DE3618624A1 - Inspektionsraupe fuer tunnelartige kanaele - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Inspektionsraupe für tunnelartige Kanäle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, Rohrleitungen oder Kabel für den Transport von Fernwärme oder sonstiger Medien in gemauerten tunnelarti­ gen Kanälen oder dgl. zu verlegen. Dabei liegen z.B. drei Roh­ re unterschiedlichen Durchmessers nebeneinander und sind durch Stützen in einem Abstand von dem Boden des Kanals oder Schachtes etwa auf halber Höhe gehalten. Vorzugsweise sind derartige Rohre oder Kabel mit einer Isolierung versehen, um die Wärmeverluste des transportierten Mediums gering zu hal­ ten.

Derartige Kanäle oder auch einzelne Rohre müssen in der Pra­ xis regelmäßig inspiziert werden, um z.B. undichte Stellen, beginnende Korrosionsstellen, Schäden an der lsolation oder sonstige Mängel festzustellen. Ein Begehen derartiger Schäch­ te oder Rohre ist im allgemeinen unmöglich oder mit großen Unannehmlichkeiten oder Gefahren verbunden.

Zur Inspektion von Abwasserkanälen oder Rohren sind sogenannte Kamerawagen bekannt. Das sind mit Radantrieb oder mit Ketten­ antrieben versehene kleine Fahrzeuge, die selbsttätig in ei­ nem Kanal, einem Schacht oder auch einem Rohr entlangfahren und mittels einer Kamera und einer Lichtquelle den Kanal, den Schacht oder die Rohre inspizieren. Die Stromversorgung, die Lenkung und die Informationsübermittlung der Kamerabilder zu einem außerhalb des Schachtes vorgesehnen Monitor erfolgen dabei vorzugsweise über ein Kabel, das der Wagen hinter sich herzieht.

Es ist auch bekannt, einen derartigen Kamerawagen in zwei mit­ einander gekuppelte Einzelteile aufzuteilen. Eine derartige Aufteilung hat den Vorteil, daß die einzelnen Bauteile wie Elektronik und Motoren auf zwei Fahrzeuge aufgeteilt werden können, so daß die Aufteilung eine bessere Kurvenfahrt ermög­ licht.

In den beschriebenen, von dem Wagen befahrenen Kanälen oder Schächten muß in der Praxis mit Hindernissen gerechnet wer­ den. Diese Hindernisse sind z.B. von der Decke oder von den Wänden des Schachtes herausgefallene Steine, liegengebliebene Holzreste einer bei der Herstellung des Schachtes verwendeten Verschalung, eine von einem Rohr herunterhängende, schadhafte Isolierung, im Schacht verendete Tiere oder sonstige Fremdkör­ per. Derartige Hindernisse müssen bei der Fahrt der Raupe er­ kannt und berücksichtigt werden. Der Operateur am Bildschirm außerhalb des Schachtes muß diese Hindernisse erkennen kön­ nen, um zu entscheiden, ob das Hindernis überfahren, unterfah­ ren oder umfahren werden kann oder evtl. derart ausgebildet ist, daß es durch Öffnen des Schachtes beseitigt werden muß. Wenn ein Hindernis nicht rechtzeitig und nicht ausreichend erkannt wird, besteht die Gefahr, daß die Raupe auf das Hin­ dernis auffährt und z.B. beschädigt wird oder manövrierunfä­ hig liegenbleibt.

Zur Beobachtung der Verhältnisse innerhalb des Schachtes ist an sich an der Raupe eine Kamera vorgesehen, die somit auch im Fahrweg der Raupe vorhandene Hindernisse erfaßt. Eine Kame­ ra kann jedoch nur Signale für zweidimensionale Bilder über das Kabel übermitteln. Wenn das Hindernis z.B. aus einer homo­ genen grauen Fläche ohne jede Oberflächenstruktur besteht, kann die Kamera keine Information über die Entfernung der Rau­ pe zum Hindernis oder die besondere Art und Formgebung des Hindernisses übermitteln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Raupe auf einfa­ che Weise so auszubilden, daß im Fahrweg der Raupe liegende Hindernisse hinsichtlich Entfernung zur Raupe, Größe und Form anhand der von der Kamera gelieferten Videobilder erkannt wer­ den können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfin­ dung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung beruht auf folgender Erkenntnis.

Durch die Abbildung eines einfachen Schattenbildes auf dem Hindernis ist es möglich, auf die notwendigen Parameter wie z.B. Entfernung, Neigung und Größe des Hindernisses zu schlie­ ßen. Durch die aufgrund optischer Gesetze auftretenden Verfor­ mungen des von der Lichtquelle auf dem Hindernis abgebildeten Schattens, z.B. hinsichtlich Breite, Abstand zweier Schatten, unterschiedlichem Abstand zweier Schatten in Abhängigkeit von der Höhe und dgl. kann darauf geschlossen werden, in welchem Abstand sich das Hindernis von der Kamera befindet und wie z.B. die Vorderwand des Hindernisses zur Kamera geneigt ist. Der Zusammenhang zwischen den Verzeichnungen des Schattens und der Art des Hindernisses kann durch Überlegung oder auch empirisch ermittelt und in einer Vergleichstabelle festgehal­ ten sein. Mit einer derartigen Vergleichstabelle kann der Ope­ rateur aus der Form des abgebildeten Schattenbildes, das von der Kamera aufgenommen und übertragen wird, auf die Art des Hindernisses schließen. Durch die Verzeichnung des Schatten­ bildes wird auch eine Erfassung der dritten Dimension er­ reicht. Es kann z.B. erkannt werden, daß das Hindernis ge­ neigt ist, also z.B. oben und unten unterschiedliche Abstände von der Raupe hat.

Zur Erzeugung des Schattenbildes kann der Lichtstrahl von der Lichtquelle nach vorne im wesentlichten offen sein, wobei le­ diglich im Lichtstrahl ein den Schatten bildendes Element, z.B. ein senkrechter Stab angeordnet ist. Der Stab bildet dann einen definierten Schatten auf dem Hindernis. Es ist auch möglich, den Strahlengang im wesentlichen mit einer Blen­ de abzuschatten und in der Blende eine definierte Öffnung vor­ zusehen, die auf dem Hindernis eine definierte Markierung er­ zeugt. Bei der Erfindung wird also sinngemäß auf dem Hinder­ nis durch ein Schattenbild eine Markierung erzeugt, die von der Kamera der Raupe aufgenommen und übertragen wird und Auf­ schluß geben kann über Entfernung und Art des Hindernisses.

Als Lichtquelle werden vorzugsweise Leuchtdioden verwendet, da deren Stromverbrauch gering ist. Während normale Glühlam­ pen nur eine Lebensdauer von Stunden haben, haben Leuchtdi­ oden eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer. Die Lichtquelle kann auch im Infrarotbereich arbeiten, da es Kameras zur Ver­ arbeitung von Infrarotlicht gibt.

Grundsätzlich kann mit einer einzigen Lichtquelle gearbeitet werden, die über eine Blende auf dem Hindernis einen Schatten oder eine Lichtmarke erzeugt, deren Abmessungen und geometri­ sche Verzeichnungen von der Entfernung der Raupe von dem Hin­ dernis und von der Form und Neigung des Hindernisses abhängig sind. Vorzugsweise wird mit zwei symmetrisch zur Längsachse der Raupe vorgesehenen Lichtquellen gearbeitet, die jede ein Schattenbild auf dem Hindernis erzeugen. Die Information über Art des Hindernisses ergibt sich dann aus den Abmessungen und der Lage der beiden abgebildeten Schattenbilder zueinander. Mit einer derartigen Einrichtung kann auch eine echte Messung der Entfernung zwischen Raupe und Hindernis durchgeführt wer­ den, indem die den Schatten bildenden Strahlenbündel zur Längsachse der Raupe geneigt sind, einander in einem definier­ ten Abstand von der Raupe schneiden und dort ein markantes Schattenbild, z.B. einen einzigen dunklen senkrechten Strich erzeugen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Darin zei­ gen

Fig. 1 im Prinzip die Wirkungsweise der Erfindung,

Fig. 2 eine Ausbildung mit zwei Lichtquellen zusammen mit vier typischen Schattenbildern,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel gemäß einer Weiterbildung der Erfindung und

Fig. 4 weitere typische Schattenbilder.

Fig. 1 zeigt eine Raupe 1, die mittels zweier Kettenantrie­ ben 2 selbstfahrend ausgebildet ist. Die Raupe 1 enthält eine Kamera 4 und ist über das Kabel 3 mit einer Beobachtungsstel­ le außerhalb des befahrenen Kanals verbunden. Das Kabel 3 dient zur Stromversorgung und Fernlenkung der Raupe 1 und zur Übertragung der von der Kamera 4 erzeugten Videosignale.

Die Raupe 1 enthält an ihrer Oberseite eine Lichtquelle 5, die einen gebündelten Lichtstrahl S nach vorne aussendet. Im Weg des Lichtstrahls S befindet sich ein senkrechter Stab 6, der auf dem Hindernis 7 einen senkrechten Schatten 8 bewirkt. Die Breite b dieses Schattens ist abhängig von der Entfern­ ung L zwischen Raupe 1 und Hindernis 7. Der symbolisch darge­ stellte Schatten hat die Breite b 1. Fig. 1 zeigt also grund­ sätzlich, daß aus den geometrischen Abmessungen des abgebilde­ ten Schattens 8 auf die Entfernung L zwischen der Raupe 1 und dem Hindernis 7 geschlossen werden kann. Wenn das Hindernis 7 z.B. oben und unten einen unterschiedlichen Abstand L von der Raupe 1 aufweist, so ist die Breite b dieses Schattens ent­ sprechend oben und unten verschieden, so daß eine dreidimen­ sionale Auswertung ermöglicht ist.

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung. Dabei sind zu beiden Seiten der an der Raupe 1 angeord­ neten Optik 9 symmetrisch zwei Lichtquellen 5 a und 5 b mit je einem Stab 6 a, 6 b vorgesehen. Die Stäbe 6 a, 6 b stehen senk­ recht an der Raupe 1 und bilden in den von den Lichtquel­ len 5 a und 5 b ausgehenden Strahlengängen eine Ausblendung des Lichtes. Dieser Bereich der Strahlengänge, der also keine Lichtstrahlen enthält und auf dem Hindernis einen Schatten bildet, wird im folgenden als Schattenbündel bezeichnet. In Fig. 2 wird davon ausgegangen, daß die Breite dieser Schatten­ bündel durch eine entsprechende Bemessung von Lichtquellen 5 und Stäben 6 über ihre Länge, also in Richtung der Längsach­ se 12, konstant ist. Diese Schattenbündel 10, 11 der beiden Lichtquellen 5 a, 5 b sind gegenüber der Längsachse 12 der Raupe 1 geneigt und kreuzen einander in einem Abstand x vom vorderen Ende der Optik 9. Die Schattenbündel 10, 11 bilden auf dem Hindernis 7 die symbolisch dargestellten Schat­ ten 8 a, 8 b in Form senkrechter Streifen. Der Abstand zwischen den Lichtquellen 5 a, 5 b und den Stäben 6 a und 6 b in Längsrich­ tung 12 beträgt etwa 80 mm. Es ist ersichtlich, daß ähnlich wie in Fig. 1 der Abstand der Schatten 8 a, 8 b von der Entfer­ nung zwischen der Optik 9 und dem Hindernis 7 abhängig ist. Aus diesem Abstand kann somit aufgrund empirischer oder theo­ retischer Überlegungen auf die Entfernung geschlossen werden.

Im unteren Teil der Fig. 2 sind vier Spezialfälle darge­ stellt. Gemäß Fig. 2a befindet sich das Hindernis 7 im Ab­ stand x von der Optik 9. Bei diesem Abstand kreuzen sich die beiden Schattenbündel 10, 11. Das bedeutet, daß, abgesehen vom Streulicht, von beiden Lichtquellen 5 a, 5 b kein Licht auf das Hindernis 7 fällt und somit nur ein einziges Schattenbild in Form eines schwarzen senkrechten Striches entsteht. Dies ist somit ein Indiz, daß sich das Hindernis nur noch in dem Abstand x von der Optik 9 befindet. Dies kann auf dem Bild­ schirm als Warnung gewertet werden, daß bei Weiterfahren der Raupe die Gefahr einer Kollision mit dem Hindernis 7 besteht. Der Abstand x beträgt in der Praxis z.B. 0,2 bis 1,0 m. Gemäß Fig. 2b ist die Raupe 1 weiter als die Entfernung x von dem Hindernis 7 entfernt. Da hier die beiden Schattenbün­ del 10, 11 bereits voneinander entfernt sind, entstehen zwei senkrechte Halbschatten im Abstand der Schattenbündel 10, 11 an dieser Stelle. Da hier z.B. der linke Halbschatten 8 a durch den Stab 6 b gebildet wird, jedoch von der Lichtquel­ le 5 a Licht empfängt, entsteht kein Vollschatten gemäß Fig. 2a, sondern nur ein Halbschatten, der aber erkennbar ist. Das Schattenbild gemäß Fig. 2b entsteht bei einer Front­ stellung, also einer senkrechten Stellung der Vorderwand des Hindernisses 7 zur Längsrichtung 12.

Das Schattenbild gemäß Fig. 2c in einem Abstand < x deutet darauf hin, daß das Hindernis oben links dichter an der Raupe 1 ist, also das Hindernis nach oben zur Raupe 1 hin ge­ neigt ist. Das ergibt sich zwingend daraus, daß der Abstand der beiden abgebildeten Halbschatten oben geringer als unten ist und ein geringerer Abstand der Schatten eine geringere Entfernung zwischen Raupe 1 und Hindernis 7 bedeutet. Das Schattenbild gemäß Fig. 2d besagt, daß das Hindernis 7 oben rechts einen größeren Abstand von der Raupe 1 aufweist als unten links.

Das Schattenbild gemäß Fig. 2a entsteht nur bei der Entfern­ ung x. Deshalb kann auf diese Weise auch die jeweilige wirkli­ che Entfernung zwischen Raupe 1 und Hindernis 7 meßtechnisch ermittelt werden. Zu diesem Zweck sind die Lichtquellen 5 und/oder die Stäbe 6 verstellbar an der Raupe angeordnet, so daß die Schrägstellung der Schattenbündel 10, 11 zur Längsrich­ tung 12 und damit der Abstand x zwischen der Optik 9 und dem Schnittpunkt der Schattenbündel eingestellt werden kann. Der Operateur kann dann an dem Bildschirm diese Einstellung so vornehmen, daß bei einer beliebigen Entfernung zwischen Raupe 1 und Hindernis 7 das Schattenbild gemäß Fig. 2a ent­ steht. Aus der Einstellung, d.h. der Schrägstellung der Schat­ tenbündel 10, 11 zur Längsrichtung 12 kann dann rechnerisch auf die jeweilige Entfernung zwischen der Raupe 1 und dem Hin­ dernis 7 geschlossen werden. Auch ist der Schattenabstand zu­ einander zusammen mit einer Maßeinteilung auf dem Bildschirm zur Entfernungsmessung geeignet.

Es kann zweckmäßig sein, die beiden Lichtquellen 5 a, 5 b oder die Stäbe 6 a, 6 b so unterschiedlich auszubilden, daß die bei­ den abgebildeten Schatten voneinander unterscheidbar sind. Das kann erfolgen durch unterschiedliche Farbgebung, unter­ schiedliche geometrische Abmessungen der Schattenbilder oder durch eine besondere Struktur, z.B. durch rasterartige Unter­ brechung des Schattenbildes. Dadurch kann z.B. erkannt wer­ den, daß sich das Hindernis in einem gefährlichen Abstand < x von der Raupe 1 befindet, weil dann gemäß Fig. 2 die bei­ den Schattenbilder 8 a, 8 b in ihrer Seitenlage gegeneinander vertauscht sind.

In Fig. 3 ist zusätzlich zu Fig. 2 eine Blende 13 vorgesehen, die eine rechteckige Durchlaßöffnung mit senkrechten Kanten aufweist. Durch die Blende 13 wird verhindert, daß das von den Lichtquellen 5 a, 5 b ausgehende Licht über die Begrenzungs­ linien 14, 15 hinausgeht. Dann herrscht z.B. außerhalb des durch die Linie 14 gebildeten Bereiches absoluter Schatten für die Lichtquelle 5 a. Dies ist vorteilhaft, weil Licht au­ ßerhalb dieses Bereiches ohnehin nicht verwertet wird und durch Reflexion zu Streulicht führen kann, das die Schatten­ bildung an dem Hindernis und deren Erkennbarkeit verschlech­ tert. Gleiches gilt für Linie 15 und Lichtquelle 5 b.

Die Anordnung mit den Lichtquellen 5 a, 5 b und den Stäben 6 a, 6 b kann ggf. schwenkbar an der Raupe angebracht sein, um z.B. nicht zwei senkrechte Schattenbilder gemäß Fig. 2, son­ dern zwei waagerechte Schatten auf dem Hindernis 7 abzubil­ den. Dies kann zweckmäßig sein, um die Neigung des Hindernis­ ses 7 in verschiedenen orthogonalen Richtungen zu untersu­ chen. Vorzugsweise sind die Lichtquellen 5 a, 5 b von der Be­ dienstelle außerhalb des Schachtes über das Kabel 3 durch ei­ ne Fernbedienung ein- und ausschaltbar oder auch in ihrer Leuchtstärke einstellbar.

Die den Schatten bildenden Stäbe 6, 6 a, 6 b müssen nicht unbe­ dingt lichtundurchlässig sein. Die können auch eine Licht­ durchlässigkeit oder Lichtundurchlässigkeit für bestimmte Lichtwellenlängen aufweisen. Dann werden z.B. nicht schwarze Schatten auf dem Hindernis 7 abgebildet, sondern markante, erkennbare Markierungen einer bestimmten Farbe. Die Lichtquel­ len 5 und die Stäbe 6 können auch zu einer Einheit zusammenge­ faßt sein, die gewissermaßen wie ein kleiner, einfacher Pro­ jektor zur Erzeugung der Schatten 8 wirkt.

Fig. 4 zeigt weitere typische Schattenbilder, die anhand ei­ nes Modells bei verschiedenen Hindernissen empirisch ermit­ telt wurden. In Fig. 4a befindet sich das Hindernis oben nä­ her an der Raupe als unten. In Fig. 4b befindet sich das Hin­ dernis unten näher an der Raupe als oben. In Fig. 4c ist das Hindernis oben rechts näher an der Raupe. In Fig. 4d ist das Hindernis oben näher an der Raupe, und zwar dabei links sehr viel mehr. In Fig. 4e ist das Hindernis oben oder unten nä­ her, mit einer Kreuzung der Entfernung im Knoten. In Fig. 4f ist das Hindernis oben näher, dabei rechts sehr viel mehr. In Fig. 4g ist das Hindernis unten näher, dabei rechts sehr viel mehr.

Bei der Erfindung sind grundsätzlich Schatten- und Lichtberei­ che nach dem Prinzip von Positiv/Negativ gegeneinander ver­ tauschbar. Die in Fig. 2, 4 dargestellten Markierungen können somit Schatten- oder Halbschatten sein, die von einem Gebiet hoher Helligkeit umgeben sind. Die Markierungen können aber auch Lichtmarken sein, die von einem Schattenbereich umgeben sind. Beide Möglichkeiten fallen unter den verwendeten Be­ griff Schattenbilder.

Die beiden in Fig. 2, 3 gezeigten Lichtquellen 5 a, 5 b können auch durch eine einzige Lichtquelle gebildet sein, die über Lichtleiterkabel zu zwei Strahlenpunkten hin verzweigt ist. Diese Strahlenpunkte, die von einer gemeinsamen Lichtquelle ausgehen, bilden dann die beiden punktförmigen Lichtquellen in Fig. 2, 3.

Claims (18)

1. Inspektionsraupe für tunnelartige Kanäle, Schächte oder dgl., die mit einem fernlenkbaren Antrieb und einer Kame­ ra (4) versehen ist, die Videosignale an eine Beobach­ tungsstelle außerhalb des Kanals liefert, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Raupe (1) eine nach vorn in Fahrtrich­ tung strahlende, ein definiertes Schattenbild (Fig. 2, 4) erzeugende Lichtquelle (5) aufweist.

2. Raupe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang der Lichtquelle (5) nach vorn im wesentli­ chen offen ist und im Strahlengang ein den Schatten bil­ dendes Element (6) liegt.

3. Raupe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Strahlengang der Lichtquelle (5) nach vorn durch eine Blende abgedeckt ist und die Blende eine Öffnung auf­ weist, die eine vom Schattenbereich umgebene definierte Lichtmarke bildet.

4. Raupe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (5) einen gebündelten, nach vorn gerichteten Strahlengang aufweist.

5. Raupe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (5) eine Infrarot-Lichtquelle ist.

6. Raupe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (5) durch Leuchtdioden gebildet ist.

7. Raupe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (5) im wesentlichen punktförmig ausgebildet ist.

8. Raupe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der Lichtquelle (5) an der Raupe (1) ein den Schatten bewirkender senkrechter Stab (6) angeordnet ist.

9. Raupe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Lichtquelle (5) und dem Stab (6) et­ wa 80 mm beträgt.

10. Raupe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß an der Raupe (1) zwei je ein definiertes Schattenbild (8 a, 8 b) erzeugende Lichtquellen (5 a, 5 b) vorgesehen sind (Fig. 2).

11. Raupe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtquellen (5 a, 5 b) in gleicher Höhe symmetrisch zur Längsachse (12) der Raupe (1) angeordnet sind.

12. Raupe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtquellen (5 a, 5 b) indentisch sind.

13. Raupe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (5 a, 5 b) so unterschiedlich sind, daß ihre Schattenbilder (8 a, 8 b) voneinander unterscheidbar sind.

14. Raupe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schattenbilder (8 a, 8 b) unterschiedliche Farbe, Breite, Höhe oder Struktur haben.

15. Raupe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die die Schattenbilder erzeugenden Schattenbündel (10, 11) der von den beiden Lichtquellen (5 a, 5 b) ausgehenden Lichtbündel in einem Winkel schräg in Richtung zur Mittel­ achse (12) der Raupe (1) verlaufen und einander in einem definierten Abstand (x) vor dem vorderen Ende der Optik (9) der Raupe (1) schneiden (Fig. 2).

16. Raupe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (5 a, 5 b) zwecks Änderung des Winkels und des Abstandes (x) verstellbar an der Raupe (1) angeordnet sind.

17. Raupe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Raupe eine Blende (13) vorgesehen ist, die eine Durchlaß­ öffnung im Bereich zwischen den Lichtquellen (5 a, 5 b) auf­ weist und das Licht außerhalb dieses Bereiches ausblendet (Fig. 3).

18. Raupe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Lichtquelle vorgesehen ist, die über Lichtlei­ ter zu zwei Strahlenpunkten verzweigt ist.