Sensordynamik¶

Das Dynamik-Modul liefert Schätzungen des Sensorzustands, der die Pose (Position und Orientierung), Lineargeschwindigkeit, Linearbeschleunigung und Drehrate des Sensors umfasst. Mit diesem Modul lassen sich Datenströme für die verschiedenen Submodule starten, stoppen und verwalten:

Visuelle Odometrie (rc_stereovisodo)

schätzt die Kamerabewegung auf Grundlage der Bewegung von charakteristischen Bildpunkten im linken Kamerabild.
Stereo-INS (rc_stereo_ins)

kombiniert die per visueller Odometrie ermittelten Werte mit den Daten der integrierten inertialen Messeinheit (IMU), um auf dieser Grundlage akkurate und hochfrequente Echtzeit-Zustandsschätzungen bereitzustellen.
SLAM (optional) (rc_slam)

übernimmt die simultane Lokalisierung und Kartenerstellung (SLAM), um akkumulierte Posendaten zu korrigieren.

Koordinatensysteme für die Zustandsschätzung¶

Das Weltkoordinatensystem für die Zustandsschätzung definiert sich wie folgt: Die Z-Achse des Koordinatensystems zeigt nach oben und ist am Gravitationsvektor ausgerichtet. Die X-Achse liegt orthogonal zur Z-Achse und zeigt in die Blickrichtung des rc_visard zum Zeitpunkt, zu dem die Zustandsschätzung beginnt. Der Ursprung des Weltkoordinatensystems befindet sich am Ursprung des IMU-Koordinatensystems des rc_visard in dem Augenblick, in dem die Zustandsschätzung aktiviert wird.

Wird die Zustandsschätzung aktiviert, wenn die Blickrichtung des rc_visard parallel zum Gravitationsvektor liegt (mit einem Toleranzbereich von 10 Grad), dann ist die Y-Achse des Weltkoordinatensystems entweder an der positiven oder negativen X-Achse des IMU-Koordinatensystems ausgerichtet. In diesem Fall ist die Anfangsausrichtung des Weltkoordinatensystems nicht mehr kontinuierlich. Es ist also besondere Vorsicht geboten, wenn die Zustandsschätzung mit dieser Orientierung beginnt.

Abb. 22 Koordinatensysteme für die Zustandsschätzung: Das IMU-Koordinatensystem liegt im Gehäuse des rc_visard, das Kamera-Koordinatensystem im Fokuspunkt der linken Kamera.

Die Transformation zwischen dem IMU-Koordinatensystem und dem Kamera/Sensor-Koordinatensystem wird ebenfalls geschätzt und über die rc_dynamics-Schnittstelle im Echtzeit-Dynamik-Datenstrom bereitgestellt (siehe Schnittstellen).

Achtung

Das Stereo-INS-Modul führt während der Initialisierung eine Selbstkalibrierung der IMU durch. Deswegen darf sich der rc_visard während des Startens des Stereo-INS-Moduls nicht bewegen und muss ausreichend viel Textur sehen können.

Verfügbare Zustandsschätzungen¶

Der rc_visard bietet über die rc_dynamics-Schnittstelle sieben verschiedene Arten an Datenströmen mit zeitgestempelten Zustandsschätzungen an (siehe Die rc_dynamics-Schnittstelle):

Name	Frequenz	Quelle	Beschreibung
pose	25 Hz	Best Effort	genaueste Schätzung der Pose des Kamerakoordinatensystems, aber leicht zeitverzögert
pose_ins	25 Hz	Stereo-INS	genaueste Schätzung der Pose des Kamerakoordinatensystems, aber leicht zeitverzögert
pose_rt	200 Hz	Best Effort	Pose des Kamerakoordinatensystems
pose_rt_ins	200 Hz	Stereo-INS	Pose des Kamerakoordinatensystems
dynamics	200 Hz	Best Effort	Pose, Geschwindigkeit und Beschleunigung im IMU-Koordinatensystem
dynamics_ins	200 Hz	Stereo-INS	Pose, Geschwindigkeit und Beschleunigung im IMU-Koordinatensystem
imu	200 Hz	Stereo-INS	IMU-Rohdaten

Best Effort bedeutet hier für den Fall, dass das SLAM-Modul läuft, dass der Datenstrom per Loop-Closure korrigierte Schätzungen umfasst, bzw. dass er dem vom Stereo-INS bereitgestellten Datenstrom entspricht, wenn SLAM nicht läuft ist.

Kameraposen-Datenströme (`pose` und `pose_ins`)¶

Die Kameraposen-Datenströme heißen pose und pose_ins und sie werden mit einer Frequenz von 25 Hz mit Zeitstempeln bereitgestellt, die den Bildzeitstempeln entsprechen. pose bietet eine Best-Effort-Schätzung, für die rc_slam und rc_stereo_ins kombiniert werden, wenn das SLAM-Modul läuft. Läuft das SLAM-Modul nicht, sind beide Datenströme gleichwertig. Die Posen werden in Weltkoordinaten angegeben und beziehen sich auf den Ursprung des Kamerakoordinatensystems (siehe Koordinatensysteme für die Zustandsschätzung). Die Datenströme umfassen genaueste Schätzungen, für die alle verfügbaren Daten des rc_visard berücksichtigt werden. Sie können für Modellierungsanwendungen eingesetzt werden, bei denen Kamerabilder, Tiefenbilder oder Punktwolken mit höchster Genauigkeit aneinander ausgerichtet werden müssen. Um die größtmögliche Genauigkeit sicherzustellen, verzögert sich die Ausgabe dieser Datenströme, bis die zugehörigen Messwerte aus der visuellen Odometrie verfügbar sind.

Echtzeit-Datenströme der Kamerapose (`pose_rt` und `pose_rt_ins`)¶

Die Echtzeit-Datenströme der Kamerapose heißen pose_rt und pose_rt_ins und sie werden mit der IMU-Frequenz von 200 Hz bereitgestellt. pose_rt bietet eine Best-Effort-Schätzung, für die rc_slam und rc_stereo_ins kombiniert werden, wenn das SLAM-Modul läuft. Läuft das SLAM-Modul nicht, sind beide Datenströme gleichwertig. Die Posen werden in Weltkoordinaten angegeben und beziehen sich auf den Ursprung des Koordinatensystems der rc_visard-Kamera (siehe Koordinatensysteme für die Zustandsschätzung). Die in diesen Datenströmen enthaltenen Werte entsprechen den Werten in den Echtzeit-Dynamik-Datenströmen, geben aber die Pose im Sensor/Kamera-Koordinatensystem statt im IMU-Koordinatensystem an.

Echtzeit-Dynamik-Datenströme (`dynamics` und `dynamics_ins`)¶

Die beiden Echtzeit-Dynamik-Datenströme heißen dynamics und dynamics_ins und sie werden mit der IMU-Frequenz von 200 Hz bereitgestellt. dynamics bietet eine Best-Effort-Schätzung, für die rc_slam und rc_stereo_ins kombiniert werden, wenn das SLAM-Modul läuft. Läuft das SLAM-Modul nicht, sind beide Datenströme gleichwertig. Die Schätzungen können für die Echtzeitregelung eines Roboters verwendet werden. Da die Werte in Echtzeit bereitgestellt werden und die Berechnung der visuellen Odometrie eine gewisse Bearbeitungszeit erfordert, ist die letzte Odometrieschätzung möglicherweise nicht enthalten. Daher sind diese Schätzungen im Allgemeinen etwas weniger genau als die nicht in Echtzeit bereitgestellten Kameraposen-Datenströme (siehe oben); dennoch sind es zu diesem Zeitpunkt die bestmöglichen Schätzungen. Die bereitgestellten Dynamik-Datenströme enthalten folgende Werte zum rc_visard:

Translation \(\mathbf{p} = (x, y, z)^T\) in \(m\);

Rotation \(\mathbf{q} = (q_x, q_y, q_z, q_w)^T\) als Einheitsquaternion;

Lineargeschwindigkeit \(\mathbf{v} = (v_x, v_y, v_z)^T\) in \(\frac{m}{s}\);

Winkelgeschwindigkeit \(\mathbf{\omega} = (\omega_x, \omega_y, \omega_z)^T\) in \(\frac{rad}{s}\);

gravitationskompensierte Linearbeschleunigung \(\mathbf{a} = (a_x, a_y, a_z)^T\) in \(\frac{m}{s^2}\) und

Transformation zwischen Kamera- und IMU-Koordinatensystem als Pose mit Frame-Namen und Parent-Frame-Namen.

Der Datenstrom enthält für jede Datenkomponente zusätzlich den Namen des Koordinatensystems, in dem die Werte angegeben sind. Translations-, Rotations- und Lineargeschwindigkeiten werden im Weltkoordinatensystem, Winkelgeschwindigkeiten und Winkelbeschleunigungen im IMU-Koordinatensystem angegeben (siehe Koordinatensysteme für die Zustandsschätzung). Alle Werte beziehen sich auf den Ursprung des IMU-Koordinatensystems. Dies bedeutet beispielsweise, dass die Lineargeschwindigkeit der Geschwindigkeit des IMU-Koordinatenursprungs im Weltkoordinatensystem entspricht.

Schließlich enthält der Datenstrom den Statusindikator possible_jump, der auf TRUE gesetzt ist, wann immer das optional erhältliche SLAM-Modul (siehe SLAM (optional)) die Zustandsschätzung nach einem Schleifenschluss (Loop Closure) korrigiert. Die Zustandsschätzung kann in diesem Fall einen Sprung machen, was beachtet werden sollte, wenn die Werte in einem Regelkreis verwendet werden. Wenn SLAM nicht läuft, bleibt der Statusindikator possible_jump auf FALSE und kann ignoriert werden.

IMU-Datenstrom (`imu`)¶

Der IMU-Datenstrom heißt imu und wird mit der IMU-Frequenz von 200 Hz bereitgestellt. Er umfasst die Beschleunigungen in X-, Y- und Z-Richtung sowie die Winkelgeschwindigkeiten um diese drei Achsen. Diese Werte sind kalibriert, aber nicht bias- und gravitationskompensiert, und werden im IMU-Koordinatensystem angegeben. Die Transformation zwischen dem IMU-Koordinatensystem und dem Sensorkoordinatensystem wird im Echtzeit-Dynamik-Datenstrom bereitgestellt.

Services¶

Das Sensordynamik-Modul bietet folgende Services zum Starten der Dynamik-/Bewegungsschätzung. Alle Services geben einen numerischen Code des eingetretenen Zustands zurück. Die Bedeutung der zurückgegebenen Zustandscodes und deren Namen werden in Tab. 10 angegeben.

Tab. 10 Mögliche Zustände des Sensordynamik-Moduls¶
Statusname	Beschreibung
IDLE	Das Dynamikmodul ist bereit aber inaktiv
WAITING_FOR_INS	Es wird auf Daten des Stereo-INS-Moduls gewartet
WAITING_FOR_INS_AND_SLAM	Es wird auf Daten des Stereo-INS- und des SLAM-Moduls gewartet
RUNNING	Das Stereo-INS-Modul läuft
WAITING_FOR_SLAM	Es wird auf den Start des SLAM-Moduls gewartet (Stereo-INS läuft)
RUNNING_WITH_SLAM	Die Module Stereo INS und SLAM laufen
FATAL	Ein fataler Fehler ist aufgetreten (im Stereo-INS- oder SLAM-Modul)

start

Startet das Stereo-INS-Modul. Der Status geht von IDLE über WAITING_FOR_INS zu RUNNING.