Längenmesskopf für den Einsatz am Harvester/Prozessor

Über dieses Buch

Art: Diplomarbeit
Autor: Robert Holzer
Abgabedatum: Juli 2001
Umfang: 173 Seiten
Dateigröße: 2,2 MB
Note: 1,0
Institution / Hochschule: Johannes Kepler Universität Linz Österreich
ISBN (eBook): 978-3-8324-5402-9
ISBN (Paperback) :
978-3-8324-5402-9 P
ISBN (CD) :978-3-8324-5402-9 CD
Sprache: Deutsch
Prämierung:
Arbeit zitieren: Holzer, Robert Juli 2001: Längenmesskopf für den Einsatz am Harvester/Prozessor, Hamburg: Diplomica Verlag
Schlagworte: Digitale Bildverarbeitung, Sensorik, Doppler-Radar, Forsttechnik, Baumerntemaschine

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Diplomarbeit von Robert Holzer

Einleitung:

In der modernen Forstwirtschaft wird die Schlägerung und Aufarbeitung von Holz mit Hilfe von Harvestern oder Prozessoren durchgeführt. Es sind dies Baumerntemaschinen, welche die Bäume fällen, entasten und zuschneiden. Das Rohholz soll dabei möglichst genau nach Bestellung des Sägewerkes abgelängt werden. In derzeit eingesetzten Systemen wird die Länge des Stammes über die Umdrehungen eines Zahnrades gemessen, welches während des Vorschubs an die Stammoberfläche gepresst wird. Da dieses System verschiedene Nachteile und Mängel aufweist, besteht der Bedarf an einem bezüglich Genauigkeit und Zuverlässigkeit verbesserten System, welches berührungslos misst und womöglich eichfähig ist.

Gang der Untersuchung:

Dieses Problem wurde in einem zweigeteilten Projekt bearbeitet, in dessen erstem Teil eine Analyse der denkbaren Messvarianten durchgeführt wurde. Der Abschlussbericht dieses Teils ist die vorliegende Arbeit.

Die primär behandelten Messprinzipien sind folgende: optische Verfahren - Bildauswertung, lasergestützte Messsysteme, Mikrowellen-Dopplerradar und Ultraschall-Dopplerverfahren.

In Abschnitt 3 der vorliegenden Arbeit wird versucht, die Vor- und Nachteile der behandelten Verfahren gegeneinander abzuwägen und eine Empfehlung für das mit den besten Erfolgsaussichten weiterzuverfolgende Konzept abzugeben.

Generell lässt sich feststellen, dass die rauen Umgebungsbedingungen das größte Problem bei der Entwicklung eines derartigen Messgerätes sind. Der Bau eines Sensorprototyps für den Laborbetrieb wäre mit jedem Messprinzip denkbar. Als die erfolgversprechendste Variante für die Realisierung eines kostengünstigen Sensors im forstwirtschaftlichen Dauereinsatz hat sich die Verwendung eines Mikrowellen-Dopplerradars herausgestellt.

Inhaltsverzeichnis:

1.	AUFGABENSTELLUNG UND RAHMENBEDINGUNGEN	10
1.1	Aufgabenstellung	10
1.2	Pflichtenheft	12
1.3	Diskussion der Anforderungen aus praktischer Sicht	13
1.3.1	Prinzipielle Kriterien und Gesichtspunkte zu Vermessungssystemen am Harvester	13
1.3.1.1	Zur Messgenauigkeit	13
1.3.1.2	Zur Eichbarkeit	14
1.3.2	Projekte zur Rohholzvermessung	14
1.3.2.1	SkogForsk	14
1.3.2.2	Liro	15
1.3.3	Rohholz-Identifizierung und -Verfolgung mittels Chips	15
1.3.4	Quellen für weitere Informationen	16
1.4	Eichfähigkeit	18
1.4.1	Eichvorschriften	18
1.4.2	Anforderungen an automatisierte Rohholzvermessung	18
1.4.3	Kontakte für weitere Informationen	19
1.5	Erschütterungsmessungen	20
1.5.1	Maximalwerte der gemessenen Beschleunigungen	20
1.5.2	Analyse auftretender Schwingungen	22
1.5.3	Schlussfolgerungen	25
1.6	Organisatorische Rahmenbedingungen	26
2.	DENKBARE MESSPRINZIPIEN	27
2.1	Vorüberlegungen	27
2.2	Zusatzideen	28
2.3	Nicht berührungslose Messverfahren	29
2.3.1	Bestehendes Messrad optimieren	29
2.3.2	Maßband-Prinzip	29
2.4	Nutzung von Markierungen in konstanten Intervallen	31
2.4.1	Dt-konstant aufbringen - Dx messen	31
2.4.1.1	Idee	31
2.4.1.2	Bewertung	31
2.4.2	Dx-konstant aufbringen	31
2.4.2.1	Triggerung der Applikation durch die Detektion	31
2.4.2.2	Verwendung eines Rollstempels	32
2.4.3	Anwendung in optischen Systemen	33
2.4.3.1	Prinzip	33
2.4.3.2	Beurteilung	33
2.4.4	Anwendung in thermooptischen Systemen	34
2.4.4.1	Aufbringung thermischer Marken	34
2.4.4.2	Detektion thermischer Marken	36
2.4.4.3	Versuche am Institut für angewandte Physik	39
2.4.4.4	Zusammenfassende Beurteilung	41
2.4.4.5	Weitere Informationsquellen	41
2.5	Optische Messverfahren am Harvesterkopf	42
2.5.1	Vorüberlegungen für optische Verfahren	42
2.5.2	Optisches Korrelationsverfahren	43
2.5.2.1	Systembeschreibung	43
2.5.2.2	Praktische Versuche	45
2.5.2.3	Ausblick	47
2.5.2.4	Genauigkeitsanalyse für optische korrelative Geschwindigkeitsmessung	48
2.5.2.5	Überlegungen zur Garantierbarkeit des optimalen inter-frame-Versatzes	50
2.5.2.6	Zusammenfassende Beurteilung	52
2.5.3	Microsoft - optical mouse	52
2.5.3.1	Systembeschreibung	52
2.5.3.2	Versuche	52
2.5.3.3	Beurteilung	53
2.5.4	Pattern-matching	53
2.5.4.1	Idee	53
2.5.4.2	Versuche - Expertenmeinung	54
2.5.4.3	Beurteilung	55
2.5.4.4	Kontakte und Informationsquellen	56
2.5.5	MPEG	57
2.5.5.1	Prinzip	57
2.5.5.2	Expertenmeinung	57
2.5.5.3	Beurteilung	58
2.5.5.4	Kontakte und Informationsquellen	58
2.5.6	Direkte Musterauswertung	59
2.5.7	Hilfestellungen für optische Systeme	59
2.6	Optische Verfahren aus Distanz - Photogrammetrie	61
2.6.1	Begriff und Grundidee	61
2.6.2	Ideen und Varianten	61
2.6.2.1	Grundsätzliche Bedingungen	61
2.6.2.2	Laserprojektion längs der Baumachse	62
2.6.2.3	Variante des gesamten Konzepts	63
2.6.3	Expertenmeinung	64
2.6.4	Versuche zur Photogrammetrie	65
2.6.5	Genauigkeitsanalyse für photogrammetrische Messverfahren	67
2.6.6	Zusammenfassende Beurteilung	68
2.6.7	Kontakte und Informationsquellen	68
2.7	Lasergestützte Messverfahren	70
2.7.1	Laser-Geschwindigkeitsmessung	70
2.7.1.1	Messprinzip	70
2.7.1.2	Fa. Polytec GmbH	71
2.7.1.3	Fa. TSI GmbH	72
2.7.1.4	Beurteilung	72
2.7.2	Laser-Distanzmessung	73
2.7.2.1	Laser-Distanzmessung zu Reflektor	73
2.7.2.2	Laser-Distanzmessung zum Baumende	73
2.7.2.3	Genauigkeitsanalyse für Distanzmessung zum Baumende	74
2.7.2.4	Kommerziell erhältliche Systeme	75
2.7.2.5	Versuche	77
2.7.2.6	Zusammenfassende Beurteilung	81
2.7.2.7	Kontakt	82
2.8	Mikrowellenbasierte Messverfahren	83
2.8.1	Theorie zum Doppler-Effekt und dessen Messung	83
2.8.1.1	Grundlagen und Vorüberlegungen	83
2.8.1.2	FFT Analyse	85
2.8.1.3	Wavelets - Wavelet Transformation	87
2.8.1.4	Wavelets - Toolsets für LabVIEW(tm) und MATLAB(r)	94
2.8.1.5	JTFA - Joint Time-Frequency Analysis in LabVIEW(tm)	96
2.8.1.6	Modellbasierte Ansätze zur JTFA	103
2.8.1.7	Auto Power Spektrum und Autokorrelation	105
2.8.2	Mikrowellen-Doppler-Radar	106
2.8.2.1	Geometrische Situation	106
2.8.2.2	Verwendete Komponenten	106
2.8.2.3	Erste Messungen und FFT-Auswertungen	107
2.8.2.4	JTFA-Auswertungen	109
2.8.2.5	Weitere Ideen zur Auswertung des Radar-Signals	117
2.8.2.6	Genauigkeitsanalyse für Mikrowellen-Dopplerradar	118
2.8.2.7	Kommerziell erhältliche Sensoren	121
2.8.2.8	Beurteilung	122
2.8.2.9	Kontakte, Informationsquellen	123
2.8.3	Mikrowellen-Distanzradar	124
2.9	Ultraschallbasierte Messverfahren	125
2.9.1	Ultraschall-Doppler	125
2.9.1.1	Expertenmeinung	126
2.9.1.2	Versuch	127
2.9.1.3	Beurteilung	128
2.9.1.4	Kommerziell erhältliche Systeme	129
2.9.2	Ultraschall - Sagnac-Effekt	129
2.9.3	Ultraschall-Distanzmessung	129
2.9.4	Materiewellen im Baum	130
2.9.5	Weiterführende Literatur	130
2.10	Verwendung von ID-Tags	131
2.10.1	Vorüberlegungen	131
2.10.2	Expertenmeinung	131
2.10.3	Kommerziell erhältliche System	133
2.10.4	Beurteilung	133
2.10.5	Kontakte und Informationsquellen	133
2.11	Peilsender-Prinzip	135
2.11.1	Pulsfolgen-Sender	135
2.11.1.1	Distanzmessung	135
2.11.1.2	Geschwindigkeitsmessung	135
2.11.2	Dopplersignal-Sender	136
2.11.3	Zusammenfassende Beurteilung	136
2.12	Weitere Lösungsansätze	137
2.12.1	Kernspintomographie	137
2.12.1.1	Das Prinzip der Kernspintomographie	137
2.12.1.2	Die grundsätzliche Anwendbarkeit der Kernspintomographie	137
2.12.1.3	Ausschlussgründe gegen die Kernspintomographie	138
2.12.2	Röntgenaufnahmen	138
2.12.3	Integrating Accelerometer	139
2.12.3.1	Das grundsätzliche System	139
2.12.3.2	Die Probleme bei der praktischen Anwendung	139
2.12.3.3	Kommerziell erhältliche Systeme	139
2.12.4	Eindimensionale optische Erfassung der Baumachse	139
2.12.5	Elektrotechnik	140
2.12.6	Elektrostatik	140
2.12.7	Elektrodynamik	140
2.12.8	Induktion	140
2.12.9	Kaloriemetrie	140
3.	BEWERTUNG, LÖSUNGSAUSWAHL UND AUSBLICK	141
3.1	Bewertungsmethode	141
3.2	Bewertete Lösungsansätze	144
3.3	Bewertungsraster	145
3.4	Lösungsauswahl - Empfehlung	150
3.5	Ausblick	151
3.5.1	Kontaktadressen	151
4.	ANHANG	152
4.1	Weiterführende Literatur und Kontaktadressen	152
4.2	Bilder zur Photogrammetrie-Auswertung	154
4.3	Internet - Suchergebnisse	155
4.3.1	Stichwort „Infrarotkamera“	155
4.3.2	Stichwort „Diodenlaser“	157
4.3.3	Stichworte „computer vision speed measurement“	161
4.4	Abbildungsverzeichnis	165
4.5	Tabellenverzeichnis	167
4.6	Literaturverzeichnis	168

Automatisiert erstellter Textauszug:

Bei Verwendung eines Senders der ein kontinuierliches Signal fixer Frequenz aussendet könnte direkt die Geschwindigkeit aus der Dopplerverschiebung des empfangenen Signals zur bekannten Sendefrequenz ermittelt werden. Voraussetzung dazu wäre die Verwendung eines sehr frequenzstabilen Signalgenerators im Mikrowellen- oder Ultraschallbereich. Das Hauptproblem ist auch bei dieser Variante die Wiederverwertbarkeit und/oder Kostengünstigkeit der Senderelemente. Bei einem solchen System sollte die Selektion des auszuwertenden Signals schon rein dadurch gewährleistet sein, dass bei relativ stationär gehaltenem Harvesterkopf das Signal des Senders am momentan zu messenden/schneidenden Baum als einziges eine Dopplerverschiebung erfährt. Die Signaldetektion müsste daher rein auf die zu erwartende Dopplerfrequenz eingeschränkt werden um dadurch Signale, die auf die Pendelbewegung des Prozessorkopfes zurückzuführen sind, auszublenden. [...]

Der Sender schickt in festen Zeitabständen Signale aus. Um eine Selektion des richtigen Senders aus den vielen umherliegenden zu ermöglichen, müsste jeder Sender eine (für einen gewissen Zeitraum) einzigartige Signalform, -rate oder – folge besitzen. Die Auswahl des momentan zu verfolgenden Signals wäre ein leichtes, da der interessierende Sender zum Zeitpunkt der Anbringung garantiert am nächsten beim Empfänger liegt, und somit einfach durch Detektion des stärksten Signalpegels herausgefilter werden kann. Bei Laufzeitmessungen bleibt immer zu berücksichtigen, dass sich auch Fehlerquellen durch variable Ausbreitungsbedingungen der Signale auf dem (max. 12 m langen) Weg von Sender zu Empfänger ergeben können! Empfangsseitig bleiben zwei Möglichkeiten der Auswertung: [...]

Darunter wird ein Konzept verstanden, welches eine Variante des im vorigen Kapitel diskutierten SAW-tag oder ID-tag – Systems darstellt. Angedacht ist ein System bestehend aus einem aktiven Element als Sender in der Schnittfläche des Baumes und einem reinen Empfänger im Harvesterkopf. Zwei Grundprobleme sind hierbei besonders zu bedenken: • Am Arbeitsplatz des Harvesters liegen viele bereits geschnittene Hölzer, die alle einen aktiven Sender tragen. Aus diesen vielen Signalen muss jenes eine herausgefiltert werden, das momentan gerade interessiert, d.h. das vom momentan zu schneidenden/messenden Baum stammt. • Die Kosten für ein Element, das auf jedem Baum angebracht werden muss, dürfen nur minimal sein! Weiters muss auf die Verträglichkeit des Elements im weiteren Produktionsablauf geachtet werden oder eine Entfernung und Wiederverwendung vorgesehen werden. [...]

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http://www.diplom.de/ean/9783832454029

Arbeit zitieren:
Holzer, Robert Juli 2001: Längenmesskopf für den Einsatz am Harvester/Prozessor, Hamburg: Diplomica Verlag

Schlagworte:
Digitale Bildverarbeitung, Sensorik, Doppler-Radar, Forsttechnik, Baumerntemaschine