Generic methods for ultrasonic scene analysis based on sensor motion

Abstract

Die Verwendung von Ultraschall als physikalisches Messprinzip findet in vielen industriellen, medizinischen aber auch kommerziellen Applikationen eine breite Anwendung. In vielen Anwendungen ist die Messung von Laufzeit (engl. Time of Flight - ToF) das zugrundeliegende Messprinzip. Hierbei wird jene Zeit bestimmt, welche ein Ultraschallsignal benötigt, um eine bestimmte Strecke zu durchlaufen. Die Verwendung von Ultraschall ist vorteilhaft, da mit relativ geringem Aufwand eine hochauflösende Laufzeitmessung erfolgen kann. Weitere Vorteile von Ultraschall sind die geringen Kosten, Verwendbarkeit bei Nebel oder im Dunkeln, als auch die hohe Robustheit der Schallwandler. Dem gegenüber stehen genauigkeitsreduzierende Einflüsse wie Feuchtigkeit, Temperatur, sowie unterschiedliche Ausbreitungsmedien. Die hier vorgestellte Arbeit befasst sich mit der Anwendung von Ultraschall in Luft zur Realisierung eines kompakten 3D-Sensors. In einer Einzelmessung bestimmt der hier vorgestellte Sensor die Position einer oder mehrerer Reflexionspunkte im Raum. Die Reflexion erfolgt hierbei typischerweise spiegelnd, da die Oberflächenrauigkeit von technischen Oberflächen, im Vergleich zur Wellenlänge von ~7mm (50kHz), gering ist. Aufgrund der daraus stark reduzierten Information ist die relative Bewegung von Messobjekt zum Sensor unerlässlich um ausreichend Messdaten zu erhalten. Ob diese relative Bewegung durch Bewegung des Sensors oder Bewegung des Messobjektes durchgeführt wird, ist hierbei von der jeweiligen Applikation abhängig. Für eine universelle Anwendbarkeit eines kompakten 3D-Sensors ergeben sich folgende Anforderungen an seine Eigenschaften: Messdaten sollen möglichst unabhängig vom Objekttyp sein, um eine vereinfachte und universelle Anwendbarkeit in den Verarbeitungsalgorithmen zu ermöglichen. Im Rahmen einer Einzelmessung soll eine maximal mögliche Anzahl an Informationen ermittelt werden, um umfassende Hinweise auf vorhandene Objekte zu erhalten. Die Anzahl an Ausreißern als auch die Messunsicherheit soll soweit als möglich reduziert werden. Diese Eigenschaften werden von dem vorgestellten Sensor, bestehend aus einem emittierenden und mehreren empfangenden Schallwandlern, weitgehend erfüllt. Die divergente Schallausbreitung von der Quelle und die Auswertung aller Echos, in Kombination mit entsprechender Signalverarbeitung zur Echoseparation und Zuordnung, maximiert die Anzahl an gewonnener Information. Durch eine entsprechende geometrische Konstruktion und angepasste Methoden werden Messfehler an Objektunstetigkeitsstellen, d.h. Objektübergängen, effizient vermieden. Die Kompaktheit des Sensors erlaubt eine nahezu objektunabhängige Messung von Reflexionspunkten. Die Vorteile des in dieser Arbeit dargestellten universellen Sensors werden in mehreren, praxisnahen Applikationen demonstriert. Eine Szenenanalyse klassifiziert und lokalisiert mit Hilfe des kompakten 3D Sensors verschiedene Objekte im Raum, wobei hier üblicherweise geometrische Grundobjekte wie Ebene, Zylinder, etc. verwendet werden. Voraussetzung ist hierbei, dass die Position und auch Orientierung des Sensors in einem globalen Koordinatensystem bekannt ist. Die zweite vorgestellte Applikation umfasst bewegte Objekte, wie sie z.B. auf einem Förderband auftreten. Mittels einer Gruppe von kompakten 3D-Sensoren werden Parameter dieser Objekte, wie z.B. Lage, Länge und Größe bestimmt. Damit Messdaten einer Gruppe von Sensoren gemeinsam verarbeitet werden können, wird ein gemeinsames Koordinatensystem benötigt. Für die Applikation Szenenanalyse wird ein entsprechendes Verfahren zur automatischen Selbstkalibration eines Ultraschall Ortungssystems vorgestellt, welches zur Ortung des Sensors verwendet werden kann. Hierbei wird im speziellen die zu erreichende Unsicherheit analysiert und minimiert, da diese direkt Einfluss auf die Qualität der Szenenanalyse hat. Für die Kalibration einer Gruppe von Sensoren wird eine Methode vorgestellt, die unter Verwendung eines passiven oder aktiven Kalibrationsmittels ein gemeinsames, lokales Koordinatensystem erzeugen kann. Die vorliegende Arbeit soll den Sensor detailliert beschreiben und die Möglichkeit der universellen Anwendbarkeit des kompakten 3D-Senors auf Basis von Ultraschall zur Lösung einer Vielzahl an technischen Problemen aufzeigen.

Usage of ultrasound as physical measurement principle is common in industrial, medical and commercial applications. A large subclass of these applications employs Time-of-Flight meas-urements (ToF) as primary source of information. ToF measures the time an ultrasonic signal requires to travel across a given distance. Usage of ultrasound for ToF measurement is benefi-cial as high resolution ToF measurements are possible with relatively inexpensive equipment. Additional benefits of ultrasound are low cost, independence of illumination and the high ro-bustness of ultrasonic transducers. Possible drawbacks are a reduction of accuracy due to hu-midity, temperature and changing sound propagation media - all affecting the speed of sound. This work describes a compact 3D ultrasonic sensor using ultrasound in air. Within a single measurement the sensor obtains the position of multiple reflection points in space. Reflection for ultrasound in air is usually specular, as surface roughness is small compared to the acoustic wavelength of ~7mm (50 kHz). Due to specular reflection the amount of information is limited and relative movement between the sensor and the environment is necessary to obtain sufficient information. For this relative movement it does not matter if the movement is due to the sensor or the object. Which one is employed is most likely defined by the application context. For universal applicability of a compact 3D ultrasonic sensor the following requirements can be stated: Measurements shall be independent of the type of reflecting object to allow simplified and universal applicability of data in successive algorithms. Within a single measurement a maximal possible amount of information shall be obtained to get comprehensive information about objects. Furthermore, the number of outliers and uncertainty shall be reduced. These properties are largely fulfilled by the proposed sensor, consisting of a sound emitting device and multiple microphones. Divergent sound propagation from the source and evaluation of all returned echoes, using suitable signal processing algorithms for echo separation and the echo correspondence problem, maximizes the amount of information. Using a specific geometric construction and methods the sensor can recognize measurement errors typically occurring on object discontinuities. Compactness of the sensor results in object independence already at close proximity to the objects. The benefits of the proposed universal sensor are shown in multiple practical applications. Scene analysis is the task of classifying and localizing objects in space. Typically simplified geometric primitives like planes, cylinders, etc. are used. A prerequisite for scene analysis is that the position and orientation of the sensor is known in a global system of coordinates. The second application covers moving objects, similar to objects on a moving conveyor belt. Using a group of compact 3D sensors, parameters of a moving object like length, width and height are determined. Combining measurements from multiple sensors in a group requires a local, com-mon system of coordinates. For this task an automatic method for self-calibration of a group of sensors is presented, requiring only a small passive or active calibration device. Scene analysis also requires an initial calibration where a method for automatic calibration of an indoor local-ization system is proposed. Special attention is drawn to the aspect of measurement uncertainty as any uncertainty in the localization system directly affects the quality of scene analysis. This works demonstrates the universal applicability of the proposed compact 3D sensor system for solving common technical problems encountered in industrial and robotic applications.