Laserteknik för avståndsbedömning till sidohinder längs vägen : Fältförsök (Laser technique in order to determine the distance to side obstacles along aroad: Field experiment)

Nr 381 : 1983 Statens väg- och trafikinstitut (VT!) : 58101 Linköping ISSN 0347-6049 Swedish Road and Traffic Research Institute - S-58101 Linköping : Sweden

Laserteknik för avståndsbestämning till sidohinder längs vägen

381

Fältförsök

Nr 381 ' 1983 ISSN 0347-6049

381

Statens väg- och trafikinstitut (VTI) ' 581 01 Linköping

Swedish Road and Traffic Research lnstitute ' S-581 01 Linköping ' Sweden

Laserteknik för avståndsbestämning

till sidohinder längs vägen

Fältförsök

4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 INNEHÅLLSFÖRTECKNING REFERAT ABSTRACT BAKGRUND FÖRESLAGNA DELLÖSNINGAR FÖRUNDERSÖKNING AV LASERTEKNIKEN PRAKTISKA PROV Försöksuppläggning Mätapparatur Laser Mätdator Videoutrustning Apparatplacering Försökets genomförande ANALYS SLUTSATSER LITTERATURREFERENSER BILAGOR VTI MEDDELANDE 381

251.

II \ I O \ O \ O \ \ . n \ J 1 \ J 1 10

LASERTEKNIK FÖR AVSTÅNDSBESTÄMNING TILL SIDOHINDER LÄNGS VÄGEN.

Fälttörsök.

av Christer Dahlquist

Statens väg- och trafikinstitut 58101 LINKÖPING

REFERAT

Meddelandet behandlar ett fältförsök där man undersöker om det är

tekniskt genomförbart att från ett rörligt fordon mäta avståndet till

siktbegränsade föremål längs vägen. Laserteknik i kombination med videofilmning av vägen visar att det är enmöjlig lösning.

Arbetet har bedrivits på uppdrag av vägverket och är en fortsättning av projektet som redovisats i VTI Meddelande 380, "AVSTÅNDSBESTÄMNING TILL SIDOHINDER LÄNGS VÄGEN".

II

LASER TECHNIQUE IN ORDER TO DETERMINE THE DISTANCE TO SIDE OBSTACLES ALONG A ROAD.

Field experiment. by Christer Dahlquist

Swedish Road and Traffic Research Institute 5-581 OI LINKÖPING

Sweden

ABSTRACT

This paper describes a field experiment about the technical possibilities of measuring the distance to visibility reducing obstracles from a moving car. Laser technique in combination with video tape recording shows that there is a possible solution of the problem.

The work has been financed by the National Road Administration and is a continuation of a project presented in VTI Meddelande 380, Determination of the distance to side obstacles along a road.

l BAKGRUND

Trafiksäkerheten är i mycket stor utsträckning beroende av siktförhållan-dena längs vägen. Siktdata är därför mycket angelägna vid både nyprojek-tering och förbättringsprojeknyprojek-tering av vägar. Definitionen av begreppet "sikt" kan variera, vilket innebär att en direkt mätning av sikt inte alltid är lämplig. Det har därför visat sig att det är lämpligare att beräkna sikten ur linjeförings- och sidoavståndsdata. Med hjälp av sidoavståndsdata, data

från VDB (vägdatabanken) och lämpliga dataprogram kan siktsträckan

beräknas. För närvarande saknas som regel uppgift om avstånd från vägen till siktskymmande sidohinder. I denna rapport behandlas en tänkbar utrustning för att mäta avstånd till sidohinder.

De tekniska krav som ställs på utrustningen är att

0 avståndet till sidohinder skall mätas var tjugonde meter längs mät-sträckan.

o avståndsmätningen skall kunna ske med en upplösning av 0,1 meter. 0 hindrets brytpunkter skall kunna mätas in.

0 den maximala hinderhöjd som mätsystemet skall klara att mäta in är 10 meter.

0 det maximala hinderavstånd, vinkelrät mot vägen, som skall kunna mätas in skall vara 50 meter. Detta krav kan eventuellt justeras ner till 20 meter.

För att undersöka möjligheterna till en teknisk lösning på problemet gjorde VTI på uppdrag av VV under 1982 en marknadsundersökning av befintliga lösningar. Resultatet presenterades i VTI Meddelande 381 med titeln "AV-STÅNDSBESTÄMNING TILL SIDOHINDER LÄNGS VÄGEN. En marknads-undersökning av befintliga lösningar".

Resultatet från undersökningen visade att det inte fanns någon kommersi-ellt tillgänglig utrustning som uppfyllde de ställda kraven. Däremot fanns det några dellösningar som i lämplig kombination med varandra kunde vara en lösning på problemet. Föratt utreda användbarheten hos dellösningarna föreslogs några enkla praktiska försök. Detta meddelande skall redovisa resultaten från just de försöken. Målsättningen har varit att under primitiva men ändå fältmässiga förhållande testa de föreslagna

dellösning-arna. Som teknisk konsult har FOA 3 anlitats.

Z FÖRESLAGNA DELLÖSNINGAR

De två dellösningar som har varit mest intressanta att undersöka närmare

har varit:

0 Vidoebildtolkning

Detta innebär att man med hjälp av videokameror filmar terrängen. Videobilderna lagras på lämpligt medium för senare bildanalys, som kan tillgå på två sätt. Antingen analyseras bilden manuellt med hjälp av ett

koordinatsystem eller så digitaliseras bilden och behandlas i dator, där

analysen sker utgående från vissa kriterier. o Direkt avståndsmätning

Metoden innebär att man med ett avståndsmätningsinstrument, som

inte är beroende av reflektorer, mäter avstånd till aktuellt hinder.

Informationen lagras på ett lämpligt registreringsmedium för senare analys.

De praktiska prov som företagits i denna undersökning har koncentrerats på direkt avståndsmätning med hjälp av laser men i kombination med manuell videobildtolkning som referens. För att lära känna lasertekniken något mer gjordes en förundersökning med en laser i ett optiskt laboratorium. Videotekniken är känd sedan tidigare på VTI då denna teknik ofta utnyttjats

vid trafikstudier i fält. (VTI Meddelande 215).

3 FÖRUNDERSÖKNING AV LASERTEKNIKEN

För att undersöka kvaliteten på reflexerna från en laser gjordes försök med en laser i ett optiskt laboratorium på FOA 3. Experimentet gick ut på att ta reda på om reflexens styrka var. så kraftig att ett eko från ett föremål kunde särskiljas från omgivningen och vid vilket maximalt avstånd detta var möjligt. Reflexen används sedan för att bestämma avståndet till

föremålet.

Avståndsmätning med laser utföres vanligen med hjälp av tidmätning av gångavståndet för ett laserpulseko. Vid förundersökningen testades dock

en metod där man använder kontinuerlig laserstrålning vid

avståndsmät-ning. Metoden bygger på att en laserstråle skär genom en mottagares synvinkel och träffar föremålet. Därvid avbildas föremålet förskjutet på detektorn och blir då ett mått på avståndet. Förskjutningen avkännes antingen med en positionskänslig detektor eller en CCD-matris.

Vid försöken användes en GaAs-laser av fabrikat Optel med en våglängd av 904L nm. Som mottagare användes en detektormodul av fabrikat Optel. Försöken tillgick så att man undersökte reflexens utseende för olika föremål som placerats i den optiska försökshallen. Utsignalen från detektormodulen matades in i ett oscilloscope där man kunde avläsa reflexen som en puls på skärmen. Pulsens amplitud var ett mått på reflexens styrka och pulsens läge på tidsaxeln var ett mått på avståndet.

Lasern fungerade som förväntat och entydigt detekterade föremål på olika

avstånd. Lasern visade sin precision genom att på 50 m avstånd detektera och därmed ge ett tydligt eko från både ett torrt löv och en bägare med is. Lasermetoden har en stor nackdel och det är att den kan ge upphov till skador på mänskliga vävnader på grund av strålens koncentration. För att bedöma lasersäkerheten mot ögonskador skall man använda bestämmelser-na i ARBETARSKYDDSSTYRELSENS FÖRFATTNINGSSAMLING AFS

l98l:9.

Det uppställda kravet om maximalt mätavstånd medför att gränsvärdeskra-ven för ögonsäkerhet mot laserstrålning inte kan uppfyllas vid kontinuerlig

laserstrâlning. Detta innebar att vid de fortsatta försöken med laser utnyttjades metoden som bygger på avståndsmätning med tidmätning av ekot från en pulsad laser.

START'

STOPP

H55.5

Bild 1 Avståndsmätning med tidmätning av laserpulseko.

4.1

PRAKTISKA PROV Försöksuppläggning

De fortsatta försöken syftade till att undersöka huruvida den pulsade lasern är användbar under fältmässiga förhållanden. Detta innebar att en laser monterades på ett mätfordon som färdades utmed en viss vägsträcka. Vid utvärderingen skulle man studera om utsignalen från lasermätutrustningen,

d v 5 om måttet på avståndet, var rimligt i förhållande till

terrängförhåll-andena. För att kunna göra en rimlighetsbedömnning av mätdata från försöken beslöts att videofilmning av aktuellt terrängavsnitt skulle ske parallellt med avståndsmätningen med lasern. Videoupptagningen utgjorde sedan referensmaterialet vid utvärderingen. Utdata från lasern lagrades in

i en dator, där avståndsmåtten tidsattes så att man vid utvärderingen

erhöll en kurva där avståndet var en funktion av tiden. I videobilden var en klocka inlagd så att man kunde synkronisera videofilmen med avståndskur-van ochpå så sätt bedöma laserns avståndsmått i förhållande till terräng-ens verkliga utseende. På TV-monitorn var en markering inlagd som visade var laserstrålen träffade i naturen. På så sätt fanns en mycket god möjlighet att bedöma lasersignalens rimlighet.

Mätapparatur

Som laser användes en GaAs-laser typ LP80/200 av fabrikat Riegl (fd

EUMIG). Lasern arbetade på våglängden 904 nm. Utrustningen bestod av

ett mäthuvud med sändare och mottagare och en styrenhet med utvärde-ringselektronik, display och strömförsörjning.

En impulsgenerator styr GaAs-halvledarlasern i sändardelen så att den avger periodiska infrarödpulser som genom sändaroptiken träffar mätobjek-ten. Med hjälp av optiken i mottagardelen fokuseras det reflekterade ljuset på en fotodiod som omvandlar det till en elektrisk signal.

4.2.2

4.2.3

4.2.4

Lasern sänder ut 120 pulser per sekund. Ur 40 enkelmätningar bildar styrenheten ett medelvärde och det framräknade avståndet visas på en display. Värdet erhålls också på en BCD-utgång som kopplas till mätda-torn. Av ovanstående data finner man att mätutrustningen som mest kan presentera tre avståndsvärden i sekunden.

Mätdator

Som mätdator i fält användes en HP 9825 som var kopplad till laserns styrenhet. Varje mätvärde lagrades in i mätdatorns fasta minne som rymde 900 mätvärden. Dessa mätvärden matades sedan in på kasettbandvia en databandspelare för senare utvärdering. Vid utskriften av fältdatamate-rialet användes en HP-plotter.

Videoutrustning

För att dokumentera den omgivande terrängens utseende användes video-tekniken. Som videokamera användes en CTC 5000 av fabrikat ITV,

En tidgenerator, VTG-33, med en Bilden

utrustad med ett vidvinkelobjekt.

upplösning av 1/100 sekund användes som klocka på videobilden.

från videokameran och tidgeneratorn mixades in på en bandspelare, JVC PV 4800E. Den kompletta bilden kunde under inspelningen studeras på en

9-tums monitor, PM-900.

Apparatplacering

Som mätfordon valdes en täckt lastbil, Dodge 8300, med en mycket noggrann vägmätare. På en specialkonstruerad fästanordning utanpå :fordonets högersida applicerades laserns sändar- och mottagardel på en höjd av 1,2 meter och riktad vinkelrät mot färdriktningen. Ovanför lasern placerades videokameran, som riktades snett framåt för att terrängens rörelse i förhållande till kameran inte skulle registreras som en förbipasse-rande grå dimma. Vinkeln mellan videokamerans optiska axel och laserns

optiska axel valdes så att laserns träffpunkt i naturen väl kom innanför videons bildram. Slutligen anslöts mätdatorn till laserns styrenhet. För att kalibrera lasern monterades en vit skärm med storleken 60x60 cm, ute på ett öppet fält på den aktuella vägen. Skärmen placerades 49 meter från vägkanten, på ett sådant sätt att reflexen från laserstrâlen som skärmen gav upphov till lätt skulle kunna identifieras ur datamaterialet och på videotapen. l och med att denna referenspunkt fanns inlagd på videotapen visste man på vilken höjd lasern träffade naturen även om man gjorde justeringar hos TV-monitorn.

Bild 2 Bilden visar placeringen av videokameran och lasern på mätfor-donet.

4.3 Försökets genomförande

Som provväg för experimenten hade VV utvalt länsväg 667 i Östergötland.

Vägen går mellan Kisa och Åtvidaberg (se bilaga 7). Mätningarna utfördes

mellan A-punkterna A16 och A49, vilket är en sträcka av 6,4 km, av vilka 5,7 km utgjorde mätsträckan. Mätfordonet kördes två gånger fram och tillbaka längs sträckan, med två olika hastigheter. Klockan i datorn och klockan till videosystemet gick synkront hela tiden så att aktuellt mätvär-de kunmätvär-de jämföras med terrängens utseenmätvär-de. För att undvika att fordonets sidoplacering på vägen skulle inverka på mätresultatet valdes att vänster hjulpar om möjligt skulle föras på mittlinjen. Då den aktuella datorns kapacitet var begränsad till 900 mätvärden per körning och lasern presen-terade 3 mätvärden i sekunden innebar det att man bara kunde mäta 5 minuter per körning. Detta var ändå fullt tillräckligt för att utföra

försöken.

Nedanstående tabell visar avstånd och hastigheter för de olika körningarna.

Körning nr Körriktning Längd (m) Medelhastighet (km/h)

1 A16->A49 3225 31,12

2 ALM-*A16 3111 32,00

3 A49*A16 5717 64,12

4 A16»A49 5720 63,75

Det fältdatamaterial mätningen gav upphov till bestod av ett kasettband från datorn innehållande mätdata från lasern samt ett videoband med motsvarande vägavsnitt inspelat.

uinxamrnmvirÅñiökü

mza w mzam: Emma m: Bmñmicmüo?

10

5 ANALYS

I FOAs laboratorium har materialet från datakasetten ritats ut som en kurva med hjälp av en plotter. Avståndet mellan laser och mål utgjorde Y-axel och tiden utgjorde X-Y-axel. Resultatet från de fyra körningarna visas i bilaga 1-4. Körning i och 4 respektive 2 och 3 är i princip jämförbara. Körningarna 3 och 4 har skett vid dubbelt så hög hastighet som i och 2 vilket innebär att en längre sträcka har kunnat mätas in men med sämre noggrannhet beroende på mätdatorns begränsade kapacitet. Reproducerbar-heten i mätningarna är relativt god. T ex kan man i körning nr 1 (bilaga 1) och körning nr 4 (bilaga 4) hitta samma terrängavsnitt. Vissa signifikanta avsnitt i terrängen som överensstämmer mellan körningarna är märkta med en ring runt en siffra l-7. För att kontrollera kan man t ex ta den händelse som är markerad med siffran 4 med en ring runt och som representerar en slänt. Med kännedom om händelsetiden, starttiden för respektive körning samt mätsträckans längd kan man beräkna avståndet från mätningens startpunkt till aktuell slänt för att kontrollera att det verkligen är samma punkt. Vid körning nummer 1 började slänten 2593 meter efter start och vid körning nummer 4, 2567 meter efter start. Felet är i storleksordningen l % och visar att det är samma slänt lasern har indikerat. Lasern har

indikerat sidoläget till 7,5 m i båda fallet. Ett annat exempel är ettberg

som indikerades vid tiden 154850 vid körning nr 4. Man lät datorn expandera 20 sekunder runt den händelsen. Resultaten blev en expanderad kurva som visas i bilaga 5. Bilaga nr 6 visar ett foto från aktuellt ställe. Ovanstående visar endast några exempel på god överensstämmelse mellan verklighet och laserns utskrift. Analysen av fältdatamaterialet har varit mer omfattande än vad som här exemplifierats, men genomgående har överensstämmelsen varit mycket god. Lasern har visat sig uppfylla de krav man kunde ställa på den för de tänkta ändamålen, d v 5 att i måttliga hastigheter mäta avstånd vinkelrät mot färdriktningen.

ll

6 SLUTSATSER

De här gjorda fältförsöken visar att lasertekniken kan vara användbar för de fortsatta försöken. Fortsättningen kan innebära att man utnyttjar flera lasrar på olika höjder. Lasrarna bör då monteras på horisontellt stabilise-rade plattformar. Man kan också tänka sig att ha endast en vertikalt scannande laser. Detta kan dock medföra en del mekaniska problem.

Den utnyttjade lasern hade en pulsrepetitionsfrekvens av 120 Hz. Om man ökar den till 1-10 kHz ökar upplösningsgraden och falskalarmundertryck-ningen. Detta kan emellertid kollidera med kravet på ögonsäkerhet och måste självfallet noga beaktas.

Vad beträffar registreringarna i mätdatorn bör man förutom tiden även vid varje registrering lagra uppgift om vägkoordinaten. Videotekniken bör tills vidare finnas med som ett komplement innan den slutliga lösningen är

fastställd.

De fortsatta försöken kan komma att innebära ganska stora investeringar i mätutrustning men jämfört med att utföra siktmätningarna manuellt blir utvecklings- och investeringskostnaderna förmodligen relativt små. Under arbetets gång har det visat sig att det finns andra problemområden än vägsektorn där man har behov av ett liknande mätsystem. Denna eventu-ella intressegemenskap kan innebära att kostnaden per mätsystem kan sjunka på grund av kostnadsfördelning mellan olika intressenter.

LITTERATURREFERENSER

(1) Christer Dahlquist, Arne Lindelöf

Videosystem för trafikstudier i fält.

Väg- och trafikinstitut, VTI Meddelande 215.

(2) Christer Dahlquist, Leo Vokbus

Avståndsbestämning till sidohinder längs vägen. En marknadsunder-sökning av befintliga lösningar..

Väg- OChtrafikinstitut, VTI Meddelande 380. (3) Göran Bolander

Avståndsmätning till sikthinder utmed väg.

Försvarets Forskningsanstalt, FDA-rapport C30333-El.

Bilaga 1 Sid 1 (1) Körning nr 1. AVSTÅND dm _______,.. E! 5, S S G S S S S a 8 1521438 : : : : å : : .4 6.

;505m *'

åkocsmwesak

J

15ø513* SKOGSDUNGF J 'Ei /SOSZH' « SKOGSDUNGE i 1505504. ' TRHD

é-ffö'å

:5=:

.

;mugg "Gm Husdä

15215271'

JUL

"

.

JSÖGZS -4 sKoexguslâxä H_ ': i 1.507054..- SKOIT _ z ,las-07 . 5 .4-HUS 1§ø742.. SKOG II (0 G 5 150819... _HUS OCH KULLE'L ' _i_

?som graf;

I

1521857.. 4-] )SOC/Ol .. SKOG T /50907 - 066) ;I ® (âsxoer 158934 smeka.: 4 151811.. SKOG_ E PARTY] (63? // 5/03: _ Skog: AT. 1512149... __5-VTI MEDDELANDE 381

Bilaga 2

Sid 1 (1)

Körning nr 2. AxlSI'Åer aim % H N (L) h 01 E E! S S S S

151819

:

2

:

å

:

:

:

:

:

:

.4 SKOG ., 5' 51%30.. *7_FK 53° ' i ; \ 3:7*

151853..

SKOG r

OCH KULLE . skoé __ l OCH :3 . sö üÖ-gáEEEEE=

achqy q_ _ SKOG Al_å.II:;_____

'av J 153956 - T

15 øøa..

_lHUS

kd'

J

[52018 - TPÅDT -4 _ _ __::;__ 152034 q J. 152238n A, (@ .« smet-'#-[.22 'b 152147v H KULLE Gm .1- 1-1 2222.w KUiLE i, SZÃZU 7-2250 152257..

152332..

*

eg:

9

SKOG H i _ OC J :TF:.JJJ : 1524ø7.. VTI MEDDELANDE 381

Bilaga 3 Sid 1 (1) Körning nr 3. ÅVSTÃMD dm 0-: N w 'Ä rm S S E s 51 E S S 153835 'L 'L 1 . å : å : J' "' J==å_L 535 - _-aHâ ääg iååiiiii-_=== 153988w -_ .

-4

SKOG i i

153926-»OiH

U5

330

:isf-é

15394ø"

_F

SKOG (5).:

(B)

OCH % A »'5'400/-0- V Mm_ 4. ' H

1 154ø12..KUUE

25%030u

_SKOQ

gKOG

________W

Å_ . _W_

154ø44u.

LEE

_Mu_

SKOG _ I i'S'UIHÖ 4-: < 06

124117"

K

'===9

"

:i

. gig:

:11 .L (0 'TR/5D i /ELH HS.. _] 154149+ smü OCH uu_ 536.. m 1

154221

.4

1

' 'G G! 1.. g: IS-HÅL' smeT -L \ OCH STENJ_ #1 /cV 0 SKOGL \ 154253.. ._ SKOG

Hus_ i

_

.=

=

4. 4 i __ê' SKOG

154325T

i.

J

.4

. SKOG] ; _ KULLE ff: 33% i : a 1543584. 2 5 VTI MEDDELANDE 381

Bilaga 4 Sid 1 (l) Körning nr 4. AVSTÃN I) Am

-=

N

00

4

,m

8 G S S E G E G E 'G G

15453 1

:

.L

:

2

.L

:

:

:

§

i

U' ;517,515 _- -- E J SKOG ;_41 154593., -- :_21: HU 5 .=á OCH _-5 TRÄ: -' 154535.. q_ 5-; __ Mus! *gm-'3= H6 TRÄ? TQQD .

154797"

§5L{?!7 *' -E___==äääEåäEEEEEEEEEEEEEE================i ' HUS; SUSNT AJ 15473904 __ 4:.: <3) j SKOG l /SWSGW 5"

1§4812H$mg

' êêåår'===

il

8 3%

(015% --

._,W

154844..

/55'850 "BERG 5 154915.. SLF/7261" " /5WH/« 55000*-155028.. TRÄD 1 HUS-_4%-154948" .SKOG 4/5

4256::

än

SKOG

---

s.

;550%2 .

EEââr

_\

ä

155x553

w.

VTI MEDDELANDE 381

Bilaga 5

Sid 1 (1)

Detaljstudie från körning nr 4 - Berg 154850.

AVSTÅNB dm S " 0 8 8 " 8 0 7 154845 :L .4 -154847" 154849" BL/WM 154851" 154853ü'*

1§4855_..

II 0) b 154857" 154859* SKOG OCH

51/9'qu

I

154983" Ä 154gølq 1549ø5.. _i_ VTI MEDDELANDE 381 \ ' øøs /

mzmmm m

ma H E

mån 2. ?Ewa Emma am Umwm m03 waawxmwmm <5 üancäâm: ;ammo w xawåzm 2. t 00: 83 amñmsåñcamwmm w Uzmmm m.

Bilaga 7 Sid 1 (1) Mmmm ' i). Öv . L ...p-nl" * -* - :Åtta/vd

Ö J t'v'o \ . 38/5 . _/ g a '. 0 _M... U .0 E ' . s ' . _.2 t I . ?enormtlå \ á'Å 'gp .

< " x x.:

_'55

_1'

2.- ' z' _{1- H y.} .. .z 0.... x:\\ \v^ ' 02, av KK xxx " atra _{\ \ -s:;- - .. - ----.._ . t}

4=

_{.Lil/Sätra .'}

_ . l ,1' Torreberø

_{_ är}

v '5 . A N fri-w. _.' . ' Co Rumne « D (2541'ÄEEN- 5

7/ 1 I 7k§á$hult \ Q-( Stengörå' , å Q . a vöhwmen

'x -' «

I I _

Åsuuoav

----000--0-umoc--vo-mum Vä rü- "i" tx _{Måne ca, 1 E.} i _o 1 .r U 1

850'

_{a 5.}

_x

\ Tim". '-\ :I ...'.. .\

'nu QHL- d\\ *54 ' ...On ...O \56

87: sber \ - -9 " ' i 09 g \\1\ E \ r Ä '2. -4 4K'i ...n '-.._...Jordbaer " '=. - a'

L

*agä/ « . 4_ "" r ' 35.07 , _7._ ,-_M_ _3_

Bild 5 VDB-karta över den väg (lv 667) som mättes med lasertekniken.