Bachelorarbeit Marlen Schreiter

Titel:

Evaluierung des Einsatzpotentials des Kompaktlaserscanners UTM-30LX für photogrammetrische Anwendungen

Beschreibung:

Im Rahmen einer Bachelorarbeit sollte das Einsatzpotential des Kompaktlaserscanners UTM-30LX für photogrammetrische Anwendungen untersucht werden. Im folgenden Artikel wird dieses Projekt kurz vorgestellt.

Zeilenlaserscanner finden heute vielfältige Anwendungen zum Beispiel für die automatische Erkennung von Objekten. Unter anderem werden sie zum sicherheitsbedingtem Abschalten von Maschinen genutzt oder beispielsweise auch auf LKW-Maut-Kontrollbrücken. Sie liefern hochgenaue Entfernungsdaten für große Bereiche in kürzester Zeit. Durch ihr geringes Gewicht und die Real Time Auswertung eignen sie sich hervorragend für den Einsatz auf beweglichen Plattformen. Potentielle Anwendungen sind vor allem einfache Überwachungsaufgaben zum Beispiel die Detektion von Personen in definierten Gefahrenbereichen. In der Praxis ist die Beurteilung des Leistungspotentials jedoch schwierig, denn die Herstellerangaben zur Genauigkeit der Daten sind oft unzureichend und wenig vergleichbar. Außerdem funktionieren die Scanner nach dem sogenannten Blackbox-Prinzip. Das heißt, dem Anwender bleiben geräteinterne Abläufe verborgen. Aus diesen Gründen wird die Distanzmessgenauigkeit, die Richtungsgenauigkeit und das Auflösungsvermgen des Scanners UTM-30LX untersucht.

1. Der Laserscanner UTM-30LX

Es handelt sich beim untersuchten Scanner um einen Zeilenlaser scanner, der seine Umgebung berührungslos zweidimensional abtastet. Für die Generierung des Laserstrahls wird eine Halbleiterlaserdiode genutzt. Das dabei verwendete Signal hat eine Wellenlänge von 905 nm und liegt somit außerhalb des Bereichs für sichtbares Licht. Dem Datenblatt der Firma Hokuyo zu folge ist der Scanner wegen der größeren Reichweite und schnellen Reaktionszeiten für Roboter mit höherer Bewegungsgeschwindigkeit geeignet. Geräteintern werden aus gemessenen Distanzen und Winkelschritten direkt die Koordinaten der einzelnen Punkte berechnet. Die Daten können anschließen via USB-Schnittstelle an einen Rechner übertragen und dort ausgewertet werden.

Stromverbrauch	Weniger als 8 W
Reichweite	0,1 bis 30 m
Genauigkeit	Variiert mit Lichtverhältnissen und Entfernung, zwischen ± 30 mm und ± 50 mm
Messauflösung	1 mm
Abtastwinkel	270°
Winkelauflösung	0,25°
Scangeschwindigkeit	25 ms
Gewicht	210 g
Abmessungen (BxTxH)	60 mm x 60 mm x 85 mm
Laserklasse	1

2. Die Genauigkeitsuntersuchungen

Sämtliche Untersuchungen des Scanners wurden im Messkeller der TU Dresden durchgeführt, da sich dieser hervorragend für den Versuchsaufbau eignet. Er verfügt über ein Laserinterferenzsystem, mit dessen Hilfe man hochpräzise Streckendifferenzen messen kann. Diese können dann anschließend mit den vom Scanner ermittelten Streckendifferenzen verglichen werden. Das Interferometer gibt die Distanzen mit Mikrometergenauigkeit an. Da der Laser nur mit mm bis cm Genauigkeit arbeitet, können die Werte des Interferometers als Sollwerte angenommen werden.

Die Untersuchungen ergaben folgendes:

• Absolute Distanzgenauigkeit: ±10,5 mm
• Absolute Winkelgenauigkeit: ± 0,001°
• Auflösungsvermögen: 2,1 mm (im Nahbereich)
  

Die Ergebnisse zeigen, dass der Hokuyo Scanner bezogen auf das Verhältnis Reichweite zu Genauigkeit hochpräzise arbeitet. Gegenüber konkurrierenden Produkten bietet er hinsichtlich Größe, Kosten, Genauigkeit und Reichweite erhebliche Vorteile. Vergleichbare Produkte arbeiten meist nur im Entfernungsbereich bis 5 m oder es müssen deutliche Abstriche bei der Genauigkeit gemacht werden.

Für eine umfassende Untersuchung der Gerätegenauigkeiten wäre es nötig auch noch folgende Aspekte zu untersuchen:

• Einfluss der Beschaffenheit und Farbe der Objektoberfläche
• Einfluss des Eintreffwinkels
• Zuverlässigkeit bei widrigen Bedingungen (Lichtverhältnisse, Regen, Nebel, u.s.w.)
  

Um das Anwendungspotential hinreichend gut bewerten zu können, sind die vorliegenden Untersuchungen jedoch ausreichend. Weiterführende Untersuchungen sind vor allem für den Vergleich mit ähnlichen Messsystemen sinnvoll.

Bereits jetzt werden Zeilenlaserscanner für viele Anwendungen eingesetzt, die eine schnelle und zuverlässige Auswertung von Sensordaten erfordern. Sie finden vor allem Anwendung im Bereich des Schutzes und der Überwachung von Menschen.

Wie auch die vorangegangene Untersuchung bestätigt, ist es möglich, mit Hilfe eines Laserscanners sehr kleine Objekte zu detektieren. Diese können durch geeignete Algorithmen segmentiert und hinsichtlich ihrer Position und ihres Typs klassifiziert werden. Es können verschiedenste Auswerteverfahren für die nachfolgende Formerkennung genutzt werden. Auf dieser Grundlage sind unbegrenzt viele Einsatzmöglichkeiten denkbar. Auch die Kombination mit anderen Sensoren ist möglich.
Der Scanner arbeitet schnell und sehr genau. Wie schon vom Hersteller empfohlen, eignet sich dieses Messsystem dementsprechend für den Einsatz auf mobilen Robotern oder Drohnen.