Development of an autonomously operating stop-and-go multi-sensor system and pose estimation evaluation based on 3D laser scans

Abstract

In den letzten Jahren wurden viele verschiedene Multisensorsysteme (MSS) entwickelt und ihr Anwendungsbereich wird ständig erweitert. Sie sind speziell mit den erforderlichen Geräten ausgestattet, die während des Messvorgangs autonom arbeiten. Auf diese Weise können die Stärken der Sensoren genutzt werden, während ihre Schwächen kompensiert werden. Diese Fokussierung auf Modularität und Autonomie der Sensoren ermöglicht es, ambitionierte Ziele zu erreichen. Das vorgestellte System erfasst räumlich einen Innen- oder Außenbereich im Stop-and-Go-Verfahren ohne menschliche Interaktion. Die dazu verwendeten Sensoren sind an einer gemeinsamen mobilen Roboterplattform angebracht, in diesem Fall der Clearpath Husky A200. Die Integration eines terrestrischen Laserscanners (TLS) in das MSS ist ein wichtiger Aspekt für geodätische Zwecke. Für den Informationsaustausch zwischen dem TLS und der Roboterplattform wird das Open Source Framework Robot Operating System (ROS) verwendet. Die Realisierung der autonomen Navigation, sowie die technische Umsetzung, um die automatische Interaktion zwischen TLS und Roboterplattform zu ermöglichen, werden in dieser Arbeit beschrieben. Dazu gehören z.B. Treiber zur Anbindung der Finite State Machine über ROS. Als Ergebnis ist das MSS in der Lage, autonom entlang einer vordefinierten Route zu navigieren, die durch eine Liste von Wegpunkten gekennzeichnet ist. An bestimmten Punkten der Liste hält das System an und führt 360°-Scans mit dem TLS durch, die umfangreiche 3D-Informationen der Umgebung in Form von Punktwolken liefern. Für die Bestimmung der Position des Roboters werden bekannte methodische Ansätze verwendet. Dabei handelt es sich um eine GNSS/IMU-Integration für Messungen im Freien und einen adaptiven Monte-Carlo-Lokalisierungsalgorithmus für Messungen in Innenräumen. Das im System eingesetzte TLS, ein RIEGLVZ-400i, liefert nicht nur hochauflösende Punktwolken der Umgebung, sondern durch einen automatischen Voxel-Registrierungsalgorithmus auch die relativen Posen der Scanpositionen. Im letzten Teil der Arbeit wird die Untersuchung der Präzision dieser relativen Posen zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Registrierung diskutiert. Zu diesem Zweck werden übliche schwarz-weiße Ziele im Untersuchungsgebiet platziert. Diese werden verwendet, um die relativen Posen der Abtastorte durch eine Sechs-Parameter-Transformation zu schätzen. Etablierte Verfahren wie ICP und Bündelausgleichung werden anschließend eingesetzt, um die approximierten Relativposen zu verbessern. Es werden verschiedene Messszenarien mit unterschiedlichen Konfigurationen des TLS untersucht. Die Ergebnisse zeigen vor allem im mm-Bereich geringe Differenzen zwischen den vom TLS gelieferten und den anhand der Zielmarken geschätzten Relativlagen. Dies kann als Bestätigung für eine stabile und zuverlässige Leistung der automatischen Registrierung angesehen werden. Die vom TLS gelieferten relativen Posen können in den Messprozess einbezogen werden, um die Navigationslösung weiter zu stabilisieren und zu unterstützen. Dies wird Inhalt zukünftiger Forschungsarbeiten sein.

Many different multi-sensor systems (MSS) have been developed in recent years and their field of application is constantly expanding. They are designed specifically with the necessary devices, which autonomously operate during the measurement process. This way, the strengths of the sensors can be exploited, while their weaknasses are compensated for. This focus on modularity and autonomy of the sensors makes it possible to achieve ambitious goals. The presented system spatially surveys an indoor or outdoor area in a stop-and-go process without human interaction. The sensors used for this purpose are attached to a common mobile robot platform, in this case to the Clearpath Husky A200. The integration of a terrestrial laser scanner (TLS) into the MSS is an important aspect for geodetic purposes. For the exchange of information between the TLS and the robot platform, the open source framework Robot Operating System (ROS) is used. The realisation of the autonomous navigation, as well as the technical realisation to enable the automatic interaction between TLS and the robot platform are described in this thesis. This includes e.g. drivers to interface the finite state machine via ROS. As a result, the MSS is able to navigate autonomously along a predefined route, characterized by a list of waypoints. The system stops at certain points of the list and performs 360° scans using the TLS, yielding considerable 3D information of the environment as point clouds. Well-known methodologicalapproaches are applied for the determination of the robot's pose. These refer toa GNSS/IMU integration for outdoor and an adaptive Monte Carlo localizationalgorithm for indoor measurements. The TLS applied in the system, a RIEGLVZ-400i, provides not only high-resolution point clouds of the surrounding area,but also the relative poses of the scan locations due to an automatic voxel registration algorithm. In the last part of the paper, the investigation of the precision of these relative poses to assess the performance of the registration is discussed. For this reason, common black-and-white targets are placed in the area of investigation. These are used to estimate the relative poses of the scanning locations by six-parameter transformation. Established methods like ICP and bundle adjustment are subsequently employed to improve the approximated relative poses. Various measurement scenarios with di erent con gurations of the TLS are inspected. The results show small di erences primarily in the mm-domain between the relative poses provided by the TLS and those estimated based on the targets. This can be regarded as a confirmation for a stable and reliable performance of the automatic registration. The relative poses provided by the TLS can be incorporated into the measurement process in order to further stabilize and support the navigation solution. This will be content of future research work.