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Eine
Sensoranordnung, welche beispielsweise auf einem Kran montiert ist,
dient zur Messung (bzw. Schätzung)
der Position und Lage beweglicher Objekte, wie etwa des Krans selbst
oder einer Fracht, z. B. eines Containers. Als weitere Verwendungen kommen
etwa die Messung der Position und Lage eines Fahrzeugs oder eines
beweglichen Bauteils des Krans selbst in Betracht (
DE 102 02 399 A1 ).
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Bei
dem Kran kann es sich beispielsweise um einen Ladekran handeln.
Ladekrane werden auf Güterumschlagplätzen, Lagerplätzen, in
Montagehallen und Werften sowie beim Gleisbau eingesetzt. Bei einem
Ladekran für
Kraftfahrzeuge ist der Boden gegenüber dem Ladekran geneigt, damit
Wasser abfließen
kann. Weiterhin sind auf dem Boden unter dem Ladekran Spuren für Lastwagen
markiert.
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Eine
Ausführung
eines Ladekrans ist ein Portalkran. Dieser überspannt einen Lade- und Arbeitsbereich
wie ein Portal. In der Regel laufen seine Seitenwände mit
Rädern
auf zwei parallelen Schienen. Auf der Kranbrücke, dem horizontalen Teil
des Portalkrans, bewegt sich eine Laufkatze mit einem Hubwerk. Alternativ
kann auch ein Schienendrehkran auf der Kranbrücke montiert sein.
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Weiterhin
kommen als Ladekran auch ein Brückenkran,
ein Halbportalkran, ein Bockkran sowie ein Portaldrehkran in Betracht.
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Bewegliche
Teile eines Krans sind z. B. die Laufkatze oder der Spreader – ein Hebezeug,
mit dem Container ergriffen werden können.
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Im
Kontext eines Ladekrans dienen die Messungen der Sensoranordnung
als Grundlage, um LKW-Fahrern zu signalisieren, wo sie anzuhalten
haben. Weiterhin kann aufgrund solcher Messungen der Kran selbst
gesteuert werden.
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Die
Sensoranordnung kann beispielsweise aus einem oder mehreren der
folgenden Elemente zusammengesetzt sein: einem 3D-Laserscanner, einem
schwenkbaren 2D-Laserscanner oder einer Videokamera. Die Elemente
der Sensoranordnung werden üblicherweise
derart im Tragwerk des Krans angebracht, dass – im Falle eines Portalkrans – mehrere
Spuren für
LKW oder Gleise für
Eisenbahnwaggons überstrichen
werden (
DE 195 19
741 A1 ).
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Damit
die Sensoranordnung in der beschriebenen Weise verwendet werden
kann, ist es erforderlich, sie zu kalibrieren. Das bedeutet, dass
die folgenden Koordinatensysteme zueinander in Beziehung gesetzt
werden müssen:
- – Das
Sensor-Koordinatensystem eines oder mehrerer Laserscanner, die in
der Sensoranordnung verbaut sind,
- – das
Kamera-Koordinatensystem einer oder mehrerer Kameras, sofern diese
im Rahmen der Sensoranordnung verbaut sind,
- – das
Kran-Koordinatensystem des Krans, bezüglich dem z. B. Laufkatze und
Spreader lokalisiert werden,
- – das
Boden-Koordinatensystem, bezüglich
dessen ggf. Spuren für
Lastwagen oder Gleise für
Eisenbahnwaggons gegeben sind, welche beladen und entladen werden.
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Die
Kalibrierung wird im Stand der Technik (
DE 102 51 910 A1 ) beispielsweise
dadurch gelöst, dass
ein speziell zu diesem Zweck angefertigter und bereitgehaltener
Kalibrierkörper
auf den Boden im Bereich des Krans gestellt und in Bezug auf den
Kran bzw. das Kran-Koordinatensystem durch einen Vermessungsingenieur
manuell vermessen wird. Zusätzlich
können
Fahrspuren manuell in Bezug auf den Kran oder auf den Kalibrierkörper vermessen werden.
Die Sensoranordnung erfasst anschließend den Kalibrierkörper, woraus
sich Koordinatentransformationen zwischen dem Sensor-Koordinatensystem
und den übrigen
Koordinatensystemen erschließen
lassen. Nachteilig wirkt sich hierbei aus, dass der laufende Betrieb
des Krans für
die Kalibrierung längere
Zeit unterbrochen werden muss.
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Häufig finden
sich in der Umgebung der Ladekrananlage Strukturierungsmerkmale,
welche lediglich optisch erfasst werden können. Ein Beispiel hierfür sind auf
den Boden aufgemalte Spurmarkierungen, welche die Lage der Fahrspuren
anzeigen. Bei Einbindung eines optischen Sensors (etwa einer Kamera)
in die Sensoranordnung muss eine Koordinatentransformation zwischen
dem Kamera-Koordinatensystem und den übrigen Koordinatensystemen bestimmt
werden (
DE 101 36
398 A1 ).
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Dies
wird in den beschriebenen Anwendungen in großen Krananlagen durch deren
große
Abmessungen und nicht standardisierten visuellen Merkmale erschwert.
So können
beispielsweise die Spurmarkierungen unterschiedlich ausfallen. Deshalb
ist es im Stand der Technik erforderlich, weitere, in ihren optischen
und geometrischen Merkmalen genau definierte Kalibrierkörper in
die Anlage einzubringen, um anhand dieser die Kalibrierung vorzunehmen.
Im Kontext der Automatisierung der Ladekrananlage ist eine spezifische
Kalibrierung der Sensoranordnung für die jeweiligen Arbeitsabläufe wünschenswert.
Auch eine manuelle Vermessung der Spurmarkierungen bedeutet hier
zusätzlichen
Aufwand.
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Aus
dem Artikel von Kersten, T. et al: Integration, Fusion und Kombination
von terrestrischen Laserscannerdaten und digitalen Bildern. In:
Workshop "Anforderungen
an geometrische Fusionsverfahren", DIN
Deutsches Institut für
Normung e.V. und Humboldt Universität zu Berlin, 20. November 2006
wird das technische Zusammenspiel terrestrischer Laserscanner und
digitaler Kameras vorgestellt und ein Überblick über vorhandene Systeme gegeben.
Es werden die verschiedenen technischen Realisierungen (Funktionalität und Bauart)
für eine
gemeinsame Objekterfahrung durch Laserscanner und Kamera (add-on,
integriert oder freihand) beschrieben. Außerdem werden die mo mentan
verfügbaren
gemeinsamen Auswertemöglichkeiten
für 3D-Punktwolken und digitale
Bilddaten aufgezeigt.
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Im
Artikel von Zhao, H., Chen, Y. und Shibasaki, R.: An efficient extrinsic
calibration of multiple laser scanners and cameras' sensor system an a
mobile platform. In Proceedings of the IEEE Intelligent Vehicles
Symposium, 2007, S. 422–427,
wird eine effiziente extrinsische Kalibration eines mehrfach Laserscanners
und Kamerasensorsystems auf einer mobilen Plattform beschrieben.
Eine Verbindung zwischen den Daten eines Laserscanners und den Daten
einer Videokamera wird unter Bezugnahme eines Bezugskoordinatensystems
hergestellt. Dabei wird dies in einer iterativen Art und Weise gelöst, um die
beste Lösung
von einem Laserscanner und von einer Videokamera zu den Bezugskoordinaten
zu finden. Andererseits werden alle Laserscanner und alle Videokameras
für jedes
Laserscanner- und Videokamerakoordinatenpaar
kalibriert.
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Es
stellt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren zur Kalibrierung einer
Sensoranordnung und eine Sensoranordnung anzugeben, welche die Kalibrierung
der Sensoranordnung am Einsatzort vereinfachen.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren zur Kalibrierung einer Sensoranordnung
gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Bei
dem Verfahren zur Kalibrierung einer Sensoranordnung werden folgende
Schritte ausgeführt:
Zuerst
werden ein erster Sensor und ein zweiter Sensor auf einem Träger montiert,
wodurch die Sensoranordnung gebildet wird. Anschließend wird
eine Koordinatentransformation zwischen einem ersten Koordinatensystem
des ersten Sensors und einem zweiten Koordinatensystem des zweiten
Sensors ermittelt. In einem dritten Schritt wird die Sensoranordnung
an einem Einsatzort montiert. Abschließend wird die Sensoranordnung
in Relation zu einer Umgebung am Einsatzort kalibriert, wobei die
ermittelte Koordinatentransformation zwischen dem ersten Koordinatensystem
und dem zweiten Koordinatensystem verwendet wird. In den Messdaten
werden Boden-Messdaten für
Teile eines Bodens unter dem Objekt sowie Objekt-Messdaten für Teile
des Objekts identifiziert. Die Objekt-Messdaten werden genutzt, um
aus den Boden-Messdaten ein Boden-Koordinatensystem zu ermitteln.
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Die
Sensoranordnung weist einen Träger auf,
an dem ein erster Sensor mit einem ersten Koordinatensystem und
ein zweiter Sensor mit einem zweiten Koordinatensystem montiert
sind. Weiterhin weist die Sensoranordnung eine Recheneinheit auf, auf
der eine Koordinatentransformation zwischen dem ersten Koordinatensystem
und dem zweiten Koordinatensystem gespeichert ist.
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Indem
der erste und zweite Sensor vorab auf einem gemeinsamen Träger montiert
werden, kann die so gebildete Sensoranordnung bereits in der Fertigung
kalibriert werden. Hierdurch wird ein vorkalibriertes Multi-Sensorsystem
gebildet. Dies vereinfacht die spätere Kalibrierung am Einsatzort
erheblich.
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Die
Kalibrierung der Sensoranordnung erfolgt somit in zwei Schritten:
- 1. Zunächst
werden im Werk die Koordinatensysteme der in der Sensoranordnung
enthaltenen Sensoren zueinander kalibriert. Dies kann beispielsweise
mit zueinander referenzierten Kalibrierkörpern und Kalibriermustern
erfolgen.
- 2. Nach der Montage der Sensoranordnung am Einsatzort erfolgt
die Kalibrierung in Relation zur neuen Umgebung.
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Hierdurch
wird das Verfahren zur Kalibrierung besonders robust und genau.
Der laufende Betrieb am Einsatzort wird durch das Aufschalten der Sensoranordnung
weniger gestört.
Weiterhin wird es durch die vorgeschaltete Kalibrierung möglich, auch eine
Videokamera in die Sensoranordnung einzubinden, da diese nach dem
Einbau am Einsatzort nicht mehr aufwändig nachkalibriert werden
muss. Der Einsatz einer Videokamera unterstützt die Modellierung weiterer
Aspekte des jeweiligen Einsatzbereichs wie etwa Personen, bisher
nicht modellierte Fahrzeuge oder Frachten.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens wird eine Koordinatentransformation
zwischen dem ersten Koordinatensystem und dem Boden-Koordinatensystem
berechnet. Die Sensoranordnung wird in Relation zu der Umgebung
am Einsatzort kalibriert, wobei die Koordinatentransformation zwischen
dem ersten Koordinatensystem und dem zweiten Koordinatensystem und
die Koordinatentransformation zwischen dem ersten Koordinatensystem
und dem Boden-Koordinatensystem verwendet wird.
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Die
Sensoranordnung kann zur Montage an einem Objekt eingerichtet sein.
Sie weist eine Recheneinheit auf, welche zur Identifikation von
Boden-Messdaten für
Teile eines Bodens unter dem Objekt sowie Objekt-Messdaten für Teile
des Objekts in den Messdaten eingerichtet ist. Die Recheneinheit
ist weiterhin eingerichtet zur Ermittlung eines Boden-Koordinatensystems
aus den Boden-Messdaten unter Nutzung der Objekt-Messdaten, zur Berechnung einer Koordinatentransformation
zwischen dem ersten Koordinatensystem und dem Boden-Koordinatensystem,
sowie zur Kalibrierung der Sensoranordnung auf Grundlage der Koordinatentransformation
zwischen dem ersten Koordinatensystem und dem zweiten Koordinatensys tem
und der Koordinatentransformation zwischen dem ersten Koordinatensystem
und dem Boden-Koordinatensystem.
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Dies
bietet den Vorteil, dass auf einen gesonderten Kalibrierkörper zur
Kalibrierung der Sensoranordnung verzichtet werden kann. Hierdurch
werden Kosten eingespart. Weiterhin entfällt der Aufwand für das Erstellen,
Zwischenlagern, Platzieren und Wegräumen des Kalibrierkörpers. Die
Aufschaltung der Sensoranordnung erfordert somit weniger Aufwand und
verursacht eine geringere Störung
des laufenden Betriebs.
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Dabei
kann das Objekt ein Kran sein, insbesondere ein Ladekran, Portalkran,
Brückenkran, Halbportalkran,
Bockkran oder Portaldrehkran, oder ein beliebiges bewegliches oder
statisches Objekt, auf welchem die Sensoranordnung montierbar ist. Ein
Portalkran bietet den Vorteil, dass seine ausgeprägten Symmetrieeigenschaften
für die
Kalibrierung genutzt werden können.
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Ferner
kann die Sensoranordnung einen oder mehrere schwenkbare 2D-Laserscanner
umfassen. Die Verwendung eines schwenkbaren 2D-Laserscanners bietet
durch seinen großen
Sichtbereich den Vorteil, dass neben Fahrzeugen im Arbeitsbereich
des Krans auch große
Teile der tragenden Struktur des Krans selbst erfasst werden können.
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Außerdem kann
die Sensoranordnung eine Kamera, etwa eine Videokamera umfassen.
Dies bietet den Vorteil, dass auf dem Boden angebrachte Spurmarkierungen
durch die Kamera erfasst und in die Kalibrierung einbezogen werden
können.
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Dabei
können
die Teile des Objekts Seitenwände
eines Portalkrans sein. Dies bietet den Vorteil, dass die Orientierung
dieser Seitenwände
zur Ermittlung des Objekt-Koordinatensystems
genutzt werden kann.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand von Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 Kran
mit einer Sensoranordnung sowie einem Frachtgut unter dem Kran,
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2 Entfernungs-Messdaten
der Sensoranordnung,
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3 ein
Kran-Koordinatensystem, ein Sensor-Koordinatensystem sowie ein Boden-Koordinatensystem,
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4 ein
Ablaufdiagramm des Verfahrens,
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5 eine
Sensoranordnung, bei der mehrere Sensoren auf einem Träger vormontiert
sind.
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1 zeigt
einen Kran 10. An dem Kran 10 ist eine Sensoranordnung 11 angebracht,
welche im in 1 gezeigten Fall aus zwei Elementen
besteht. Weiterhin gezeigt ist ein Frachtgut 12, beispielsweise ein
Container auf einem LKW, welches durch die Sensoranordnung 11 erfasst
wird. Ebenfalls in 1 zu sehen sind Räder 14,
mit denen der Kran 10 auf Schienen bewegt werden kann.
Ein Boden 15 unter dem Kran 10 ist geneigt, so
dass Wasser abfließen kann.
Auf dem Boden 15 sind Spurmarkierungen 13 angebracht,
welche Spuren für
Fahrzeuge markieren.
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2 zeigt
Messdaten der Sensoranordnung 11, in diesem Fall Entfernungs-Messdaten
eines Laserscanners. In den Messdaten lassen sich Boden-Messdaten 21 von
Teilen des Bodens 15 unter dem Kran 10 sowie Kran-Messdaten 22 von
Teilen des Krans 10 identifizieren. Dies ermöglicht eine
geometrische Vermessung des Krans und seines Arbeitsraumes.
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Die
Messdaten können
beispielsweise durch Schwenk eines 2D-Laserscanners über die Teile des Krans 10 und
die Teile des Bodens 15 gewonnen werden.
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Die
Kran-Messdaten 22 sind hierbei als Rechtecke in 3D hergussegmentierte
Seitenwände des
Krans 10. Bei den Boden- Messdaten 21 handelt es
sich entsprechend um heraussegmentierte Bodenpunkte. Von diesen
muss ggf. nur eine Teilmenge verwendet werden, um eine ausreichende
Genauigkeit zu erreichen; dies spart Rechenzeit und Speicherbedarf.
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3 zeigt
erneut den Kran 10, seine Räder 14, die Sensoranordnung 11 sowie
den Boden 15 und die Spurmarkierungen 13. Zusätzlich eingezeichnet
sind ein Boden-Koordinatensystem 16, ein Kran-Koordinatensystem 17 sowie
ein Sensor-Koordinatensystem 18 der Sensoranordnung 11.
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4 zeigt
ein Ablaufdiagramm zur Kalibrierung der Sensoranordnung 11.
In einem ersten Schritt 1 erfasst die Sensoranordnung 11 Messdaten ihrer
Umgebung wie in 2 gezeigt. Hierbei handelt es
sich um Entfernungs-Messdaten. In einem zweiten Schritt 2 werden
in den Messdaten die in 2 gezeigten Boden-Messdaten 21 sowie
die Kran-Messdaten 22 identifiziert. Dies kann rechnergestützt unter
Verwendung von Planzeichnungen erfolgen, welche bezüglich der
Einbaulage der Sensoranordnung 11 bzw. ihrer Elemente sowie
weiterer Elemente des Krans 10 genau genug sind. Die Messdaten
sind hierbei als 3D-Messpunkte gegeben, welche zunächst alle
im Sensor-Koordinatensystem 18 der
Sensoranordnung 11 vorliegen.
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In
einem dritten Schritt 3 werden die Kran-Messdaten 22 genutzt,
um aus den Boden-Messdaten 21 ein Boden-Koordinatensystem 16 zu
ermitteln. In einem vierten Schritt 4 wird eine Koordinatentransformation
zwischen einem Sensor-Koordinatensystem 18 der Sensoranordnung
und dem Boden-Koordinatensystem 16 berechnet, anhand derer
die Sensoranordnung 11 kalibriert wird.
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Das
Verfahren zur Kalibrierung der Sensoranordnung 11 nutzt
Symmetrien, etwa Flächensymmetrien
oder Translationssymmetrien im dreidimensionalen Raum. Solche Symmetrien
weist der Kran 10 auf – insbesondere
in der Ausgestaltung als Portalkran. Die Symmetrien werden hierbei
aus den Kran-Messdaten 22 und ggf. den Boden-Messdaten 21 extrahiert.
Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine durch die Kran-Messdaten 22 repräsentierte
Fläche
von 3D-Messpunkten einen Normalenvektor aufweist, der als y-Richtungsvektor
des Kran-Koordinatensystems 17 verwendet werden kann. Weiterhin
lässt sich
die Tatsache nutzen, dass eine durch die Boden-Messdaten 21 repräsentierte
Fläche
von 3D-Messpunkten einen Normalenvektor aufweist, der als z-Richtungsvektor
des Boden-Koordinatensystems 16 gewählt werden kann. Überraschenderweise
kann der x-Richtungsvektor des Boden-Koordinatensystems 16 identisch
zum x-Richtungsvektor des Kran-Koordinatensystems 17 gewählt werden. Dieser
x-Richtungsvektor ist sowohl parallel zum Boden 15 als
auch parallel zu einer durch die Kran-Messdaten 22 repräsentierten
Fläche.
Dies wird am Beispiel des Portalkrans deutlich. Da dieser auf Schienen
fährt,
verlaufen diese sowohl parallel zum Boden als auch parallel zu den
Innenwänden des
Portalkrans. Der x-Richtungsvektor sowohl des Boden-Koordinatensystems 16 als
auch des Kran-Koordinatensystems 17 kann somit parallel
zu den Schienen gewählt
werden. Somit ist der x-Richtungsvektor sowohl zu dem Normalenvektor
der durch die Boden-Messdaten 21 repräsentierten Fläche von
3D-Messpunkten als auch zu dem Normalenvektor der durch die Kran-Messdaten 22 repräsentierten
Fläche
von 3D-Messpunkten senkrecht. Ausgehend hiervon lassen sich diese
Koordinatensysteme sukzessive erschließen.
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Im
Folgenden wird ein hierzu geeigneter Algorithmus exemplarisch angegeben.
Es sind beliebige andere Algorithmen möglich. Der Algorithmus berechnet
hilfsweise das Kran-Koordinatensystem 17, welches für die Herleitung
des Boden-Koordinatensystems 16 verwendet wird.
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Im
Szenario eines Portalkrans in einem Hafen werden als Kran-Messdaten 22 3D-Messpunkte identifiziert,
die zur Seitenwand (der so genannten "sill bar") gehören, und zwar einerseits 3D-Messpunkte,
die zur seeseitigen Seitenwand gehören, sowie andererseits 3D-Messpunkte,
die zur landseitigen Seitenwand gehören. Bei Portalkränen auf
dem Festland kann eine beliebi ge andere Charakterisierung der beiden
Seiten des Portalkrans gewählt
werden.
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Eine
Hauptachsentransformation (beschrieben in: Jonathon Shlens: "A Tutorial an Principal Component
Analysis", erhältlich im
Internet am 02.07.2007 unter
http://www.snl.salk.edu/~shlens/pub/notes/pca.pdf) auf
den 3D-Messpunkten der seeseitigen Seitenwand des Krans 10 sowie
auf den 3D-Messpunkten der landseitigen Seitenwand des Krans 10 ermöglicht jeweils
die Bildung eines Normalenvektors im Schwerpunkt der jeweiligen
3D-Messpunkte. Aus diesen beiden Normalenvektoren wird nun durch
Mittelung der y-Richtungsvektor des Kran-Koordinatensystems 17 gebildet.
Hierbei wird als Konvention gewählt,
dass der y-Richtungsvektor zur Seeseite weist.
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Ebenfalls
durch Hauptachsentransformation wird auf den 3D-Messpunkten in den Boden-Messdaten 21 ein
Normalenvektor gebildet und als z-Richtungsvektor des Boden-Koordinatensystems 16 gewählt.
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Anschließend ergibt
sich der x-Richtungsvektor sowohl des Boden-Koordinatensystems 16 als auch
des Kran-Koordinatensystems 17 aus dem Kreuzprodukt des
y-Richtungsvektors des Kran-Koordinatensystems 17 und des
z-Richtungsvektors des Boden-Koordinatensystems 16.
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Im
nächsten
Schritt wird der z-Richtungsvektor des Kran-Koordinatensystems aus dem Kreuzprodukt
des x-Richtungsvektors und des y-Richtungsvektors des Kran-Koordinatensystems 17 berechnet.
Entsprechend ergibt sich der y-Richtungsvektor
des Boden-Koordinatensystems 16 aus dem Kreuzprodukt des
z-Richtungsvektors und des x-Richtungsvektors des Boden-Koordinatensystems 16.
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Als
Ursprung des Kran-Koordinatensystems 17 wird zunächst die
Mitte zwischen den Fußpunkten der
aus den Kran-Messdaten 22 gebildeten Normalenvektoren gewählt.
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Anschließend werden
die 3D-Messpunkte in den Kran-Messdaten 22, welche zur
seeseitigen Seitenwand und zur landseitigen Seitenwand gehören, in
das Kran-Koordinatensystem 17 transformiert. Im Zuge dessen
wird auch ihre Ausdehnung in x-Richtung
als Minimum und Maximum bestimmt. Daraufhin wird das Kran-Koordinatensystem 17 in
seiner x-Richtung so verschoben, dass sein Ursprung auf der Mitte
zwischen dem ermittelten Minimum und Maximum liegt. Damit ist das
Kran-Koordinatensystem 17 vollständig bestimmt.
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Als
Ursprung des Boden-Koordinatensystems 16 wird zunächst der
Schwerpunkt der 3D-Messpunkte in den Boden-Messdaten 21 bestimmt.
Anschließend
wird die z-Achse des Kran-Koordinatensystems 17 mit der
Ebene, welche durch die 3D-Messpunkte in den Boden-Messdaten 21 gebildet
wird, geschnitten. Der Schnittpunkt als Ursprung des Boden-Koordinatensystems 16 gewählt.
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Nun
können
Fahrspuren unter dem Kran 10 manuell zwischen Gleisen,
auf welchen die Räder 14 des
Krans 10 laufen, vermessen werden. Die Lage der Mitte zwischen
den Gleisen relativ zur Sensoranordnung 11 ergibt sich
aus den zuvor ermittelten Koordinatensystemen.
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Anhand
der ermittelten Koordinatensysteme wird jeweils eine Koordinatentransformation
zu dem Sensor-Koordinatensystem 18 der Sensoranordnung 11 errechnet.
Mit dieser wird die Sensoranordnung 11 kalibriert.
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5 zeigt
einen Kran 10 welcher auf Rädern 14 über einen
Boden 15 bewegt werden kann. Auf dem Boden sind Spurmarkierungen 13 eingezeichnet.
Weiterhin sind in 5 zwei Sensoranordnungen 11 gezeigt.
Die linke Sensoranordnung 11 ist innerhalb der gestrichelten
Kreislinie vergrößert dargestellt.
Die Sensoranordnungen 11 verfügen über ein Sensor-Koordinatensystem 18.
Die vergrößert dargestellte
Sensoranordnung 11 besteht aus einem Träger 30, auf dem ein
erster Sensor 32 sowie ein zweiter Sensor 35 montiert
sind. Der erste Sensor 32 ist über einen Drehantrieb 31 an
dem Träger 30 montiert,
wodurch der erste Sensor 32 schwenkbar gelagert ist. Weiterhin
verfügt
der erste Sensor 32 über ein
erstes Koordinatensystem 181 und der zweite Sensor über ein
zweites Koordinatensystem 182. Im Folgenden wird davon
ausgegangen, dass das Sensor-Koordinatensystem 18 mit dem
ersten Koordinatensystem 181 übereinstimmt.
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Im
Kontext einer Krananlage handelt es sich bei dem ersten Sensor 32 beispielsweise
um einen 2D-Laserscanner, welcher über den Drehantrieb 31 geschwenkt
und zur Aufzeichnung eines zweidimensionalen Umgebungsbildes verwendet
werden kann. Bei dem zweiten Sensor 35 handelt es sich
etwa um eine Kamera, z. B. eine Videokamera. Die Videokamera eignet
sich besonders zur Erkennung der Spurmarkierungen 13 auf
dem Boden 15 unter dem Kran 10. Der Träger 30 kann
beispielsweise als Montagegerüst
ausgeführt
sein.
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Zuerst
werden der erste Sensor 32 und der zweite Sensor 35 auf
dem Träger 30 montiert,
wodurch die Sensoranordnung 11 gebildet wird. Anschließend wird
eine Koordinatentransformation zwischen dem ersten Koordinatensystem 181 des
ersten Sensors 32 und dem zweiten Koordinatensystem 182 des
zweiten Sensors 35 ermittelt. Dies kann beispielsweise
mit zueinander referenzierten Kalibrierkörpern und Kalibriermustern
erfolgen.
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In
einem dritten Schritt wird die Sensoranordnung 11 bzw.
der Träger 30 am
Einsatzort, etwa der Kranbrücke,
montiert. Abschließend
wird die Sensoranordnung 11 in Relation zu ihrer Umgebung
am Einsatzort nach dem oben beschriebenen Verfahren kalibriert,
wobei die ermittelte Koordinatentransformation zwischen dem ersten
Koordinatensystem 181 und dem zweiten Koordinatensystem 182 verwendet wird.
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Zusätzlich zum
oben beschriebenen Verfahren können
nun die im Videobild der Videokamera sichtbaren Spurmarkierungen 13 mit bekannten
Methoden der Bildverarbeitung extrahiert werden, welche zunächst im
zweiten Koordinatensystem 182 vorliegen. Durch Anwendung
der Koordinatentransformation zwischen dem ersten Koordinatensystem 181 und
dem zweiten Koordinatensystem 182 kann die Lage der Spurmarkierungen 13 im
ersten Koordinatensystem 181 bestimmt werden. Zwar sind
im Videobild keine Abstandsinformationen enthalten. Diese sind jedoch
durch die Randbedingung ermittelbar, dass die Spurmarkierungen 13 in
der durch den x- und y-Richtungsvektor des Boden-Koordinatensystems 16 aufgespannten
Ebene des Bodens 15 liegen müssen. Da die Koordinatentransformation
zwischen dem Sensor-Koordinatensystem 18 (gemäß obiger Annahme
identisch mit dem ersten Koordinatensystem 181) und dem
Boden-Koordinatensystem 16 zuvor ermittelt wurde, kann
die Lage der Spurmarkierungen 13 im ersten Koordinatensystem 181 hiermit berechnet
werden.
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Somit
können
in diesem Anwendungsfall die Fahrspuren unter der Krananlage automatisch
erkannt und in ein Umgebungsmodell der Krananlage einbezogen werden.
Ein solches Umgebungsmodell erlaubt die Modellierung und Steuerung
der Anlage. Zusätzlich
zur Lage der Koordinatensysteme wird somit auch die Lage der Spurmarkierungen 13 bzw.
der Fahrspuren rechnergestützt
ermittelt.
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Erst
die vorab im Werk vorgenommene Kalibrierung der Videokamera zu den
im ersten Koordinatensystem 181 bzw. Sensor-Koordinatensystem 18 vorliegenden
3D-Messpunkten des Laserscanners erlaubt es, wie oben beschrieben
am Einsatzort automatisch aus dem simultanen Bild der Videokamera
die Lage der Spurmarkierungen 13 zu extrahieren.
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Gleiches
gilt für
beliebige andere Einsatzgebiete der Sensoranordnung 11.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele
lassen sich auch in anderen Szenarien analog implementieren.