3D-Laserscanner-Abstandsmessung Roboter mit menschenähnlichem Auge

Eine 3D-Kamera ermöglicht Robotern künftig eine bessere Sicht und präziseres Agieren
Eine 3D-Kamera ermöglicht Robotern künftig eine bessere Sicht und präziseres Agieren

Im Rahmen des EU-Projektes »TACO« arbeiten Forscher daran, Funktionen des menschlichen Auges zu imitieren, um Robotern künftig eine menschenähnlichere Wahrnehmung der Welt zu ermöglichen. Dazu setzen sie auf eine neuartige 3D-Kamera mit integriertem Laserscanner und auf das Prinzip des fovealen Sehens.

Das foveale Sehen ist ein Erfolgsrezept der Natur: Das menschliche Auge hat nämlich die Fähigkeit, das Sichtfeld auf wenige Elemente in unserer Umgebung fokussieren zu können. Das kann beispielsweise ein Ball sein, der die Straße entlang rollt, während wir mit dem Auto fahren, oder der Becher Kaffee, den wir im Begriff sind, mit unseren Händen zu fassen. In beiden Fällen bewegt sich unser Auge, um in bestmöglicher Qualität einen visuellen Eindruck von diesem interessanten Objekt zu bekommen.

Ziel des TACO-Projektes ist es nun, das menschliche Auge in dieser Hinsicht zu imitieren. Dabei soll eine maximale Sehschärfe in einem begrenzten Sichtfeld erzielt werden, um dieses Element in deutlich besserer Qualität als die weniger interessanten umliegenden Bereiche darzustellen.

Um dies zu erreichen, haben die Forscher eine neuartige 3D-Scanner-Kamera entwickelt, die hauptsächlich mit Hilfe zweier Technologien ermöglicht wurde: einer flexiblen, günstigen und robusten Hardware basierend auf der Laser-Scanning-Technologie (3D-Scanner) und einer Software zur ultra-schnellen Objekterfassung und zur Steigerung der Umweltwahrnehmung des Roboters.

Vorteile der 3D-Laserscanner-Technologie

Bei der Entwicklung der Hardware wurden zum ersten Mal MEMS-Scannerspiegel mit gepulster Laser-Scanner-Abstandmessung kombiniert. Laserscanner haben bei der 3D-Datenaufnahme entscheidende Vorteile: Sie arbeiten unabhängig von einer externen Lichtquelle und liefern präzisere Tiefeninformationen als alternative Systeme vergleichbarer Größe. So nimmt die Genauigkeit der Tiefeninformation bei einem Stereokamerasystem mit steigender Entfernung deutlich schneller ab als bei einem Lasermesssystem. Zudem erweisen sich 3D-Laserscanner als sehr robust gegenüber Störungen wie etwa Sonneneinstrahlung oder schnellen Intensitätsvariationen bei künstlicher Beleuchtung.

Das 3D-Bild eines Laserscanners entsteht auf Basis vieler einzelner Entfernungsmessungen. Wie dicht die Messpunkte nebeneinander liegen, also wie detailreich das resultierende Bild ist, kann dabei fast frei gewählt werden.

In der Praxis musste bisher zwischen hoher Auflösung oder kurzen Aufnahmezeiten abgewogen werden. Mit der fovealen Kamera kann man nun sehr schnell zwischen hoher Auflösung und kurzen Aufnahmezeiten umschalten werden. Diese Eigenschaft ist insbesondere für Anwendungen im Bereich des maschinellen Sehens und der Robotik interessant.

Herzstück der TACO-Kamera sind die vom Fraunhofer IPMS neu entwickelten MEMS-Scannerspiegel. Die notwendige Treiberelektronik wurde am Forschungszentrum CTR entwickelt und kann bis zu sechs individuelle MEMS-Elemente synchronisiert betreiben und das Umfeld bis zu 25 Mal pro Sekunde abscannen. Dies ermöglicht, durch Kombination mit einer prismatischen Optik zur Elimination von Streulicht und zur Kombination des zurückgestreuten Lichts auf einen zentralen Detektor, eine effektive Empfangsapertur von 5 mm.

Hinter den Kulissen arbeitet ein Entfernungsmessmodul zur Abstandsmessung von Fraunhofer IPM. Dieses ermöglicht eine schnelle Bildaufnahme bei gleichzeitig hoher Präzision in einem weiten Messbereich. Verwendet wird dabei ein Faserlaser mit 500 ps Pulsen und einer Wellenlänge von 1550 nm.

Gleichzeitig hat SINTEF für die TACO-Kamera die Software entwickelt um das Konzept des fovealen Sehens zu realisieren. Dabei werden automatisch jene Objekte mit höherer Auflösung gescannt, die im Interessensfokus stehen. Der Algorithmus ermittelt in Echtzeit das optimale Scann-Muster für die Kamera-Hardware. Die Funktionalität der Foveation ermöglicht ein Erhöhen der Bildfrequenz von bis zu einem Faktor acht im Vergleich zu traditionellen Scanmustern. Die Kamera wurde erfolgreich von bei den Robotics-Partnern (Technische Universität Wien, Oxford Technologies und Shadow Robots) in Feldversuchen getestet.

Das Ergebnis

Die entwickelte 3D-Kamera kann Daten mit weitaus höherer Qualität produzieren, ohne dabei den Gesamt-Datenumfang, den der Roboter verarbeiten muss, zu erhöhen. Sie ist sogar in der Lage, Informationen über etwas zu liefern, wozu das menschliche Auge nicht im Stande ist – akkurate Informationen über die Entfernung zu jedem Punkt im Visualisierungsbereich. Diese Funktion hilft dem Roboter, sich in unserer unstrukturierten Welt zurechtzufinden. Ein Roboter wird viel besser in der Lage sein, eine Tasse zu greifen, von der er weiß, dass sie 52 cm entfernt steht, als eine Tasse, von der er nur die Information hat, dass sie sich eher rechts im Visualisierungsbereich befindet.

Die Ergebnisse aus dem TACO-Projekt werden aktuellen und zukünftigen Robotergenerationen einen wesentlich besseren Überblick und ein gesteigertes Verständnis für ihre Umgebung ermöglichen. Dadurch eröffnen sich viele innovative Anwendungsoptionen für Roboter.