Sensordynamik

Neben 3D-Informationen zu einer Szene kann der rc_visard auch Echtzeit-Schätzungen seiner Eigenbewegung oder seines dynamischen Zustands bereitstellen. Hierfür misst er seine aktuelle Pose, d.h. seine Position und Orientierung in Bezug auf ein Referenzkoordinatensystem, sowie seine Geschwindigkeit und Beschleunigung. Für diese Messungen werden die Messungen aus der SVO (stereobasierte visuelle Odometrie) mit den Werten des integrierten inertialen Messsystems (IMU) kombiniert. Diese Kombination wird auch als visuelles Trägheitsnavigationssystem (VINS) bezeichnet .

Die visuelle Odometrie verfolgt die Bewegung charakteristischer Punkte in Kamerabildern, um auf dieser Grundlage die Kamerabewegung abzuschätzen. Objektpunkte werden je nach Blickrichtung der Kamera auf verschiedene Pixel projiziert. Die 3D-Koordinaten jedes dieser Objektpunkte lassen sich über Stereo-Matching der Punktprojektionen im linken und rechten Kamerabild errechnen. So werden für zwei unterschiedliche Betrachtungspositionen A und B zwei zugehörige 3D-Punktwolken errechnet. Nimmt man eine statische Umgebung an, entspricht die Bewegung, die die eine Punktwolke in die andere Punktwolke transformiert, der Kamerabewegung. Das Prinzip wird in Abb. 18 für einen vereinfachten 2D-Anwendungsfall dargestellt.

Abb. 18 Vereinfachte schematische Darstellung der stereobasierten visuellen Odometrie für 2D-Bewegungen: Die Kamerabewegung wird auf Grundlage der beobachteten Bewegung charakteristischer Bildpunkte berechnet.

Da die visuelle Odometrie auf eine gute Qualität der Bilddaten angewiesen ist, verschlechtern sich die Bewegungsschätzungen, wenn Bilder verschwommen oder schlecht beleuchtet sind. Zudem ist die Frequenz der visuellen Odometrie zu gering für Regelungsanwendungen. Aus diesem Grund verfügt der rc_visard über eine integrierte inertiale Messeinheit (IMU), die Beschleunigungen und Winkelgeschwindigkeiten misst, die auftreten wenn sich der rc_visard bewegt. Das System misst zudem die Erdbeschleunigung, was die globale Orientierung entlang der vertikalen Achse ermöglicht. Außerdem werden für IMU-Messungen hohe Messraten von 200 Hz genutzt. Lineargeschwindigkeit, Position und Orientierung des rc_visard lassen sich durch Aufintegrieren der IMU-Messungen errechnen. Die Integrationsergebnisse führen jedoch im Laufe der Zeit zu einem Abdriften. Um eine akkurate, robuste und hochfrequente Schätzung der aktuellen Position, Orientierung, Geschwindigkeit und Beschleunigung des rc_visard bereitzustellen, die in einem Regelkreis verwendet werden kann, kombiniert der rc_visard die akkuraten, niederfrequenten und manchmal unzuverlässigen Odometriemessungen mit den robusten hochfrequenten IMU-Messungen.

Für die Berechnung der Zustandsschätzungen sind neben dem Stereokamera-Modul und dem Kalibriermodul auch folgende rc_visard-Softwaremodule erforderlich:

• Sensordynamik: Mit diesem Modul lassen sich die für die einzelnen Submodule benötigten Schätzungen starten und stoppen und verwalten.
  • Visuelle Odometrie: Dieses Modul errechnet eine Bewegungsschätzung anhand von Kamerabildern.
  • Stereo-INS: Dieses Modul kombiniert die von der visuellen Odometrie bereitgestellten Bewegungsschätzungen mit den Messungen der integrierten IMU, um so hochfrequente Echtzeit-Lageschätzungen bereitstellen zu können.
  • SLAM: Dieses Modul, das optional für den rc_visard erhältlich ist, erstellt eine interne Karte der Umgebung, auf deren Grundlage Posenfehler korrigiert werden.