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Aufbau eines 3D-Laserscanners für autonome mobile Roboter

 
: Surmann, H.; Lingemann, K.; Nüchter, A.; Hertzberg, J.

:
urn:nbn:de:0011-b-731741 (6.0 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: 3f6572d1c49810777f5698fce2d48f32
Erstellt am: 31.07.2002


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Sankt Augustin: GMD Forschungszentrum Informationstechnik, 2001, 107 S.
GMD Report, 126
ISBN: 3-88457-974-6
 
Deutsch
Bericht, Elektronische Publikation
Fraunhofer AIS ( IAIS) ()
3D-Laserscanner; autonome mobile Roboter; Sensorfusion; Linienerkennung; Objekterkennung; Objektsegmentierung; 3D laser range finder; autonomous mobile robot; sensor fusion; line detection; object detection; object segmentation

Abstract
Diese Ausarbeitung stellt das Konzept und die Realisierung eines 3D-Laserscanners vor. Ziel der Realisierung war es, das Dreieck aus Kosten, Geschwindigkeit und Qualität so zu optimieren, daß der 3D-Scanner auf autonomen mobilen Robotern sinnvoll zur Exploration und Navigation eingesetzt werden kann. Ein auf autonomen mobile Fahrzeugen häufig verwendeter 2D-Laserscanner wurde dazu mittels einer selbst konstruierten Aufhängung und eines Servomotors aufgerüstet. Mittels des auf einem Standardrechner laufenden Echtzeitbetriebssystem RT-Linux steuert der Servomotor den 3D Laserscanner direkt an. Unterschiedliche Online-Algorithmen zur Linienerkennung und Flächendetektion bilden die Software-Basis des 3D Scanners. Offline-Algorithmen zur Objektsegmentierung und Erkennung sowie ein 3D-Visualisierungsprogramm runden das Softwarepaket ab.

 

This report presents the concept and implementation of a 3D laser range finder. The objective of the implementation was to optimize the triangle between costs, speed and quality in such a way that the 3D laser range finder can be used for the exploration and navigation for autonomous mobile robots. A 2D laser range finder usually used by autonomous mobile robots was extended by a self designed suspension and a servo motor. The servo of the new 3D laser range finder is controlled from a computer running the real-time operating system RT-Linux. Different online algorithms for line and surface detection are the software base of the new 3d laser range finder. Offline algorithms for the object segmenting and recognition as well as a 3D viewer and a graphical user interface are extending the software package.

[]
Inhaltsverzeichnis S.vii-xii
1 Einleitung S.13-16
2 3D-Laserscanner S.17-26
- 2.1 Stand der Technik S.17-20
- 2.1.1 3D-Scanner zum Scannen kleiner Objekte von Conrad S.18
- 2.1.3 Cyberwave 3D Scanner S.18
- 2.1.4 Autoscan S.18
- 2.1.5 Zeitmessungsbasierte 3D-Laserscanner S.19
- 2.1.6 3D Objekterfassung auf Silizium S.19
- 2.1.7 Callidus S.19
- 2.1.8 3D Scannen durch Roboterbewegung S.19-20
- 2.2 Aufbau des realisierten 3D-Scanners S.20-26
- 2.2.1 Drehvorrichtung S.20-22
- 2.2.2 Sicherheits-Laserscanner LSS 300 S.22-23
- 2.2.3 Kamera S.24
- 2.2.4 Technische Daten des entwickelten 3D-Scanners S.24-26
3 Echtzeitsteuerung und Online-Algorithmen S.27-46
- 3.1 Real-Time Linux S.27-33
- 3.1.1 Installation von Real-Time Linux S.28-29
- 3.1.2 API - die Grundfunktionen S.29-31
- 3.1.3 Servos ansteuern mit Real-Time Linux S.31-33
- 3.2 Meßdatenverarbeitung S.33-46
- 3.2.1 Linienerkenner S.34-39
- 3.2.2 Meßwertumrechnung S.39-42
- 3.2.3 Berechnung der Texturen S.42-43
- 3.2.4 Flächen-Segmentierung S.44-46
4 Offline-Algorithmen zur Objektsegmentierung S.47-54
- 4.1 Projektion der Daten S.47-52
- 4.1.1 Modifizierung der Daten S.47-50
- 4.1.2 Vektorisierung S.50-51
- 4.1.3 Evaluation S.51-52
- 4.2 Objekt-Segmentierung S.52-54
- 4.2.1 Algorithmus S.53-54
5 Programminterna S.55-68
- 5.1 Ablauf-Skizze S.55-60
- 5.2 Klassenhierarchie S.61
- 5.3 Benutzer-Interface S.62-68
- 5.3.1 Hauptfenster S.62-63
- 5.3.2 Parameter S.63-65
- 5.3.3 Menüstruktur S.65-66
- 5.3.4 Implementationsdetails S.66-68
6 3D-Visualisierung S.69-88
- 6.1 Erste Visualisierung der Testdaten S.70
- 6.2 Die Datenstrukturen innerhalb des OpenGL-Programmes S.71
- 6.3 Benutzerinteraktion S.71
- 6.3.1 Main Eventloop S.71
- 6.4 Übersicht der Funktionalität S.71-74
- 6.4.1 Punktedarstellung S.72-73
- 6.4.2 Linien-, Flächen- und Objektdarstellung S.73
- 6.4.3 Drahtgittermodell S.73
- 6.4.4 Segmentierung im Drahtgittermodell S.74
- 6.5 Datenimport S.75-77
- 6.5.1 Online-Anzeige S.75
- 6.5.2 Texturen in OpenGL S.75-76
- 6.5.3 Aufbau der Datenaustausch-Dateien S.76-77
- 6.6 Screenshots des 3D-Outputs S.78-88
7 Zusammenfassung und Ausblick S.89-107
- A Laserscanner S.91-97
- A.1 Elektrische Schnittstelle S.91
- A.2 Übertragungs- und Datenformat S.91-93
- A.3 Expansionsalgorithmus S.93
- A.4 Beschreibung der Telegramme S.93-97
- B Universal Serial Bus S.97-101
- C Die OpenGL-Implementation S.101-107
- C.1 Literatur S.101
- C.2 Zusätzliche Bibliotheken S.101-102
- C.3 Funktionen S.102-103
- C.3.1 Transformation und Rotation S.102
- C.3.2 Die Funktion DrawQuads S.102-103
- C.4 Dateiformate S.103-107
- C.4.2 Die Datei Data.ogl S.103-107