Entwurf und High-Level-Synthese einer FPGA-basierten Hardwarebeschleunigung des AprilTag-Algorithmus auf einem Zynq-SoC

Abstract

Moderne Raumfahrtsysteme mussen immer aufwendigere Manöver autonom im Weltraum durchfuhren. Dazu sind Informationen über die Umgebung erforderlich. Mithilfe von AprilTags können beliebige Objekte geortet werden, um deren Positionsdaten fur diese Zwecke zu erfassen. Dies sind künstliche optische Bezugspunkte, die vom Aussehen her an QR-Codes erinnern. Mit einer Kamera kann die Position und Drehung der AprilTags bestimmt werden. Diese sollen zunächst als Machbarkeitsnachweis im Institut fur Raumfahrtsysteme des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) eingesetzt werden. Der dazugehörige Bildverarbeitungs-Algorithmus, der die Tags in einem Bild findet, identifiziert und ortet, soll auf einem Xilinx Zynq-SoC implementiert werden, da dieser in zukünftigen Raumfahrzeugen des DLR eingesetzt wird. Die offizielle Version des Algorithmus ist auf dem Zynq-SoC als reine Software zu langsam und nicht für eine Regelung geeignet. Daher wird in dieser Arbeit der Algorithmus teilweise in den integrierten FPGA des Zynq-SoC verlegt. Dadurch sollen die Berechnungen beschleunigt werden, um so eine höhere Bildrate, die fur den Einsatz in einer Regelung geeignet ist, zu erreichen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass durch eine geschickte Aufteilung die doppelte Bildrate erreicht werden kann.