Bau eines preiswerten Tiefenbildsensors für die mobile Robotik

Abstract

Der Mensch hat seine Sinne um die Umwelt wahr zu nehmen. In der Technik treten Sensoren an Stelle der Sinnesorgane. Zur Erkennung und Unterscheidung verschiedener Objekte und um sich zu Orientieren, verwendet der Mensch vorwiegend seinen Sehsinn. Autonome Roboter benötigen ähnliche Fähigkeiten zur Orientierung und zur berührungslosen Erkennung von Objekten. Eine Möglichkeit dafür stellen optische Tiefenbildsensoren dar, mit deren Hilfe es möglich ist, dreidimensionale Bilder der Umgebung aufzunehmen.<br />Auch wenn am Markt schon viele verschiedene Tiefenbildsensoren existieren, wird hier ein weiterer Sensor präsentiert. Der Sensor eignet sich für mobile Roboter im Homecare-Bereich wo er zu Erkennung unterschiedlicher Objekte in der unmittelbaren Umgebung dient, womit es möglich wird, diese Objekte durch einen Roboterarm zu greifen.<br />Der hier beschriebene Sensor verwendet das Lichtschnittverfahren zur Erzeugung von Tiefenbildern und liefert dabei auch noch farbige Texturen, mit denen sich die 3D-Daten ergänzt werden können. Zusätzlich ermöglicht der verwendete Aufbau auch noch den Einsatz des Sensors als Stereokamera. Der Sensor selbst liefert lediglich Kamerabilder und Positionsinformationen. Die Verarbeitung dieser Daten zu dreidimensionalen Tiefenbildern erfolgt an einem PC oder Notebook.<br />Mit einem Preis von rund EUR 500 ist der Sensor preiswerter als vergleichbare Systeme. Für geringe Hardwareanforderung an den Computer wird ausschließlich die FireWire-Schnittstelle verwendet, worüber nicht nur die Ansteuerung erfolgt, sondern gleichzeitig auch Datenübertragung und Energieversorgung. Für den Einsatz an mobilen Robotern weist der Sensor neben einem geringen Energiebedarf auch noch ein geringes Gewicht und eine geringe Größe auf.<br />Das zur 3D-Datengewinnung eingesetzte Lichtschnittverfahren arbeitet nach der Methode der Linienprojektion mit Hilfe eines Linienlasers. Die zur Aufnahme mehrerer Lichtschnitte erforderliche Schwenkbewegung wird im Sensor selbst erzeugt. Mit Hilfe einer Schwenkeinheit kann der Sensor, angetrieben durch einen RC-Servomotor, eine 90° Drehbewegung ausführen.<br />Zur Verringerung des Einflusses von Kamera- beziehungsweise Laserschatten werden zwei Kameras verwendet. Dieser Aufbau macht schließlich auch den Einsatz als Stereokamera möglich.<br />Abschließend wurden die Eigenschaften des Sensors getestet und Erweiterungen und Verbesserungsvorschläge für eine weitere Version erarbeitet.<br />

Humans use different senses to perceive the world. To recognize various objects, to differentiate them among each other and to orientate themselves, humans usually use their eyes. In technical applications, these senses and especially the eyes are replaced by sensors. Autonomous robots require similar skills as humans to orientate themselves and also for contactless identification of objects. One possibility to reach this, is to use optical range sensors which can capture the three-dimensional structure of the world from the sensors viewpoint.<br />Even though there are already different types of optical range sensors available, another new sensor is shown here. The sensor is designed for use with mobile robots in homecare environments. Using this sensor, the robot will be able to recognize objects in the immediate vicinity, so that the robot can grasp the objects.<br />The sensor described here is a laser range sensor with an additional capability to capture coloured textures to expand the three-dimensional data. Furthermore, the chosen construction permits also the use of the sensor as stereoscopic camera. The sensor itself provides only the camera images and position informations. The calculation of the three-dimensional images is done by a PC or a notebook.<br />With total costs of about EUR 500 the sensor is cheaper than comparable systems. For low hardware requirements for the computer the firewire interface is used exclusively. One firewire port manages control, data transfer and power supply. For use on mobile robots the sensor is also low in weight, size and power consumption.<br />To capture three-dimensional data, the laser range sensor works with the method of projecting light stripes with a laser line. For grabbing different light stripes, which is needed to get a complete three-dimensional image, the sensor can be rotated. By the use of a pan unit, containing a RC servo, the sensor can be turned in a range of 90°.<br />To reduce the influence of shadow from camera or laser, two cameras are used. Due to this configuration, the useage as stereoscopic camera is possible.<br />Finally, the properties of the sensor have been tested and extensions and suggestions for a more elaborated version have been made.