Aktiver Einsatz eines Multisensorsystems zur Exploration der Umwelt mit einem mobilen Roboter:
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Düsseldorf
VDI-Verl.
1997
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| adam_text | Titel: Aktiver Einsatz eines Multisensorsystems zur Exploration der Umwelt mit einem mobilen Roboter
Autor: Weckesser, Peter
Jahr: 1997
FORTSCHRITT- BERICHTE VM Dipl.-Phys. Peter Weckesser, Karlsruhe Aktiver Einsatz eines Multisensorsystems zur Exploration der Umwelt mit einem mobilen Roboter Reihe 8: Meß-, Steuerungsund Regelungstechnik Nr. 654
V Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Begriffsdefinitionen............................... 3 1.2 Das mobile Robotersystem PRIAMOS .................... 5 1.3 Aufgabenstellung und Beitrag dieser Arbeit ................. 7 1.4 Gliederung der Arbeit ............................. 9 2 Sensorsysteme für mobile Roboter - ein Überblick 11 2.1 Sensoren für mobile Roboter.......................... 11 2.1.1 Das allgemeine Sensormodell...................... 15 2.2 Interne Sensoren ................................ 15 2.2.1 Odometrie-Sensoren .......................... 15 2.2.2 Gyroskope................................ 16 2.3 Externe Sensoren................................ 16 2.3.1 Ultraschallsensoren........................... 16 2.3.2 CCD-Kameras.............................. 18 2.3.2.1 Geometrische Erfassung einer Szene............. 19 2.3.2.2 Aktive Kamerasysteme.................... 20 2.3.3 Laserscanner .............................. 22 2.4 Aktiver Sensoreinsatz und Sensorfusion.................... 23 2.5 Umweltexploration............................... 25 2.6 Mobile Roboter und deren Sensorsysteme................... 26 3 Geometrische Szenenrekonstruktion mit CCD-Kameras 29 3.1 Digitale Kameras................................ 31 3.2 Kameramodellierung und Kalibrierung.................... 34 3.2.1 Das Lochkameramodell......................... 35 3.2.2 Koordinatensysteme.......................... 38 3.2.3 Innere und äußere Orientierung.................... 39 3.2.4 Direkte Lineare Transformation.................... 43 3.2.4.1 Bestimmung der DLT-Matrix................ 44 3.2.4.2 Weitere Kalibrierungsverfahren............... 47 3.3 Kalibrierung eines aktiven Kamerasystems.................. 47 3.3.1 Steuerung der externen Kameraparameter.............. 50 3.3.2 Steuerung der internen Kameraparameter .............. 53 3.4 Bestimmung von Stereo-Korrespondenzen................... 55 3.4.1 Kombination von gebiets- und
merkmaisbasierten Zuordnungsverfahren .................................. 56
VI Inhaltsverzeichnis 3.4.1.1 Epipolare Geometrie..................... 57 3.4.1.2 Korrelationsverfahren.................... 58 3.4.1.3 Ein Beispiel für die trinokulare Zuordnung von Kantensegmenten ........................... 60 3.5 Szenenrekonstruktion.............................. 60 3.5.1 Unsicherheit der Szenenrekonstruktion................ 62 3.5.1.1 Explizite Fehlerabschätzung nach Gauß .......... 63 3.5.2 Repräsentation von Kanten in einer dreidimensionalen Umwelt ... 64 3.5.3 Szenenrekonstruktion anhand eines Beispiels............. 65 4 Geometrische Szenenerfassung mit abstandsmessenden Laserscannern 67 4.1 Planar messende Laserscanner.........................67 4.1.1 Experimentelle Untersuchungen zur Meßgenauigkeit.........69 4.1.2 Repräsentation der Unsicherheit der Einzelmessung......... 71 4.2 Segmentierung der Abstandsmessungen.................... 72 4.2.1 Unsicherheit der symbolischen Repräsentation............ 73 5 Steuerung eines aktiven Multisensorsystems zur Roboternavigation 78 5.1 Systemmodelle für die Auswertung von Sensordaten............. 79 5.1.1 Systemmodell für ein aktives Multisensorsystem...........79 5.2 Anwendung des Systemmodells zur Roboternavigation ...........82 5.2.1 Abbildung des Systemmodells auf die Diskurswelt..........83 5.3 Strukturwissen für die Roboternavigation................... 83 5.3.1 Umweltmodelle............................. 83 5.3.1.1 Geometrisches Umweltmodell................ 84 5.3.1.2 Topologisches Umweltmodell ................ 86 5.3.1.3 Generische Modelle für Objekte des Umweltmodells .... 86 5.4 Aufgabenbeschreibung............................. 87 5.5 Prozeßwissen für die Roboternavigation....................87 5.6 Steuerung eines aktiven Multisensorsystems.................88 5.6.1 Kooperativer Einsatz von Odometrie, Kamerasystem und Laserscanner ................................. 88 5.6.1.1 Zustandsschätzung mit Hilfe von internen Sensoren ....
88 5.6.1.2 Transformation der Primitive von Roboter- auf Umweltkoordinaten .......................... 89 5.6.2 Steuerbare Parameter der Bildauswertung.............. 90 5.6.2.1 Steuerbare Parameter bei der Bildakquisition....... 91 5.6.2.2 Steuerung der Detektion von Grauwertkanten.......93 5.6.2.3 Extraktion von linearen Kantensegmenten ......... 95 5.6.2.4 Hough-Filterung....................... 96 5.6.2.5 Steuerung der Stereo-Korrespondenzfindung und der Stereo- Rekonstruktion ........................99 5.6.3 Steuerbare Parameter bei der Auswertung der Abstandsmessungen des Laserscanners............................ 99 5.7 Einsatz des Multisensorsystems zur Roboternavigation...........100 5.7.1 Kollisionsvermeidung..........................101 5.7.2 Zustandsbestimmung..........................101
Inhaltsverzeichnis VII 5.7.2.1 Zustandsbestimmung mit Hilfe von Landmarken......102 5.7.2.2 Orientierungsbestimmung mit Fluchtgeraden........104 6 Exploration unbekannter Umwelten 108 6.1 Explorationsaufgaben..............................109 6.1.1 Explorationsstrategie in einer unbekannten Umwelt.........109 6.2 Sensorfusion zur geometrischen Umweltmodellierung.............111 6.2.1 Zuordnung und Fusion von Daten- und Modellkanten........113 6.2.1.1 Mahalanobisdistanz für lineare Kantensegmente......115 6.2.1.2 Zuordnung und Fusion von parallelen Daten- und Modellkanten .............................116 6.2.1.3 Fusion von zueinander senkrechten Kanten.........121 6.2.2 Inkrementelle Modellierung der Umwelt.......... 123 6.2.2.1 Zustandsbestimmung bei der Modellierung.........123 6.3 Experimentelle Ergebnisse bei der Umweltexploration............125 6.3.1 Zweidimensionale Modellierung der Umwelt.............125 6.3.2 Dreidimensionale Modellierung der Umwelt..............128 6.3.2.1 Modellierung einer Korridorumgebung...........128 6.3.2.2 Modellierung einer Laborumgebung.............130 6.4 Klassifikation von Szenenbereichsmerkmalen.................133 6.4.1 Klassifikation von für Navigationsaufgaben relevanten Objekten . . 134 6.4.2 Landmarkenerkennung.........................136 6.4.3 Experimentelle Ergebnisse.......................136 7 Diskussion und Ausblick 139 7.1 Zusammenfassung und Diskussion.......................139 7.2 Ausblick.....................................141 7.2.1 Entfernungsbildkameras........................142 Literaturverzeichnis 145 Stichwortverzeichnis 157
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