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Die Verbindung zwischen Karte und wirklicher Umwelt ist die Positionsbestimmung. Die Schwierigkeit bei ihr liegt in den immer auftretenden Ungenauigkeiten, die bei der Aufzeichnung von Hindernissen zu Verschiebungen in der Karte und beim Ansteuern eines Ziels zu falschen Wegberechnungen führen. Apparaturen, mit denen sehr genaue Positionsbestimmungen möglich sind, haben oft den Nachteil, dass sie eine aufwendige und genaue Instal-lation erfordern, besonders dann, wenn sie über mehrere Räume hinweg funktionieren sollen. Einfache Verfahren, wie zum Beispiel Odometrie (Wegmessung durch die Auswertung der Radumdrehungen), sind hingegen meistens zu ungenau.
Wegmessung
Schon bei Erscheinen der ersten optischen Mäuse vor ein paar Jahren hatten wir die Idee, sie als Sensor für die Wegmessung bei einem mobilen Roboter zu verwenden. Dies hätte nämlich den Vorteil, dass der Weg direkt ge-messen wird und nicht durch Schlupf der Reifen oder Ähnlichem abgefälscht werden kann. Außerdem haben Mäuse eine gute Genauigkeit.
Ein Problem ist die geringe Entfernung vom Boden, die der Sensor haben muss. Spätestens ab 5 Millimetern er-kennt er in der Regel keine Bewegung mehr. Da ein größerer Abstand jedoch unbedingt nötig ist, damit der Sensor bei unebenen Untergründen nicht auf dem Boden schleift, muss die Optik der Maus mit einer zusätzlichen Linse manipuliert werden. Bei Conrad Elektronik fanden wir die passende Linse, die den Abstand auf 3 bis 4 Zentimeter erweitert.
- Abb 4.1: HDNS-2000
Für die Ansteuerung der Maus bieten sich zwei Möglichkeiten an. Entweder wird ein PS/2-Anschluss am Mikro-controller simuliert, an den die Maus dann wie an einen PC angeschlossen wird, oder man baut den Baustein aus und nimmt die Daten direkt entgegen. Der Chip HDNS-2000 der Firma Agilent Technologies (Abb. 4.1) besitzt glücklicherweise nicht nur einen PS/2-, sondern auch zwei Quadrature-Ausgänge, an denen die Bewegungen in X- und Y-Richtung durch Impulszählung abgenommen werden können. Tastenklicks werden dabei zwar ignoriert, aber von uns sowieso nicht gebraucht.
- Abb 4.2: Anbringung der Sensoren
Die Positionierung der optischen Sensoren für eine Positionsbestimmung ist selbstverständlich von großer Bedeutung. Abbildung 4.2 zeigt zwei Möglichkeiten. Die eine benötigt zwei Sensoren, die neben den Rädern angebracht sind. Sie messen praktisch den Weg, den jedes einzelne Rad zurücklegt. Mit der zweiten Möglichkeit bräuchte man nur einen Sensor. Da wir allerdings bei dem Entwurf einer Auswertungsmethode für diese Anordnung nicht zu einem befriedigendem Ergebnis kamen, entschieden wir uns für die erste Möglichkeit, da diese von der Art der Daten der klassischen Odometrie sehr ähnlich ist und wir aus diesem Grund auf bereits vorhandene Formeln zurückgreifen können.
Positionskontrolle
So genau ein Verfahren zur Wegmessung auch sein mag, solange es auf relativen Messungen beruht, ist es fehleranfällig. Ein absolutes Messverfahren ist also nötig, um die Ungenauigkeiten zeitweise auszugleichen. Da dieses Verfahren möglichst wenig Installationsbedarf haben soll, haben wir uns für diesen Teil unseres Systems die Ent-wicklung eines optischen Verfahrens vorgenommen, das möglichst dynamisch und vielseitig ist, außerdem nicht zu teuer wird, aber gleichzeitig gute Ergebnisse liefert. Auf der Suche nach geeigneter Elektronik stießen wir auf ein Kamerasystem namens CMUcam, das am Robotics Insitute der Carnegie Mellon Univerity in Pittsburgh entwickelt wurde. Die Platine übernimmt sämtliche Bildauswertungen und ist somit relativ einfach zu verwenden, da die Bildverarbeitung nicht selbst implementiert werden muss, wofür schnellere Rechenleistung nötig wäre, die auf mobilen Robotern immer rar ist.
Für die optische Positionskontrolle haben wir gleich mehrere Ideen entwickelt, um sie ausführlich testen, verbes-sern und kombinieren zu können.
- Abb 4.3: Retroreflektierende Folie
Bildverarbeitung mit dem Ziel, alltägliche Objekte zu erkennen, ist nur mit sehr viel aufwändigerer Gerätschaft möglich. Unsere Verfahren beschränken sich deshalb darauf, simple, farblich gekennzeichnete Orientierungspunkte zu erkennen. Das Problem hierbei ist, dass die Kamera die entsprechenden Farben gelegentlich auch bei anderen Gegenständen erkennt, die keine Orientierungspunkte sind. Um das zu umgehen, verwenden wir als Farbpunkte retroreflektierende Folien. Diese haben die Eigenschaft, auftreffendes Licht genau in die entgegengesetzte Richtung zurückzustrahlen (Abb. 4.3). Wenn nun ein LED-Scheinwerfer, der an der Kamera platziert ist, auf die Folie leuchtet, reflektiert sie nur dieses Licht zur Kamera zurück. Dadurch ist das Verfahren gegen Umgebungslicht weitgehend störsicher. Außerdem kann durch eine zweite Aufnahme ohne Scheinwerfer der Punkt überprüft werden, der nun nicht mehr in gleicher Helligkeit zu sehen sein dürfte. Die Orientierungspunkte sind also einfach durch Aufkleben zu montieren und brauchen keine Stromversorgung, was bei einer Lösung mit LEDs der Fall wäre.
Orientierungspunkte
Ein Orientierungspunkt, mit dem die Position des Roboters ermittelt werden kann, muss aus vier Farbfeldern bestehen, deren Abstand voneinander genau definiert sein muss. Hat der Roboter alle Felder im Bild, so kann über die Messung der Abstände auf die Eigenposition geschlossen werden. Die Felder Rot und Grün werden dabei zuerst ausgewertet, danach Blau und Gelb. Bei beiden Paaren wird der Abstand der beiden Felder zueinander gemessen, und der Durchschnittswert dieser beiden Werte lässt auf die Entfernung vom Roboter zum Orientierungspunkt schließen.
- Abb 4.4: Orientierungspunkte, verschiedene Blickwinkel
Über den Abstand zwischen dem Grünen und dem Gelben Feld wird der (Blick-) Winkel berechnet. Um nun fest-zustellen, ob der Roboter von links oder von rechts auf den Orientierungspunkt schaut, werden nochmals Rot-Grün und Blau-Gelb überprüft. Ist der Abstand von ersterem kleiner, so steht der Roboter rechts, andernfalls links vom Punkt.
Solche Orientierungspunkte können ohne großen Aufwand an beliebigen Wänden aufgeklebt werden. Der Roboter kann dann an dieser Stelle seine Positionsinformation aktualisieren.
Schneisen
Ein anderes Verfahren ermöglicht zwar keine konkrete Positionsbestimmung, ist allerdings wesentlich unempfindlicher. Es arbeitet nach dem Prinzip eines Leuchtturms und kann den Roboter zu einer Position weisen. Dies ist zum Beispiel bei der Homebase sehr sinnvoll, damit der Roboter auch mit sehr ungenauen Positionsdaten wieder zurückfindet.
- Abb 4.5: Schneise mit Bodenlinien
Drei Farbfelder werden so aufgebaut, dass im richtigen Winkel die Farbe Gelb und weiter außen Rot bzw. Grün zu sehen ist. Mit Hilfe der Kamera kann der Roboter so genau auf das gelbe Feld zusteuern und die Homebase erreichen. In Verbindung mit schwarzen Linien auf dem Boden kann der Roboter sogar zentimetergenau in die Homebase einfahren. Die Schneise lenkt den Roboter so lange in die richtige Richtung, bis eine Führungslinie erreicht ist, der der Roboter dann mit Hilfe eines Sensors folgt. Sind an der Homebase zum Beispiel spezielle Kontakte angebracht, kann über diese Steuerung gut gewährleistet werden, dass diese beim Einfahren auch wirklich vom Roboter berührt werden.
- Abb 4.6: Beispiel für umfangreichere Anwendung mit Schneisen, Orientierungspunkten, Bodenlinien und Triangulation
Es sind noch viele weitere Methoden zur Positionskontrolle denkbar. Während die Wegmessung die Grundlage darstellt, ist das System um beliebig viele verschiedene Positionskontrollen erweiterbar. Neben Orientierungs-punkten und Schneisen könnte der Roboter beispielsweise auch auf ein GPS-ähnliches System zugreifen. Da solche Positionskontrollsysteme als Zusatzmodule implementiert sind und der Roboter auf sie bei Bedarf zugreift, ohne von ihnen abhängig zu sein, müssen diese keineswegs die gesamte Fläche des zu befahrenen Bereichs abdecken. Abbildung 4.6 zeigt ein mögliches Beispiel einer Karte, in der zwei Gebäude überbrückt werden müssen. Innerhalb der Gebäude wird größtenteils mit Orientierungspunkten gearbeitet, zwischen den Gebäuden ist ein Triangulationsverfahren vorgesehen. Außerdem sind zwei Schneisen (Homebase im linken Gebäude; Eingang rechtes Gebäude, mit Bodenspur, auf der der Roboter durch die Tür findet) vorhanden.
Karte
In den meisten Fällen ist es sinnvoll, die vorhandenen Positionskontrollverfahren bestimmten Regionen in der Karte zuzuordnen. Besonders auf großen Flächen, auf denen manche Verfahren nicht die ganze Fläche abdecken, wäre es gut, dass der Roboter dies weiß und dort nicht vergeblich nach einem Signal sucht. Wie in Kapitel 2 bereits angesprochen wurde, können neue Objekte hierbei eingesetzt werden.
- Abb 4.7: Kartenobjekt eines Orientierungspunktes
Das Objekt eines Orientierungspunktes speichert 4 Punkte, die ein Feld aufspannen, in dem eine Positionskontrolle möglich ist. Da die Genauigkeit bei zunehmender Entfernung bzw. bei schrägerem Blickwinkel abnimmt, wird so dem Roboter auch mitgeteilt, wo eine Positionskontrolle sinnvoll ist.
Installation
Absolute Positionsmessungen oder Positionskontrollen erfordern eine Eintragung in der Karte. Bei der Positionsbestimmung mit Hilfe der Orientierungspunkte ermittelt die Kamera zuerst nur die relative Position. Um jedoch den absoluten Standort in der Karte zu bestimmen, muss natürlich die Position des Orientierungspunktes bekannt sein, die bei der Installation eingespeichert wird. Um diese Installation für den Benutzer so einfach wie möglich zu gestalten, kamen wir auf die Idee, den Roboter diese Aufgabe selbst lösen zu lassen. Der Benutzer muss dem Roboter nur die grobe Position vorgeben, an der dieser dann den Rest erledigt. Das gesamte Verfahren ähnelt der automatischen Speicherung von Hindernissen. Im folgenden Kapitel soll auf die genauen Abläufe näher eingegangen werden