05/04/2013 - Sie schaffen Technologie für die autonome Navigation von Planetenerkundungsrobotern

Menéame

Universität Costa Rica. Das Labor für Forschung in der Digitalen Verarbeitung von Bildern und Computersichten UCR (IPCV-LAB) hat ein neues mathematisches Verfahren eingeführt, das die Selbstständiger Roboternavigationsprozess auf fernen Planeten.

Osten Algorithmus ermöglicht es, die dreidimensionale Bewegung eines unbemannten Fahrzeugs (Roboter) aus einem einzigen digitalen Videosignal zu extrahieren, wenn es auf einer Planetenoberfläche scannt.

Er wurde von Dr. Geovanni Martínez Castillo, Forscher an der Fakultät für Elektroingenieurwesen der Universität Costa Rica, Nationaler Preis für Clodomiro Picado Twight 2002 und Forschungspreis an der UCR 2010.

Diese Methode wird als Monokulare visuelle Odometrie und ermöglicht es, die dreidimensionale Bewegung eines Roboters zu schätzen, wenn er sich auf einer Planetenoberfläche bewegt, ausgehend von der Analyse einer digitalen Bildfolge der Oberfläche, die von einer an seine Struktur gekoppelten Monokularvideokamera bereitgestellt wird.

Sechsrädrige unbemannte Fahrzeuge mit "Rockerbogie" "Opportunity" und "Curiosity," die derzeit die "National Aeronautics and Space Administration" (NASA) bei der Erforschung der Oberfläche des Mars-Planeten verwenden, bewegen sich unabhängig auf Strecken, die von der Erde einmal täglich verfolgt werden.

Um seinen Kurs auf der Zielbahn zu halten, zeichnet der Roboter die Anzahl der Drehungen seiner Räder auf, dies wird als mechanische oder radförmige Odometrie bezeichnet.

NASA-Probleme

Leider haben NASA-Experten festgestellt, dass die Räder solcher Roboter in der Regel auf losem Sand (der auf der Oberfläche des Planeten Mars sehr verbreitet ist) rutschen, vor allem auf geneigten Flächen, und sogar auf Sandboden sinken, während sie sich drehen, was in einigen Fällen dazu führt, dass sie von der Strecke abgleitet, die ohne das festgelegte Ziel verfolgt wurde.

Um dieses Problem zu lösen, hat die NASA in ihren Robotern einen Algorithmus für stereoskopische visuelle Odometrie eingebaut, der es ermöglicht, die Bewegung zu schätzen, die der Roboter durch die Bewegung auf der marzianischen Oberfläche durch die Analyse der Entsprechungen zwischen charakteristischen Punkten der planetarischen Oberfläche in aufeinander folgenden Paaren von Bildern gefunden hat.

Diese Bilder werden von einer Videostereoskopkamera aufgenommen, die an die Struktur des Roboters gebunden ist. Mit der geschätzten Bewegung wird die zurückgelegte Strecke berechnet und verglichen mit der Strecke, die dem Roboter entnommen wurde, und wenn es einen Unterschied gibt, wird der Kurs des Fahrzeugs korrigiert.

Eine stereoskopische Videokamera ist eine Anordnung von zwei einfarbigen Videokameras, die nebeneinander angeordnet sind, deren relative Position und Ausrichtung bereits früher bekannt ist.

Dieser Algorithmus wurde 1980 vom Österreicher Hans P. Moravec von der Universität Stanford (USA), und seitdem seine Leistung wurde durch zahlreiche wissenschaftliche Beiträge verbessert, bis es schließlich in Echtzeit auf Zwillingsroboter "Spirit" und "Opportunity" und vor kurzem in der "Curiosity" angewendet wurde.

Dr. Martinez bestand darin, einen neuen visuellen Odometrie-Algorithmus zu entwickeln, der die dreidimensionale Bewegung des Roboters schätzen kann, wenn er sich durch die Planetenoberfläche bewegt, ausgehend von der Analyse der Intensitätsunterschiede zwischen aufeinanderfolgenden Bildern einer Folge digitaler Bilder, die von einer einzigen Monokular-Videokamera mit ihrer Struktur aufgenommen werden.

Algorithmen zusammenführen

Die Motivation für diese Forschung war es, der internationalen wissenschaftlichen Gemeinschaft zu zeigen, dass die dreidimensionale Bewegung eines Erdroboters oder Flugroboters für die planetarische Erforschung auch genau und zuverlässig aus einem einzigen Videosignal geschätzt werden kann, das von einer Monokularvideokamera aufgenommen wurde (daher der Name der monokularen visuellen Odometrie).

Dabei werden die Intensitätsunterschiede zwischen aufeinanderfolgenden Bildern als Alternative zur traditionellen Stereoskop-Video-Odometrie bewertet, die die Bewegung aus zwei Videosignalen schätzt, die von einer Anordnung von zwei einfarbigen Videokameras (Stereoskopkamera) aufgenommen wurden, um die Übereinstimmungen zwischen charakteristischen Punkten der planetarischen Oberfläche in aufeinander folgenden Bildpaaren zu bewerten.

Der Forscher schlägt vor, die Ergebnisse dieses Algorithmus mit denen zu verschmelzen, die mit dem NASA-Algorithmus (stereoskopische visuelle Dommetrie) gewonnen wurden, um eine bessere Schätzung der Roboterbewegung zu erhalten, da unter bestimmten Bedingungen oder Oberflächen ein besserer Betrieb möglich ist als der andere.

"Die Idee ist, dass dieser Algorithmus parallel zu dem von der NASA verwendeten Algorithmus verwendet werden kann und dass beide Ergebnisse durch Sensorfusionstechniken kombiniert werden können, um ein präziseres, zuverlässigeres und robusteres visuelles Odometriesystem zu erreichen," erklärte der Forscher.

Dr. Martinez ist der Ansicht, dass ein Algorithmus mit der Fähigkeit, die dreidimensionale Bewegung eines Roboters mit einer einzigen Videokamera zu schätzen, eine sehr wichtige Rolle bei künftigen Weltraummissionen spielen könnte, bei denen sehr kleine Roboter eingesetzt werden.

Sie nannten beispielsweise Robotik-fliegende Insekten ("entomopters"), die eine große Manövrierfähigkeit bei langsamem Flug unter niedrigen atmosphärischen Bedingungen wie Marciana bieten, aber nur sehr wenig Ladekapazität bieten und viele Raum- und Energieversorgungsbeschränkungen haben.

Dr. Martinez, die geringere Gewicht, Größe und Energieverbrauch, die diese neue Technologie bietet, könnte auch zu niedrigeren Kosten pro Mission führen.

Derzeit liegen die Kosten für ein Kilo Material um die Erde herum zwischen $10.000 und $50.000. Eine Mission wie die der "Kuriosity" kostet insgesamt rund 2,5 Billionen Dollar.

Die monokulare visuelle Odometrie hat mehrere Anwendungen. Der Forscher erinnerte sich, dass die ursprünglich entwickelte Stereo-Visual-Odometrie für die Weltraumforschung derzeit in den meisten autonomen Robotern der Welt verwendet wird.

Bekannte Untersuchung

Dr. Martinez wurde von der internationalen wissenschaftlichen Gemeinschaft sehr begrüßt. Auch im Januar letzten Jahres wurde er eingeladen, am IEEE Workshop on Robot Vision in Tampa, Florida, USA teilzunehmen. Diese Tätigkeit wurde vom "ComputerSociety" des "Insitute of Electrical and Electronics Engineers" (IEEE) organisiert.

Der Vortrag wurde für die mündliche Einreichung ausgewählt (nur 22

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