach aktuellen, 3-dimensionalen Straßendaten rapide wächst. Auch die ständige Aktualisierung und das Konsistenthalten des vorhandenen Datenbestandes ist bei den klassischen Vermessungsmethoden mit sehr hohen Kosten und sehr großen Anstrengungen verbunden. Die Arbeitsgruppe IKV (Integrierte Kinematische Vermessung) des Instituts für Geodäsie der Universität der Bundeswehr München hat ein modulares Multisensor-Meßsystem für die 3D-Vermessung von Straßen und Transportwegen entwickelt. Das System ist auf einem Fahrzeug montiert und erfaßt sowohl die Trajektorie des Fahrzeuges, als auch die Straßenobjekte entlang der befahrenen Strecke. Die so gewonnen Daten (Videobildmaterial, digitale Bildpaarfolgen und Trajektoriedaten) können der Weiterverarbeitung (Postprocessing) zugeführt und in einer Datenbank abgelegt werden. 2 Systembeschreibung Das System ist als ein mobiles Datenerfassungssystem konzipiert, dessen Aufgabe darin besteht, die verkehrsrelevanten Daten entlang der befahrenen Strecke aufzunehmen und zu speichern. Während der Meßfahrt findet keine Echtzeit-Datenverarbeitung statt; es werden lediglich aufgenommene Daten auf Plausibilität überwacht und dargestellt. Die detaillierte Vorstellung des Konzeptes und der möglichen Anwendungen ist in [1] und [2] zu finden. Das System ist modular aufgebaut und sehr flexibel in bezug auf die Integration von zusätzlichen Sensoren. Es besteht grundsätzlich aus folgenden Funktionseinheiten (Abb. 1): Abb.1. Fahrzeug und mechanischer Aufbau Rechner und Schnittstellen Sensoren

5 Bielawski: Aufbau einer Meß-Busses zur Datenerfassung für kinematische Vermessung 113 Stromversorgung 2.1 Fahrzeug und mechanischer Aufbau Das Meßsystem KiSS ist auf bzw. in einem Fahrzeug aufgebaut, das mit einer Klimaanlage ausgestattet ist, so daß eine aktive Rechner-Schrankklimatisierung nicht notwendig ist. Die Rechner, das LCD-Display und die USV werden in einem 19 Zoll Schrank von 1200 mm Höhe untergebracht. Zur besseren Durchlüftung ist der Schrank an der Schrankfront und Schrankrückseite offen. Da im Fahrzeug mit Vibrationen gerechnet werden muß, wird der Schrank auf 6 elastischen Gummipuffern auf dem Fahrzeugboden befestigt. Die beiden digitalen CCD-Kameras werden auf dem Dach des Fahrzeuges an einem stabilen Rahmen mit einer festen Basis befestigt. Damit wird gewährleistet, daß sich die relative Lage der Kameras zueinander nicht verändert. Auf dem gleichen Rahmen, in der Mitte zwischen den beiden Kameras, ist die GPS-Antenne positioniert. Eine Farbvideokamera wird im Inneren des Fahrzeuges montiert. Um die Stromversorgung zu gewährleisten, wird das Fahrzeug mit einer speziellen hochwertigen Lichtmaschine (Wirkungsgrad höher als 90%), ausgestattet. 2.2 Rechner und Bussystem Der Rechner, ein Industrie PC, ist auf Basis eines Dualprozessor Mainbord von ASUS, bestückt mit zwei Intel-Pentium Prozessoren aufgebaut. Der Hauptspeicher ist mit 128 MB Kapazität in Form von zwei High Density Speichermodulen mit automatischer Fehlererkennung und Fehlerkorrektur ausgestattet. Eine PCI 64 Bit S3 V64 Graphikbeschleunigerkarte mit 2 MB Videoram ist für die graphische Oberfäche zuständig. Als Massenspeicher werden zwei 9 GB ULTRA SCSI Wechselplatten verwendet. Eine davon dient ausschließlich als Datenspeicher. Diese Wechselplatten werden nach der Meßfahrt in einen Auswerterechner eingeschoben. Auf diese Weise ist der Datenaustausch zwischen Meßund Auswerterechner, der sich im Büro befindet, realisiert. Im Auswerterechner werden diese Daten weiterbearbeitet und auf ein DAT-Band als Austauschmedium übertragen. Als Betriebssystem wird Windows NT eingesetzt. Das Meßrechnersystem ist so konzipiert, daß der Anschluß verschiedener Sensoren mit unterschiedlichen Schnittstellen möglich ist. Es besteht aus folgenden Komponenten: PCI-Multikanal-Framegrabber. Der Framegrabber dient zum Empfang und zur Decodierung digitaler Videosignale. In unserem Fall wird der MVFG Inspecta 2 Framegrabber von der Firma Mikrotron eingesetzt. Die Datenrate für den Bilddatentransfer auf dem PCI-Bus erreicht über 100 MB/sec und kann alle möglichen Videoquellen in Echtzeit verarbeiten. Während ein Bild eingespeichert wird, muß die CPU nicht darauf warten, sondern kann mit dem vorhergehenden Bild arbeiten. Die CPU hat jederzeit uneingeschränkten, wahlfreien Zugriff auf die Bilddaten in einem der Speicherbereiche. Gleichzeitig steht der andere Speicherbereich zum Ablegen neuer Bilddaten mit einer Geschwindigkeit von 100 MB/sec bereit. Spezielle Funktionen der Kameras werden mit vier Steuerleitungen bedient. Eine Steuerleitung kann z.b. den asynchronen Shutter-Eingang steuern. Intelligente (mit eigenem Prozessor und Peripherie ausgestattete) Datenerfassungskarte. Die Modular-4/486 Datenerfassungskarte von Sorcus Computer ist für den PC / ISA-Bus konstruiert. Sie enthält einen kompletten Computer auf einer PC-Erweiterungskarte. Die Karte kann unabhängig vom PC arbeiten, so daß echte Parallelverarbeitung möglich ist. Maximal können bis zu 8 Erweiterungskarten in einem PC installiert werden. Die Basiskarte ist bereits mit umfangreicher Peripherie ausgestattet. Außer einem EPROM und einem statischen CMOS-RAM (z.z. 4 MB oder 1 MB oder 256 KB), das durch eine externe Batterie gepuffert werden kann, verfügt die Karte auch über einen Watch-Dog Timer und eine eigene Spannungsüberwachung. So können bei Ausfall der Stromversorgung wichtige Daten rechtzeitig gesichert werden. Durch die 4 (bzw. mit Modulextender 9) aufsteckbaren Module kann die Karte an beliebige Meß-, Steuer- und Kommunika-

6 114 Bielawski: Aufbau einer Meß-Busses zur Datenerfassung für kinematische Vermessung tionsaufgaben angepaßt werden. Es sind Module sowohl für die Zuschaltung von unterschiedlichen Datenquellen (Analog-, Digital-, Zählereingänge), als auch Schnittstellen möglich. In dem EPROM befindet sich ein Echtzeit-Multitasking-Betriebssystem für bis zu 1024 Tasks. Auch besteht die Möglichkeit, sich eigene Echtzeitprogramme für die Karte zu schreiben. Abb. 2. Rechnerkonfiguration mit Applanix POS System Wie in den Abbildungen 2 und 3 ersichtlich, ist es möglich, verschiedene Konfigurationen nur durch den Einsatz unterschiedlicher Aufsteckmodule und eine entsprechende Softwarekonfiguration zu realisieren. Da es bereits Module für diverse Standard-Feldbussysteme gibt (CAN, Profibus, GPIB u.a.m.), ist es ohne großen Aufwand möglich, Sensoren mit entsprechender Busankoppelung anzuwenden. Die Zeitsynchronisation erfolgt durch das lpps Signal des GPS-Empfängers. Dieser Puls wird auf der Karte weiter unterteilt und dient als Triggersignal für den Framegrabber. Dadurch kann die Bildaufnahmefrequenz mit der Fahrzeuggeschwindigkeit gekoppelt werden. 2.3 Sensoren und Schnittstellen Die hohe Leistungsfähigkeit eines solchen Systems kann nur durch ein modulares Multisensorsystem erreicht werden. Da die meisten der gegenwärtig verwendeten Sensoren ihre Daten seriell übergeben, wurde in diesem Fall zunächst an keinen Feldbus gedacht. Allerdings ist es durch die Verwendung von Aufsteckmodulen der Datenerfassungskarte möglich, auch Sensoren mit einer Feldbusschnittstelle (z.b. GPIB, CAN usw.) anzuschließen Sensoren zur Trajektoriebestimmung Für die genaue Bestimmung der Fahrzeugtrajekorie im 3D-Raum wird das Navigationssystem von Applanix 'POS/LV' eingesetzt. Das System besteht aus einem VME-Rechner, einer Inertialeinheit (IMU) und einem GPS-Empfänger. Es kann sowohl in Echtzeit als auch im Post-Processed-Mode betrieben werden. Die Sensordaten (auch Rohdaten) werden auf ein 8 mm Band (Exabyte 8200) aufgezeichnet. Der POS/LV-Rechner wird über ein Fast-Ethernet Interface mit dem Hauptrechner verbunden. Auf dem PC läuft unter Windows NT ein Kommunikationsprogramm, das für den Datenaustausch zuständig ist (s. Abb. 2).

7 Bielawski: Aufbau einer Meß-Busses zur Datenerfassung für kinematische Vermessung 115 Für eine Genauigkeitssteigung in der Positions- und Lagewinkelbestimmung ist auch der Einsatz eines INS mit hochgenauen Laserkreisel (IMAR INS) sowie zusätzlichen Stütz-Sensoren vorgesehen (s. Abb. 3). Abb. 3. Rechnerkonfiguration mit IMAR INS Sensoren zur Objekterfassung Die Farbvideokamera Sony VX 1E ist im Fahrzeuginneren eingebaut und so ausgerichtet, daß sie ungefähr den gleichen Vorausschaubereich erfaßt wie die CCD-Kameras auf dem Fahrzeugdach. Die Kamera protokolliert die Meßfahrt auf Farbvideobänder. Das Videomaterial kann als Dokumentation der vorhandenen Infrastruktur verwendet werden. Zusätzlich kann der gesprochene Kommentar des Fahrers aufgezeichnet werden. Auf dem Dach des Fahrzeugs sind 2 digitale Grauwertkameras (Pulnix TM 9701) mit fester Basis auf einem stabilem Ständer montiert. Sie decken einen Vorausschaubereich von ca. 40 m vor dem Fahrzeug, m rechts von der Fahrbahn und ca. 12 m in der Höhe ab. Um eine genaue photogrammetrische Auswertung zu gewährleisten, werden vergütete Speziallinsen (Schneider, Bad Kreuznach Cinegon 1.4/12 mm) mit geringen optischen Verzerrungen verwendet. Die Kameras liefern 8 Bit Vollbilder mit einer Auflösung von 768 x 484 Pixel. Um während der Fahrt die Kameras auf die sich ändernden Lichtverhältnisse einzustellen (Shutterzeit der Kameras läßt sich von 1/60 bis 1/16000 s einstellen), wird kurz vor der Bildaufnahme eine Voraufnahme ausgelöst. Sie dient zur Berechnung eines mittleren Grauwertes, aus dem dann die aktuelle Shutterzeit berechnet und eingestellt wird. 2.4 Stromversorgung Es wird generell eine 220 V, 50 Hz Stromversorgung zur Verfügung gestellt. Hierzu wird eine unterbrechungsfreie 220 V Stromversorgung (USV) von dem 24 V Bordnetz mit Energie versorgt. Die USV ist ein echter Sinuswandler, d.h. die angeschlossenen Verbraucher werden dauernd über den Inverter mit einer in Frequenz und Phase auf 220 V, 50 Hz geregelten Sinusspannung versorgt. Liegt die Bordnetzspannung im Bereich V an, so werden die Akkus mit dieser Energie nachgeladen. Diese USV besteht aus zwei 19" Einschüben, von denen der eine die Elektronik mit dem Inverter, der zweite

8 116 Bielawski: Aufbau einer Meß-Busses zur Datenerfassung für kinematische Vermessung die wartungsfreien Blei-Gel Akkus erhält. Die Kapazität der Akkus ist so dimensioniert, daß die USV-Anlage bei Vollast (1000 W) die angeschlossenen Verbraucher ca. 30 Minuten mit 220 V versorgen kann, wenn keine 24 V Eingangsspannung anliegt. Darüber hinaus erzeugt die USV Anlage einen potentialfreien Powerfailausgang, der dazu genutzt wird, die Anlage definiert herunterzufahren, wenn die Primärspannung ausfällt und die Akkukapazität zu Neige geht. Durch das definierte Herunterfahren von Windows NT wird sichergestellt, daß keine Daten verloren gehen. Abb. 4. Schema: Stromversorgung Da alle konventionellen Kfz-Drehstromlichtmaschienen den entscheidenden Nachteil eines relativ niedrigen Wirkungsgrades (bei Betriebstemperatur ca. 30 bis 40%) haben, erzeugen sie enorme Wärmemengen und sind für den Dauerbetrieb mit hoher Leistung nicht geeignet. Für das Laden von modernen Blei-Gel Batterien mußte die Standard-Lichtmaschine gegen eine geeignete (z.b. AGT-PTO von Fischer-Panda, Wirkungsgrad ca. 95%) ausgetauscht werden. Mit dieser AGT- Lichtmaschiene kann, solange der Motor läuft, mit Hilfe eines AGT-Controllers eine Dauerstromversorgung bis ca. 2.5 kw gewährleistet werden. 3 Zusammenfassung Das vorgestellte Meßfahrzeug erlaubt es, kostengünstig und mit vertretbarem Zeitaufwand die sehr umfangreichen geometrischen und semantischen Daten an der befahrenen Strecke zu erfassen und zu speichern. Diese Daten werden nach der Meßfahrt dem Auswerterechner zur Weiterverarbeitung (Postprozessing) bzw. zur Archivierung auf DAT-Bändern zur Verfügung gestellt. Die Testfahrten auf einer ca. 30 km Teststrecke und erste Pilotfahrten haben die in dieses System gesetzten Erwartungen bezüglich der Zuverlässigkeit und Genauigkeit voll bestätigt. Auf Grund des modularen Aufbaus ist das Meßsystem mit geringem Aufwand um zusätzliche Sensoren erweiterbar und für neue Meßaufgaben konfigurierbar; dies kann z.b. die Erfassung und Dokumentation des Zustandes von Straßenoberflächen sein. 4 Literatur [1] HEISTER, H., CASPARY, W., HOCK, CHR., KLEMM, J., STERNBERG, H.: KiSS a Hybride Measuring System for Kinematic Surveying, Stuttgart, 3 rd Int. Workshop on High Precision Navigation, Stuttgart, April 1995 [2] CASPARY, W., HEISTER, H., HOCK, CHR., KLEMM, J., STERNBERG, H.: A Kinematic Survey System for Transportation lnfrastructure, Capetown, South Africa, February 1995.