Aufbau von volumetrischen Karten mit multiplen Auflösungsstufen durch einen mit Tiefensensoren ausgestatteten mobilen Roboter

Kurzfassung

Am Institut für Robotik und Mechatronik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt(DLR) wurden Algorithmen entwickelt, die während der Bewegung des „omniRob“ von Kuka, mithilfe der durch die Tiefensensoren akquirierten Informationen, eine 3D-Karte erstellen. Auf Basis dieser Karte wird auch die Navigation des Roboters durchgeführt, sodass für Explorationsanwendungen unbekanntes Gebiet fortlaufend erkundet werden kann. Als Kartentyp wird ein Voxelgitter in einem aus Octrees aufgebauten Raum benutzt, welches auf dem probabilistischen Modell von Occupancy Maps [60] basiert. Das Voxelgitter stellt eine Diskretisierung des Raumes in ein regelmäßiges Gitter1 dar. Die Messdaten der Sensoren werden auf Voxelebene aktualisiert und benachbarte Voxel mit gleichem Zustand ggf. entsprechend der Octree-Datenstruktur zusammengefasst. Es wurde in dieser Arbeit eine Übersicht über verschiedene aktuelle Mapping-Verfahren gegeben und deren Charakteristika herausgearbeitet. Zur Weiterentwicklung des momentan am Institut verwendeten Verfahrens wurde die Idee aufgenommen, Daten in der Karte in verschiedenen Auflösungsstufen zu speichern, welche von der Qualität der zu integrierenden Daten abhängig sind. Jene Funktionalität wurde in dieser Arbeit entwickelt, auf das bisherige Verfahren angewendet und erfolgreich getestet. Die Auflösung von Karten kann jetzt, während ihrer Erstellung, dynamisch angepasst werden, indem die Größe der einzufügenden Volumenelemente entsprechend gewählt wird. Je geringer die Messunsicherheit, desto kleinere Elemente werden in die Karte integriert, was in höher aufgelösten Bereichen resultiert. Es konnte gezeigt werden, dass bei Verwendung des hier entwickelten Verfahrens die benötigte Zeit zum Aufbau einer Karte sowie der benötigte Speicherbedarf deutlich reduziert werden konnten. In einem repräsentativen Testfall zur Integration eines Tiefenbildes in eine Karte sowie deren Speicherung als .obj-Datei wurde die Rechenzeit um 69 % und der Speicherbedarf dieser Datei um 96 % reduziert. Die maximale Auflösung der Karte kann jetzt sehr hoch gewählt werden, da die Karte nicht mehr konstant in einer gewählten Auflösung erstellt wird, sondern während des Mappings dynamisch angepasst wird. Es können interessante Bereiche von einem Roboter nah angefahren und auf hoher Auflösung vermessen werden und andere, weiter entfernte Bereiche in geringerer Auflösung gespeichert werden. Die gesamte Karte kann somit bezüglich des Speicherbedarfs klein gehalten werden, obwohl sie hoch aufgelöste Bereiche enthält.