DE112007002783B4

DE112007002783B4 - Digitale Geländeabbildung mit GPS- und Laser-System

Info

Publication number: DE112007002783B4
Application number: DE112007002783.5T
Authority: DE
Inventors: Jonathan Michael Roberts; Greame John Winstanley
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2007-10-04
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2027-10-05
Also published as: US20100034421A1; US8358810B2; CA2669351C; AU2007321750B2; ZA200903812B; AU2007321750A1; WO2008058308A1; CA2669351A1; DE112007002783T5

Abstract

Verfahren zum Erzeugen digitaler Geländekarten der Umgebung um eine große sich drehende Maschinerie, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Anbringen eines Laser-Scanners für 2 Dimensionen und eines RTK-GPS-Systems mit hoher Genauigkeit an einem Element der großen sich drehenden Maschinerie an einer radialen Extremität der Maschinerie; Anordnen des Laser-Scanners, um radiale Datenlinien aufzuzeichnen, die das Gelände unter der Extremität der Maschinerie repräsentieren; Drehen der Maschinerie vollständig um ihre Drehachse und Erzeugen von Daten, die das Gelände um die Maschinerie repräsentieren, sowohl vom Laser-Scanner als auch vom GPS-System; wobei eine Eichung durch das Aufzeichnen von Daten von Markierungen an bekannten Orten in dem Gelände unter der Extremität der Maschinerie ausgeführt wird, um die relativen Positionen des Mittelpunkts des Laser-Scanners und der GPS-Antenne, die Orientierung des Laser-Scanners und die zeitliche Nacheilung zwischen den sowohl vom Laser-Scanner als auch vom GPS-System erzeugten Daten zu bestimmen.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft die digitale Geländeabbildung und insbesondere ein Verfahren zum Erzeugen digitaler Geländekarten der Umgebung um eine große sich drehende Maschinerie, wie z. B. Schürfkübelbagger, Löffelbagger, Bagger, Radlader oder Krane. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Gerätschaft für die Verwendung mit dem Verfahren und Software.
Technischer Hintergrund
Es ist im Allgemeinen erwünscht, digitale Geländekarten der Umgebung um große Gerätschaft, wie z. B. Schürfkübelbagger, zu konstruieren. Diese Karten können verwendet werden, um den Ort und das Volumen des Materials zu messen, Objekte zu lokalisieren und einen Zusammenstoß während des Betriebs zu vermeiden. Es gibt eine Anzahl von Faktoren, die dazu führen, dass es derartigen Karten an Genauigkeit fehlt.
Aus der JP H09 196 672 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Maschine mit einem GPS-System und einem Laser-Scanner versehen ist. Mit dem Laser-Scanner, der an einem über einen Ausleger der Maschine geführtes Seil angeordnet ist, wird der Abstand zum Boden vermessen. Die Laserdaten und die GPS-Daten werden kombiniert um den Abstand des Auslegers zum Boden zu bestimmen.
Aus der US 6,600,553 B1 ist ein Gerät bekannt, das seine eigene Position aus GPS-Daten bestimmt und einen 3D-Scan der Umgebung vornimmt, so dass eine Umgebungskarte erstellt werden kann.
Aus der DE 600 18 980 T2 ist ein Verfahren zur Erfassung einer Erdoberfläche mit einem Laser-Scanner zur Bestimmung des Baumabstandes von einem Flugzeug bekannt. Die Position das Laser-Scanners wird mit einem GPS-System bestimmt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen digitaler Geländekarten der Umgebung um eine große sich drehende Maschinerie, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Anbringen eines Laser-Scanners für 2 Dimensionen und eines RTK-GPS-Systems mit hoher Genauigkeit an einem Element der großen sich drehenden Maschinerie an einer radialen Extremität der Maschinerie.
Anordnen des Laser-Scanners, um radiale Datenlinien aufzuzeichnen, die das Gelände unter der Extremität der Maschinerie repräsentieren.
Drehen der Maschinerie vollständig um ihre Drehachse und Erzeugen von Daten, die das Gelände um die Maschinerie repräsentieren, sowohl vom Laser-Scanner als auch vom GPS-System.
Wobei eine Eichung durch das Aufzeichnen von Daten von Markierungen an bekannten Orten in dem Gelände unter der Extremität der Maschinerie ausgeführt wird, um die relativen Positionen des Mittelpunkts des Laser-Scanners und der GPS-Antenne, die Orientierung des Laser-Scanners und die zeitliche Nacheilung zwischen den sowohl vom Laser-Scanner als auch vom GPS-System erzeugten Daten zu bestimmen.
Im Ergebnis der Eichung kann die digitale Geländekarte mit großer Genauigkeit, z. B. ±0,2 m, konstruiert werden.
Insbesondere können durch den Eichschritt sieben Versätze bestimmt werden:
Der Abstand von der GPS-Antenne zum Mittelpunkt des Laser-Scanners, d. h. die x-, y- und z-Versätze, insgesamt drei Werte.
Die installierten Roll-, Nick- und Gierwinkel der Laser-Scanner-Baugruppe in Bezug auf den Schürfkübelbagger, weitere drei Werte. Und,
Die zeitliche Nacheilung zwischen den GPS- und den Laser-Abtast-Sensoren.
Es kann eine Anzahl von Eichungen ausgeführt werden, um die Systemstabilität während der Zeit zu überprüfen.
Es können mehrere Markierungen verwendet werden, wobei oben auf jeder Markierung eine GPS-Antenne angeordnet werden kann, wobei der Rechtswert, der Hochwert und die Höhe aufgezeichnet werden.
Die 2D-Position der Vermessungspfosten, wie sie vermessen werden, kann auf die entsprechenden Daten ausgerichtet werden, die durch das digitale Geländeabbildungssystem unter Verwendung eines iterativen Algorithmus des nächsten Punktes (ICP-Algorithmus) geschätzt werden.
Die durch den Eichschritt bestimmten sieben Versätze können unter Verwendung eines genetischen Algorithmus, einer Bündeleinstellung oder irgendeiner anderen geeigneten Technik optimiert werden.
Die sowohl durch den Laser-Scanner als auch durch das GPS-System erzeugten Daten, während sich die Maschinerie dreht, können mit einem Zeitstempel versehen werden. Insbesondere kann die Position der GPS-Antenne zum von dem Laser-Scanner gemeldeten Zeitpunkt berechnet werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung Gerätschaft für die Verwendung mit dem Verfahren, wobei die Gerätschaft umfasst: einen 2D-Laser-Scanner und ein RTK-GPS-System mit hoher Genauigkeit, die zusammen in einer festen Beziehung zueinander und zusammen mit Befestigungsmitteln angebracht sind, um die Gerätschaft an einer Extremität eines Elements der großen sich drehenden Maschinerie anzubringen.
Die Gerätschaft kann außerdem einen eingebetteten PC umfassen, um sowohl mit dem Laser- als auch mit dem GPS-System eine Schnittstelle zu bilden und um Daten zu speichern und Geländekarten zu erzeugen.
Der Laser kann ein Gesichtsfeld von 60 Grad besitzen. Die Befestigungsmittel können so konstruiert sein, um den Laser nach unten mit einer leichten Schrägstellung zu orientieren, um zu vermeiden, dass irgendwelche Kabel, die neben dem Befestigungspunkt nach unten hängen, gesehen werden.
Das GPS-System kann seine Position im 3D-Raum mit einer Genauigkeit von 2 cm zurückschicken.
Die Gerätschaft kann verwendet werden, um digitale Geländekarten zu konstruieren, während sich die große sich drehende Maschinerie in Gebrauch dreht.
Die erzeugten Karten können in Planungs- oder Konstruktions-Software geladen werden.
Für die Bedienungsperson der großen sich drehenden Maschinerie kann ein Visualisierungswerkzeug vorgesehen sein, so dass sie das Gelände um die Maschinerie aus jedem Winkel betrachten kann.
Die Karten können in das automatische Steuersystem der großen sich derhenden Maschinerie integriert werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Ein Beispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, worin:
1 eine graphische Darstellung des digitalen Geländeabbildungssystems (DTM-Systems) ist.
2 ein Aufriss des DTM-Systems ist.
3 ein Bild der Rohdaten des Laser-Scanners ist.
4 eine graphische Darstellung des DTM-Koordinatensystems ist.
5 eine graphische Darstellung der Vermessungsdaten von 23 Pfosten ist.
6 eine graphische Darstellung ist, die die typische Positionierung der RTK-GPS-Basisstation, der Empfänger und eines Repeaters zeigt.
7 eine graphische Darstellung der Position der RTK-GPS-Antenne während einer Eich-Schwenkbewegung ist.
8(a) eine graphische Darstellung der Variation des Rechtswerts des DTM-Systems während einer Eich-Schwenkbewegung ist.
8(b) eine graphische Darstellung der Variation des Hochwerts des DTM-Systems während einer Eich-Schwenkbewegung ist.
8(c) eine graphische Darstellung der Variation der Höhe des DTM-Systems während einer Eich-Schwenkbewegung ist.
8(d) eine graphische Darstellung des GODP-Signals während einer Eich-Schwenkbewegung in Bezug auf den Rechtswert, den Hochwert und die Höhe in den 8(a)–(c) ist.
9 eine graphische Darstellung des ursprünglichen geneigten Kreises einer Eich-Schwenkbewegung und eines für die Interpolation erzeugten horizontalen Kreises ist.
10 eine graphische Darstellung der Laser-Positions-Interpolation zwischen den GPS-Daten ist.
11 eine graphische Darstellung der Höhe der GPS-Antenne über dem horizontalen Kreis nach 9 ist.
12 eine unbearbeitete Laser-Abtastung ist, die Auslegertreffer und ”Kein-Zurücksenden”-Daten zeigt.
13 eine graphische Darstellung des Koordinatensystems des Laser-Scanners ist.
14 eine einzelne gedrehte Laser-Abtastung ist, die ein Kettenglied und eine Bank zeigt.
15 eine graphische Darstellung der Translationsversätze zwischen der GPS-Antenne und dem Abtastmittelpunkt des Laser-Scanners ist.
16 ein 3D-Punktwolkenbild mit vom Mittelpunkt ausstrahlenden Abtastlinien ist.
17 eine graphische Darstellung der Intensität längs einer einzelnen Laser-Abtastung ist, die ein rückstrahlendes Ziel enthält.
18 eine graphische Darstellung der 2D-Position der Zielpunkte und der verschmolzenen Ziel-Schwerpunkte ist.
19 eine graphische Darstellung der 2D-Position der Vermessungspfosten, wie sie vermessen werden (Kreise) ist, denen die vom DTM-System abgeleitete Schätzung der Position der Vermessungspfosten (Sterne) überlagert ist.
20(a) eine graphische Darstellung ist, die die Konvergenz der Fitness-Funktion f_mse während der GA-Durchläufe zeigt.
20(b) eine graphische Darstellung ist, die die Konvergenz der Fitness-Funktion f_wmse während der GA-Durchläufe zeigt.
21 das durch das DTM-System unter Verwendung der optimalen Versatzparameter erzeugte endgültige 3D-Bild ist, wobei das Mittelloch gefüllt ist.
Beste Ausführungsarten der Erfindung
In den 1 und 2 umfasst eine Gerätschaft für Erdarbeiten 10 einen Schürfkübelbagger, ein Haus 12, einen Mast 14 und einen Ausleger 16. Die Hebezeugtrossen 18 tragen einen Becher 20, wobei die Gerätschaft arbeitet, um den Becher 20 zu verwenden, um Abraum von der Erzhalde 22 zu bewegen. Um dies auszuführen, dreht sich der ganze Schürfkübelbagger um eine bei 24 angegebene vertikale Achse.
Ein digitales Geländeabbildungssystem (DTM-System) 30 ist an dem Schürfkübelbagger 10 an der Spitze 26 des Auslegers angebracht. Das DTM-System 30 umfasst drei Hauptelemente, die alle an der Spitze 26 des Auslegers angebracht sind:
Einen 2D-Laser-Scanner 32, der ein Gesichtsfeld von 60 Grad aufweist, dessen Abtastebene so festgelegt ist, dass sie fast unterhalb des Auslegers des Schürfkübelbaggers verläuft; siehe 15. Sie ist etwas zu einer Seite geneigt, um zu vermeiden, dass der Laser den Becher 20 und die Trossen 18 abbildet. Der Laser-Scanner bildet das Bodenprofil ab.
Ein kinematisches Echtzeit-Globalpositionierungssystem (RTK-GPS) 34 mit hoher Genauigkeit, das seine Position im 3D-Raum mit einer Genauigkeit von 2 cm zurückschickt; siehe 15.
Einen eingebetteten PC, der verwendet wird, um mit dem Laser und dem GPS-System eine Schnittstelle zu bilden, um Daten zu speichern und die Geländekarten zu erzeugen.
Das DTM-System 30 konstruiert die Karten, während sich der Schürfkübelbagger um seine Mittelachse 24 dreht. Dies erzeugt eine Datenmenge, die viele einzelne Linien der Abtastdaten enthält. 3 zeigt die Daten von einer vollständigen 360-Grad-Drehung. Die radialen Linien umfassen jede eine vollständige 2D-Abtastung von dem Laser. Der Laser 32 arbeitet bei 10 Hz, was bedeutet, dass er zehn vollständige Abtastungen pro Sekunde ausgibt.
Um eine digitale Geländekarte herzustellen, müssen die durch den Laser-Scanner 32 erzeugten Daten ”zusammengenäht” werden. Dies wird unter Verwendung der vom neben dem Laser-Scanner angebrachten RTK-GPS-System 34 gemeldeten Positionsdaten ausgeführt. Die relative Position und die relativen Winkel des Laser-Scanners in Bezug auf den Schürfkübelbagger sind nicht mit irgendeinem Grad der Genauigkeit bekannt, da es nicht möglich ist, sie leicht zu messen. Diese Werte können jedoch mit irgendeiner Genauigkeit geschätzt werden, indem eine Systemeichung ausgeführt wird. Die aus der Eichung zu bestimmenden sieben Unbekannten sind:
Der Abstand von der GPS-Antenne zum Mittelpunkt des Laser-Scanners, d. h. die x-, y- und z-Versätze, insgesamt drei Werte.
Die installierten Roll-, Nick- und Gierwinkel der Laser-Scanner-Baugruppe in Bezug auf den Schürfkübelbagger, weitere drei Werte. Und,
die zeitliche Nacheilung zwischen den GPS- und den Laser-Abtast-Sensoren.
Diese sieben Unbekannten werden zusammen als ”Versätze” bezeichnet.
Die Eichung findet statt, nachdem das DTM-System 30 an dem Schürfkübelbagger installiert worden ist. Die Werte der durch die Eichprozedur geschätzten Versätze sind physische Konstanten und sollten sich nicht ändern. Wenn jedoch das System, z. B. durch eine Wartung, physisch gestört wird, dann würde eine neue Eichung erforderlich sein. Es kann eine Anzahl von Eichungen ausgeführt werden, um die Systemstabilität während der Zeit zu überprüfen.
Der Eichprozess umfasst das Anordnen von Markierungen um den Schürfkübelbagger 10 und das Vermessen der Position dieser Markierungen unter Verwendung des RTK-GPS. Die Ziele bestehen aus flachen 40 × 40-cm-Platten aus Aluminium, die in ein rückstrahlendes Band eingehüllt sind. Der Laser-Scanner kann diese Ziele leicht sehen, da sie ein sehr hohes Reflektionsvermögen besitzen, wie es im Intensitätskanal des Lasers gemeldet wird. Die Ziele sollten um den Schürfkübelbagger innerhalb des Abstands des Auslegerradius angeordnet sein, d. h. nicht weiter außen als die Spitze des Auslegers. Es werden zwanzig bis dreißig Ziele verwendet, wobei sie oben auf Sternpfählen angeordnet werden. Eine GPS-Antenne ist oben auf jedem Ziel angeordnet, wobei der Rechtswert, der Hochwert und die Höhe aufgezeichnet werden.
Dann wird der Schürfkübelbagger über die Markierungen geschwungen, wobei eine Menge von Eichdaten gesammelt wird. Dann wird ein Eichalgorithmus offline an den Eichdaten ausgeführt, wobei die Ausgaben dieses Algorithmus die Schätzwerte der sieben Versätze sind.
Für das DTM-System 30 wird ein rechtshändiges Koordinatensystem gewählt, wobei die x-Achse in der Ostrichtung, die y-Achse in der Nordrichtung und die z-Achse in die Höhe ausgerichtet ist; siehe 4. Wenn der Ausleger des Schürfkübelbaggers genau nach Osten zeigt, wird gesagt, dass der Schürfkübelbagger einen Drehwinkel von null besitzt. Ein genau nach Norden zeigender Ausleger besitzt 90 Grad usw.
Das Ziel einer Eichvermessung besteht darin, eine Geländekarte zu erzeugen, die identifizierbare Merkmale enthält, die einen genau bekannten Ort besitzen. Weil der Laser-Scanner sowohl die Intensität eines Punktes als auch seine Entfernung zurückschicken kann, wird das rückstrahlende Band oben auf den 40 × 40-cm-Zielen angeordnet, um die automatische Merkmalsextraktion leichter zu machen.
Bei einer Eichvermessung wurden dreiundzwanzig Vermessungspfosten (Markierungen) um den Schürfkübelbagger in Positionen angeordnet, die unter dem Ausleger liegen, wenn sich der Schürfkübelbagger dreht. Die Position jedes Pfostens wurde dann unter Verwendung eines RTK-GPS-Vermessungssystems vermessen, das zu jenem ähnlich ist, das an der Spitze des Auslegers installiert ist. Die Vermessungsdaten von der Vermessung der dreiundzwanzig Pfosten sind in 5 gezeigt. Die gesamte Vermessungsoperation erforderte etwa eine Stunde bis zum Abschluss.
Während einer Eichvermessung empfängt das RTK-GPS-System 34 mit hoher Genauigkeit, das an der Spitze des Auslegers angebracht ist, ein Korrektursignal, das von einer RTK-GPS-Basisstation 40 gesendet wird, die sich mehrere Kilometer entfernt von dem Schürfkübelbagger befinden kann. Ein auf einem hohen Gelände angebrachter Repeater 42, der die Vermessungs-Sichtweite überblickt und sich in der Sichtlinie der Spitze des Auslegers und der Merkmalsziele befindet, könnte außerdem erforderlich sein, siehe 6.
Die Prozedur zum Erzeugen der digitalen Geländekarte, die für die Eichung verwendet wird, umfasst die folgenden Schritte:
Schwingen des Schürfkübelbaggers 10 um die Achse 24 über den vermessenen Zielen 38 und Sammeln der Eichdaten vom Laser-Scanner 32.
Interpolierten der Position und der Orientierung des Laser-Scanners 32 aus den Positionsdaten vom RTK-GPS-System 34.
Erzeugen einer digitalen Geländekarte des Punktwolkentyps unter Verwendung der Laser-Scanner-Daten und der interpolierten Positions- und Orientierungsdaten.
Es gibt zwei Quellen eines möglichen Fehlers. Erstens sind der Laser-Scanner 32 und das GPS-System 34 nicht synchronisiert, und zweitens kann das RTK-GPS-System nur die x-, y- und z-Position melden, wobei es keine Orientierungsinformationen direkt bereitstellt.
7 zeigt eine graphische 3D-Darstellung der RTK-GPS-Position während einer vollständigen Eich-Schwenkbewegung. Die Figur zeigt, dass sich die Spitze des Auslegers auf einem kreisförmigen Weg bewegt, der in Bezug auf die Horizontale geneigt ist. 7 zeigt außerdem eine Spitze 50 oben an dem geneigten Kreis, wobei sich diese wahrscheinlich aus der Schwierigkeit beim Erhalten einer RTK-GPS-Verriegelung genau vor dem Sammeln dieser Daten ergibt.
8(a), (b) und (c) zeigen die Geschwindigkeiten in den drei Richtungen: Rechtswert, Hochwert bzw. Höhe. Diese Geschwindigkeiten wurden berechnet, indem die Positionsdaten von dem RTK-GPS-System differenziert wurden. Die graphischen Darstellungen zeigen eine Anzahl kleiner Spitzen in allen drei Richtungen mit einer sehr großen Spitze im Höhensignal etwa bei der 72-Sekunden-Markierung. 8(d) zeigt die sogenannte geometrische Abschwächung der Genauigkeit (GDOP), die ein Maß der Gesamtunsicherheit in einer GPS-Positions-Lösung ist. Je niedriger die GDOP, desto besser. Es ist offensichtlich, dass sich die GDOP bei der 72-Sekunden-Markierung signifikant vergrößert und mit der Spitze in der Höhe übereinstimmt. Die einer Zunahme der GDOP zugeordneten Spitzen können leicht herausgefiltert werden. Es wird ein GDOP-Schwellenwert von 5,0 verwendet, wobei alle Daten mit einem gemeldeten GDOP-Wert, der größer als dieser Schwellenwert ist, ignoriert werden. Es ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt kein Versuch unternommen worden, um die den kleineren Spitzen zugeordneten Daten herauszufiltern.
Wie in 9 zu sehen ist, ist der Kreis, den die Spitze des Auslegers im 3D-Raum durchläuft, in Bezug auf die Horizontale signifikant geneigt. Dies impliziert, dass der Laser-Scanner außerdem geneigt ist, wie er sich mit der Spitze des Auslegers dreht. Die zugeordnete Änderung der Roll- und Nickwinkel muss berücksichtigt werden, wenn die digitale Geländekarte erzeugt wird. Ein einfacher Weg, die Roll- und Nickwinkel zu berechnen, besteht darin, die Roll- und Nickwinkel einer Ebene der besten Anpassung durch die Kreisdaten zu finden. Dies kann unter Verwendung einer Standard-Ebenenanpassungstechnik, wie z. B. der Minimierung der Summe der quadrierten Fehler, ausgeführt werden. Dieser Algorithmus findet die Koeffizienten der Ebenengleichung z = Ax + By + C. Der Becher-Rollwinkel (φ_tub) (die Derhung um die x-Achse) und der Becher-Nickwinkel (θ_tub) (die Drehung um die y-Achse) sind dann durch die folgenden Gleichungen gegeben: φ_tub = arctan(B), θ_tub = –arctan(A). (1)
Das Anpassen einer Ebene unter Anwendung des obigen Verfahrens auf die in 9 gezeigten Daten (wobei die GPS-Spitze entfernt worden ist) ergibt Tiltwinkel von –1,66 Grad für das Rollen und 0,63 Grad für die Nickbewegung.
Obwohl 1,66 Grad klein erscheint, wird dies in einen Höhenunterschied von 2,5 m an der Spitze des Auslegers übersetzt.
Weil der Laser-Scanner und das GPS-System nicht synchronisiert sind, muss die Position des Laser-Scanners, wenn jede Abtastung aufgenommen wurde, aus den GPS-Daten interpoliert werden. Durch den protokollierenden Computer werden sowohl die Laser-Scanner-Daten als auch die GPS-Daten mit einem Zeitstempel versehen, wenn sie empfangen werden. Diese Zeitmessungsdaten erlauben, dass die Position des Laser-Scanners geschätzt wird. Die entwickelte Prozedur basiert auf der Drehgeschwindigkeit der Spitze des Auslegers um den Kreis. Was tatsächlich berechnet wird, ist die Position der GPS-Antenne zum durch den Laser-Scanner gemeldeten Zeitpunkt. Die entwickelte Prozedur ist wie folgt:
Erstens wird das 3D-GPS in Bezug auf den Mittelpunkt des Drehkreises erneut berechnet. Es wird angegeben, dass dieser Punkt als der Mittelpunkt zwischen den x_GPS-, y_GPS- und z_GPS-Extremen und nicht als der Mittelwert der x_GPS-, y_GPS- und z_GPS-Daten berechnet wird. Die Koordinaten des Mittelpunkts der Drehung sind durch (x_c, y_c, z_c) gegeben, wobei deshalb jeder GPS-Punkt wie folgt verschoben wird:
Zweitens werden die nun zentrierten 3D-GPS-Daten gedreht, um zu bewirken, dass sie horizontal erscheinen, d. h., sie werden wie folgt um -ϕ_tub Grad gedreht und es wird eine Nickbewegung um –θ_tub Grad ausgeführt:
Dies führt zu einem horizontalen Kreis 60, wie in 9 gezeigt ist.
Drittens werden für jede Laser-Abtastung und unter Verwendung des Zeitpunkts, zu dem die Abtastung protokolliert wurde, (zum Zeitpunkt t₀), die gerade vor der Abtastung (zum Zeitpunkt t_-l) protokollierte RTK-GPS-Position und die gerade nach der Abtastung (zum Zeitpunkt t_l) protokollierte GPS-Position festgestellt, siehe 10. Für jeden gedrehten GPS-Datenpunkt wird dann der Gierwinkel (Ψ_i) vom Mittelpunkt des Kreises zum gedrehten GPS-Datenpunkt wie folgt berechnet:
Es wird angenommen, dass sich die Spitze des Auslegers mit einer konstanten Geschwindigkeit zwischen aufeinanderfolgenden GPS-Datenpunkten bewegt, wobei deshalb die Giergeschwindigkeit Ψ . wie folgt berechnet wird:
Der Gierwinkel (Ψ_scan) zum Laser-Scanner-Zeitpunkt (t_scan) wird wie folgt berechnet:
wobei Δt ein konstanter Wert ist, der die zeitliche Nacheilung zwischen den Sensoren, die ihre Daten erhalten, und dem protokollierenden Computer, der die Daten empfängt, repräsentiert. Ein einzelner Δt-Wert repräsentiert die Sensor-zu-Computer-Nacheilung sowohl des GPS als auch des Laser-Scanners. Es wird angegeben, dass Δt einer der unbekannten Parameter ist, der am Ende des Eichprozesses geschätzt werden muss.
Viertens wird für jede Laser-Abtastung (bei gegebenem Gierwinkel Ψ_scan) die entsprechende kartesische Position (x₀, y₀, z₀) berechnet. Die Werte für x₀ und y₀ werden wie folgt berechnet: x₀ = Rcos(Ψ_scan), y₀ = Rsin(Ψ_scan), (7) wobei R der Radius des Kreises ist und wie folgt berechnet wird:
Es wird angegeben, dass für die hier betrachtete Datenmenge R als 87,05 m berechnet wurde. Entsprechend der Betriebsanleitung des Schürfkübelbaggers beträgt der Abladeradius 87 m.
Fünftens wird für jede Laser-Abtastung die entsprechende kartesische Höhe z berechnet. Weil mit einer 2D-Drehscheibe gearbeitet wird, würde erwartet werden, dass die Höhe über der Scheibe (z_h) null sein würde. 11 zeigt, wie sich die Höhe über der 2D-Scheibe während der Zeit für eine vollständige Eich-Schwenkbewegung ändert. Es wird beansprucht, dass die Genauigkeit des RTK-GPS-Systems in der Größenordnung von 2 cm liegt, daher ist es aus 11 offensichtlich, dass die Höhenvariation mehr als nur ein Sensorrauschen ist (das wahrscheinlich die Hochfrequenzkomponente ist, die während der Schwenkbewegung deutlich sichtbar ist). Die größeren allgemeinen Änderungen in der Höhe sind wahrscheinlich echt und werden wahrscheinlich durch die Bewegung des Bechers und der Trossen verursacht.
Um die z-Position für die Laser-Abtastung zu berechnen, wird angenommen, dass sich die Höhe mit einer konstanten Geschwindigkeit zwischen den GPS-Daten ändert. Der Wert von z₀ wird deshalb wie folgt berechnet:
Sechstens wird für jede Laser-Abtastung die Position in der 2D-Scheibe (x₀, y₀, z₀) um die Becher-Tiltwinkel (ϕ_tub und θ_tub) gedreht, um die Position zurück in die geneigte Ebene zu setzen, wobei dann die Mittelpunkt-Versatzwerte addiert werden, um die endgültige Position (x_scan, y_scan, z_scan) zu erhalten:
Unter Verwendung der Laser-Scanner-Daten und der berechneten interpolierten Positions- und Orientierungsdaten kann eine Punktwolken-DTM erzeugt werden. Die an jedem Datenpunkt von jeder Laser-Abtastung ausgeführten Schritte werden im Folgenden ausführlich erklärt:
Einige Punkte in den Abtastdaten sollten aus den folgenden Gründen nicht verwendet werden:
Kein Zurücksenden – könnte darauf zurückzuführen sein, dass der Laser-Strahl ein absorbierendes Material trifft, ein Material trifft, das den Strahl weg reflektiert, kein Material innerhalb der Reichweite des Lasers trifft usw. Diese Punkte können aussortiert werden und können durch den Nullwert des zurückgeschickten Intensitätsimpulses vom Laser-Scanner und durch ihren Reichweiten-Zurücksendewert von null identifiziert werden.
Frühes Zurücksenden – könnte auf Insekten, Regen usw. zurückzuführen sein. Diese Punkte können aussortiert werden, indem die Punkte verworfen werden, die näher als ein minimaler Abstandsschwellenwert (z. B. ein Wert von 10 m) sind.
Auslegertreffer – darauf zurückzuführen, dass der Laser-Scanner zu weit zurück in Richtung auf den Ausleger geneigt ist und dass die ersten Segmente einer Abtastung die Auslegerstruktur treffen. Diese Punkte können aussortiert werden, indem eine einzelne Abtastung vom Laser-Scanner graphisch dargestellt wird und vermerkt wird, welche Segmente den Ausleger treffen; siehe 12. Alle Daten aus diesen Segmenten können dann aussortiert werden. Es wird angegeben, dass die Segmente 0 bis 12 die Auslegerstruktur treffen (dies entspricht gerade mehr als 1 Grad).
Der Laser-Scanner gibt die Daten in einer Polarform aus, Entfernung r und Richtung β. Unter Bezugnahme auf 13 sind deshalb die kartesischen Koordinaten (x_l, y_l, z_l) eines Punkts P durch x_l = rsinβ, y_l = 0, z_l = –rcosβ (11) gegeben. Es wird angegeben, dass das in 13 gegebene Laser-Scanner-Koordinatensystem bedeutet, dass die y-Werte null sind, d. h., die Abtastebene ist die xz-Ebene des Laser-Scanners, und dass die z-Werte immer negativ sind (zum Boden zeigen).
Der Laser ist mit einem signifikanten Rollen (um seine x-Achse) von etwa 7 Grad (mit einem positiven Wert, der nach links vom Ausleger weggeht, wenn aus dem Schürfkübelbagger herausgesehen wird) an der Spitze des Auslegers angebracht. Ein Wert von 7 Grad wurde gewählt, da dies die Abtastebene etwa 7 m aus der Mittellinie des Auslegers bewegt und folglich eine angemessene Möglichkeit ergibt, dass die Laser-Ebene an dem Becher und den Trossen vorbeikommt. Der Wert von 7 Grad konnte jedoch nur während der Installation approximiert werden, wobei folglich dieser Rollwinkel (der Rollversatz ϕ_offset) einer der Eichversätze ist. Der Laser ist außerdem in der Nickrichtung (um seine y-Achse) geneigt. Der Nickwinkel wird unter Verwendung eines Servomechanismus gesteuert und kann über den protokollierenden Computer geändert werden. Das Ändern des Nickwinkels erlaubt, dass digitale Geländedaten bei verschiedenen Radien vom Schürfkübelbagger hergestellt werden. Bei dieser Arbeit war der Laser etwa 30 Grad rückwärts zum Ausleger geneigt (eine positive Neigung um die y-Achse). Der Laser besaß ein Gesichtsfeld von 60 Grad, so dass eine Neigung von 30 Grad den Laser-Scanner in eine Position versetzt, um das Gelände von der Spitze des Auslegers zurück zum Becher abzubilden (1). Der Nick-Tilt-Wert θ_servo von der Servoeinheit ist durch den protokollierenden Computer lesbar und wird deshalb für die Eichung verwendet. Dieser Winkel ist jedoch der relative Winkel zwischen der Servoeinheit und dem Laser-Scanner und misst nicht den Winkel zwischen dem Laser-Scanner und einer Vertikalen. Ein zweiter Versatz (der Nickversatz θ_offset) ist deshalb erforderlich, um den unbekannten Nickwinkel zu schätzen.
Die Art, in der der Laser-Scanner angebracht ist, bestimmt, in welcher Reihenfolge die Drehungen angewendet werden müssen. Der Schürfkübelbagger kann z. B. den Laser-Scanner zuerst rollen und dann an ihm eine Nickbewgung ausführen. Die Drehung wird deshalb an dem durch (x_l, y_l, z_l) gegebenen Punkt P ausgeführt, was zu einem Punkt P' wie folgt führt:
14 zeigt das Ergebnis der obigen Drehungen bei einer einzelnen Laser-Abtastung. Für dieses Beispiel wurde für ϕ_offset ein Wert von 7 Grad, für θ_offset von 0 und für θ_servo von 23,5 Grad verwendet. Die einzelne Laser-Abtastung repräsentiert eine Scheibe durch das Gelände, wobei das flache Kettenglied auf der linken Seite deutlich sichtbar ist, während sich die Abbau-Bank nach unten in die Grube bewegt.
Die Position des Laser-Scanners 32 im 3D-Raum wird unter Verwendung des RTK-GPS-Systems 34 gemessen. Das RTK-GPS-System 34 misst jedoch die Position der GPS-Antenne. Die GPS-Antenne ist über dem Laser-Scanner an der Haltestange der Spitze des Auslegers angebracht, während der Laser-Scanner 32 unter dem Boden des Laufganges der Spitze des Auslegers angebracht ist. Es gibt drei Versatzwerte (x_offset, y_offset, z_offset), die den Versatz des Mittelpunkts des Laser-Scanners zur GPS-Antenne spezifizieren; siehe 15. Die nächste Stufe des Prozesses ist deshalb, die Laser-Abtastdaten P' durch die Translationsversatzbeträge zu verschieben, um den durch (x_l*, y_l*, z_l*) gegebenen P* zu liefern. Dies wird wie folgt ausgeführt:
Die letzte Stufe besteht darin, die Laser-Daten (den Punkt P*) in das endgültige Minen-Koordinatensystem zu transformierten. Die interpolierte Position und die Orientierung des Laser-Scanners sind oben gefunden worden. Die Laser-Scanner-Daten müssen deshalb um die Orientierung der Abtastung gedreht und um ihre Position verschoben werden. Die Reihenfolge der Drehungen ist durch die Geometrie vorgeschrieben, wobei sie zuerst das Gieren, dann das Nicken und dann das Rollen ist. Die vollständige Transformation ist wie folgt:
Es wird angegeben, dass die Gierdrehung eine zum Ψ_scan-Wert hinzugefügte zusätzliche Komponente aufweist. Dies ist der Gierversatz Ψ_offset und repräsentiert den unbekannten Gierwinkel-Versatz des Laser-Scanners in Bezug auf den Ausleger. Dieser Versatzwinkel ist klein, aber äußerst wichtig.
Wenn die obige Prozedur an jedem Laser-Scanner-Datenpunkt in den Eichdaten ausgeführt wird, kann eine Punktwolken-Datenmenge erzeugt werden, wie in 16 gezeigt ist. Dieses Bild zeigt die Wolkenpunktdaten in 3D. Die Höhe jedes Punktes wird durch (nicht gezeigte) Farbe repräsentiert. Die einzelnen Abtastlinien, die vom Mittelpunkt der Daten ausstrahlen, können in 16 leicht gesehen werden. Das Loch am Mittelpunkt der Daten ist zu beachten. Dies ist der durch den Schürfkübelbagger abgedeckte Bereich und außerdem der dem Schürfkübelbagger unmittelbar benachbarte Bereich, wo der Strahl des Laser-Scanners (auf Grund seines Gesichtsfelds von 60 Grad) nicht hinreicht.
Es ist entscheidend, dass die Vermessungsziele in den Punktwolkendaten automatisch erfasst werden können. Die für die Eichung verwendeten Vermessungsziele bestehen aus flachen rückstrahlenden 40 × 40-cm-Platten, die an der Spitze eines Sternpfahls angebracht sind. Der Laser-Scanner schickt sowohl einen 8-Bit-Intensitätswert (256-Wert) für jedes zurückgeschickte Datenstück als auch die Entfernung und die Richtung zurück. 17 zeigt die graphische Darstellung der Intensität von einer einzelnen Laser-Abtastung für eine Abtastung, deren Strahl ein Ziel trifft. Aus 17 ist offensichtlich, dass die Ziele deutlich aus dem Boden herausragen. Die Auslegerreflexionen auf der linken Seite der Figur sind zu beachten (diese werden in der Analyse weggelassen). Die erste Stufe der Ziellokalisierungsprozedur ist deshalb, alle Punkte anhand der Intensität mit einem Schwellenwert zu vergleichen. Für diese Arbeit wurde ein Wert von 75 verwendet, wobei alle Punkte mit einem Intensitätswert über 75 als wahrscheinliche Vermessungsziele betrachtet werden.
Jedes Ziel kann eine Anzahl von Laser-Punkten besitzen, die ihm zugeordnet sind. Benachbarte Zielpunkte werden deshalb mit dem Schwerpunkt der Punkte identifiziert, der als der Ort jedes Ziels verwendet wird. 18 zeigt die einzelnen Zielpunkte und den verschmolzenen Zielort (für die Klarheit nur in zwei Dimensionen). Es wird angegeben, dass in 18 100 Zielpunkte 19 möglichen Zielen entsprechen, wobei der Schwellenwert der Nachbarschaft auf 1 m gesetzt war (d. h. alle Punkte innerhalb von 1 m beieinander wurden als zum gleichen Ziel gehörend betrachtet). Die Ziele wurden außerdem nur als gültig betrachtet, wenn jedem 3 oder mehr Punkte zugeordnet waren. Diese Beschränkung verwirft Ausreißer, wie z. B. den auf der äußersten rechten Seite der 18 zu sehenden Punkt, der Rauschen ist.
Der nächste Schritt besteht darin, zu identifizieren, welches Ziel mit welcher Vermessungsmarkierung übereinstimmt, dem sogenannten Übereinstimmungsproblem. 19 zeigt die 2D-Position der Ziele, die auf die Vermessungskarte der Pfosten überlagert ist. Die Position der in der Figur gezeigten Ziele wurde unter Verwendung einer anfänglichen Annahme (Schätzung) der sieben Versatzparameter berechnet. Die aus 19 zur Kenntnis zu nehmenden Punkte sind:
Die anfängliche Annahme ist ziemlich gut, aber bei einem typischen Fehler von über 1–2 m nicht gut genug.
Fünf der Vermessungsmarkierungen sind durch das Laser-Abtast-System nicht entdeckt worden.
Es gibt einen ”falsch positiven”, der sich bei (–30, 10) in der Figur befindet, der keinem Vermessungspfosten entspricht. Dieser entspricht tatsächlich dem Dach eines geparkten Fahrzeugs.
Die zwei Datenmengen (Vermessung und gemessen) werden unter Verwendung einer Datenregistrierungstechnik ausgerichtet, wie z. B. dem interaktiven Algorithmus des nächsten Punktes (ICP-Algorithmus). Der ICP-Algorithmus ist eine häufig verwendete Technik, die für die Datenregistrierung verwendet wird. Bei jeder Iteration erzeugt er zuerst die genauesten Punktübereinstimmungen zwischen zwei Datenmengen, wobei er dann den durchschnittlichen Abstand der Kopplungen durch eine starre Transformation minimiert. Der ICP-Algorithmus wird beendet, wenn der durchschnittliche Abstand unter einen bestimmten Schwellenwert (0,2 m in diesem Fall) fällt. Das Ergebnis des ICP-Algorithmus ist eine Transformation, die die räumliche Beziehung zwischen den zwei Datenmengen beschreibt (die nicht für den in diesem Dokument beschriebenen Eichprozess verwendet wird) und eine Liste der Übereinstimmungen zwischen den zwei Datenmengen.
Die letzte Stufe des Eichprozesses ist die der Optimierung. Es müssen die optimalen Werte der sieben Versätze gefunden werden, die die genaueste Position der reflektierenden Markierungen im Vergleich zu den Vermessungswerten erzeugen. Es sind anfängliche Schätzungen der Versätze vorhanden, wobei außerdem der Bereich geschätzt werden kann, den die Versätze einnehmen können. Eine erschöpfende Suchoptimierung dauert zu lange, weil es sieben Parameter gibt, daher wurde statt dessen die Verwendung einer Optimierungstechnik gewählt. Der genetische Algorithmus (GA) ist ein Beispiel einer Optimierungstechnik.
Der Erfolg der Optimierung einschließlich eines GA ist von der verwendeten Fitness-Funktion abhängig. Es wurde mit zwei Fitness-Funktionen ein Versuch unternommen. Die erste verwendete Fitness-Funktion war das Standardmaß f_mse des mittleren quadratischen Fehlers (MSE). Wenn die Vermessungsdaten durch (x_i ^s, y_i ^s, z_i ^s) gegeben sind und die laser-erzeugten Positionen der Punkte durch (x_i ^l, y_i ^l, z_i ^l) gegeben sind, dann ist die MSE-Fitness-Funktion durch:
gegeben. Die zweite verwendete Fitness-Funktion war ein entsprechend dem Abstand jedes Punktes von allen anderen Punkten gewichtetes Maß des mittleren quadratischen Fehlers. 19 zeigt, dass die Pfosten nicht gleichmäßig um den Schürfkübelbagger verteilt sind. Die Punkte oben in und auf der rechten Seite der Figur sind viel weiter als der Rest entfernt, wobei es wichtig ist, dass den Fehlern von diesen Pfosten eine signifikante Gewichtung gegeben wird. Die sogenannte Fitness-Funktion f_wmse des gewichteten mittleren quadratischen Fehlers (WMSE) wurde deshalb entwickelt. Die WMSE-Fitness-Funktion ist durch:
gegeben, wobei w_i durch
gegeben ist, wobei dies die Summe der Abstände vom Punkt i zu jedem anderen gefunden Punkt ist.
Der Typ des verwendeten GA war ein sogenannter ”einfacher GA”1

1: David Edward Goldberg, Genetic Algorithms in Search and Oprimization, Addison-Wesley Pub. Co., 1989

2

2: Matthew Wall, GAlib C++ library, http://lancet.mit.edu/ga/, 2000

Die Werte der sieben Versatzparameter waren auf den in der Tabelle 1 gegebenen Bereich eingeschränkt.

Versatz	Minimum	Maximum
X	–0,5 m	0,5 m
Y	–0,5 m	0,5 m
Z	–2,0 m	–0,5 m
Rollen	0,0 rad	0,3 rad
Nicken	–0,06 rad	0,06 rad
Gieren	–0,05 rad	0,05 rad
zeitliche Nacheilung	0,0s	0,1 s

Tabelle 1: Die durch den GA verwendeten Versatzbereiche.

20 zeigt die Ergebnisse von zwei GA-Durchläufen unter Verwendung der Fitness-Funktionen f_mse und f_wmse. Aus diesen beiden Figuren ist offen

sichtlich, dass der GA sehr schnell konvergiert und Versatzwerte erzeugt, die zu mittleren quadratischen Fehlern führen, die kleiner als 0,2 m² sind. Aus der Figur sieht es so aus, als ob die Fitness-Funktion f_mse am besten funktioniert hat (mit einem Wert von 0,165 im Vergleich zu 0,182 der f_wmse). Dies ist jedoch nicht der Fall. Für den Fall der f_wmse wird, wenn der f_mse-Wert für die gleichen Versatzwerte berechnet wird, ein Wert von 0,158 m² für den mittleren quadratischen Fehler erhalten. Die Tabelle 2 fasst die Leistung der zwei GA-Durchläufe zusammen. Das Ergebnis, auf das es wirklich ankommt, ist der maximale Fehler für ein Vermessungsziel, der für die mit f_wmse erzeugten Versatzwerte 0,65 m beträgt. Die Tabelle 3 listet die durch den GA erzeugten Versatzwerte auf. Schließlich zeigt 21 die unter Verwendung der durch den GA gefundenen optimalen Versatzwerte erzeugte DTM.

Fitness-Funktion	MSE(m²)	WMSE(m²)	maximaler Fehler (m)
f_mse	0,17	0,19	0,71
f_wmse	0,16	0,18	0,65

Tabelle 2: Zusammenfassung der GA-Leistung für die zwei verwendeten Fitness-Funktionen.

Versatz	Mix	Maximum	von GA gefunden
X	–0,5 m	0,5 m	–0,326 m
Y	–0,5 m	0,5 m	0,126 m
Z	–2,0 m	–0,5 m	–1,629 m
Rollen	0,0 rad	0,3 rad	0,138 rad
Nicken	–0,06 rad	0,06 rad	0,033 rad
Gieren	–0,05 rad	0,05 rad	0,001 rad
zeitliche Nacheilung	0,0 s	0,1 s	0,025 s

Tabelle 3: Die durch den GA gefundenen Versatzwerte.

Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, das an der Spitze des Auslegers angebrachte DTM-Abtastsystem unter Verwendung einer Eichprozedur zu eichen, die die Vermessung der Position bekannter rückstrahlender Ziele umfasst. Die Eichung ist notwendig, um die Werte der sieben unbekannten Versatzparameter (drei Abstände, drei Winkel und eine Zeitverzögerung) zu schätzen. Es ist gezeigt worden, dass es möglich ist, einen genetischen Algorithmus (GA) zu verwenden, um die Werte der Versatzparameter zu schätzen. Aus den 19 verwendeten Zielen wurde ein endgültiger Genauigkeitswert im ungünstigsten Fall von 0,65 m und ein mittlerer Fehler von 0,4 m erhalten. Der theoretisch kleinste Fehler, der aus dem Eichexperiment erwartet werden könnte, beträgt 0,2 m. Dies ist so, weil dies die halbe Breite der verwendeten Ziele ist (die 40 × 40-cm-Quadrate waren).
Es gibt eine Anzahl von Arten, in denen es möglich sein könnte, die Eichprozedur zu verbessern:
Langsamere Drehgeschwindigkeit. Die Eichdaten wurden vom Schürfkübelbagger gesammelt, der sich mit einer Drehzahl von etwa 3 grad/s drehte. Die maximale Drehgeschwindigkeit für diesen Schürfkübelbagger beträgt etwa 6 grad/s. Die Drehgeschwindigkeit führte dazu, dass nur eine einzige Abtastlinie jedes Eichziel traf. Die Position des Ziels, wie sie durch das Abtastsystem gemessen wurde, wurde als der Schwerpunkt der Zieldaten für dieses fragliche Ziel genommen. Den meisten Zielen waren eine Anzahl von zurückgeschickten Punkten zugeordnet, diese stammten aber alle von derselben Abtastung und befanden sich folglich alle in einer Linie. Die Position des Ziels kann deshalb nur mit einer Genauigkeit von ±0,2 m bestimmt werden (weil ein Ziel 0,4 m breit ist). Das Sammeln der Daten vom Schürfkübelbagger, während er sich langsamer dreht, sollte mehrere Abtastlinien über jedes Ziel erzeugen und folglich die Genauigkeit verbessern, mit der der Mittelpunkt des Ziels bestimmt werden kann. Es wird angegeben, dass der Mittelpunkt jedes Ziels vermessen wurde. Ein weiterer Weg, das gleiche Ergebnis zu erreichen, würde darin bestehen, mehrere Drehungen auszuführen.
Eine bessere Streuung der Ziele. Die Eichpfosten wurden überwiegend in einem 90-Grad-Quadranten um den Schürfkübelbagger angeordnet, wobei sich nur zwei Ziele außerhalb dieses Bereichs befanden. Diese Anordnung erfolgte auf Grund des Orts des Schürfkübelbaggers an dem Tag in Bezug auf das zugängliche Gelände und außerdem auf Grund des Problems, dass anderer Verkehr durch die Eichpfosten behindert wird. Die ideale Streuung der Ziele würde sein, sie alle um den Schürfkübelbagger in so vielen verschiedenen Entfernungen wie möglich anzuordnen.
Ein besseres GPS-Signal. Das Wählen eines Tages für die Eichung, an dem es kein signifikantes Sonnenereignis gibt, das das GPS-Signal ungünstig beeinflusst.
Eine integrierte GPS-/Laser-Halterung. Die Komplexität des Eichproblems kann in der Zukunft durch die Konstruktion einer integrierten GPS-Antennen-/Laser-Scanner-Halterung signifikant verringert werden. Das gegenwärtig installierte System umfasst separate GPS-Antennen- und Laser-Scanner-Halterungen. Drei der unbekannten Versatzparameter befassen sich mit dem Problem (die drei Positionsversätze sind die Abstände in x, y und z zwischen dem Mittelpunkt der GPS-Antenne und dem Mittelpunkt des Laser-Scanners). Wenn eine kombinierte Halterung mit bekannten Abständen zwischen der Antenne und dem Laser-Scanner hergestellt würde, dann würde das Eichproblem auf das Finden des Wertes für vier Versatzwerte (die drei Orientierungswinkel und die zeitliche Verzögerung) verringert werden.
Die Erfindung kann außer auf Schürfkübelbagger außerdem auf viele andere Typen der Maschinerie angewendet werden, einschließlich Löffelbagger, Bagger, Radlader und Krane.

Claims

Verfahren zum Erzeugen digitaler Geländekarten der Umgebung um eine große sich drehende Maschinerie, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Anbringen eines Laser-Scanners für 2 Dimensionen und eines RTK-GPS-Systems mit hoher Genauigkeit an einem Element der großen sich drehenden Maschinerie an einer radialen Extremität der Maschinerie; Anordnen des Laser-Scanners, um radiale Datenlinien aufzuzeichnen, die das Gelände unter der Extremität der Maschinerie repräsentieren; Drehen der Maschinerie vollständig um ihre Drehachse und Erzeugen von Daten, die das Gelände um die Maschinerie repräsentieren, sowohl vom Laser-Scanner als auch vom GPS-System; wobei eine Eichung durch das Aufzeichnen von Daten von Markierungen an bekannten Orten in dem Gelände unter der Extremität der Maschinerie ausgeführt wird, um die relativen Positionen des Mittelpunkts des Laser-Scanners und der GPS-Antenne, die Orientierung des Laser-Scanners und die zeitliche Nacheilung zwischen den sowohl vom Laser-Scanner als auch vom GPS-System erzeugten Daten zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sieben Versätze durch den Eichschritt bestimmt werden, nämlich: der Abstand von der GPS-Antenne zum Mittelpunkt des Laser-Scanners, d. h. die x-, y- und z-Versätze, insgesamt drei Werte; die installierten Roll-, Nick- und Gierwinkel der Laser-Scanner-Baugruppe in Bezug auf den Schürfkübelbagger, weitere drei Werte; und, die zeitliche Nacheilung zwischen den GPS- und den Laser-Abtast-Sensoren.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Anzahl von Eichungen ausgeführt wird, um die Systemstabilität während der Zeit zu überprüfen.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem mehrere Markierungen für die Eichung verwendet werden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Anordnen einer GPS-Antenne oben auf jeder Markierung und Aufzeichnen des Rechtswerts, des Hochwerts und der Höhe.
Verfahren nach Anspruch 4, das den Schritt des Ausrichtens der 2D-Position der Markierung, wie sie vermessen wird, auf die entsprechenden Daten, die durch das digitale Geländeabbildungssystem unter Verwendung eines iterativen Algorithmus des nächsten Punktes (ICP-Algorithmus) geschätzt werden, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die durch den Eichschritt bestimmten Versätze optimiert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Optimierung einen genetischen Algorithmus verwendet.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Optimierung eine Bündeleinstellung verwendet.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die sowohl durch den Laser-Scanner als auch durch das GPS-System erzeugten Daten, während sich die Maschinerie dreht, mit einem Zeitstempel versehen werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Position der GPS-Antenne zu dem von dem Laser-Scanner gemeldeten Zeitpunkt berechnet wird.
Gerätschaft, die einer großen sich drehenden Maschinerie zugeordnet ist, für die Verwendung mit dem Verfahren, wobei die Gerätschaft umfasst: einen 2D-Laser-Scanner und ein RTK-GPS-System mit hoher Genauigkeit, die zusammen in einer festen Beziehung zueinander und zusammen mit Befestigungsmitteln angebracht sind, um die Gerätschaft an einer Extremität eines Elements der großen sich drehenden Maschinerie derart anzubringen, dass der 2D-Laser-Scanner angeordnet ist, um radiale Datenlinien aufzuzeichnen, die das Gelände unter der Extremität der Maschinerie repräsentieren, wobei die Maschinerie vollständig um eine Drehachse drehbar ausgebildet ist, so dass Daten, die das Gelände um die Maschinerie repräsentieren, sowohl vom Laser-Scanner als auch vom GPS-System erzeugbar sind und eine Eichung durch das Aufzeichnen von Daten von Markierungen an bekannten Orten in dem Gelände unter der Extremität der Maschinerie ausführbar ist, so dass die relativen Positionen des Mittelpunkts des Laser-Scanners und der GPS-Antenne, die Orientierung des Laser-Scanners und die zeitliche Nacheilung zwischen den sowohl vom Laser-Scanner als auch vom GPS-System erzeugten Daten bestimmbar sind.
Gerätschaft nach Anspruch 11, die ferner einen eingebetteten PC umfasst, um sowohl mit dem Laser- als auch mit dem GPS-System eine Schnittstelle zu bilden und um Daten zu speichern und Geländekarten zu erzeugen.
Gerätschaft nach Anspruch 11 oder 12, bei der der Laser ein Gesichtsfeld von 60 Grad besitzt.
Gerätschaft nach Anspruch 11, 12 oder 13, bei der die Befestigungsmittel so konstruiert sind, um den Laser nach unten mit einer leichten Schrägstellung zu orientieren, um zu vermeiden, dass irgendwelche Kabel, die neben dem Befestigungspunkt nach unten hängen, gesehen werden.
Gerätschaft nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der das GPS-System seine Position im 3D-Raum mit einer Genauigkeit von wenigstens 2 cm zurückschickt.
Gerätschaft nach einem der Ansprüche 11 bis 15, die verwendet wird, um digitale Geländekarten zu konstruieren, während sich die große sich drehende Maschinerie in Gebrauch dreht.
Software umfassend einen Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert ist, zum Betreiben der Gerätschaft nach einem der Ansprüche 11 bis 16, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen, wenn die Software auf einem Computer ausgeführt wird.
Software nach Anspruch 17, die ferner ein Visualisierungswerkzeug für die Bedienungsperson der großen sich drehenden Maschinerie bereitstellt, so dass sie das Gelände um die Maschinerie aus jedem Winkel betrachten kann.
Automatisches Steuersystem der großen sich drehenden Maschinerie, das die Software nach den Ansprüchen 17 oder 18 umfasst.