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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Lokalisierung eines Objekts
aus einer Vielzahl von mit einer Messeinrichtung gemessenen Messpunkten
einer Messpunktmenge sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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In
einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten ist es wünschenswert,
basierend auf mit einer Messeinrichtung erfassten räumlichen
Messpunkten die Position und Orientierung eines Objekts zur ermitteln.
Beispielsweise kann bei der Positionierung von Lasten auf einer
Lastaufnahmeeinrichtung die Struktur der Lastaufnahmeeinrichtung
mit einer entsprechenden Messeinrichtung, wie z. B. einem Laserscanner,
erfasst werden und basierend darauf die Ausrichtung der Lastaufnahmeeinrichtung
errechnet werden, so dass die Last über eine entsprechende Steuerung
korrekt auf die Lastaufnahmevorrichtung aufgesetzt wird.
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Ein
weiterer Anwendungsfall ist die mobile Navigation eines Roboters.
Dabei ist es erforderlich, dass der Roboter basierend auf von ihm
erfassten Messpunkten seine Position im Raum geeignet berechnet.
Hierzu muss der Roboter Objekte in der Form von Strukturen seiner
Umgebung aus den erfassten Messdaten identifizieren und lokalisieren.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Bestimmung
von Strukturen eines Objekts aus einer dreidimensionalen Messpunktmenge
bekannt. Eine Gruppe solcher Verfahren beruht auf der Segmentierung
einer dreidimensionalen Messpunktwolke in bestimmte geometrische
Grundformen. Solche Verfahren sind allerdings nur dann anwendbar,
wenn das durch die dreidimensionale Punktwolke erfasste Objekt überwiegend
aus einfachen geometrischen Strukturen besteht.
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Bei
Messpunktmengen, welche irreguläre Objekte
beschreiben, sind rechnergestützte
Verfahren bekannt, welche ein dreidimensionales Modell des Objekts
so lange verschieben und rotieren, bis die Abweichung zwischen der
Messpunktmenge und dem Modell im Gesamtfehler minimal ist. Ein Beispiel für solche
Verfahren ist der sog. ICP-Algorithmus (ICP = Iterative Closest
Point), der allerdings einen hohen Rechenaufwand und eine sehr gute
initiale Schätzung
von Position und Orientierung des dreidimensionalen Modells zur
genauen Lagebestimmung erfordert.
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Zur
groben Bestimmung der Position und Orientierung eines Objekts sind
ferner statistische Verfahren bekannt, wie beispielsweise die PCA-Analyse
(PCA = Principal Components Analysis). Der Rechenaufwand für diese
Verfahren ist zwar vertretbar, jedoch ist die Schätzung der
Position und Orientierung des betrachteten Objekts oftmals ungenau und
hängt von
der Verteilung der Messpunkte auf dem Objekt ab.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine entsprechende
Vorrichtung zur rechnergestützten
Lokalisierung eines Objekts aus einer Vielzahl von mit einer Messeinrichtung
gemessenen Messpunkten zu schaffen, welche mit geringem Rechenaufwand
und hoher Genauigkeit die Lage des Objekts ermitteln.
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Diese
Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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In
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird basierend auf einem Modell des Objekts, welches Teilstrukturen
des Objekts beschreibt, in einer Mehrzahl von Extraktionsschritten
jeweils eine Teilstruktur aus der mit dem Verfahren zu verarbeitenden
Messpunktmenge ermittelt, indem die Teilstruktur aus den Messpunkten
extrahiert und lokalisiert wird. Unter Lokalisa tion wird hierbei
die Ermittlung der Lage (d. h. insbesondere der Position und Orientierung)
der Teilstruktur in Bezug auf ein Referenzkoordinatensystem verstanden.
Der Begriff „Teilstruktur" ist dabei weit auszulegen
und kann insbesondere auch die Gesamtstruktur des Objekts umfassen.
Unter Modell des Objekts ist eine geometrische Beschreibung der Objektstruktur
zu verstehen, wobei diese Objektstruktur in der Messpunktmenge enthalten
ist und daraus extrahiert werden soll. In diesem Modell sind die
zu extrahierenden Teilstrukturen geometrisch beschrieben.
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Die
Extraktionsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens hängen hierbei
derart miteinander zusammen, dass die in einem Extraktionsschritt
ermittelte Teilstruktur aus der im vorhergehenden Extraktionsschritt
ermittelten Teilstruktur extrahiert und lokalisiert wird. Mit Hilfe
zumindest eines Teils der ermittelten Teilstrukturen kann dann die
Lage des Objekts und/oder eines oder mehrerer Teile des Objekts bestimmt
werden, denn die Position der Teilstrukturen im Objekt ist in dem
Modell des Objekts als Information enthalten.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
beruht auf der Erkenntnis, dass Gegenstände, insbesondere aus technischen
Anwendungsgebieten, oft räumlich begrenzte
Teilstrukturen umfassen, deren Lage im Raum sich durch eine Translation
und Rotation sehr gut und genau bestimmen lassen kann. Diese Erkenntnis
wird zur Lagebestimmung eines Objekts derart genutzt, dass das Modell
des Objekts basierend auf einer Menge von feiner und kleiner werdenden
Teilstrukturen beschrieben wird. Die erste solche Teilstruktur kann
dabei beispielsweise das gesamte Objekt sein, vorausgesetzt dass
es zutreffend aus der Messpunktmenge insgesamt ausgewählt ist.
Mit einem geeigneten Extraktionsverfahren kann erfindungsgemäß in einem
ersten Extraktionsschritt die Position und Orientierung des Objekts
im Raum grob geschätzt
werden, beispielsweise durch die bereits erwähnte PCA-Analyse. Die initiale
Schätzung
erlaubt es nun, in einem nachfolgenden Extraktionsschritt weitere,
kleinere Teilstrukturen auszuwählen und
zu extrahieren, denen man mit entsprechender Sicherheit wiederum
eine Messpunktmenge zuweisen kann. Basierend hierauf kann dann die
Lage und Orientierung der Teilstruktur bestimmt werden, wobei die
Genauigkeit der Lagebestimmung der Teilstruktur von Extraktionsschritt
zu Extraktionsschritt zunimmt. Durch das hierarchische, aus Teilstrukturen
bestehende Modell des Objekts kann die Lage und Orientierung von
Teilstrukturen relativ zum ursprünglichen Objekt
berechnet werden, wobei die genauere Schätzung der Lage einer Teilstruktur
wieder auf die Lage und Orientierung des ursprünglichen Objekts zurückgerichtet
werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden in jedem Extraktionsschritt Merkmale der gemessenen Messpunkte
extrahiert, und basierend auf den extrahierten Merkmalen wird eine
jeweilige Teilstruktur des Objekts ermittelt. Die in einem Extraktionsschritt
extrahierten Merkmale können
dabei einem Bereich des Objekts zugeordnet sein, der nicht Bestandteil
der Teilstruktur ist. Ebenso können
die extrahierten Merkmale aber auch der in dem jeweiligen Extraktionsschritt
zu ermittelnden Teilstruktur zugeordnet sein.
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Als
Merkmale der Messpunkte, die aus der Messpunktmenge extrahiert werden
können,
kommen insbesondere ein oder mehrere der folgenden Merkmale in Betracht:
- – eine
oder mehrere Hauptrichtungen der Messpunktverteilung;
- – eine
oder mehrere Hauptrichtungen der Messpunktverteilung und die Ausdehnung
der Messpunkte in Bezug auf die Hauptrichtungen;
- – ein
oder mehrere Histogramme der Messpunkte in Bezug auf eine Ebene
oder eine Gerade in der Messpunktmenge;
- – ein
oder mehrere mittlere Fehler und/oder mittlere Fehlerquadrate und/oder
Kovarianzmatrizen von Messpunkten der Messpunktmenge.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
werden dabei die Hauptrichtungen der Messpunktverteilung basierend
auf der hinlänglich bekannten
PCA-Analyse ermittelt.
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Die
in einem Extraktionsschritt extrahierte Teilstruktur muss nicht
zwangsläufig
eine zusammenhängende
Struktur sein. Insbesondere ist es möglich, dass die Teilstruktur
eine Mehrzahl von räumlich
separaten Unterstrukturen umfasst. In einem solchen Fall wird die
Teilstruktur aus den den jeweiligen Unterstrukturen zugeordneten
Messpunkten vorzugsweise basierend auf einer Messdatenfunktion mit
einer statistischen Methode lokalisiert. Das heißt, basierend auf den Messdaten
von jeder Unterstruktur wird jeweils die Lage der Teilstruktur bestimmt
und alle derart bestimmten Lagen werden dann mit einem entsprechenden
statistischen Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit der Schätzung zusammengeführt, wobei
als statistisches Verfahren beispielsweise ein Kalman-Filter bzw.
ein BLUE-Schätzer
(BLUE = Best Linear Unbiased Estimate) verwendet wird. Diese Schätzer sind
hinlänglich
aus dem Stand der Technik bekannt.
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In
einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung wird vor der eigentlichen
Ermittlung von Teilstrukturen zunächst eine das Objekt enthaltende Punktwolke
aus der Messpunktmenge extrahiert. Dies kann beispielsweise dadurch
erfolgen, dass solche Messpunkte aus der Messpunktmenge weggelassen
werden, aus deren Lage sich eindeutig ergibt, dass sie, beispielsweise
aufgrund einer weiten Entfernung zu einer Anhäufung von Messpunkten, nicht zum
Objekt gehören
können.
Aus der Punktwolke werden dann mit den erfindungsgemäßen Extraktionsschritten
die Teilstrukturen ermittelt.
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In
einer bevorzugten Variante der Erfindung werden die Extraktionsschritte
zur Ermittlung von Teilstrukturen iterativ so lange wiederholt,
bis eine vorbestimmte Genauigkeit der Bestimmung der Lage des Objekts
erreicht ist und/oder eine vorbestimmte Anzahl an Extraktionsschritten
durchgeführt
wur de. In einer bevorzugten Variante der Erfindung wurden die im
Verfahren verwendeten Messpunkte mit einem Laserscanner ermittelt.
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Die
Erfindung kann in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen eingesetzt
werden. Beispielsweise können
die Messpunkte mit einer Messeinrichtung einer mobilen Vorrichtung,
insbesondere eines Roboters, gemessen werden, wobei in diesem Fall mit
dem Verfahren als Objekt die Struktur zumindest eines Teils der
Umgebung um die mobile Vorrichtung lokalisiert wird und hieraus
die Lage der mobilen Vorrichtung in Bezug auf ein Referenzkoordinatensystem
bestimmt wird. Das heißt,
das erfindungsgemäße Verfahren
kann insbesondere zur selbständigen Navigation
von autonomen mobilen Vorrichtungen eingesetzt werden, welche mit
Hilfe der Struktur der Umgebung ihre eigene Position bestimmen können. Solche
mobilen Vorrichtungen kommen beispielsweise in industriellen Automatisierungsanlagen
zum Einsatz. Nichtsdestotrotz kann das erfindungsgemäße Verfahren
auch für
nicht-autonome mobile Vorrichtungen, wie z. B. handgeführte Geräte, Rollwagen, Mobiltelefone,
Laptops und dergleichen eingesetzt werden.
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Ein
weiterer besonders bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung ist
die Bestimmung der Lage einer Lastaufnahmevorrichtung, um damit
eine automatische Positionierung einer Last, beispielsweise mit
Hilfe einer entsprechenden Kransteuerung, auf der Lastaufnahmevorrichtung
zu ermöglichen.
In einer bevorzugten Variante ist dabei das Modell des Objekts ein
Lastfahrzeug, insbesondere ein Lastkraftkraftwagen und gegebenenfalls
auch ein Güterzug,
mit einem entsprechenden Anhänger,
wobei der Anhänger
die Lastaufnahmevorrichtung darstellt bzw. enthält. Die Messpunkte werden dabei
vorzugsweise mit einer Messeinrichtung einer Kranvorrichtung oberhalb
des Lastfahrzeugs mit Anhänger
ermittelt, wobei aus den Messpunkten die Lage des Anhängers relativ
zu einem Referenzkoordinatensystem der Kranvorrichtung bestimmt
wird. In einer bevorzugten Variante wird aus den Messpunkten das Lastfahrzeug
mit Anhänger
als Objekt extrahiert und lokalisiert. Vorzugsweise erfolgt die
Extraktion des Lastfahrzeugs mit Anhänger dabei derart, dass die Messpunkte,
welche den Boden unter dem Lastfahrzeug mit Anhänger repräsentieren, aus der Messpunktmenge
entfernt werden.
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In
einer bevorzugten Variante werden nach der Extraktion und Lokalisation
des Lastfahrzeugs mit Anhänger
der Bereich des Objekts ermittelt, in dem sich das Fahrerhausdach
des Lastfahrzeugs befindet, wobei der Ort des Fahrerhausdachs in
dem ursprünglichen
Modell des Objekts enthalten ist. Dieser Bereich wird aus der Messpunktmenge
entfernt, wodurch als Teilstruktur der Anhänger ermittelt wird. Der Bereich
des Fahrerhausdaches kann dabei mit Hilfe einer PCA-Analyse ermittelt
werden. Dies geschieht dadurch, dass auf das das Lastfahrzeug mit
Anhänger
umfassende Objekt die PCA-Analyse angewendet wird, wodurch die Erstreckung
des Objekts in Längsrichtung
bestimmt wird. Anschließend
wird an jedem Ende der Längserstreckung
des Objekts nach einer das Fahrerhausdach repräsentierenden Menge an Messpunkten
gesucht. Vorzugsweise wird die das Fahrerhausdach repräsentierende
Menge an Messpunkten in einfacher Weise dadurch charakterisiert, dass
die Messpunkte dieser Menge in einer vorbestimmten Höhe über dem
Boden liegen, auf dem sich das Lastfahrzeug befindet.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden nach der Extraktion der Teilstruktur des Anhängers aus
dieser Teilstruktur Träger,
insbesondere Querträger,
eines Lastauflagebereichs des Anhängers als neue Teilstruktur
extrahiert und lokalisiert. Über
die Lage der Querträger
kann dann die Lage des Anhängers
relativ zu einem Referenzkoordinatensystem mit hoher Genauigkeit
bestimmt werden.
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Neben
dem oben beschriebenen Verfahren umfasst die Erfindung ferner eine
Vorrichtung zur rechnergestützten
Lokalisation eines Objekts. Die Vorrichtung umfasst dabei eine Messein richtung
zur Messung von Messpunkten einer Messpunktmenge und eine Auswerteeinrichtung,
welche derart ausgestaltet ist, dass sie die Lage des Objekts oder
von Teilen des Objekts mit dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren
ermitteln kann.
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Die
Erfindung betrifft darüber
hinaus ein Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren
Träger
gespeicherten Programmcode zur Durchführung des oben beschriebenen
erfindungsgemäßen Verfahrens,
wenn das Programm auf einem Rechner abläuft.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren
detailliert beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
Messpunktmenge eines Lastkraftwagen mit Anhänger, welche mit einem Laserscanner
einer Kranvorrichtung gemessen wurde, wobei aus dieser Messpunktmenge
die Lage des Anhängers
basierend auf einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ermittelt wird;
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2 das
Ergebnis eines Extraktionsschrittes, mit dem aus der Messpunktmenge
der 1 als Teilstruktur der Anhänger bestimmt wurde;
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3 das
Ergebnis eines weiteren Extraktionsschrittes, wobei aus der Messpunktmenge
der 2 Querträger
extrahiert wurden; und
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4 eine Überlagerung
der mit den vorangegangenen Extraktionsschritten extrahierten Strukturen
mit dem zur Extraktion verwendeten Modell aus Lastkraftwagen und
Anhänger.
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Nachfolgend
wird eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Verwendung in einer Kranvorrichtung beschrieben, bei der automatisiert
Transportgüter
in der Form von Containern auf eine Lastaufnahmeeinrichtung eines
von einem Lastkraftwagen gezogenen Anhängers zu positionieren ist.
Hierbei ist es das Ziel, die genaue Lage des Anhängers und somit der Lastaufnahmeeinrichtung
in Bezug auf ein Referenzkoordinatensystem der Kranvorrichtung zu
bestimmen, so dass automatisiert ein entsprechender Container über die
Kranvorrichtung korrekt auf dem Anhänger positioniert werden kann.
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Dem
erfindungsgemäßen Verfahren
liegt allgemein ein Modell des Objekts im Sinne einer Auflösungshierarchie
zu Grunde, wobei in aufeinander folgenden Extraktionsschritten unterschiedliche
Teilstrukturen bzw. Teilbereiche basierend auf dem Modell des Objekts
aus der Messpunktmenge extrahiert werden. Den einzelnen Teilbereichen
können
dabei Eigenschaften hinzugefügt
werden, wobei basierend auf diesen Eigenschaften gegebenenfalls
die im erfindungsgemäßen Verfahren
verwendeten Methoden angepasst werden. Mögliche, den Teilbereichen zuordenbaren
Eigenschaften können
hierbei sein:
- – Anfangsbedingung an die Schätzung bzw.
die Genauigkeit der Schätzung
der Position und Orientierung einer betrachteten Teilstruktur, wobei
in Abhängigkeit
von der Anfangsbedingung die Methode festgelegt wird, welche zur
Extraktion von neuen Teilstrukturen verwendet wird. Ersatzweise kann
diese Anfangsbedingung dadurch charakterisiert werden, welche Schritte
des Verfahrens bereits durchgeführt
wurden.
- – Methode,
welche zuvor für
die Extraktion einer Teilstruktur verwendet wurde.
- – Erwarteter
Beitrag, den die Extraktion des betrachteten Teilbereichs zur Lokalisierung
des Objekts liefert.
- – Erwartete
Kosten (d. h. Rechenaufwand) für
die Anwendung entsprechender Methoden zur Extraktion weiterer Teilstrukturen.
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Gegebenenfalls
können
bei der Extraktion Klassenhypothesen, welche eine Teilstruktur klassifizieren,
verwendet werden. Dabei können
mehrere Klassenhypothesen gleichzeitig verfolgt werden, d. h. bei
nicht eindeutiger Extraktion einer Teilstruktur werden mehrere Hypothesen
für die
mögliche
Lage der Teilstruktur im nachfolgenden Extraktionsschritt berücksichtigt.
Hierbei ist eine weiteres Auswahlkriterium für den nächsten Extraktionsschritt,
welche weitere Messung in welcher Teilregion es am besten erlaubt,
sich für
eine oder der noch verbleibenden Klassenhypothesen zu entscheiden.
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Es
kann somit ein Verfahren geschaffen werden, bei dem die Art und
Weise, wie Teilstrukturen extrahiert werden, nicht vorgegeben ist,
sondern adaptiv in Abhängigkeit
von Eigenschaften der bereits extrahierten Teilstrukturen angepasst
wird. Die Eigenschaften sind dabei insbesondere charakterisiert durch
die betrachtete Region, aus der die weiteren Teilstrukturen zu extrahieren
sind, sowie die Methode bzw. die Reihenfolge, in der die Methoden
auf die Regionen angewendet wird. Weitere Eigenschaften können Vorausbedingungen
für die
Anwendung der Methode sein sowie die mögliche Verbesserung der Lokalisation
bzw. Klassifikation des Objekts.
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Allgemein
werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Position und Orientierung von Merkmalen bestimmt. Es können dabei
verschiedene Verfahren zur Merkmalsextraktion in den jeweiligen Extraktionsschritten
auf die vorliegenden Teilstrukturen in der Form von Teilmengen der
Messpunktmenge verwendet werden. In der nachfolgend beschriebenen
Ausführungsform
wird insbesondere die PCA-Analyse zur Bestimmung der Hauptrichtungen der
extrahierten Teilstrukturen eingesetzt. Es können jedoch auch andere Merkmalsextraktionen
betrachtet werden. Beispielsweise können folgende Eigenschaften
der Messpunkte bei der Merkmalsextraktion berücksichtigt werden:
- – Anzahl
von dreidimensionalen Messpunkten (gegebenenfalls bezogen auf ein
Volumen);
- – statistische
Momente von dreidimensionalen Messpunkten;
- – Ausdehnung
von Messpunktteilmengen in Bezug auf bestimmte Hauptrichtungen (insbesondere
mit PCA bestimmt), Maxima und Minima der Messpunktteilmengen;
- – Histogramme
der Messpunkte in Bezug auf eine Ebene oder eine Gerade im Messbereich;
- – mittlere
Fehler bzw. mittlere Fehlerquadrate oder Kovarianzmatrizen.
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Wie
bereits erwähnt,
wird eine Ausführungsform
der Erfindung basierend auf Messpunkten eines Lastkraftwagens mit
Anhänger
beschrieben, wobei zunächst
eine große
Menge an Messpunkten mit Hilfe eines Laserscanners oberhalb des
Lastkraftwagens mit Anhänger
ermittelt wird. Jeder Messpunkt stellt hierbei eine dreidimensionale
Koordinate in einem Referenzkoordinatensystem der Kranvorrichtung
dar, wobei die Koordinaten mit Hilfe einer Laufzeitmessung der am
Objekt reflektierten Laserstrahlen des Laserscanners in Kombination
mit der Schwenkposition des Laserscanners bestimmt werden. Es entsteht
hierdurch eine Menge an dreidimensionalen Messpunkten, wobei in
der hier beschriebenen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
aus diesen Messpunkten zunächst
diejenige Punktwolke extrahiert wird, welche den Lastkraftwagen
mit Anhänger
beschreibt. 1 zeigt eine derart extrahierte
Punktwolke in Draufsicht auf den Lastkraftwagen mit Anhänger. Man
erkennt in 1 mit Bezugszeichen 1 den
Lastkraftwagen auf der rechten Seite, welcher mit dem Anhänger bzw.
Trailer verbunden ist, wobei dieser Trailer mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet
ist. In Längsrichtung
des Trailers erstreckt sich eine Lastaufnahmeeinrichtung 3 mit zwei
Längsträgern 301,
wobei die Längsträger wiederum über Querträger miteinander
verbunden sind. In 1 sind einige dieser Querträger mit
dem Bezugszeichen 4 bezeichnet.
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Zur
Bestimmung der Punktwolke der 1, welche
im Wesentlichen nur Messpunkte des Lastkraftwagens und des Trailers
enthält,
werden in der hier beschriebenen Ausführungsform alle Messpunkte
in etwa auf der Höhe
Null, d. h. auf dem Boden, auf dem sich der Lastkraftwagen und der
Trailer befinden, aus der ursprünglichen
Datenmenge entfernt. Es wurde somit ein erster Extraktionsschritt
zur Beschränkung
der ursprünglichen
Messpunktmenge auf die Struktur des Lastkraftwagens mit Trailer durchgeführt.
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Auf
diese resultierende Punktwolke wird nun in einem nächsten Schritt
eine PCA-Analyse angewendet. Die PCA-Analyse ist hinlänglich aus
dem Stand der Technik bekannt, und mit dieser Analyse werden basierend
auf der Hauptachsentransformation die Hauptachsen aus der Punktwolke
gemäß 1 extrahiert.
Hierbei ergibt sich eine Hauptachse, welche sich in Längsrichtung
des Trailers im Wesentlichen parallel zu den Längsträgern 301 erstreckt.
Hieraus kann geschlossen werden, dass sich das Fahrerhaus des Lastkraftwagens
entweder am linken Ende der Längserstreckung
der Punktwolke oder am rechten Ende der Längserstreckung der Punktwolke,
d. h. an einer der Schmalseiten des Objekts, befindet. Gemäß dem für das Verfahren
hinterlegten Modell des Lastkraftwagens ist es bekannt, in welcher
Höhe sich
das Fahrerhausdach befindet. Mit Hilfe dieser Information wird dann
nach einer Messpunktmenge gesucht, welche sich in der Höhe des Fahrerhausdachs
befindet. Auf diese Weise wird schließlich das Fahrerhausdach extrahiert,
wobei sich gemäß 1 ergibt,
dass das Fahrerhausdach am rechten Ende der Längserstreckung der Punktwolke
aus Lastkraftwagen und Anhänger
liegt. Mit dieser Information wird schließlich die Messpunktmenge betreffend
das Fahrerhaus aus der Punktwolke gemäß 1 herausgeschnitten,
was dazu führt, dass
der Trailer aus der Punktwolke extrahiert wird. Das Ergebnis dieses
Extraktionsschrittes ist in 2 gezeigt.
Dort ist nunmehr lediglich der Trailer 2 mit der entsprechenden
Lastaufnahmeeinrichtung 3, den Längsträgern 301 und den Querträgern 4 ersichtlich. Aus
der PCA-Analyse ist die Lage des Trailers bekannt.
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Schließlich wird
nur über
die zum Trailer gehörende
Punktmenge gemäß 2 wiederum
eine PCA-Analyse durchgeführt.
Mit dieser Analyse wird die Position des Trailers im Raum wesentlich
genauer geschätzt
als mit der zuvor durchgeführten PCA-Analyse. Die sich
hieraus ergebende Lageschätzung
des Trailers, d. h. die Position und die Richtung der Längserstreckung
des Trailers, ist nunmehr so genau, dass in einem nächsten Extraktionsschritt
aus der Messpunktmenge der 2 die einzelnen
Querträger
extrahiert werden können.
Gemäß 3 sind
die extrahierten Querträger
durch eine Quader umgeben, der im Idealfall zum einen möglichst
viele auf dem Querträger
liegenden Punkte enthält
und zum anderen möglichst
keine nicht auf dem Querträger
liegenden Punkte beinhaltet. Die Schätzung der Querträger gemäß 3 ist
hierbei bereits zentimetergenau. Da die Lage der Querträger relativ zum
Koordinatensystem des Trailers gemäß dem vorgegebenen Modell bekannt
ist, kann mit Hilfe einer Sensordatenfusion basierend auf statistischen Modellen
(z. B. mit einem BLUE-Schätzer
oder einem Kalman-Filter)
eine hochgenaue Schätzung
der Position und Orientierung des Trailers im Raum berechnet werden.
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4 zeigt
die Überlagerung
der extrahierten Teilstrukturen mit dem verwendeten Modell des Trailers,
wobei das Modell in der Form von durchgezogenen Linien wiedergegeben
ist. Hierbei sind die Ebenen, welche Querträger enthalten, mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet.
Das Modell enthält
ferner eine Platte 6, welche in der hier beschriebenen
Ausführungsform
als eine Folge von mehreren Querträgern erkannt wird. Aus 4 wird
deutlich, dass sich erfindungsgemäß eine sehr gute Überlagerung
des Modells des Trailers mit der Messpunktdatenmenge ergibt, so
dass eine sehr genaue Bestimmung der Lage und Orientierung des Trailers
erreicht wird.
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Das
soeben erläuterte
Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Objekts beschreibt in systematischer
Weise basierend auf einem Modell des Objekts, welches verschiedene
Teilstrukturen enthält, eine
Folge von Auswertungen von Messpunktteilmengen. Dabei kann die Information,
welches Merkmalsextraktionsverfahren bei welchem Stand der Schätzung auf
welche Teilmenge der dreidimensionalen Messpunkte durchzuführen ist,
im Modell selbst codiert sein. Es wird hierdurch ein einfaches, allgemeines
und überschaubares
Verfahren mit geringem Rechenzeitbedarf geschaffen, welches flexibel
in Bezug auf die einzelnen Extraktionsschritte bzw. die zu extrahierenden
Teilstrukturen angepasst werden kann. Die einzelnen Extraktionsschritte
verwenden dabei an sich bekannte, ausgereifte mathematische Theorien,
beispielsweise die PCA-Analyse.
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Neben
der oben beschriebenen Verwendung zur Lokalisation eines Trailers
kann die Erfindung auch in anderen Bereichen eingesetzt werden.
Eine weitere Anwendung ist beispielsweise das Gebiet der Navigation.
Dabei wird die Position und Orientierung eines mobilen Roboters
im Raum relativ zu einem Raumkoordinatensystem bestimmt. Dies kann
dadurch geschehen, dass die Position und Orientierung von Teilstrukturen
im Raum in Bezug auf das Raumkoordinatensystem angegeben werden
und dass diese Strukturen basierend auf einem entsprechenden Objektmodell
beschrieben werden. Dabei wird durch Sensoren auf dem Roboter die
Art, Position und Orientierung dieser Strukturen in Bezug auf den
Roboter ermittelt, woraus sich dann die Position und Orientierung
des Roboters in Bezug auf das Raumkoordinatensystem ermitteln lassen.
In analoger Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Bestimmung
der Position und Orientierung von nicht-autonomen mobilen Geräten im Raum
verwendet werden, z. B. von handgeführten Geräten, Rollwagen, Mobiltelefonen,
Laptops und dergleichen.