Experimente im Flur (Robobench)

Die drei Algorithmen werden im Flur des FhG-AIS Gebäudes getestet. Dabei ist das Szenario analog des Tests für zwei Scans (vgl. Kapitel 3.3.4), d.h. die Testbedingungen und Konstanten für Abbruchkriterium und maximalen Punktabstand sind exakt gleich gewählt. Der Roboter fährt in einem langen Flur. Nach jeweils 2 Metern (Odometriewert) stoppt er und nimmt einen 3D-Scan von 180 $\times$ 256 Punkten auf. Am Ende des Flurs dreht der Roboter und fährt zurück. Dabei werden ebenfalls 3D-Scans aufgenommen.

Das Scanmatching betrachtet nur die REDUZIERTEN PUNKTE und verwendet einen $k$D-Baum (Methode IV). Tabelle 3.4 stellt die Ergebnisse von paarweisem Matching, inkrementellen Matchings und simultanen Matchings gegenüber und vergleicht sie mit der über die Odometrie bestimmten Roboterposition. Es werden die Positionen nach 3, 13 und 20maligem Scannen angegeben. Nach Erreichen der 13. Scan-Position dreht der Roboter und fährt in Richtung seines Ausgangspunktes, da das Ende des Flurs erreicht ist. Es ist ersichtlich, dass die Positionen stark von einander abweichen.

Tabelle 3.4: Vergleich der bestimmten Roboterpositionen $(x,y,\theta)$. Position nach 3, 13 und 20 maligem Scannen und Fahren des Roboters auf dem Testgelände. Nach dem 13. 3D-Scan dreht der Roboter am Ende des Flurs.

Position nach Odometrie	paarweises Matching	inkrementelles Matching	simultanes Matching
	(Methode IV)	(Methode IV)	(Methode IV)
(21, 446, 8.9)	(10, 416, 3.1)	(10, 416, 3.1)	(10, 414, 3.4)
(116, 2548, 4.7)	(89, 2559, 5.3)	(96, 2570, 5.8)	(99, 2573, 5.7)
(-109, 843, 191.9)	(30, 806, 186)	(29, 881, 186.8)	(26, 815, 186.8)

Tabelle 3.5 zeigt die benötigten Zeiten für die gesamte Datenverarbeitung und den Anteil des Scanmatchings daran. Damit wird der Nachteil des simultanen Matchings sichtbar. Die benötigte Zeit liegt um eine Größenordnung höher als die der anderen Verfahren. Aus diesem Grund lässt sich das Verfahren nicht oder nur bedingt auf Robotern einsetzen.

Tabelle: Zeit für Datenverarbeitung mit Anteil für das Scanmatching (in Klammern) der 3 Matchingstrategien.

Odometrie	paarweises Matching	inkrementelles Matching	simultanes Matching
	(Methode IV)	(Methode IV)	(Methode IV)
80s (0s)	2m 7s (47s)	2m 19s (59s)	19m 4s (17m 44s)

Die Frage, welche der drei Matchingstrategien für mehrere Scans am besten ist, versucht Abbildung 3.11 zu beantworten. Sie zeigt den gescannten Flur, also die $20 \times 180 \times 256 = 921600$ Messpunkte aus der Vogelperspektive. Da die Messpunkte teilweise sehr dicht liegen, ist der gescannte Bereich als schwarze Fläche zu sehen.

Abbildung: Vergleich der Matchingstrategien für das Scanmatching mehrerer 3D-Scans. Oben: Paarweises Scanmatching. Mitte: Inkrementelles Scanmatching. Unten: Simultanes Scanmatching.

In Abbildung 3.11 weist das inkrementelle Scanmatching (mittleres Bild) die meisten Artefakte auf und manche Kanten sind verrauscht. Das simultane Matching (unteres Bild) scheint die besten Ergebnisse zu liefern. Der folgende Abschnitt belegt eindeutig diese Vermutung. Dazu wird das Schloss Birlinghoven (Abbildung 3.12) von außen gescannt und vier 3D-Scans sollen zu einer konsistenten Szene zusammengefügt werden.