Intelligente Roboter
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- Simon Giese
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1 Intelligente Roboter Intelligente Roboter lectures/2010ws/vorlesung/ir Jianwei Zhang Universität Hamburg Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften Technische Aspekte Multimodaler Systeme Wintersemester 2010/2011 J. Zhang 1
2 4 Abstandssensoren Intelligente Roboter Gliederung 1. Grundlagen der Sensorik 2. Winkel und Bewegungen 3. Kräfte und Druck 4. Abstandssensoren Verfahren zur Abstandsmessung Sensoren zur Abstandsmessung Probleme optischer Sensoren Literatur 5. Scandaten verarbeiten 6. Rekursive Zustandsschätzung 7. Sichtsysteme 8. Fuzzy-Logik 9. Steuerungsarchitekturen J. Zhang 253
3 4 Abstandssensoren Intelligente Roboter Abstandssensoren Typisch: Infrarot, Ultraschall und Laser Physikalische Prinzipien: Signallaufzeit (engl.: time-of-flight) Triangulation Messung der Signalintensität Phasendifferenz J. Zhang 254
4 4.1.1 Abstandssensoren - Verfahren zur Abstandsmessung - Time-of-flight Intelligente Roboter Time-of-flight 1. Aussenden eines Impulses 2. Messen der Zeit zwischen Aussenden des Impulses und Eingang des Echos Abstand = gemessene Zeit Geschwindigkeit im Medium 2 J. Zhang 255
5 4.1.1 Abstandssensoren - Verfahren zur Abstandsmessung - Time-of-flight Intelligente Roboter Time-of-flight (cont.) Vorteil: Sender und Empfänger liegen auf derselben Achse Strahldurchmesser Durchmesser = 2 Abstand tan ( Öffnungswinkel ) J. Zhang 256
6 4.1.1 Abstandssensoren - Verfahren zur Abstandsmessung - Time-of-flight Intelligente Roboter Time-of-flight (cont.) J. Zhang 257
7 4.1.2 Abstandssensoren - Verfahren zur Abstandsmessung - Triangulation Intelligente Roboter Triangulation Ermitteln der Entfernung mit Hilfe zweier Sichtpunkte Abstand zwischen den Sichtpunkten muss bekannt sein Abstand wird über die Winkel zum Objekt an den beiden Sichtpunkten bestimmt Zwei Sichtpunkte können sich auf unterschiedliche Weise ergeben: Bewegen eines einzelnen Sensors Spezielles Design eines aktiven Sensors Mehrere Sensoren Ein aktiver Sensor emittiert ein Signal und empfängt die Reflektion Ein passiver Sensor empfängt Umgebungssignale J. Zhang 258
8 4.1.2 Abstandssensoren - Verfahren zur Abstandsmessung - Triangulation Intelligente Roboter Triangulation (cont.) Stereo-Vision mit zwei Kameras ist eine passive Form von Triangulation Abstand = l 2 = l 1 sin(α) sin(θ + α) J. Zhang 259
9 4.1.2 Abstandssensoren - Verfahren zur Abstandsmessung - Triangulation Intelligente Roboter Triangulation (cont.) J. Zhang 260
10 4.1.2 Abstandssensoren - Verfahren zur Abstandsmessung - Triangulation Intelligente Roboter Beispiel: Okada s optischer Distanzmesser (1982) J. Zhang 261
11 4.1.3 Abstandssensoren - Verfahren zur Abstandsmessung - Phasendifferenz Intelligente Roboter Phasendifferenz Alternative zu time-of-flight: Messen der Phasendifferenz zwischen ausgesandtem und reflektiertem Strahl eines Lasers Der Laserstrahl mit Wellenlänge λ wird zuerst mit Hilfe eines Strahlenteilers aufgesplittet Der sogenannte Referenzstrahl wird von einem Phasenmessgerät in der Entfernung L gemessen Der zweite Strahl läuft bis zur Objektoberfläche und zurück bis zum Phasenmessgerät J. Zhang 262
12 4.1.3 Abstandssensoren - Verfahren zur Abstandsmessung - Phasendifferenz Intelligente Roboter Phasendifferenz (cont.) J. Zhang 263
13 4.1.3 Abstandssensoren - Verfahren zur Abstandsmessung - Phasendifferenz Intelligente Roboter Phasendifferenz (cont.) Die vom reflektierten Strahl zurückgelegte Strecke beträgt: D = L + 2D Annahme D = 0, dann gilt D = L und beide Strahlen kommen simultan im Phasenmessgerät an Wird D erhöht, wird der Weg für den reflektierten Strahl länger und es kommt zu einer Phasendifferenz θ beim Vergleich mit dem Referenzstrahl J. Zhang 264
14 4.1.3 Abstandssensoren - Verfahren zur Abstandsmessung - Phasendifferenz Intelligente Roboter Phasendifferenz (cont.) Es gilt: D = L + θ 360 λ J. Zhang 265
15 4.1.3 Abstandssensoren - Verfahren zur Abstandsmessung - Phasendifferenz Intelligente Roboter Phasendifferenz (cont.) Für θ = 360 ist der Phasenunterschied 0, daher kann nicht unterschieden werden zwischen D = L und D = L + nλ, n = 1, 2,... Um eine eindeutige Lösung zu erhalten, muss θ < 360 bzw. 2D < λ gelten Da D = L + 2D ist, erhält man D = θ 360 ( ) λ 2 als Distanz, wenn die Wellenlänge bekannt ist J. Zhang 266
16 4.1.3 Abstandssensoren - Verfahren zur Abstandsmessung - Phasendifferenz Intelligente Roboter Phasendifferenz (cont.) Da die Wellenlänge von Laserlicht sehr klein ist (632.8 nm beim Helium-Neon Laser), ist diese Methode ungeeignet für die Robotik Eine einfache Lösung für dieses Problem ist die Modulation der Welle mit einer sehr viel längeren Welle (c = f λ) Eine modulierende Sinuswelle mit einer Frequenz von f = 10 MHz hat eine Wellenlänge von 30 m J. Zhang 267
17 4.1.3 Abstandssensoren - Verfahren zur Abstandsmessung - Phasendifferenz Intelligente Roboter Phasendifferenz (cont.) J. Zhang 268
18 4.2.1 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Infrarotsensoren Intelligente Roboter Infrarotsensoren Infrarotsensoren sind die einfachsten der kontaklosen Sensoren Werden in der Robotik vielfach zur Hinderniserkennung eingesetzt Infrarotsensoren senden ein infrarotes Lichtsignal (IR) aus IR wird von Objekten in der Umgebung reflektiert Um das ausgesandte IR vom allgemeinen IR der Umgebung (Leuchtstoffröhren oder Sonnenlicht) unterscheiden zu können, wird es mit einer niedrigen Frequenz (z.b. 100 Hz) moduliert Vorausgesetzt, dass alle Objekte die gleiche Farbe und Oberfläche besitzen, kann die Distanz zu den Objekten bestimmt werden J. Zhang 269
19 4.2.1 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Infrarotsensoren Intelligente Roboter Infrarotsensoren (cont.) Die Intensität des reflektierten Lichts ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Distanz In realistischen Umgebungen haben die Oberflächen unterschiedliche Farben Farbige Oberflächen reflektieren unterschiedlich viel Licht Schwarze Oberflächen sind praktisch unsichtbar IR-Sensoren können eigentlich nur zu Objekterkennung nicht aber zur Entfernungsmessung eingesetzt werden Wenn ein IR-Signal vom Sensor empfangen wird kann man mit Sicherheit annehmen, dass sich ein Objekt vor dem Sensor befindet J. Zhang 270
20 4.2.1 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Infrarotsensoren Intelligente Roboter Infrarotsensoren (cont.) Phantomsignale sind sehr selten Fehlt ein IR-Signal heißt das allerdings nicht, dass kein Objekt vor dem Sensor ist IR-Sensoren werden für kurze Reichweiten eingesetzt (50 bis 100 cm) J. Zhang 271
21 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Ultraschallsensoren In der Biologie gibt es zwei Vorbilder für Ultraschallsensoren: 1. Delphin Lokalisation Tracking von Fischen Navigation Kommunikation 2. Fledermaus Lokalisation Navigation (z.b. in dunklen Höhlen) Tracking von Motten und Mäusen J. Zhang 272
22 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Ultraschallsensoren (cont.) Fledermäuse benutzen eine Reihe verschiedenster Sonar-Techniken (sound navigation and ranging): feste Frequenzen variierende Frequenzen variierende Frequenzen, so dass die reflektierte Frequenz stationärer Objekte fest ist Obwohl künstliche Ultraschall-Sonare ähnliche Frequenzen wie in der Tierwelt erzeugen können, sind die Fähigkeiten der Tiere noch lange nicht erreicht J. Zhang 273
23 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Ultraschallsensoren (cont.) Schallwellen unterscheiden sich von elektromagnetischen Wellen in drei physikalischen Eigenschaften: Medium Geschwindigkeit Wellenlänge Schallwellen brauchen ein Medium wie Luft oder Wasser Die Geschwindigkeit des Schalls in der Luft beträgt C m/s Time-of-flight-Messung für kurze Distanzen möglich Die Wellenlänge eines 50 khz Ultraschallsensors beträgt mm J. Zhang 274
24 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Ultraschallsensoren (cont.) Dadurch wird der Schall an einer glatten Oberfläche wohldefiniert reflektiert Erst bei sehr groben Strukturen wird Ultraschall diffus reflektiert Vorsicht: Ein runder Stab erzeugt eine diffuse Reflektion J. Zhang 275
25 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Piezoelektrischer Ultraschall-Transducer Um Ultraschallwellen zu erzeugen, ist die Bewegung einer Oberfläche erforderlich Diese Bewegung verursacht eine Kompression bzw. Expansion des Mediums Eine Möglichkeit Ultraschallwellen zu erzeugen ist die Verwendung eines piezoelektrischen Transducers im Motor-Modus Eine Spannung verursacht eine Biegung des Keramik-Elementes Piezoelektrizität ist reversibel, daher erzeugen eintreffende Ultraschallwellen eine Ausgangsspannung J. Zhang 276
26 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Piezoelektrischer Ultraschall-Transducer (cont.) Typischerweise werden Piezoelektrische Transducer in der Nähe der Resonanzfrequenz f r (32 khz) betrieben Dort reagiert das Keramik-Element mit der größten Sensitivität J. Zhang 277
27 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Piezoelektrischer Ultraschall-Transducer (cont.) J. Zhang 278
28 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Piezoelektrischer Ultraschall-Transducer (cont.) J. Zhang 279
29 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Polaroid Ultraschall-Transducer Der Polaroid Ultraschall Transducer ist ebenfalls sowohl Transmitter (Sender) als auch Receiver (Empfänger) Im Empfangsmodus arbeitet er wie ein elektrostatisches Mikrophon Der Radius des runden Transducers beträgt etwa dreimal die ausgesandte Wellenlänge Der Öffnungswinkel des Ultraschallsignals beträgt etwa 15 Das bewegliche Element des Transducers ist eine Plastikfolie mit Goldbeschichtung Sie wandelt elektrische Energie in Schallwellen um und umgekehrt J. Zhang 280
30 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Polaroid Ultraschall-Transducer (cont.) J. Zhang 281
31 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Polaroid Ultraschall-Transducer (cont.) J. Zhang 282
32 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Polaroid Ultraschall-Transducer (cont.) Normalerweise wird ein Zirpen (engl.: chirp) von 1 ms erzeugt Das Zirpen enthält 56 Impulse: 8 mit 60 khz 8 mit 57 khz 16 mit 53 khz 24 mit 50 khz Mehrere Frequenzen werden benutzt, da einige Materialien akustische Energie absorbieren und kein Echo reflektieren J. Zhang 283
33 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Genauigkeit Die Mindestdistanz d min, die noch gemessen werden kann, berechnet sich wie folgt: d min = 1 2 vt Impuls v: Geschwindigkeit des Schalls im entsprechenden Medium t Impuls : Dauer des ausgesandten Impulses in Sekunden J. Zhang 284
34 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Genauigkeit (cont.) Die maximale Distanz d max, die noch gemessen werden kann, berechnet sich wie folgt: d max = 1 2 vt Intervall v: Geschwindigkeit des Schalls im entsprechenden Medium t Intervall : Zeitspanne zwischen den einzelnen Impulsen J. Zhang 285
35 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Genauigkeit (cont.) Auflösungsvermögen d Aufloesung eines Sonarsensors: d Aufloesung = d max q q: Quantisierungsschritte, die für die Distanzkodierung zur Verfügung stehen d max : Maximale Reichweite des Sensors J. Zhang 286
36 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Messfehler Bei der Verwendung von Sonarsensoren können einige Ungenauigkeiten auftreten Die präzise Position des Objektes bleibt unbekannt Grund: Der Empfindlichkeitsbereich eines Sonarsensors ist keulenförmig Ein mit Distanz d wahrgenommenes Objekt kann an beliebiger Position innerhalb des Sonarkegels auf dem Bogen mit Distanz d liegen Spiegel- und Totalreflexionen verursachen fehlerhafte Messungen J. Zhang 287
37 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Messfehler (cont.) Trifft der Sonarstrahl in flachem Winkel auf ein glattes Objekt, so wird das Signal abgelenkt und nicht zum Sensor reflektiert Werden mehrere Sonarsensoren gleichzeitig benutzt, müssen spezifisch verschlüsselte Signal verwendet werden, da es ansonsten zu Übersprechen (engl.: Crosstalk) kommt Da die Messung von der Temperatur des Mediums abhängt, bewirkt z.b. eine Änderung der Lufttemperatur von 16 C einen Messfehler von 30 cm über eine Entfernung von 10 m Ein solcher Fehler hat zwar keinen Einfluss auf einfache Sensor-Motor-Verhaltensweisen wie Hindernisausweichen, führt aber bei der Kartenerstellung zu unpräzisen Umgebungskarten J. Zhang 288
38 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Messfehler (cont.) Messprinzip J. Zhang 289
39 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Messfehler (cont.) Auflösung J. Zhang 290
40 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Messfehler (cont.) Messfehler J. Zhang 291
41 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Messfehler (cont.) unsichtbare Wand J. Zhang 292
42 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Messfehler (cont.) unsichtbare Ecke J. Zhang 293
43 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Messfehler (cont.) Eckenfehler J. Zhang 294
44 4.2.2 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Ultraschallsensoren Intelligente Roboter Anwendung von Ultraschallsensoren Bewegungsüberwachung Niveau-Überwachung Messen von Ausdehnungen Sortieren, Aussuchen Annäherung, Positionierung und Objektdetektion J. Zhang 295
45 4.2.3 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Lasermesssysteme Intelligente Roboter Laserentfernungsmesser Laserentfernungsmesser messen die Entfernung, Geschwindigkeit und Beschleunigungsrate wahrgenommener Objekte Das Prinzip ist das gleiche wie bei Sonarsensoren Statt eines kurzen Schallimpulses wird beim Laser ein kurzer Lichtimpuls ausgesandt Die Zeitspanne zwischen dem Aussenden und dem Empfang des reflektierten Impulses wird für die Entfernungsbestimmung genutzt J. Zhang 296
46 4.2.3 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Lasermesssysteme Intelligente Roboter Laserentfernungsmesser (cont.) Die Wellenlänge liegt im Bereich von Infrarotlicht Sie ist wesentlich kürzer als beim Sonarimpuls Die Wahrscheinlichkeit, von einer glatten Oberfläche symmetrisch wegreflektiert zu werden, ist sehr viel geringer weniger Spiegelreflektionen J. Zhang 297
47 4.2.3 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Lasermesssysteme Intelligente Roboter Funktionsprinzip Ein gepulster Laserstrahl wird ausgesandt Trifft der Laserimpuls auf ein Objekt, wird er reflektiert und im Empfänger des Scanners registriert Die Zeit vom Aussenden bis zum Empfang des Impulses ist direkt proportional zur Entfernung zwischen Scanner und Objekt (Lichtlaufzeit) Durch einen internen Drehspiegel wird der gepulste Laserstrahl abgelenkt und die Umgebung fächerförmig abgetastet (Laser-Radar) Aus der Abfolge der empfangenen Impulse wird die Kontur des Objektes berechnet J. Zhang 298
48 4.2.3 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Lasermesssysteme Intelligente Roboter Funktionsprinzip (cont.) Die Messwerte stehen zur Auswertung in Echtzeit an der Schnittstelle zur Verfügung J. Zhang 299
49 4.2.3 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Lasermesssysteme Intelligente Roboter Spotabstand/-durchmesser Im radialen Blickfeld wird typischerweise alle 0.25, 0.5 oder 1 ein Lichtimpuls (Spot) ausgesandt Bedingt durch die Strahlgeometrie und den Durchmesser der einzelnen Spots, überlappen sich diese auf dem zu messenden Objekt bis zu einer bestimmten Entfernung J. Zhang 300
50 4.2.3 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Lasermesssysteme Intelligente Roboter Remission unterschiedlicher Objekte Die Reichweite der Scanner hängt von der jeweiligen Remission (Reflektivität) des Objektes sowie von der Sendestärke des Scanners ab Material Remission Photokarton, schwarz matt 10 % Karton, grau 20 % Holz (Tanne roh, verschmutzt) 40 % PVC, grau 50 % Papier, weiß matt 80 % Aluminium, schwarz eloxiert % Stahl, rostfrei glänzend % Stahl, hochglänzend % Reflektoren >2000 % J. Zhang 301
51 4.2.3 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Lasermesssysteme Intelligente Roboter Reichweite: SICK LMS 200 J. Zhang 302
52 4.2.3 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Lasermesssysteme Intelligente Roboter Technische Daten: SICK LMS 200 Reichweite (RW) bis max. 80 m max. Scanwinkel 180 Winkelauflösung 0.25 /0.5 /1 (einstellbar) Ansprechzeit 53 ms/26 ms/13 ms Messauflösung 10 mm Systematischer Fehler ±15 mm (RW m) Standardabweichung typ. 5 mm (RW 8 m) Übertragungsrate 9,6/19,2/38,4/500 kbaud (RS-232/RS-422) Betriebstemperatur C Gewicht 4,5 kg J. Zhang 303
53 4.2.4 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Abstandsmessung mit strukturiertem Licht Intelligente Roboter Abstandsmessung mit strukturiertem Licht Ansatz: Projektion eines Lichtmusters auf die zu vermessenden Objekte und Berechnung der Abstände über die Verzerrung des Musters Populärste Methode: Muster ist ein schmaler Lichtstreifen Ein solcher Lichstreifen kann mit einer zylindrischen Linse oder durch einen schmalen Spalt erzeugt werden Der Lichstreifen fällt auf die Objekte im Arbeitsraum Die Szene wird von einer Kamera mit festem Abstand B von der Lichtquelle beobachtet Die Abstände können nach der Kalibration des Systems bestimmt werden J. Zhang 304
54 4.2.4 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Abstandsmessung mit strukturiertem Licht Intelligente Roboter Abstandsmessung mit strukturiertem Licht (cont.) Beispiel: J. Zhang 305
55 4.2.4 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Abstandsmessung mit strukturiertem Licht Intelligente Roboter Abstandsmessung mit strukturiertem Licht (cont.) Senkrechter Blick auf das vorherige Bild J. Zhang 306
56 4.2.4 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Abstandsmessung mit strukturiertem Licht Intelligente Roboter Abstandsmessung mit strukturiertem Licht (cont.) In den beiden vorangegangenen Bilder befinden sich Lichtquelle und Kamera auf derselben Höhe Der Lichtstreifen wird senkrecht zur Kamera-Lichtquelle-Ebene ausgestrahlt Die Kamera-Lichtquelle-Ebene heißt Referenzebene (engl.: reference plane) Jede Ebene parallel zur Referenzebene produziert eine senkrechte Linie im Kamerabild, wenn die Kamera richtig ausgerichtet ist Jeder Punkt einer solchen senkrechten Linie hat den gleichen Abstand zur Referenzebene J. Zhang 307
57 Universität Hamburg Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Abstandsmessung mit strukturiertem Licht Intelligente Roboter Abstandsmessung mit strukturiertem Licht (cont.) Sei das Bild der Kamera ein N M Feld und y = 0, 1, 2,..., M 1 der Spaltenindex Eine Kalibration erfolgt durch Messen des Abstandes B zwischen Linsenzentrum der Kamera und Lichtquelle und Bestimmen der Winkel α c und α 0 Daraus folgt: d = λ tan θ wobei θ = α c α 0 und λ die Bildweite der Kamera ist J. Zhang 308
58 4.2.4 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Abstandsmessung mit strukturiertem Licht Intelligente Roboter Abstandsmessung mit strukturiertem Licht (cont.) Der Abstand auf der Bildebene erhöht sich mit jeder Spalte des Bildes um d k : d k = k d M/2 = 2kd M für 0 k M/2 k = 0 ist die Spalte am linken Rand des Bildes, k = M/2 die mittlere Spalte J. Zhang 309
59 4.2.4 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Abstandsmessung mit strukturiertem Licht Intelligente Roboter Abstandsmessung mit strukturiertem Licht (cont.) Winkel α k eines beliebigen Streifens ist: α k = α c θ k mit tan θ k = d d k λ Es folgt mit 0 k M/2 [ ] d(m 2k) θ k = tan 1 Mλ J. Zhang 310
60 4.2.4 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Abstandsmessung mit strukturiertem Licht Intelligente Roboter Abstandsmessung mit strukturiertem Licht (cont.) Für die andere Seite der Optischen Achse ergibt sich: mit mit M/2 k (M 1) Es gilt: θ k = θ k α k = α c + θ k [ ] d(2k M) θ k = tan 1 Mλ J. Zhang 311
61 4.2.4 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Abstandsmessung mit strukturiertem Licht Intelligente Roboter Abstandsmessung mit strukturiertem Licht (cont.) Die senkrechte Distanz D k zwischen einem beliebigen senkrechten Lichtstreifen und der Referenzebene ist gegeben durch D k = B tan α k für 0 k M 1 Sind b, α 0, α c, M und λ bekannt, bestimmt die Spaltennummer den Abstand aller Punkte einer senkrechten Linie zur Referenzebene Die Kalibration erfolgt jetzt durch einfaches Messen von B und bestimmen von α c und α 0 J. Zhang 312
62 4.2.4 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Abstandsmessung mit strukturiertem Licht Intelligente Roboter Abstandsmessung mit strukturiertem Licht (cont.) Um α c zu bestimmen wird eine Ebene parallel zur Referenzebene aufgestellt, so dass der Lichtstreifen in der mittleren Spalte des Bildes zu sehen ist (y = M/2) Dann wird D c gemessen, es gilt: ( ) α c = tan 1 Dc B Um α 0 zu bestimmen, wird die Ebene näher an die Referenzebene geschoben, solange bis der senkrechte Lichtstreifen in der Spalte y = 0 zu sehen ist J. Zhang 313
63 4.2.4 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Abstandsmessung mit strukturiertem Licht Intelligente Roboter Abstandsmessung mit strukturiertem Licht (cont.) Dann wird D 0 gemessen, es gilt: ( ) α 0 = tan 1 D0 B Der Vorteil dieser Abstandsmessung ist ihre Einfachheit Nach der Kalibration kann der jeder Spalte zugeordnete Abstand abgespeichert werden Im laufenden Betrieb kann so schnell die Tiefe eines Objektes bestimmt werden J. Zhang 314
64 4.2.4 Abstandssensoren - Sensoren zur Abstandsmessung - Abstandsmessung mit strukturiertem Licht Intelligente Roboter Abstandsmessung mit strukturiertem Licht (cont.) J. Zhang 315
65 4.3 Abstandssensoren - Probleme optischer Sensoren Intelligente Roboter Probleme optischer Sensoren Vier Probleme: schmutzige Linsen Lösung: regelmäßige Reinigung Schutzhüllen Montage senkrecht nach unten, so dass keine Staub liegen bleibt Umgebungslicht Lösung: moduliertes oder pulsierendes Licht schlechte Oberflächenreflektion falsche Objektorientierung J. Zhang 316
66 4.4 Abstandssensoren - Literatur Intelligente Roboter [DJ00] [FGL87] [Fra04] Kap. 3.4, 3.4 u. 3.7 In: Gregory Dudek, Michael Jenkin: Computational principles of mobile robotics. Cambridge University Press, 2000, S u Kap. 6.2 In: King Sun Fu, R. C. Gonzalez, C. S. G. Lee: Robotics: control, sensing, vision, and intelligence. Mcgraw-Hill, Inc., New York, 1987, (Mcgraw-Hill Series In Cad/Cam, Robotics, And Computer Vision), S Kap. 7.6 In: Jacob Fraden: Handbook of modern sensors: physics, design, and applications. Springer-Verlag New York, Inc., 2004, S J. Zhang 317
67 4.4 Abstandssensoren - Literatur Intelligente Roboter [McK93] Kap In: Phillip John McKerrow: Introduction to Robotics. Addison-Wesley, 1993, (Electronic Systems Engineering Series), S [Neh02] Kap , u In: Ulrich Nehmzow: Mobile Robotik: Eine praktische Einführung. Springer Verlag Berlin, 2002, S [SICK00] Lasermesssysteme LMS 200/LMS 211/LMS 220/LMS 221/LMS 291. SICK AG; Nimburger Str. 11, D Reute, Juni Technische Beschreibung J. Zhang 318
Inhaltsverzeichnis. Time-of-flight (1)
zhang@informatik.uni-hamburg.de Universität Hamburg AB Technische Aspekte Multimodaler Systeme zhang@informatik.uni-hamburg.de Inhaltsverzeichnis Abstandssensoren..........................199 Abstandsmessung:
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