Ableitung von Bewegungsstrategien zur automatisierten, vollständigen Vermessung von Innenraumszenen auf autonomnavigierender Plattform

Abstract

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.

A fundamental task of an autonomous mobile robot is the ability of self-localization in its environment respectively in a map of it, available to the robot. Many applications require a localization that is as precise as possible. Thereby, a decisive factor is the accuracy but also the completeness of the map. The generated map can usually be seen as a necessary side-product. When considered from a surveying point of view, it is brought more into focus. The question is to what extent the spatial robot data can fullfil certain mapping requirements in terms of accuracy and completeness in a detailed enough manner to be useful to human users. Precise models of indoor environments are very useful in both public and private sectors. But since their procurement involves a great deal of effort, an automatical generation of indoor models is desirable. The following thesis should make a contribution to this and tries to compose the techniques that are necessary to deliver interior models at the push of a button. Therefore, a mobile measuring system was designed, that is able to carry out complete and precise measurements of indoor environments. The system was build up in two stages. A mobile platform is equiped with a low-cost laser scanner in the basic stage. This build-up allows a precise exploration of indoor scenes in 2D. In an expansion stage the installation of a digital camera leads to an additional 3D reconstruction based on photogrammetric techniques. This thesis presents positioning strategies for scanning 2D measurements as well as photogrammetric 3D measurements, that try to maximize the accuracy of the collected spatial data. A scanning 2D measuring system, that is able to explore previously unknown indoor environments and generate precise floor plans is presented in the first part of this thesis. 2D point clouds, collected at various positions, are transformed into a common coordinate system by the use of a scan matching technique. The measuring system uses a positioning strategy, which is based on the global assumption that the environment can be described as a collection of line segments. All accessible measuring positions, represented in an occupancy grid, are evaluated in terms of their explorative benefit by the strategy using a cost function. Exploration is stopped as soon as every section is observed with a desired resolution. The second part of this work presents a positioning strategy to enable the recording of photo blocks, that are suitable for a photogrammetric reconstruction. In the run-up of data aquisition possible pose configurations are determined using an accuracy estimation. The assumption of plain environments allows a limitation to a 2D search problem regarding the choice of possible camera poses, whereby the combinatorial variety is reduced. Initial information of pose estimation provides a 2D map, generated by the system structure that was presented in the first part of this work. For predefined sections of the environment, pseudo-random pose constellations are derived iteratively from the map and compared with each other using a cost function. The cost function helps to predict the variances resulting from a bundle adjustment. An essential part of the work is the empirical analysis of the systems. Various experiments in real indoor environments show that developed measurement methods can be applied in practice. In different sets of experiments initial conditions are varied to find out their influence on the measurement process or the result. In order to achieve reliable results, reference models of the experimental environments were created by the use of a total station. In the case of scanner measurements, experiments show that the developed system is able to explore and measure also complex interiors. The purely passive measuring technique of the 3D strategy leads to sparse point clouds, not dense enough to derive detailed environment models with the corresponding software.