Navigation von mobilen Robotern mit Hilfe bildgebender Sensoren: ein mengenbasierter Ansatz
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| Language: | German |
| Published: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
1995
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| Edition: | Als Ms. gedr. |
| Series: | Fortschritt-Berichte VDI
Reihe 8, Meß-, Steuerungs- und Regelungstechnik ; 456 |
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| adam_text | Titel: Navigation von mobilen Robotern mit Hilfe bildgebender Sensoren
Autor: Atiya, Sami
Jahr: 1995
INHALTSVERZEICHNIS _V Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Motivation...................................... 3 1.2 Ansätze zur Lokalisierung von mobilen Robotern................. 7 1.2.1 Verfahren zur Ermittlung der absoluten Lage eines mobilen Roboters . 7 1.2.2 Verfahren zur Ermittlung der relativen Lage und Aufbau einer Landkarte 13 1.2.3 Behandlung der Unsicherheit ....................... 15 1.2.4 Bewertung der Ansätze und offene Fragen................ 19 1.3 Beitrag dieser Arbeit................................ 22 2 Mengenbasierte und probabilistische Ansätze 26 2.1 Auswertung von Sensordaten . . . ........................ 26 2.1.1 Schätzungsproblem............................. 27 2.1.2 Zuordnungsproblem............................. 28 2.2 Mengentheoretische Ansätze............................ 29 2.2.1 Grundlagen................................. 29 2.2.2 Existierende Ansätze............................ 31 2.3 Intervallarithmetik................................. 34 2.3.1 Überblick..................................
34 2.3.2 Grundlagen der IntervaUarithmetik .................... 35 2.3.3 Die Schätzung von Parametern...................... 38 2.4 Probabilistische Ansätze.............................. 42 2.4.1 Rekursive Schätzung......................... 43 2.4.2 Iterierter Erweiterter Kalman-Filter.................... 46 2.4.3 Zuordnungsproblem: Mahalanobis-Distanz................ 47 3 Lokalisierung eines mobilen Roboters 49 3.1 Sensormodell.................................... 50 3.1.1 Abbildungsmodell eines Szenenpunktes mit einer Kamera........ 51 3.1.2 Modellierung der Roboterlage....................... 53 3.1.3 Modellierung der Stereo-Kameraanordnung................ 55 3.1.4 Modellierung der Abbildung vertikaler Landmarken........... 55 3.2 Problemformulierung und Lösungsansatz..................... 57 3.2.1 Formulierung................................ 59 3.2.2 Lösungsansatz................................ 60 3.3 Problem der Stereo-Triangulation......................... 61 3.3.1 Unsicherheitsfreie
Lösung ......................... 62 3.3.2 Berücksichtigung der Unsicherheit..................... 65 3.3.3 Veränderliche Basislänge der Stereo-Anordnung............. 75 3.3.4 Algorithmus zur Stereo-Triangulation................... 76 3.3.5 Dynamisches Modell zur Stereo-Triangulation.............. 77
VI INHALTSVERZEICHNIS 3.4 Lösung des Korrespondenzproblems........................ 80 3.4.1 Dreiecksbeschreibung von Punkten und Stereo-Regionen........ 82 3.4.2 Algorithmus zur Suche nach konsistenten Dreiecken........... 88 3.4.3 Algorithmus zur Trennung von konsistenten Dreiecken ......... 91 3.4.4 Komplexität der Algorithmen....................... 94 3.4.5 Erweiterungen zur Berücksichtigung der Unsicherheit in der Weltkarte . 94 3.5 Schätzung der Roboterlage............................. 97 3.5.1 Unsicherheitsfreie Weltkarte........................ 97 3.5.2 Berücksichtigung der Unsicherheit in der Weltkarte...........101 3.5.3 Dynamisches Modell zur Schätzung der Roboterlage...........102 4 Probabilistischer Ansatz 104 4.1 Stereo-Triangulation................................104 4.2 Korrespondenzproblem...............................107 4.3 Schätzung der Roboterlage.............................110 5 Experimentierumgebung und Verfahrensablauf 113 5.1 Technische Umgebung...............................115
5.1.1 Der mobile Roboter der Universität Karlsruhe..............115 5.1.2 Schlitten-Stereo-Anordnung........................116 5.2 Rechnerumgebung .................................117 5.2.1 Das Bildauswertesystem VISTA......................117 5.2.2 Der Arbeitsplatzrechner..........................122 5.3 Verfahrensablauf und Rechnerstruktur......................123 5.3.1 Erste Entwicklungsphase.........................123 5.3.2 Zweite Entwicklungsphase.........................126 6 Experimentelle Ergebnisse 128 6.1 Systemparameter und Kalibrierung........................128 6.1.1 Kalibrierung der CCD-Kameras.......................128 6.1.2 Bestimmung der Unsicherheit................... .129 6.2 Erste Entwicklungsphase..............................132 6.2.1 Experiment 1................................132 6.2.2 Experiment 2........... .....................134 6.3 Zweite Entwicklungsphase.............................137 6.3.1 Beschreibung der Experimente.................. 137 6.3.2 Mengenbasierter
Ansatz..........................141 6.3.3 Probabilistischer Ansatz . !........................142 6.3.4 Gegenüberstellung von mengenbasiertem und probabilistischem Ansatz 152 7 Diskussion und Ausblick 154 A Mathematische Notation 157 B Mengen und Intervalle 159 B.l Mengen und Abbildungen.............................159 B.2 Intervalle und Intervallarithmetik.........................159 C Homogene Transformationen 163
INHALTSVERZEICHNIS _ VII D Untersuchungen zu Kapitel 3 165 D. l Maximaler Winkel zwischen Stereo-Regionen...................165 E Probabilistische Schatzung 167 E. l Iteriertes Erweitertes Kalman-Filter........................167 E.2 Zuordnungsproblem.................................168 E.3 Stereo-Triangulation............ ....................169 E.4 Korrespondenzproblem...............................170 E,5 Schätzung der Roboterlage.............................171 Anhang 157 Literaturverzeichnis 173
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