Ein Umwelterfassungssystem für multisensorielle Montageroboter:
Gespeichert in:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
1995
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| Ausgabe: | Als Ms. gedr. |
| Schriftenreihe: | Fortschritt-Berichte VDI
Reihe 8, Meß-, Steuerungs- und Regelungstechnik ; 486 |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | VIII, 144 S. Ill., graph. Darst |
| ISBN: | 3183486083 |
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| adam_text | Titel: Ein Umwelterfassungssystem für multisensorielle Montageroboter
Autor: Baader, Andreas
Jahr: 1995
V Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Voraussetzungen für intelligente Robotik................ 1 1.2 Brauchen Montageroboter Umweltmodelle?.............. 2 1.2.1 Autonome Roboter........................ 2 1.2.2 Das Umweltmodell in der Telerobotik.............. 4 1.2.3 Bekannte Systeme zur Umwelterfassüng............ 5 1.2.4 Besonderheit der bearbeiteten Problemstellung ......... 7 2 Aufbau eines Umwelterfassungssystems 9 2.1 Robotersensorik zur Umwelterfassung ................. 9 2.1.1 Robotersensorik.......................... 9 2.1.2 Maschinelles Sehen........................ 10 2.1.3 Die Sensor-in-Hand Konfiguration................ 11 2.1.4 Der ROTEX Robotergreifer.................... 12 2.2 Verarbeitung der Daten mehrerer Sensoren............... 14 2.2.1 Ein gemeinsamer Bezugspunkt.................. 14 2.2.2 Fusion der Daten versclüedener Sensoren............ 15 2.2.3 Die Rolle der Objektoberfläche für die Sensorik ........ 16 2.3 Der Schritt zur symbolischen Darstellung................ 18 2.3.1 Objekte als Basiselemente..................... 18 2.3.2 Objekterkennung und Lagebestimmung............ 18 2.3.3 Das Registrieren unbekannter Objekte.............. 18 2.4 Die Ebenen eines Umwelterfassungssystems............. 19 3 Die Ausgangslage für Oberflächenrekonstruktion 21 3.1 Anforderungen an einen Rekonstruktionsalgorithmus......... 21 3.2 Mathematische Grundlagen........................ 23 3.2.1 Verschiedene Darstellungen von Flächen............ 23 3.2.2 Fundamentalgrößen von Flächen ................ 26 3.3 Bekannte Verfahren zur Oberflächenrekonstruktion.......... 29
VI Inhaltsverzeichnis 3.3.1 Das Verfahren von Grimson und die Erweiterung nach Terzo- poulos................................ 29 3.3.2 Das Verfahren von Vemuri........ 30 3.3.3 Rekonstruktion nach Szeliski................... 30 3.3.4 Oberflächenrekonstruktion nach Y. Wang und J. Wang..... 31 4 Ein multisensorieller Rekonstruktionsalgorithmus 33 4.1 Die selbstorganisierende Merkmalskarte ................ 33 4.1.1 Das künstliche Neuron...................... 33 4.1.2 Topologieerhaltende Abbildungen in der Biologie....... 35 4.1.3 Das Simulationsmodell von Kohonen.............. 37 4.1.4 Ein Simulationsbeispiel...................... 40 4.1.5 Arbeiten zu Kohonens Algorithmus............... 42 4.2 Mathematische Betrachtung von Kohonens Algorithmus....... 43 4.2.1 Kohonens Erklärung des Ordnungsprozesses.......... 44 4.2.2 Abschätzung von Parametergrenzen............... 45 4.3 Oberflächenrekonstruktion mit Kohonens Merkmalskarten...... 46 4.3.1 Das Rekonstruktionsproblem...................
46 4.3.2 Vorwärtstraining ................. 48 4.3.3 Rückwärtstraining......... 48 4.4 Sensorfusion................................ 49 4.4.1 Punktförmige Oberflächeninformation....... 51 4.4.2 Tangentialebenen ................... 51 4.4.3 Dreidimensionale Liniensegmente....... 53 4.4.4 Freiformflächeninformation ......... 56 4.5 Oberflächenunstetigkeiten ..................... 57 4.5.1 Bekannte Unstetigkeiten ..................... 58 4.5.2 Unbekannte Unstetigkeiten.................... 60 4.5.3 Lokale Steuerung der Auflösung................. 62 4.6 Aspekte einer effizienten Implementierung...... 63 4.6.1 Konjugierter Gradient zur Korrespondenzsuche........ 63 4.6.2 Mehrgitterrekonstruktion . . ...... 64 4.6.3 Initialisierung durch Vorwissen...... 64 4.6.4 Zufallsauswahl der Trainingsdaten ............... 65 4.7 Experimentelle Ergebnisse ......................... 65 4.7.1 Simulierte Daten eines Linienscanners und einer Stereokamera in der Roboterhand...... 67 4.7.2 Abstandsdaten einzelner
Laserentfemungsmesser einer Roboterhand ............................ 70 4.7.3 Rekonstruktion aus 3D-Tiefenbildem .............. 70 4.7.4 Punktwolken eines Moiré Meßkopfes.............. 73 4.7.5 Rekonstruktion mit Daten des DLR-Laserscanners....... 75 4.7.6 Tiefendaten einer bewegten Stereokamera ........... 77
Inhaltsverzeichnis VH 4.7.7 Taktile Daten einer Roboterhand...... 81 4.8 Bewertung der vorgestellten Oberflächenrekonstruktion ....... 83 4.8.1 Vergleich mit bekannten Verfahren................ 83 4.8.2 Beurteilung der Integration von Multisensordaten....... 84 4.8.3 Parameterwahl.......................... . 85 4.8.4 Einsatz des Verfahrens in der Robotik.............. 86 4.8.5 Anwendung im CAD- und Oomputeigrafikbereich ...... 87 5 Objekterkennung und Lagebestiinmung 88 5.1 Welche Eigenschaften beschreiben ein Objekt?............. 88 5.2 Mögliche Ansätze zur Segmentierung............ 90 5.2.1 Segmentierung mit bekanntem Hinteigrund.......... 90 5.2.2 Verwendung von prinzipieller Hintergrundinformation .... 92 5.2.3 Versuch einer Vektorquantisierung zur Segmentierung .... 93 5.3 Die Segmentierung nach Objekten - ein kritischer Prozeß....... 96 5.3.1 Sinn oder Unsinn der Aufgabenstellung............. 96 5.3.2 Rolle der Segmentierung in der Hierarchie des Umweltwahrnehmungssystems .........................
98 5.4 Prinzipielle Ansätze zur Objekterkennung............... 99 5.4.1 Merkmalsbasiertes Objekterkennen............... 99 5.4.2 Die komplette Objektoberfläche als Ausgangsbasis ...... 101 5.4.3 Verfahren zur Objekterkennung und Lagebestimmung .... 101 5.5 Das erweiterte Gaußsche Bild....................... 104 5.5.1 Definition des erweiterten Gaußschen Bildes eines Objektes 104 5.5.2 Massenträgheitsachsen...................... 106 5.5.3 Berechnung der Massenträgheitsachsen auf 3D-Polygonbasis . 107 5.5.4 Objekterkennung......................... 108 5.6 Bestimmung der Objektposition mit dem ICP-Algorithmus...... 110 5.6.1 Die Quatemionen Darstellung von Rotationen im 3D-Raum . HO 5.6.2 Räumliche Transformation zur Minimierung der Abstandsquadrate ................................ 111 5.6.3 Der Algorithmus des iterativ nächsten Punktes......... 112 5.6.4 Geschwindigkeitssteigerung durch Extrapolation der Suchrichtung....................... 113 5.6.5 Geschwindigkeitssteigerung durch
variable Auflösung .... 114 5.6.6 Implementierung der Berechnung des nächsten Punktes . . . 115 5.7 Versuchsergebnisse ............................ 115 5.8 Registrieren unbekannter Objekte.................... 123 5.8.1 Die Objektdatenbasis eines Roboters............... 123 5.8.2 Verarbeitung der rekonstruierten Oberfläche eines unbekannten Objektes............................ 124
Vin Inhaltsverzeichnis 6 Zusammenfassung und Ausblick 125 6.1 Umwelterfassung - ein weiterer Schritt von der Teleoperation zur vollen Autonomie?............. 125 6.2 Das Umwelterfassungssystem als Teil eines Konzepts für Weltraumroboter ............................ 126 6.3 Einsatz auf anderen Gebieten der Umweltwahmehmung....... 127 6.4 Bewertung des kompletten Systems................... 128 6.5 Ansätze zu weiteigehenden Umwelterfassungssystemen....... 130 A Abstandsberechnung auf dem Neuronengitter 132 B Trägheitsmoment eines 3D-Dreiecks 133 Literaturverzeichnis 135
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