DE102010004095A1

DE102010004095A1 - Vorrichtung zur dreidimensionalen Umfelderfassung

Info

Publication number: DE102010004095A1
Application number: DE102010004095A
Authority: DE
Inventors: Stefan Fuchs
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-01-07
Filing date: 2010-01-07
Publication date: 2011-04-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur dreidimensionalen Umfelderfassung. Sie umfasst eine Kamera (12) und eine Vorrichtung (14) zum Brechen oder Reflektieren von Licht (16), das von einem zu erfassenden Objekt (18) ausgeht, in Richtung der Kamera (12). Erfindungsgemäß ist die Kamera (12) als Time-of-Flight-Kamera ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Umfelderfassung.
Dreidimensionale Umfelderfassung ist in der Robotik von großer Bedeutung, beispielsweise für die Eigenlokalisierung (mobile Robotik), Navigation und Fahrtplanung, Hinderniserkennung und Objektlokalisierung, aber auch in anderen Robotikanwendungen. Üblicherweise werden für die Umfelderfassung bildgebende Systeme eingesetzt. Abhängig von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung können das z. B. Monokameras, Stereokameras, Trifokalsensoren, Lichtschnittsensoren, Laserscanner oder Time-of-Flight-Kameras sein.
Unter einer dreidimensionalen Umfelderfassung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Erfassung des Umfeldes verstanden, die sowohl ein Grauwertbild als auch ein Tiefenbild liefert. Für die Erstellung eines Tiefenbildes müssen die Abstände der zu erfassenden Objekte zur Kamera ermittelt werden.
Besonders in der mobilen Robotik ist es wichtig, mit möglichst wenig Aufwand (d. h. Gewicht, Energieverbrauch und/oder Kosten) einen möglichst großen Messbereich mit einer hohen Abtastrate abzudecken. Als Messbereich werden 360° horizontal und vertikal und idealerweise eine Sphäre angestrebt. Eine hohe Abtastrate ist zur Erfassung von dynamischen, d. h. sich bewegenden Objekten notwendig. Weiterhin wird angestrebt, eine Erfassung des dreidimensionalen Umfeldes mit einer hohen Auflösung zu erreichen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme weisen folgende Nachteile auf: Zunächst existieren rotierende Laserscanner mit einem Messbereich von maximal 270° horizontal. Laserscanner bieten den Vorteil, dass die Messungen sehr genau sind und der Messbereich mehrere 100 m betragen kann. Allerdings ist der Aufbau mit fehleranfälliger, schwerer Mechanik verbunden. Die Auflösung ist gering. Ferner wird die Umgebung nur punkt- oder linienweise abgetastet, so dass sich diese Sensoren nicht zur Erfassung von beweglichen Objekten eignen.
Ferner sind Mono- oder Stereokamerasysteme bekannt. Diese eignen sich aufgrund ihrer Taktrate für die Behandlung dynamischer Umgebungen. Die Entfernungen zu den zu erfassenden Objekten werden über Triangulierung von Korrespondenzen in aufeinanderfolgenden Bildern bei Verwendung einer Monokamera oder durch simultan aufgenommene Bilder bei Verwendung einer Stereokamera oder eines Trifokalsensors berechnet. Die Korrespondenzsuche ist aufwendig und rechenintensiv und zudem auf das Vorhandensein einer Textur angewiesen. Untexturierte Flächen können nicht vermessen werden.
Ferner sind Time-of-Flight-Kameras bekannt, die zur Entfernungsmessung gepulstes Infrarotlicht aussenden. Die Phasenverschiebung des von der vermessenen Umgebung reflektierten Lichts wird direkt auf jedem einzelnen Pixel der Kamera bestimmt und ist proportional zum zurückgelegten Weg und damit zur Entfernung des Objekts von der Kamera. Somit kann eine Time-of-Flight-Kamera ein hochaufgelöstes Tiefenbild und Grauwertbild in Videotaktrate liefern. Die Entfernungsmessung ist nicht auf das Vorhandensein einer Textur angewiesen. Der Messbereich ist abhängig von der Pulsfrequenz des Infrarotlichts und liegt in der Regel bei 7,5 m. Der Öffnungswinkel liegt bei ungefähr 50°.
Zur Kompensation des nicht ausreichenden Öffnungswinkels der genannten Systeme werden diese in mehrfacher Ausführung an einer mobilen Plattform angebracht. Hierbei entstehen neue Probleme, nämlich, dass die Messungen synchronisiert werden müssen und sich die Messungen insbesondere bei aktiven Systemen wie Time-of-Flight-Kameras nicht gegenseitig beeinflussen dürfen.
Ferner ist eine Spezialform der Monokamerasysteme, nämlich die omnidirektionale Kamera bekannt. Diese erreicht durch spezielle Weitwinkelobjektive (Fischauge) oder durch eine geeignete Spiegelanordnung, beispielsweise einen Hyperbolspiegel, einen Öffnungswinkel von nahezu 360° horizontal und vertikal.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Umfelderfassung bereitzustellen, die einen vereinfachten Aufbau aufweist und einen möglichst großen Messbereich ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Umfelderfassung weist eine Kamera und eine Vorrichtung zum Brechen oder Reflektieren von Licht auf, das von einem zu erfassenden Objekt ausgeht. Bei dieser Vorrichtung kann es sich z. B. um einen Hyperbolspiegel oder ein Weitwinkelobjektiv handeln, wobei beim Spiegel ein Reflektieren und beim Objektiv ein Brechen des Lichts stattfindet. Dieses Licht wird in Richtung der Kamera gebrochen oder reflektiert. Bei dieser Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um einen Hyperbolspiegel. Erfindungsgemäß ist die Kamera als Time-of-Flight-Kamera ausgebildet.
Durch die Erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine dreidimensionale Umfelderfassung mit einem großen Messbereich möglich (nahezu 360° horizontal und vertikal). Ferner kann eine hohe Abtastrate realisiert werden, so dass auch sich bewegende Objekte genau erfasst werden können. Die Verarbeitung der erfassten Daten ist weniger rechenaufwändig, da keine Triangulierung von Korrespondenzen vorgenommen werden muss. Ferner ist die Entfernungsmessung nicht texturabhängig.
Es ist bevorzugt, dass die Time-of-Flight-Kamera derart positioniert ist, dass die optische Achse des Hyperbolspiegels und der Time-of-Flight-Kamera auf einer Linie liegen.
Besonders bevorzugt, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine Infrarotlichtquelle zum Aussenden von gepulstem Infrarotlicht auf. In einer bevorzugten Ausführungsform beleuchtet die Infrarotlichtquelle die zu erfassenden Objekte direkt und/oder über die Vorrichtung zum Brechen oder Reflektieren des Lichts. Dies bedeutet, dass die mindestens eine Infrarotlichtquelle in Richtung der Vorrichtung zum Brechen oder Reflektieren des Lichts leuchten kann. Ferner können mehrere Infrarotleuchten um die Time-of-Flight-Kamera herum angeordnet sein, um die zu erfassenden Objekte direkt zu beleuchten. Auch kann ein erster Teil der Infrarotlichtquellen die zu erfassenden Objekte direkt beleuchten, während ein zweiter Teil der Infrarotlichtquellen die Objekte indirekt, insbesondere über die Vorrichtung zum Brechen oder Reflektieren des Lichts beleuchtet. Ein Interferenzproblem ergibt sich nicht, da alle Lichtquellen synchron angesteuert werden. Sofern mehrere Lichtquellen verwendet werden, könnten die unterschiedlichen Abstände der Lichtquellen zum optischen Zentrum der ToF-Kamera problematisch sein. Diese müssen dann beim Aufbau des Systems oder der Auswertung der Daten berücksichtigt werden.
Besonders bevorzugt sind die Infrarotlichtquellen zur indirekten Beleuchtung der zu erfassenden Objekte in einem 90°-Winkel zu den Infrarotlichtquellen zur direkten Beleuchtung der zu erfassenden Objekte angeordnet.
Die erfindungsgemäße Time-of-Flight-Kamera arbeitet vorzugsweise mit einer Abtastrate von wenigstens 25 Hz.
Eine unabhängige Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer Time-of-Flight-Kamera anstelle einer Monokamera in einem omnidirektionalen Kamerasystem.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand einer Figur erläutert.
Die Figur zeigt eine schematische Ansicht des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Vorrichtung 10 weist eine Time-of-Flight-Kamera 12 und einen Hyperbolspiegel 14 auf. Die Time-of-Flight-Kamera 12 ist derart positioniert, dass die optische Achse a des Hyperbolspiegels 14 und der Time-of-Flight-Kamera 12 auf einer Linie liegen.
Der Hyperbolspiegel 14 reflektiert das Licht 16, das vom Objekt 18 ausgeht in Richtung der Time-of-Flight-Kamera 12. Ferner reflektiert der Hyperbolspiegel 14 das Licht 22a, das von den ersten Infrarotleuchten 20a, die in Richtung des Hyperbolspiegels 14 leuchten, in Richtung des Objekts 18 sowie in Richtung des restlichen Umfelds.
Um die Time-of-Flight-Kamera 12 herum, sind ferner mehrere zweite Infrarotleuchten 20b vorgesehen, die Infrarotlicht 22b direkt in Richtung des Umfelds, einschließlich des zu erfassenden Objekts 18 aussenden. Die zweiten Infrarotlichtquellen 20b sind in einem rechten Winkel zu den ersten Infrarotlichtquellen 20a angeordnet. Es findet somit sowohl eine direkte als auch eine indirekte Infrarotbeleuchtung der Umgebung statt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in der mobilen Robotik, beispielsweise in autonomen Plattformen oder in der Servicerobotik, ferner in der Industrierobotik, beispielsweise im Rahmen der Arbeitsraumüberwachung oder in der Überwachungstechnik eingesetzt werden.

Claims

Vorrichtung zur dreidimensionalen Umfelderfassung, mit einer Kamera (12) und einer Vorrichtung (14) zum Brechen oder Reflektieren von Licht (16), das von einem zu erfassenden Objekt (18) ausgeht, in Richtung der Kamera (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (12) als Time-of-Flight-Kamera ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (14) zum Brechen oder Reflektieren des Lichts (16) ein Hyperbolspiegel (14) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Time-of-Flight-Kamera (12) derart positioniert ist, dass die optische Achse (a) des Hyperbolspiegels (14) und der Time-of-Flight-Kamera (12) auf einer Linie liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) mindestens eine Infrarotlichtquelle (20a, 20b) zum Aussenden von gepulstem Infrarotlicht (22a, 22b) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Infrarotlichtquelle (20a, 20b) die zu erfassenden Objekte (18) direkt und/oder über die Vorrichtung (14) zum Brechen oder Reflektieren des Lichts (16) beleuchtet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Infrarotlichtquelle (20a, 20b) in Richtung der Vorrichtung (14) zum Brechen oder Reflektieren des Lichts (16) leuchtet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Infrarotleuchten (20a, 20b) um die Time-of-Flight-Kamera (12) herum angeordnet sind, um die zu erfassenden Objekte (18) direkt zu beleuchten.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Infrarotlichtquellen (20a, 20b) vorgesehen sind, wobei ein erster Teil (20a) der Infrarotlichtquellen die zu erfassenden Objekte (18) direkt beleuchtet und ein zweiter Teil (20b) der Infrarotlichtquellen die zu erfassenden Objekte (18) indirekt, insbesondere über die Vorrichtung (14) zum Brechen oder Reflektieren des Lichts (16) beleuchtet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotlichtquellen (20a) zur indirekten Beleuchtung (22a) der zu erfassenden Objekte (18) in einem 90°-Winkel zu den Infrarotlichtquellen (20b) zur direkten Beleuchtung (22b) der zu erfassenden Objekte (18) angeordnet sind.
Verwendung einer Time-of-Flight-Kamera, anstelle einer Monokamera in einem omnidirektionalen Kamerasystem.