Projektarbeit jugend forscht 96

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1 von Marco Grubert, Benjamin Benz & Thorsten Garber Projektarbeit jugend forscht 96 1 Hintergrund 1.1 Virtuelle Realität und ihre Anwendung 1.2 Telepräsenz und ihre Anwendung 1.3 Möglichkeiten durch die Kombination von Virtueller Realität und Telepräsenz 2 Unser System 2.1 Die Idee der Entwicklung 2.2 Zielsetzung 2.3 Aufgabenverteilung im Teamwork 3 Umsetzung & Realisierung 3.1 Ultraschall-Positionserkennung 3.2 Der VR-Helm 3.3 Modellauto & Controlstick 3.4 Video-Übertragung 3.5 Software 3.6 Netzarchitektur 3.7 Gesamtübersicht 4 Versuchsablauf - Einsatz in der Praxis

2 5 Einsatzmöglichkeiten 5.1 Unterschiede zu bereits käuflichen Systemen 5.2 Einsatzmöglichkeiten unseres Systems 5.3 Mögliche Weiterentwicklung Meinungen, Anregungen und ähnliches sofort per nach Berlin zu Marco Grubert Copyright 1996 by Marco Grubert, Benjamin Benz & Thorsten Garber Projektarbeit jugend forscht - Stand: TG

3 1 Hintergrund von Marco Grubert, Benjamin Benz & Thorsten Garber In den vergangenen Monaten war in Fachzeitschriften immer wieder die Rede von Virtueller Realität (VR) bzw. Cyberspace. Bevor nun das eigentliche Projekt beschrieben wird, möchten wir zuerst diese Begriffe kurz erläutern. 1.1 Virtuelle Realität und ihre Anwendung Jerry Isdale gibt in seinem Text "What's VR?", eine Definition, die wir für sehr treffend halten : "Virtuelle Realität bietet Menschen die Möglichkeit, komplexe Daten zu visualisieren und zu manipulieren. Hierbei bezieht sich visualisieren auf das Ausgeben von computer-generierten Sinneseindrücken einer Computerwelt. [...] Der Anwender kann mit dieser Welt interagieren und Objekte beeinflussen." Anwendung finden VR-Systeme derzeit z.b. in der Architektur, Innenausstattung und im Industriedesign. Somit können Projekte und Ideen vor der Realisierung kostengünstig dargestellt und getestet werden, indem die Planungsdaten vom Computer in virtuelle Modelle umgesetzt werden. Diese können dann aus allen Blickwinkeln betrachtet und überprüft werden. Die bekannteste Verwendung von virtuellen Welten findet sich im Bereich der Simulatoren (z.b. Pilotenund Kraftfahrertraining, Computerspiele, Simulationen von Umwelteinflüssen auf Maschinen). Neuere Einsatzgebiete stellen virtuelle Fernsehstudios und Computeranimationen für Spielfilme dar, bei denen die Kulissen vom Rechner simuliert werden. 1.2 Telepräsenz und ihre Anwendung Man spricht von Telepräsenz, wenn der Anwender Sensordaten (z.b. Video-Bilder) erhält und mit deren Hilfe gleichzeitig in der Lage ist, Objekte zu steuern oder zu manipulieren. Obwohl der Anwender nicht selbst, sondern nur ein Roboter, vor Ort ist, kann er die gestellten Aufgaben aus der Ferne erledigen und ist folglich so gut wie anwesend (Präsenz). In Gefahrenbereichen und in für Menschen unzugänglichen Gebieten wird Telepräsenz genutzt. Ein Einsatzgebiet derartiger Roboter ist beispielsweise die Kanalreinigung durch die Wasserwerke oder die Bombenentschärfung durch die Polizei. 1.3 Möglichkeiten durch die Kombination von Virtueller Realität und Telepräsenz Nicht immer reichen die Sensordaten der Telepräsenz aus, um dem Anwender einen klaren Überblick über die Situation zu verschaffen. Mögliche Störfaktoren sind: Dunkelheit, Dampf, Nebel, elektromagnetische Felder, eingeschränkte Perspektive, etc., durch die Messungen verfälscht oder verhindert werden. Wenn nun ein virtuelles Abbild der Realität Verwendung findet, um die fehlenden Informationen zu ergänzen, so erhält der Anwender ein von den meisten Störfaktoren unabhängiges Bild der Umgebung. Natürlich müssen dafür Daten (z. B. Grundrisse) vorab in den Computer eingegeben werden, so daß eine virtuelle Welt errechnet werden kann.

4 Derzeit geplant sind diese Systeme für den Bereich der Telemedizin, in der ein Facharzt über große Distanzen einen Roboter im Operationsraum steuert. Dabei werden computer- tomographische Bilder oder auch die Daten einer Sonde in das Bild einberechnet, mit dessen Hilfe der Arzt operiert. Eine andere mögliche Anwendung ist das Beseitigen von Störfällen in Kraftwerken. Hierbei können viele der o.g. Störfaktoren eintreten, so daß eine einwandfreie Videoübermittlung nicht mehr gewährleistet ist. Hier kann VR verwendet werden, um trotzdem Probleme beheben zu können, ohne daß sich Menschen in Gefahr begeben müssen. Weitere Vorteile ergeben sich aus der freien Wählbarkeit des virtuellen Blickpunktes, die es ermöglicht, Objekte aus in der Realität nicht erreichbaren Positionen (z. B. Außenansicht) zu betrachten und zu steuern. Dies findet unter anderem in einem Projekt der NASA Verwendung, in dem Roboter zur Satellitenwartung eingesetzt werden und anhand von virtuellen Außenansichten exakt positionierbar sind, ohne daß weitere Beobachtungskameras nötig sind. Meinungen, Anregungen und ähnliches sofort per nach Berlin zu Marco Grubert Copyright 1996 by Marco Grubert, Benjamin Benz & Thorsten Garber Projektarbeit jugend forscht - Stand: Februar 1996 (TG)

5 2 Unser System von Marco Grubert, Benjamin Benz & Thorsten Garber 2.1 Die Idee der Entwicklung Wir interessieren uns seit längerer Zeit für die Themenbereiche Virtuelle Realität und Robotik. Was lag also näher, als beide Bereiche zu kombinieren. Einen besonderen Anreiz hatte dabei die kommerzielle Konkurrenz, die entsprechende Systeme erst in einem wesentlich höheren Preisniveau anbietet. Wir haben hingegen versucht, ein ähnlich leistungsstarkes System für den Low-Cost Bereich zu entwickeln. Nähere Informationen hierzu finden Sie unter den Punkten 5.1 und Zielsetzung Idee und gleichzeitig Ziel unseres Projektes ist die Verbindung von Telepräsenz mit den Vorteilen der virtuellen Realität, um ein System zu entwickeln, das vielfältigere Einsatzmöglichkeiten als die Einzelsysteme bietet. Mit unserer Entwicklung soll es möglich sein, telepräsent durch einen Roboter (hier: Modellauto), Aufgaben zu bearbeiten. Zusätzlich soll es möglich sein, das Fahrzeug in der virtuellen Realität zu kontrollieren. Dabei sollen die Bilder vom Computer (3D-Grafik) oder den Kameras auf zwei Displays eines selbstgebauten, stereoskopischen VR-Helms angezeigt werden. Bei der VR-Darstellung soll außerdem das Bild mit der Kopfbewegung des Anwenders durch Positionserkennung per Ultraschall synchronisiert sein. Der Anwender hat die Möglichkeit, das Fahrzeug auch aus anderen Perspektiven (z. B. Vogelperspektive bzw. Außenansicht) zu betrachten. Allerdings müssen wir von vornherein auch Einschränkungen hinnehmen: Das Gelände, in dem sich unser Roboter bewegt, muß bekannt sein und darf sich zur Laufzeit nicht verändern. Unsere eigene Zielsetzung läßt sich wie folgt skizzieren : VR-Helm mit zwei Farb-Bildschirmen für stereoskopische Bildwiedergabe Absolute Positionserkennung für den VR-Helm Absolute Positionserkennung für das Auto mit einem Bewegungsradius von 2m Steuerung des Fahrzeugs über einen Controlstick Modellauto mit zwei Kameras für die stereoskopische Wiedergabe der Fahrzeugbilder Wechsel zwischen VR und Video-Darstellung soll jederzeit möglich sein, der Anwender soll in der VR-Welt das virtuelle Fahrzeug verlassen können, um es z. B. aus der Außenansicht steuern zu können. 2.3 Aufgabenverteilung im Teamwork Zu Beginn der Arbeit haben wir für uns eine Arbeitsteilung vorgenommen, die die Aufgaben in die Bereiche Software (Marco Grubert), Hardware-Entwicklung (Benjamin Benz) und Hardwarerealisierung (Thorsten Garber) einteilt. Es hat sich im Laufe der Arbeit jedoch gezeigt, daß man ohne diese strikte Aufgabenteilung sehr viel produktiver arbeiten kann. So konnte jeder seine kreativen Beiträge einbringen um das Projekt zu

6 realisieren. Meinungen, Anregungen und ähnliches sofort per nach Berlin zu Marco Grubert Copyright 1996 by Marco Grubert, Benjamin Benz & Thorsten Garber Projektarbeit jugend forscht - Stand: Februar 1996 (TG)

7 von Marco Grubert, Benjamin Benz & Thorsten Garber 3 Umsetzung & Realisierung Unser Projekt setzt sich aus mehreren Einzelsystemen zusammen, die wir hier im einzelnen erläutern. Am Ende gibt eine Grafik einen Überblick über die Funktionsweise des ganzen Systems (Abb. 4). 3.1 Ultraschall-Positionserkennung Hintergrund: Für jedes VR-System stellt sich das Problem, wie die Aktionen des Benutzers ermittelt und an die Software weitergegeben werden. Dies ist nötig, da ja der Eindruck einer virtuellen Welt vermittelt werden soll, d.h., wenn der Benutzer den Kopf nach rechts schwenkt, so soll er sich auch in der virtuellen Welt nach rechts drehen. Um dies zu erreichen, wird im VR-Helm ein vom Computer anhand der Körperbewegungen in der realen Welt, berechnetes Bild der virtuellen Welt dargestellt. Es gibt grundsätzlich zwei unterschiedliche Positionserkennungssysteme: Die relative Positionsbestimmung, die z. B. durch Kipp- und Beschleunigungssensoren erfolgen kann. Sie ist relativ einfach zu konstruieren, auszuwerten und erfordert keinen externen Aufbau, weist aber den deutlichen Nachteil auf, daß sich Meßfehler vervielfachen und daß mit ihr nur ein Teil der möglichen Bewegungsdaten zuverlässig bestimmt werden kann. Die absolute Positionsbestimmung, die z. B. durch Laufzeitmessung von Ultraschallsignalen, durch Messung von Veränderungen elektromagnetischer Felder oder auch durch Winkelbestimmung an einem Ausleger, der mit dem VR-Helm verbunden ist, erfolgen kann. Bei dieser Methode erhält man mit jedem Meßdurchgang neue, vom vorherigen Ergebnis unabhängige Werte zu einem externen Bezugssystem. Allerdings ergibt sich dadurch ein höherer technischer Aufwand, da das Bezugssystem aufgebaut werden muß. Außerdem können sich auch Umwelteinflüße (wie z. B. hohe Töne bei der Ultraschallpositionserkennung) störend bemerkbar machen. Wir haben uns für eine Positionserkennung durch Laufzeitmessung von Ultraschall-Signalen entschieden, da die Vorteile bei dieser Methode überwiegen. Vor allem die absoluten Koordinaten sind für den Roboter sinnvoll, da hier nur bedingt mit Sensoren gearbeitet werden kann. Außerdem gibt diese Methode Bewegungen realistischer wieder. Prinzip und Grundlage: Die Ultraschall-Positionserkennung basiert auf der Idee, daß ein kurzes Ultraschallsignal ausgesandt wird und mit sehr präzisen Stoppuhren seine Laufzeit bis zu einem festinstallierten Empfänger gemessen wird. Der Signalweg ist dann das Produkt aus Laufzeit und Schallgeschwindigkeit (331,6 m/s bei 0 C in der Luft). In der Praxis wird dann die Distanz von drei Sendern zu jeweils drei Empfängern ermittelt und daraus läßt sich dann die absolute Position des Testobjektes errechnen. Umsetzung in die Praxis (Abb. 1): Der Server hat in unserem Modell hauptsächlich die Aufgabe, sich um die Positionserkennung zu kümmern. So geht auch von ihm ein Signal (5-Bit) an die Hauptplatine (Mainboard). Auf dieser wird dann über einen BCD-Decoder (74154) ein Sender selektiert. An diesen wird dann ein 41kHz Signal (zwischen 38 und 44kHz liegt der Ultraschallbereich), erzeugt von einem Taktgenerator (NE 555) über einen Verstärker an die Ultraschall Lautsprecherkapseln weitergeleitet. Gleichzeitig wird für jeden Empfänger ein 12-Bit Binärzähler (4040) zurückgesetzt und dann, indem eine Frequenz von ca. 350kHz (àne 555) mit Hilfe eines Flip-Flops durchgeschaltet wird, hochgezählt. Trifft nun an einem der Empfänger das ausgesandte Signal ein, so wird dieses um den Faktor 1000 verstärkt und noch einmal,

8 um einen sauberen TTL-Pegel zu erreichen, durch eine Transistorstufe aufbereitet. Dieses schaltet dann das Flipflop wieder ab, womit der entsprechende Zähler gestoppt wird. Wenn alle Zähler gestoppt, also alle Flipflops wieder in Ausgangsposition sind, wird der Server benachrichtigt. Dieser kann nun beginnen, über einen 4-Bit Bus (4-Bit Bustreiber: 74244), der ebenfalls über einen BCD-Decoder gesteuert wird die Zählerstände abzufragen. Ist auch dieser Arbeitsschritt beendet, kann der gesamte Vorgang für den nächsten Sender beginnen. 3.2 Der VR-Helm Möglichkeiten: Beim VR-Helm handelt es sich um eine vollständige Eigenentwicklung, da zum Beginn der Projektentwicklung noch keine VR-Helme zu akzeptablen Preisen erhältlich waren. Um einen dreidimensionalen Eindruck zu erreichen, muß man jedem Auge ein eigenes Bild zur Verfügung stellen, dessen Blickpunkt von dem des anderen Auges abweicht (Stereoskopie). Um dies zu erreichen, gibt es mehrere Verfahren: Die Übermittlung der Bilddaten zum Helm per Glasfaser. Die Bilder werden dabei auf normalen Monitoren dargestellt und dann über Lichtwellenleiter zum Auge des Anwenders geleitet. Vorteil dieser Methode ist eine hohe Auflösung der Bilder und damit eine perfekte Bilddarstellung. Nachteilig sind die hohen Kosten ( DM allein für die Glasfaserkabel) und die Einschränkung des Bewegungsradius durch den Glasfaserstrang. Als weitere Möglichkeit bietet sich der Einsatz von "shutter-glasses" an. Bei diesem Verfahren wird das Bild für das linke und das rechte Auge nacheinander auf einem Bildschirm angezeigt. Vor jedem Auge sitzt dazu ein Verschluß, der den Blick eines Auges auf den Bildschirm nur dann zuläßt, wenn das entsprechende Bild dargestellt wird. Nachteil dieses Systems ist die schlechte Bildqualität, da die Bildwiederholrate halbiert wird und so sehr niedrig ist. Vorteil: Bei einer Ausführung der "shutter glasses" als Brille kann auf einen normalen Monitor zurückgegriffen

9 werden. Auf der Internationalen Funkausstellung 1995 wurde ein System vorgestellt, das ebenfalls mit einem Bildschirm auskommt: Vor jedem Pixel sitzt ein Ablenkprisma, welches den Bildpunkt zum einen oder zum anderen Auge ablenkt, so daß jedes Auge bei entsprechender Ansteuerung des Bildschirms ein eigenes Bild erhält. Diese Technik ist aber noch sehr neu und noch nicht erhältlich. Als eines der ältesten Systeme gibt es die Möglichkeit, dreidimensionale Bilder mit Hilfe von Farboder Polarisationsfiltern zu erzeugen, indem die Bildinformationen für ein Auge z. B. nur eine bestimmte Farbe (rot/grün) benutzt, die dann vor dem Auge durch einen entsprechenden Filter decodiert wird. Leider sind diese Verfahren nicht in Farbe zu benutzen (Farbfilter). Bei Polarisationsfiltern ist der mechanische Aufwand sehr groß, der sich für ein solches System nicht lohnt. Als für uns optimale Lösung bietet sich der Einsatz von zwei LCD-Bildschirmen an, wobei jeder vor einem Auge montiert wird (Abb. 2). Mit diesem Verfahren lassen sich die besten Ergebnisse in einem kostengünstigen Rahmen anbieten. Allerdings ist für einen ergonomischen Betrieb eine Optik nötig. In unserer Umsetzung benutzen wir zwei LCD-Farb-Displays mit einem PAL-Eingang, so daß noch ein Konverter benötigt wird, um Computerbilder (VGA) auf diesen Bildschirmen darstellen zu können. Als Ausgangslage für unseren VR-Helm benutzen wir einen offenen Motorradhelm (Abb.2), den wir für unser Projekt entsprechend erweitern. Da wir uns für die Darstellung der Bilder mit Hilfe von zwei Bildschirmen entschieden haben, mußten wir diese in einem geeigneten Abstand vor den Augen fixieren. Um den optischen Aufwand so gering wie möglich zu halten, setzten wir den Abstand der Bildschirme (LCD-Farb-Displays) gleich dem durchschnittlichen Augenabstand (ca. 7 cm). Zwischen Augen und Bildschirmen liegt nun noch je eine Linse zur Fokusierung des Bildes auf dieser kurzen Distanz. Für die Ultraschallpositionserkennung bauten wir drei Ultraschall-Lautsprecher ein durch deren Dreiecksanordnung es möglich ist, die genaue Postion, Lage und Richtung des Helms im Raum zu errechnen (siehe Anhang 6.2). Diese Daten werden später für die Bildberechnung benötigt.

10 3.3 Modellauto & Controlstick Für Roboter gibt es zahlreiche fertige Systeme in allen Preisklassen, angefangen vom Industrieroboter über den erst kürzlich an der TU-Berlin entwickelten autonomen Flugroboter, bis hin zum Fischer- Technik-Bausatz. Für uns war in der ersten Ausbaustufe die Mobilität und die Videoübertragung am wichtigsten. So entschieden wir uns für ein Modellauto. Dieses bietet ein solides Gerüst, auf das auch Weiterentwicklungen, wie z. B. Greifarme, leicht montiert werden können: Auf ein ferngesteuertes Modellauto werden zwei CCD-Kameras (aus Kostengründen s/w) und zwei Ultraschall-Sender für die Positionserkennung montiert. Das Fahrzeug wird über einen "Controlstick" mit sechs Schaltern, deren Zustände an die Fernbedienung weitergegeben werden, gesteuert (Abb. 3). Der Bewegungsbereich wurde derzeit von uns, aufgrund der begrenzten Reichweite der Ultraschall- Positionserkennung und den verwendeten Zuleitungskabeln, auf zwei mal zwei Meter festgelegt. Außerdem wird über die Schalter am Joystick auch die Bewegung des virtuellen Beobachters und die Umschaltung zwischen VR- und Videodarstellung realisiert. 3.4 Video-Übertragung Da die Displays, die wir für unseren VR-Helm verwenden, nur einen PAL-Eingang haben, die Computer aber die Bilddaten im VGA-Format liefern, mußten wir noch einen VGA-nach-PAL-Konverter aufbauen. Hier bot sich ein Mikrochip der Firma Analog Devices an, der den Großteil der Konvertierungsarbeit erledigt und nur noch diskret beschaltet werden muß, um ein VGA in ein PAL- Signal umzuwandeln. In der Praxis erwies es sich jedoch dann als relativ schwierig, mit dieser Schaltung gute Ergebnisse zu erzielen, da der Konverter mit genau 50 Hz Bildwiederholfrequenz angesteuert werden muß. So ergaben sich bei der Programmierung und der Feinabstimmung der Trägerfrequenzen für den PAL-Betrieb einige Schwierigkeiten: Entgegen den Angaben, die wir vom Chip-Hersteller erhalten haben, sind die verwendeten Bausteine sehr stark frequenzabhängig. Wir mußten daher zahlreiche Register der VGA Karte umprogrammieren, um die Grafik PAL-konform ausgeben zu können. Der Grafiktreiber, den wir in AVRIL integriert haben, nimmt diese Einstellungen beim Initialisieren vor. Der Grafikbildschirm wird auf eine Auflösung von 640 * 625 Punkten eingestellt. Die Bildschirmzeilen werden abwechselnd, im sogenannten Interlace-Modus mit einer Frequenz von 50 Hz ausgegeben. Die horizontale Abtastrate beträgt gemäß den PAL Konventionen damit 15,625 khz. Da die Funktionssammlung AVRIL für einen Grafikmodus mit 320 * 200 Bildpunkten ausgelegt ist, mußten von uns viele interne Funktionen umgeschrieben werden um die berechneten Daten korrekt auszugeben. 3.5 Software Um dreidimensionale Grafiken darzustellen (neudeutsch: rendern), gibt es verschiedene Verfahren. Beim Raytracing wird nach physikalischen Brechungsgesetzen der Weg einzelner Lichtstrahlen bestimmt und es kann ein sehr realistisches Bild berechnet werden. Der deutliche Nachteil dieses Systems ist die extrem langwierige Bildberechnung, die eine Echtzeitdarstellung verhindert. Eine stark vereinfachte Form des Raytracing, das Raycasting, findet z.zt. in 3D Spielen Anwendung. Es handelt sich dabei um einen sehr schnellen Pseudo-3D Algorithmus. Der Betrachter kann sich allerdings nur auf sehr eingeschränkte Weise bewegen (nämlich in einer zum Boden parallelen Ebene), was für wirklich dreidimensionale Anwendungen ungenügend ist. Die dritte Darstellungsform bedient sich zur Darstellung ungefüllter (Drahtgitter) oder gefüllter Polygone. Die darzustellenden Objekte werden intern in Form von Vektoren gespeichert, die nach zahlreichen Matrixtransformationen auf einem Monitor dargestellt werden können. Dieses Verfahren ist relativ schnell und gestattet dem Betrachter, beliebige Standpunkte einzunehmen. Wenn noch Systemreserven zur

11 Verfügung stehen, können die Polygone noch mit gezeichneten Grafiken überlagert werden. Hierbei spricht man von Texturierung. Wir haben uns für das zuletzt genannte Verfahren entschieden, da es schon bei geringer Rechenleistung gute Resultate liefert. Auf Texturierung wurde jedoch verzichtet, da dies die Anzahl der Bildwiederholungen drastisch reduziert hätte. Es gibt zahlreiche kommerzielle Grafiksysteme auf dem Markt, die Polygongrafiken darstellen können. Es seien hier folgende genannt: Virtus VR, VREAM, Superscape. Diese Systeme liegen preislich zwischen 500,- DM und ,- DM. Zum Glück gibt es auch günstigere Alternativen. Die amerikanischen Studenten Dave Stampe und Bernie Roehl haben gemeinsam eine C-Routinensammlung mit dem Namen Rend386 entwickelt. Diese ist für nicht-kommerzielle Personen und Gruppen kostenlos erhältlich. In den letzten beiden Jahren wurden zwei verschiedene Nachfolger dieses Systems vorgestellt. Erstens, VR386 von Dave Stampe, welches viele Assembler Routinen verwendet und daher sehr schnell arbeitet. Zweitens, AVRIL von Bernie Roehl, was in gut strukturiertem C Quellcode ausgeliefert wird, dafür aber etwas langsamer läuft. Wir haben uns für AVRIL entschieden, da die Einbindung eigener Grafik- und Eingabetreiber relativ problemlos möglich sein soll. In der Praxis haben sich dann jedoch einige Probleme ergeben. Um einen flimmerfreien Bildschirmaufbau zu gewährleisten, muß das virtuelle Bild zuerst in einem internen Puffer aufgebaut werden, bevor dieser komplett in den Bildschirmspeicher des Rechners kopiert werden kann. Da ein solcher Puffer jedoch 300 KB groß sein muß, bedarf es hoch-optimierter Routinen zur Ansteuerung des erweiterten Speicherbereichs (XMS). Die von uns entwickelten Treiber für die serielle Schnittstelle (siehe 3.6) werden regelmäßig aufgerufen und übernehmen die Koordinaten der Ultraschall-Sender. Basierend auf diesen Koordinaten wird das 3D-Bild der virtuellen Welt, die wir vorab erstellt haben, angezeigt. 3.6 Netz-Architektur Da die Berechnung der 3D-Bilder sehr zeitintensiv ist, haben wir uns entschlossen, die Rechenarbeit auf zwei Computer zu verteilen. Von diesen Clients errechnet jeder das Bild für das entsprechende Display. Die Abfrage der Ultraschall Positionserkennung erfolgt über die parallele Schnittstelle eines dritten Rechners (Server). Dieser ist auch für die Errechnung der Raumkoordinaten der Objekte (Helm und Roboter) zuständig und übermittelt diese auf Anfrage über die seriellen Schnittstellen an die Clients. Im einzelnen läuft diese Abfrage wie folgt ab: Die Client Rechner senden ein bestimmtes Kennzeichen an den Server (z.b. "H" für Helmdaten). Durch dieses Signal wird auf dem Server eine Interrupt Prozedur aufgerufen, die die derzeit aktuellen Daten aus einem Puffer holt und sie als eine Folge von 6 16-Bit Werten (X-Position, Y-Position, Z-Position, X-Rotation, Y-Rotation, Z-Rotation) über die serielle Schnittstelle an den anfragenden Rechner zurücksendet. Anschließend widmet sich der Server wieder seiner Hauptaufgabe, der ständigen Abfrage der Koordinaten, während die Clients aufgrund der veränderten Daten das Bild neu berechnen. 3.7 Gesamtübersicht

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13 von Marco Grubert, Benjamin Benz & Thorsten Garber 4 Versuchsablauf - Einsatz in der Praxis Um ein praxisnahes Beispiel zu simulieren, das die Vorteile unseres Systems im Einsatz zeigt haben wir einen Parcours aufgebaut, wie er in Abb. 5 zu sehen ist. Dabei stellen die schraffierten Flächen Wände dar, die auch in unserer virtuellen Welt, die zuvor mit einem Texteditor erstellt worden ist, angezeigt werden. Aus dem dunklen Feld soll ein Objekt "gerettet" werden, dazu muß das Fahrzeug daran "andocken" und es abschleppen. Unser gesamter Parcours hat eine Ausdehnung von 2*2 Metern, die sich durch Hardwareeinstellung der Positionserkennung ergibt. Das Fahrzeug kann an einem beliebigen Punkt im Parcours gestartet werden, da sofort seine Position und Blickrichtung vom Computer festgestellt wird. Der Anwender steuert das Fahrzeug über den Controlstick als erstes zum Objekt. Auf dem Weg kann von außen der Versuchsaufbau abgedunkelt werden (Simulation von Bildstörungen, Stromausfall, Nebel, etc.). Jetzt ist der Einsatz der Videokontrolle nicht mehr möglich, da die Kameras keine zur Steuerung ausreichenden Bilder mehr liefern. Aus diesem Grund schaltet der Anwender in die VR-Darstellung um, in der der abgedunkelte Raum ohne Probleme zu erkennen ist. Gleichzeitig kann man das Fahrzeug von außerhalb, aus der Vogelperspektive beobachten, um es in dem engen Raum sicher zu steuern. Letztendlich wird das Objekt aus der Gefahrenzone herausgeschleppt.

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15 von Marco Grubert, Benjamin Benz & Thorsten Garber 5 Einsatzmöglichkeiten Zum Schluß möchten wir noch auf die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten eines Systems, das Virtuelle Realität mit Telepräsenz verbindet, hinweisen: 5.1 Unterschiede zu bereits käuflichen Systemen Im Bereich der Virtuellen Realität ist das Angebot seit dem letzten Jahr stark gestiegen und die Preise sind auf ein Niveau gefallen, so daß diese Systeme für den Heimanwender (z. B. für 3D-Computerspiele) langsam interessant werden. Allerdings sind die Preise im Vergleich zu den Kosten unseres VR-Systems noch immer relativ hoch (ca DM nur für den Helm). Systeme mit Telepräsenz sind heute noch relativ selten zu finden, da die Kosten (vor allem für die Entwicklung) sehr hoch sind und fast immer spezialisierte Systeme gebaut werden, die nur begrenzte Einsatzmöglichkeiten haben (z. B. entwickelt die NASA ein System zur Robotersteuerung im Weltall). Ein System wie das unsere, welches Virtuelle Realität mit Telepräsenz verbindet, ist derzeit noch nicht auf dem Markt erhältlich, obwohl sich mehrere Projekte in der Entwicklung befinden (siehe 1.3). 5.2 Einsatzmöglichkeiten unseres Systems Unser System, in der derzeitigen Ausbaustufe, läßt sich überall dort einsetzen, wo Aufgaben (z. B. Wartungsarbeiten) in bekannten und nicht überdimensional großen Räumen gelöst werden sollen. Besonders bietet es sich in Risikogebieten an, um die Gefahr für Menschen zu reduzieren. Eine mögliche Anwendung wäre die Kontrolle und Wartung von Lüftungs- oder Abwasserkanälen. Bei dieser Anwendung könnte das Fahrzeug automatisch oder manuell im VR-Modus bis zu einem bestimmten Punkt gebracht werden, um dann dort im Sichtmodus eine Aufgabe zu erfüllen. Der Aktionsradius ließe sich durch das Postieren weiterer Empfänger ohne übermäßigen Aufwand vergrößern. Eine andere Einsatzmöglichkeit für eine leicht modifizierte Version (anderer Roboter, stärkere Ultraschallsender, die uns bisher zu teuer waren) wäre der Einsatz als Wartungsroboter zum Beispiel in einem Kraftwerk. Hier könnten Reparaturen auch bei Störfällen durchgeführt werden, wenn zum Beispiel durch Dampf, Nebel oder Gase der Einsatz von menschlichem Personal bzw. konventionell gesteuerten Robotern nicht mehr möglich ist. Dies ist möglich, da unser System nicht von den Sichtverhältnissen abhängig ist und auch bei temporärem Sensorausfall über den VR-Modus voll steuerbar bleibt. 5.3 Mögliche Weiterentwicklung Roboter (Fahrzeug): Greifarm für den Roboter und andere Erweiterungen (z. B. Werkzeuge) anderer Roboter (z.b. ein Wartungsroboter aus der Industrie) Farbkameras, Mikrofone, Lautsprecher Raumerkennungsalgorithmus um neue Räume vom Computer erfassen oder schon erfaßte virtuelle Räume an Umweltbedingungen anzupassen.

16 Drahtlose Videoübertragung Erweiterter Bewegungsradius Hall-Effekt Sensoren zur präziseren Positionserkennung Mobiles Bezugssystem für den Roboter Benutzerschnittstelle: erweiterte Datenerfassung (Datenhandschuh zur Steuerung, Datenanzug, Mikrofon) Sprachsteuerung erweiterte Datenausgabe (Ton und Feedback-System) Bearbeitung der Videosignale durch den Computer (z. B. Einblenden einer Karte) Texturierte Grafik für die VR-Darstellung Meinungen, Anregungen und ähnliches sofort per nach Berlin zu Marco Grubert Copyright 1996 by Marco Grubert, Benjamin Benz & Thorsten Garber Projektarbeit jugend forscht - Stand: Februar 1996 (TG)

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