17 Feb. Gefahrenzonen erkunden: Zentimetergenaue Kartierung dank Lidar
Robotersysteme erkunden bisher unbekanntes Gelände, Gebäude oder Gefahrenzonen mit Kameras. Beispielsweise bei Katastrophen, wie einem Unfall im Chemiewerk oder Hochwasser, sind die Einsatzkräfte darauf angewiesen, einen schnellen Überblick zu gewinnen. Dabei dürfen sie oftmals das Gelände nicht betreten, um sich nicht selbst in Gefahr zu bringen. Forschenden des Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE in Wachtberg haben im Projekt ‚3D-InAus‘ einen Roboter mit Lidar-Laser (Light Detection and Ranging) für die Geländeerkundung entwickelt. Timo Röhling ist technischer Projektleiter aus der Abteilung Kognitive Mobile Systeme. „Im Vergleich zu Robotersystemen, die eine Gefahrenzone mit Kameras erkunden, geht unser Projekt einen großen Schritt weiter“, erklärt Röhling. „Die Laserimpulse liefern Messwerte für die exakte 3-D-Kartographierung eines Geländes oder Gebäudes. Entfernungen und Abmessungen werden dabei nicht geschätzt, sondern auf wenige Zentimeter genau ermittelt.“
Geometrische Punktwolke ergänzt durch Kameras
Im Lidar-Modul ist ein rotierender Spiegel verbaut, mit dem sich zehnmal pro Sekunde ein Ausschnitt von sechzehn senkrechten Scheiben abtasten lässt. Ein Drehteller rotiert den Laser dann so, dass die senkrechten Ausschnitte horizontal eine komplette Rundumsicht abdecken. Es entstehen insgesamt 1,3 Millionen Laserpulse pro Sekunde. Diese werden von der Umgebung reflektiert, und aus der Zeitdifferenz wird die jeweilige Entfernung berechnet.
Hinzu kommt ein Kamerasystem mit bis zu sechs Kameras. Deren Bilder werden genutzt, die dazu gehörenden Objekte oder Formen einzufärben. „Wir verschmelzen sozusagen Kamerabilder und Punktwolke“, erklärt Röhling. „So entsteht eine anschauliche, detaillierte und zugleich geometrisch korrekte 3-D-Umgebung mit Häusern, Freiflächen und Objekten.“
Die im LiDAR-Laser gewonnen Rohdaten werden bereits während der Fahrt in einem Rechnermodul im Roboter vorverarbeitet. Die endgültige Visualisierung findet dann stationär im Postprocessing statt. Ein 400 × 400 m² großes Gelände kann in etwa drei Stunden kartiert werden. Wenn es im Katastrophenfall besonders schnell gehen muss, kann man durch beschleunigten Betrieb schon nach einer Stunde einen ersten Überblick gewinnen. Es ist zudem möglich, mehrere Fahrzeuge gleichzeitig einzusetzen. Die Software des Systems ist zudem in der Lage, die Messwerte von Sensoren zu verarbeiten, die gasförmige toxische Substanzen oder radioaktive Quellen detektieren. Diese lassen sich in den 3-D-Karten platzieren.
Sensorik und virtuelles GPS für selbstständige Navigation
Gesteuert wird das Robotersystem in der Regel per Funk mittels Joystick und Tablet. Wenn kein Funkkontakt besteht, können die Robotersysteme sich auch automatisiert auf dem Gelände bewegen. Eine Herausforderung stellt die Erkundung in Gebäuden dar, hier gibt es keinen GPS-Empfang. Auch hierfür haben die Forschenden des Fraunhofer FKIE eine Lösung gefunden. Durch die Kartierung des Geländes sind Position und Größe des Gebäudes bekannt, daraus generiert die Software ein virtuelles GPS für das Gebäudeinnere. So kann das Robotersystem auch in den Innenräumen selbstständig navigieren.
Der Lidar-Laser auf einem rotierenden Drehteller sendet 1,3 Millionen Laserpulse pro Sekunde. Bild: Fraunhofer FKIE
Flexible Plattform für unterschiedliche Szenarien
Das Forschungsteam hat nach eigener Aussage darauf geachtet, dass das Robotersystem möglichst vielseitig einsetzbar ist. So sind Lasermodul und Drehteller auf ganz unterschiedlichen Fahrzeugen montierbar. Je nach Gelände könne man Landfahrzeuge mit Rädern, Kettenfahrzeuge oder auch Drohnen einsetzen, so die Forschenden. Anwenderinnen und Anwender stellen die Komponenten für jedes Szenario passgenau zusammen.
Quelle und Bild: www.fkie.fraunhofer.de
