Heft 91/2015

Schriftenreihe
des Instituts für Geodäsie



Heft 91/2015

STRÜBING, Thorsten

Kalibrierung und Auswertung von lasertriangulationsbasierten Multisensorsystemen am Beispiel des Gleisvermessungssystems RACER II

Dissertation
178 S.

Auflage:  50

ISSN:  0173-1009

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung


 

Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften der Universität der Bundeswehr München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation.

Promotionsausschuß:  
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Thiemann
1. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Otto Heunecke
2. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ingo Neumann,
Leibniz Universität Hannover

Die Dissertation wurde am 16. Juni 2015 bei der Universität der Bundeswehr München eingereicht und durch die Fakultät für Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften am 17. Juni 2015 angenommen. Die mündliche Prüfung fand am 30. September 2015 statt.
 



Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung
 

 
Abstract
 
 
Inhaltsverzeichnis
 
I
1  Einleitung 4
 
2  Gleisvermessung 6
    2.1  Allgemeine Grundlagen 6
    2.2  Gleisoberbau 7
           2.2.1  Gleisbett 7
           2.2.2  Gleisarten 9
           2.2.3  Schienenabnutzung 10
    2.3  Kontrolle der Gleislage 12
           2.3.1  Gleisvermarkungssysteme 12
           2.3.2  Ablauf einer Gleisvermessung 12
           2.3.3  Relative und absolute Gleisvermessung 15
    2.4  Gleisvermessungssysteme 17
           2.4.1  Toleranzvorgaben in der Gleisvermessung 17
           2.4.2  Unterteilung von Gleisvermessungssystemen 21
 
3  Multisensorsysteme 26
    3.1  Allgemeines 26
    3.2  Anforderung 26
    3.3  Anwendungsbeispiele für MSS 28
           3.3.1  Polarmesssysteme 28
           3.3.2  Mobile Mapping Systeme 30
    3.4  Konzeption des RACER II 31
           3.4.1  Allgemeines 31
           3.4.2  Multisensorplattform 35
           3.4.3  Eingesetzte Sensorik 37
                     3.4.3.1  Positionierungssensor 37
                     3.4.3.2  Lasertriangulationssensoren 39
                     3.4.3.3  Inklinometer 40
                     3.4.3.4  Meteorologiesensorik 40
 
4  Komponentenkalibrierung 42
    4.1  Grundsätzliches 42
    4.2  Referenzsysteme 45
    4.3  Sensormodule des RACER II 48
           4.3.1  Tachymeter 48
           4.3.2  Lasertriangulationssensoren 50
           4.3.3  Inklinometer 53
           4.3.4  Meteorologiesensorik 54
 
5  Systemkalibrierung von Lasertriangulationssensoren 56
    5.1  Zielgrößen einer 6-DoF-Kalibrierung 56
    5.2  6-DoF-Kalibrierung von Lasertriangulationssensoren 58
    5.3  Wahl der Referenzgeometrie 61
    5.4  Aufstellung des Ausgleichungsmodells 64
           5.4.1  Stochastisches Modell 65
           5.4.2  Messunischerheitsanalyse nach GUM 65
           5.4.3  Aufstellen der Normalgleichungen 68
 
6  Umsetzung der Systemkalibrierung für den RACER II 69
    6.1  Tachymeter 70
    6.2  Lasertriangulationssensoren 74
           6.2.1  Kalibriervorrichtung 74
           6.2.2  Messdatenerfassung 77
           6.2.3  Aufbereitung der Messdaten 80
           6.2.4  Implementierung des Ausgleichungsalgorithmus 86
           6.2.5  Genauigkeitsabschätzung der 6-DoF-Parameter 89
    6.3  Temperaturausdehnung der Multisensorplattform 94
    6.4  In-situ-Prüfung der Multisensorplattform RACER II 97
 
7  Auswertetechniken von Lasertriangulationssensoren 100
    7.1  Objekterkennung 100
           7.1.1  Segmentierung 101
           7.1.2  Klassifizierung 103
    7.2  Anwendungsbeispiele zur automatischen Objekt-
          erkennung

104
           7.2.1  Autonome Navigation 104
           7.2.2  Modellierung von Bauwerksgeometrien 106
           7.2.3  Modellierung von Straßenfahrbahnen 107
 
8  Auswertung der Lasertriangulationssensoren beim
    RACER II

109
    8.1  Stellung im Auswerteprozess 109
    8.2  POI-Auswertung 111
           8.2.1  Aufbereitung der Messdaten 113
           8.2.2  Modellierung der Messdaten über Teilpolynome 115
           8.2.3  Vergleich der Messdaten mit einer Soll-Geometrie 122
           8.2.4  Ermittlung der POI 126
    8.3  Ermittlung der Zielgrößen 129
    8.4  Verwendung der Zielgrößen 134
    8.5  Qualitätsmanagement 136
 
9  Validierung des RACER II 139
    9.1  Laborversuche 139
    9.2  Teststrecke Krailling 141
    9.3  Versuchsstrecke Lötschberg-Basistunnel 142
           9.3.1  Konzept einer Validierungsmessung 143
           9.3.2  Durchführung der Validierungsmessung 145
           9.3.3  Vergleichsmessung RACER ⇔ RACER II 147
 
10  Schlussbemerkungen 149
 
Verzeichnisse  
Abkürzungsverzeichnis 152
Literaturverzeichnis 154
Internetquellen 161
Abbildungsverzeichnis 162
 
Anlagen 165
4.1: 6-DoF Field Check 165
4.2: Tracker Field Check 166
6.1: Kalibrierung der Lasertriangulationssensoren, A-Matrix 167
6.2: Kalibrierung der Lasertriangulationssensoren, B-Matrix 168
8.1: Beispiel einer Stellgrößendatei 169
8.2: Beispiel einer Kalibrierparameterdatei 171
8.3: BF-Algorithmus, A-Matrix 173
8.4: BF-Algorithmus, B-Matrix 174
9.1: Unsicherheiten des RACER II, Untersuchung GeoLab 175
9.2: Unsicherheiten des RACER II, Untersuchungen Lötschberg-
       Basistunnel

176
 
Lebenslauf 177
 
Danksagung 178

 


 
Kurzfassung

Multisensorsysteme werden zur umfassenden und effizienten Datengewinnung eingesetzt, auf deren Basis beispielsweise Planungsgrundlagen geschaffen, Maschinen gesteuert, Qualitätsprüfungen durchgeführt oder Arbeitsschritte dokumentiert werden. Dabei lässt sich das aufzunehmende, zu steuernde oder zu kontrollierende Objekt in Abhängigkeit der integrierten Sensormodule eines Messsystems modellieren. So können neben rein geometrischen Informationen wie Lage, Orientierung, Größe und Oberflächenstruktur im Bedarfsfall auch Eigenschaften wie Material, Farbe oder Temperatur bestimmt werden. Insbesondere im Bereich der Gleisvermessung haben Multisensorsysteme ein weites Anwendungsfeld gefunden.

Die Gleisgeometrie einer Trasse wird durch die Aneinanderreihung einzelner Trassenelemente definiert. Zur Absteckung sowie zur Kontrolle der geometrischen Informationen werden Messprofile in festen Intervallen entlang der Gleisachse bestimmt, wobei aufgrund des sich wiederholenden Messprozesses im Regelfall automatisierte Gleisvermessungssysteme zum Einsatz kommen. Das Gleisvermessungssystem RACER II (Rapid Automated Control Equipment for Rails) bestimmt die Schienengeometrie durch berührungslose Erfassung der Schienenoberfläche auf Basis von Lasertriangulationssensoren und stellt damit ein schnell arbeitendes, verschleißarmes Multisensorsystem dar. Der RACER II wurde speziell für die hohen Genauigkeitsanforderungen zur Kontrolle des Einbaus der Festen Fahrbahn im Gotthard-Basistunnel entwickelt.

Die relative Orientierung der insgesamt vier auf der Multisensorplattform verbauten Lasertriangulationssensoren, deren Kenntnis vorauszusehen ist, lässt sich pro Lasertriangulationssensor durch 6 Parameter (3 Translation, 3 Rotationen) beschreiben (6-DoF, Degrees of Freedom). Da weder der Koordinatenursprung noch die Ausrichtung der Koordinatenachsen der Lasertriangulationssensoren direkt signalisierbar sind, müssen die 6-DoF-Parameter indirekt bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden Lösungsansätze zur Bestimmung der 6-DoF-Parameter aus unterschiedlichen Referenzgeometrien sowie die konkrete Umsetzung für den RACER II beschrieben.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Ableitung der Gleisgeometrie aus den Messdaten der Lasertriangulationssensoren in Verbindung mit den tachymetrischen Messungen für die Georeferenzierung. Die vorliegende Arbeit leistet hierzu einen Beitrag hinsichtlich der Datenaufbereitung, Segmentierung und Modellierung sowie implementierten Techniken zur Qualitätskontrolle der Messdaten eines Lasertriangulationssensors am Beispiel des RACER II. Die Einhaltung der projektbezogenen Genauigkeitsforderungen konnten durch umfangreiche Validierungsmessungen bestätigt werden.

Stichworte: Multisensorsystem, Lasertriangulationssensor, Kalibrierung, Gleiskontrolle, 6 DoF.

 


 
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