Zusammenfassung und Ausblick

Wichtige Fragestellungen der Robotik wie beispielsweise die Kartierung und Navigation aber auch Andock- und Einparkaufgaben erfordern eine Reaktion eines Roboters in Echtzeit. Dazu benötigen die Roboter präzise, schnelle und preisgünstige Sensoren, die trotz des begrenzten Vorrats an Energie und Rechenleistung den Roboter in die Lage versetzen, seine Umgebung effektiv und effizient zu erfassen. In dieser Arbeit wurde nachgewiesen, daß es möglich ist, einen kostengünstigen 3D-Scanner für autonome mobile Roboter zu bauen, der diese Anforderungen erfüllt. Der 3D-Scanner erfaßt und vermißt seine Umgebung berührungslos und präzise in nur wenigen Sekunden, ohne daß seine Umwelt mittels passiven Landmarken o.ä. modifiziert werden muß.

Der in dieser Studie vorgestellte 3D-Scanner basiert auf einem 2D-Scanner, wie sie heute schon sehr erfolgreich auf autonomen Robotern eingesetzt werden. Der neue Gesichtspunkt lag in der Möglichkeit, mittels eines handelsüblichen 2D-Laserscanners ohne spezielle PC-Hardware und nur unter Verwendung von Standardschnittstellen das Scannen und Erfassen von kompletten Räumen zu ermöglichen. Dies ist neben Aufgaben in der Robotik wie der Exploration und Navigation auch zur kompletten digitalen 3D-Gebäudemodellierung für integrierte Informationssysteme im Bereich Facility Management/Intelligent Buildings geeignet. Facilities (Liegenschaften) sind komplexe und dynamische Systeme. Ziel ist es, ein digitales 3D-Modell des Gebäudes zu haben, das jederzeit aktuell ist, um beispielsweise die Durchführung und Ausschreibung von Dienstleistungen (Reinigung, etc.) optimal unterstützen zu können. Autonome mobile Roboter können unter Verwendung des in dieser Arbeit vorgestellten innovativen 3D-Sensors kostengünstig die regelmäßige Aktualisierung des digitalen Gebäudemodells unterstützen.

Ein weiterer wichtiger, neuer Aspekt der Arbeit liegt in der Verbindung von Online- und Offline-Algorithmen, wodurch den mobilen Robotern die 3D Daten schnellstmöglich zur Verfügung gestellt und die Rechenzeit optimal genutzt wird. Die in dieser Arbeit erstmalig vorgestellte 3D-Scannerarchitektur ist besonders modular und flexibel. Die Software arbeitet auch mit anderen Hardwarekonfigurationen zusammenarbeiten, beispielsweise mit dem im Abschnitt 2.2.1 vorgestellten Drehmodul.

Die Präzision des realisierten 3D-Sensors hat eine Auflösungsgenauigkeit von 5cm, wobei in jeder Scanebene die Genauigkeit durch die Präzision des Lasers bestimmt wird. Der in dieser Arbeit verwendete Laser hat eine Auflösungsgenauigkeit von etwa 4cm. Die vertikale Präzision wird bestimmt durch die Servogenauigkeit und dem Ansteuerungsverfahren des Servos und liegt bei etwa 0.5$^{\circ}$. Für die Ansteuerung des Servos wird das Echtzeitbetriebsystem RT-Linux verwendet. Der 3D-Laserscanner besitzt eine Auflösung von bis zu 113400 Punkten (420 $\times$ 270) bei einem Öffnungswinkel von $150^{\circ} \times 90^{\circ}$. Damit können Objekte im Nahbereich ab einer Größe von $5$cm$\times 5$cm$\times 5$cm erkannt werden. Die Zeit für die Aufnahme einer 3D-Szene ist einerseits abhängig von der Scangeschwindigkeit des Lasers und anderseits von der Leistungsfähigkeit der Kommunikationsschnittstelle zur Übertragung der Daten an den angeschlossenen Rechner. In dieser Arbeit wurde lediglich die serielle Schnittstelle zur Datenübertragung verwendet, die in diesem Szenario die Gesamtgeschwindigkeit des 3D-Scanners begrenzt. Die Scangeschwindigkeit für einen kompletten Scan von 150 $^{\circ} \times$ 90$^{\circ}$ beträgt - je nach Auflösung - zwischen 4 und 12 Sekunden, wobei der Scanner alle 30ms einen 2D-Scan aufnimmt. Die maximale Datenübertragungsgeschwindigkeit (57600 Kbit) der seriellen Schnittstelle begrenzt die effektive Scanrate bei maximaler Auflösung (500 Meßwerte, 12 Bit Auflösung) auf ca 5 - 6 Scans pro Sekunde und erhöht sich bei Reduktion der Auflösung auf beispielsweise 126 Meßwerte entsprechend.

Die Abtastgeschwindigkeit des vorgestellten 3D-Scanners läßt sich durch den Einsatz einer seriellen Schnittstelle des Typs RS422 (max. 500 KBit) nochmals um einen Faktor 4-6 steigern. Weiterhin läßt sich die Abtastgenauigkeit durch einen Update des 2D-Scanners auf einen vermutlich zu Beginn des Jahres 2001 zur Verfügung stehenden neuen Laserscanners nochmals auf bis zu 1cm verbessern.

Das Ergebnisse dieser Arbeit ist ein kostengünstiger, schneller und präziser 3D-Laserscanner, der autonome mobile Roboter in die Lage versetzt, natürliche Umgebungen dreidimensional zu erfassen.

Als nächstes wird der Scanner auf die im Institut verfügbaren mobilen Roboterplattformen (KURT2, Ariadne, vgl. Abbildung 2.2) montiert und das Zusammenspiel des 3D Scanners und der Roboter getestet. Dabei werden insbesondere die noch offenen Probleme der automatischen Überlagerung verschiedener 3D-Szenen und deren Integration in ein präzises 3D-Gebäudemodell untersucht. Weiterhin zu untersuchende Fragestellungen sind eine mögliche Objektklassifikation und die Integration verschiedener Sensor.