06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Ableitung von Bewegungsstrategien zur automatisierten, vollständigen Vermessung von Innenraumszenen auf autonomnavigierender Plattform(2012) Fietz, Alexander; Fritsch, Dieter (Prof. Dr.-Ing.)Die Selbstlokalisierung eines autonomen mobilen Roboters in der Umgebung ist eine seiner grundlegenden Aufgaben. Eine präzise Lokalisierung ist für viele Applikationen notwendig. Eine Vorrausetzung dafür ist das Vorliegen einer genauen und vollständigen Karte. Während die durch den Roboter erzeugte Karte bei typischen Robotikanwendungen ein notwendiges Nebenprodukt darstellt, rückt diese bei einer Betrachtung von vermessungstechnischer Seite in den Fokus. Es stellt sich die Frage, inwiefern sich die gesammelten Raumdaten bezüglich der Genauigkeit, der Vollständigkeit und des Detaillierungsgrades für eine Umgebungskartierung eignen, die den Anforderungen eines menschlichen Nutzers genügt. Im Alltag benötigt dieser exakte Modelle von Innenräumen, deren Beschaffung häufig mit großem Aufwand verbunden ist. Eine vollautomatische Generierung dieser Innenraummodelle wäre für ihn daher wünschenswert. Die Arbeit soll hierzu einen Beitrag leisten und versucht die Verfahren und Mittel zusammenzustellen, die notwendig sind, um das Modell einer Innenraumszene quasi ”per Knopfdruck“ zu erhalten. Konzipiert wurde ein mobiles Messsystem, durch das sich Innenraumumgebungen vollständig und mit möglichst hoher Genauigkeit in 2D als auch in 3D einmessen lassen. Der Aufbau des Messsystems erfolgte in zwei Stufen. In einer Basisstufe wurde eine mobile Plattform mit einem Low-Cost Laserscanner ausgestattet, um eine 2D-Exploration von Innenraumszenen zu ermöglichen. In einer Ausbaustufe erlaubt die Anbringung einer Digitalkamera eine zusätzliche 3D-Rekonstruktion, basierend auf der Anwendung photogrammetrischer Methoden. In der Arbeit werden Positionierungsstrategien für die 2D als auch die 3D Vermessung vorgestellt, deren primäres Ziel eine Genauigkeitsmaximierung der resultierenden Raumdaten ist. Im ersten Teil der Arbeit wird ein 2D-Messsystem vorgestellt, dass in der Lage ist, unbekannte Innenraumszenen zu erkunden und exakte Grundrisspläne von diesen zu erstellen. Dabei fährt das System iterativ Messposen an, die durch eine Positionierungsstrategie bestimmt werden. Die an den einzelnen Messpositionen aufgezeichneten 2D-Punktwolken werden über ein Scan-Matching Verfahren in einem gemeinsamen Koordinatensystem registriert. Die Positionierungsstrategie beruht auf einer globalen Betrachtung der Umwelt als Verkettung von Liniensegmenten. Da die Enden dieser Segmente auf Datenlücken hinweisen, wird über diese die Exploration einer Szene bis zu deren vollständiger Erfassung vorangetrieben. Der zweite Teil der Arbeit stellt eine Positionierungsstrategie vor, durch die sich ein Aufnahmeverband aufnehmen lässt, mit dem eine photogrammetrische Rekonstruktion möglich ist. Bereits vor der eigentlichen Aufnahme werden mögliche Posenkonfigurationen über eine Genauigkeitsabschätzung eruiert. Die Annahme, sich in ebenen Umgebungen zu bewegen, ermöglicht eine Einschränkung der Wahl möglicher Kameraposen auf ein 2D Suchproblem. Ausgangsinformation der Posebestimmung ist die 2D-Umgebungskarte, die sich durch das vorgestellte 2D Messsystem erstellen lässt. Aus dieser werden iterativ pseudozufällige Posenkonstellationen für definierte Umgebungsbereiche abgeleitet und anhand einer Kostenfunktion miteinander verglichen. Die Kostenfunktion versucht die im Bündelausgleich entstehenden Varianzen der Objektpunkte abzuschätzen. Dies ist möglich, indem auch das funktionale Modell des Bündelausgleichs auf eine 2D Betrachtung reduziert wird, wobei ein 2D-Richtungsnetz entsteht. Form und Größe der resultierenden Fehlerellipsen lassen Rückschlüsse auf die Güte möglicher Kameraposen zu und erlauben eine vergleichende Evaluierung. Ein wesentlicher Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der empirischen Evaluierung der Systeme, um deren Leistungsvermögen und die Güte der resultierenden Raumdaten zu erörtern. Anhand von Versuchen in realen Umgebungen wird die praktische Anwendbarkeit der entwickelten Messverfahren belegt. Im Falle der scannenden Vermessung belegen die Experimente, dass das entwickelte Messsystem auch komplexe Innenraumszenarien einzumessen und zu explorieren vermag. Eine Betrachtung der erstellten Punktwolke zeigt, dass deren Genauigkeit vielen vermessungstechnischen Ansprüchen genügt und das Verfahren diesbezüglich herkömmlichen Messmitteln überlegen ist. Bei einer anschließenden Modellierung werden jedoch feinere Umgebungsstrukturen fälschlich abgebildet oder gehen ganz verloren. Auch die 3D-Messstrategie ist existierenden Strategien nachweislich überlegen. Das rein passive Verfahren führt jedoch zu Punktwolken, die nicht dicht genug sind, um mit entsprechender Software detaillierte Umgebungsmodelle erzeugen zu können.