DE102021205428A1

DE102021205428A1 - Verfahren und Einrichtung zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung, Computerspeichermedium und drahtloses Sensorsystem

Info

Publication number: DE102021205428A1
Application number: DE102021205428.5A
Authority: DE
Inventors: William Wang; Marc Patrick Zapf; Hao Sun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2021-12-30
Also published as: US11704916B2; CN113868807A; US20210406515A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung. Das Verfahren umfasst: Empfangen von ursprünglichen Punktwolkendaten einer Arbeitsumgebung; Verarbeiten einer auf der Grundlage der ursprünglichen Punktwolkendaten aufgebauten Karte, um einen Boden, eine Wand und Hindernisse in der Arbeitsumgebung zu erkennen; Paaren des erkannten Bodens mit der erkannten Wand gemäß der Nähe des Bodens zu der Wand, um ein oder mehrere benachbarte Boden-Wand-Paare zu bilden; und Durchführen einer Strahlverfolgungsanalyse für das eine oder die mehreren benachbarten Boden-Wand-Paare, um einen Direktsichtbereich und einen Nicht-Direktsichtbereich in der Arbeitsumgebung zu ermitteln. Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung, ein Computerspeichermedium und ein drahtloses Sensorsystem.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine technische Lösung zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung und insbesondere ein Verfahren und eine Einrichtung zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung, ein Computerspeichermedium und ein drahtloses Sensorsystem.
Stand der Technik
Bei der Anordnung eines Ausbreitungssystems für ein drahtloses Signal in einer komplexen Umgebung kann während einer drahtlosen Verbindung ein Nicht-Direktsicht-Zustand (NLOS) zwischen einem Ankerpunkt und einer zu verbindenden Einrichtung (beispielsweise eine lokalisierte Markierung (localized tag), die mit einem Anker (anchor) in einem UWB-System verbunden ist, ein mobiler Computer, der mit einem WiFi-Anker verbunden ist, und dergleichen) auftreten. Dies führt oft zu einer Verringerung der Systemleistung oder sogar zu einem Versagen. Wenn beispielsweise in einem UWB-System (Ultra Wide Band) zwischen einer lokalisierten Markierung und einem an der Wand installierten UWB-Anker eine NLOS-Situation besteht, kann das System die Position der UWB-Markierung nicht genau verfolgen.
Die NLOS-Situation soll nicht nur in drahtlosen UWB-Sensorsystemen, sondern auch in anderen Systemen, die eine Direktsicht (LOS) zwischen dem Sensor oder Anker und dem verfolgten Gerät zur Erzielung einer optimalen Funktionalität benötigen, so weit wie möglich vermieden werden. Beispielsweise kann NLOS in dem Fall, in dem mehrere Überwachungskameras, die die Umgebung im maximalen Umfang abdecken sollen, ein WiFi-System oder dergleichen installiert sind, dazu führen, dass die Systemleistung beeinträchtigt wird.
Wenn das drahtlose Sensorsystem anfangs vorgesehen wird, muss eine große Anzahl von manuellen Messungen durchgeführt werden und die Montagestellen der Anker (oder der Sensoren) sorgfältig ausgewählt werden, um das Auftreten von NLOS während der Verwendung des Systems zu minimieren. In komplexen heterogenen Umgebungen ist es sehr schwierig, die optimalen Montagestellen im Voraus zu bestimmen.
Daher ist eine verbesserte technische Lösung zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung erwünscht, um dem Benutzer zu helfen, das drahtlose Sensorsystem bequemer zu konfigurieren.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung geschaffen, wobei das Verfahren umfasst: Empfangen von ursprünglichen Punktwolkendaten einer Arbeitsumgebung; Verarbeiten einer auf der Grundlage der ursprünglichen Punktwolkendaten aufgebauten Karte, um einen Boden, eine Wand und Hindernisse in der Arbeitsumgebung zu erkennen; Paaren des erkannten Bodens mit der erkannten Wand gemäß der Nähe des Bodens zu der Wand, um ein oder mehrere benachbarte Boden-Wand-Paare zu bilden; und Durchführen einer Strahlverfolgungsanalyse für das eine oder die mehreren benachbarten Boden-Wand-Paare, um einen Direktsichtbereich und einen Nicht-Direktsichtbereich in der Arbeitsumgebung zu ermitteln.
Alternativ ist es vorgesehen, dass im oben beschriebenen Verfahren das Empfangen der ursprünglichen Punktwolkendaten der Arbeitsumgebung umfasst: Empfangen der ursprünglichen Punktwolkendaten, die durch ein Laserdetektions- und Entfernungsmessungssystem oder Tiefenkameras generiert sind.
Alternativ ist es vorgesehen, dass im oben beschriebenen Verfahren das Verarbeiten einer auf der Grundlage der ursprünglichen Punktwolkendaten aufgebauten Karte umfasst: Verarbeiten der ursprünglichen Punktwolkendaten unter Verwendung von SLAM-Technik, um eine 3D-Karte der Arbeitsumgebung aufzubauen; Vorverarbeiten der Karte, um Rauschen und/oder Ausreißer zu entfernen; und Segmentieren der vorverarbeiteten Karte, um Boden, Wand und Hindernisse in der Arbeitsumgebung zu extrahieren.
Alternativ ist es vorgesehen, dass im oben beschriebenen Verfahren das Durchführen einer Strahlverfolgungsanalyse für das eine oder die mehreren benachbarten Boden-Wand-Paare umfasst: Verfolgen von m Strahlen zwischen jedem von n Wandpunkten auf der Wand in jedem der Paare und m Punkten auf dem Boden in jedem der Paare; Bestimmen eines ersten Strahls der m Strahlen als Direktsichtverbindung, wenn im Strahlengang des ersten Strahls keine Hindernisse und keine Wand angetroffen sind; und Bestimmen eines zweiten Strahls der m Strahlen als Nicht-Direktsichtverbindung, wenn im Strahlengang des zweiten Strahls ein Hindernis oder eine Wand angetroffen ist.
Alternativ ist es vorgesehen, dass im oben beschriebenen Verfahren das Durchführen einer Strahlverfolgungsanalyse für das eine oder die mehreren benachbarten Boden-Wand-Paare auch umfasst: Ermitteln der Anzahl der Strahlen und die Länge der Strahlen, die jeweils als Direktsichtverbindung bzw. Nicht-Direktsichtverbindung bestimmt werden, für jeden der n Wandpunkte.
Alternativ ist es vorgesehen, dass das oben beschriebene Verfahren weiterhin umfassen kann: Visualisieren des Bodens, der Wand und der Hindernisse auf einer grafischen Benutzeroberfläche, so dass der Benutzer sie durchsuchen und markieren kann.
Alternativ ist es vorgesehen, dass das oben beschriebene Verfahren weiterhin umfassen kann: grafische Darstellung des Direktsichtbereichs und Nicht-Direktsichtbereichs für einen dreidimensionalen Punkt oder einen dreidimensionalen Bereich in der Arbeitsumgebung, der durch den Benutzer ausgewählt ist.
Alternativ ist es vorgesehen, dass das oben beschriebene Verfahren weiterhin umfassen kann: Berechnen und Ausgeben einer idealen Ankerpunktposition an der Wand, basierend auf der Strahlverfolgungsanalyse, wobei die ideale Ankerpunktposition eine Minimierung von Nicht-Direktsicht-Situationen in einem vorgewählten Bereich in der gesamten Arbeitsumgebung ermöglicht.
Alternativ ist es vorgesehen, dass das oben beschriebene Verfahren weiterhin umfassen kann: Bereitstellen einer statistischen Analyse der Beziehung zwischen einem Flächenverhältnis des Nicht-Direktsichtbereichs zu dem Direktsichtbereich einerseits und der Anzahl der an der Wand angebrachten Ankerpunkte und der Einbaupositionen der Ankerpunkte andererseits, basierend auf der Strahlverfolgungsanalyse.
Alternativ ist es vorgesehen, dass im oben beschriebenen Verfahren die ideale Ankerpunktposition auf der Wand auf der Basis der Strahlverfolgungsanalyse in Kombination mit vom Benutzer eingestellten Einschränkungen berechnet und ausgegeben wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung geschaffen, wobei die Einrichtung umfasst: ein Empfangsmodul zum Empfangen von ursprünglichen Punktwolkendaten einer Arbeitsumgebung; ein Verarbeitungsmodul zum Verarbeiten einer auf der Grundlage der ursprünglichen Punktwolkendaten aufgebauten Karte, um einen Boden, eine Wand und Hindernisse in der Arbeitsumgebung zu erkennen; ein Paarungsmodul zum Paaren des erkannten Bodens mit der erkannten Wand gemäß der Nähe des Bodens zu der Wand, um ein oder mehrere benachbarte Boden-Wand-Paare zu bilden; und ein Analysemodul zum Durchführen einer Strahlverfolgungsanalyse für das eine oder die mehreren benachbarten Boden-Wand-Paare, um einen Direktsichtbereich und einen Nicht-Direktsichtbereich in der Arbeitsumgebung zu ermitteln.
Alternativ ist es vorgesehen, dass in der oben beschriebenen Einrichtung das Empfangsmodul konfiguriert ist, um ein Empfangen der ursprünglichen Punktwolkendaten durchzuführen, die durch ein Laserdetektions- und Entfernungsmessungssystem oder Tiefenkameras generiert werden.
Alternativ ist es vorgesehen, dass in der oben beschriebenen Einrichtung das Verarbeitungsmodul umfasst: ein Aufbaumodul zum Verarbeiten der ursprünglichen Punktwolkendaten unter Verwendung von SLAM-Technik, um eine 3D-Karte der Arbeitsumgebung aufzubauen; ein Vorverarbeitungsmodul zum Vorverarbeiten der ursprünglichen Punktwolkendaten, um Rauschen und/oder Ausreißer zu entfernen; und ein Punktwolkensegmentierungsmodul zum Segmentieren der vorverarbeiteten Punktwolkendaten, um Boden, Wand und Hindernisse in der Arbeitsumgebung zu extrahieren.
Alternativ ist es vorgesehen, dass in der oben beschriebenen Einrichtung das Analysemodul dazu konfiguriert ist, um Folgendes durchzuführen: Verfolgen von m Strahlen zwischen jedem von n Wandpunkten auf der Wand in jedem der Paare und m Punkten auf dem Boden in jedem der Paare; Bestimmen eines ersten Strahls der m Strahlen als Direktsichtverbindung, wenn im Strahlengang des ersten Strahls keine Hindernisse und keine Wand angetroffen sind; und Bestimmen eines zweiten Strahls der m Strahlen als Nicht-Direktsichtverbindung, wenn im Strahlengang des zweiten Strahls ein Hindernis oder eine Wand angetroffen ist.
Alternativ ist es vorgesehen, dass in der oben beschriebenen Einrichtung das Analysemodul ferner dazu konfiguriert ist, um das Ermitteln der Anzahl der Strahlen und die Länge der Strahlen, die jeweils als Direktsichtverbindung und Nicht-Direktsichtverbindung bestimmt werden, für jeden der n Wandpunkte durchzuführen.
Alternativ ist es vorgesehen, dass die oben beschriebene Einrichtung weiterhin ein erstes grafisches Anzeigemodul zum Visualisieren des Bodens, der Wand und der Hindernisse auf einer grafischen Benutzeroberfläche umfassen kann, so dass der Benutzer sie durchsuchen und markieren kann.
Alternativ ist es vorgesehen, dass die oben beschriebene Einrichtung weiterhin ein zweites grafisches Anzeigemodul zur grafischen Darstellung des Direktsichtbereichs und Nicht-Direktsichtbereichs für einen dreidimensionalen Punkt oder einen dreidimensionalen Bereich in der Arbeitsumgebung, der durch den Benutzer ausgewählt ist, umfassen kann.
Alternativ ist es vorgesehen, dass die oben beschriebene Einrichtung weiterhin ein Berechnungsmodul zum Berechnen und Ausgeben einer idealen Ankerpunktposition an der Wand, basierend auf der Strahlverfolgungsanalyse umfassen kann, wobei die ideale Ankerpunktposition eine Minimierung von Nicht-Direktsicht-Situationen in einem vorgewählten Bereich in der gesamten Arbeitsumgebung ermöglicht.
Alternativ ist es vorgesehen, dass die oben beschriebene Einrichtung weiterhin ein statistisches Analysemodul zum Bereitstellen einer statistischen Analyse der Beziehung zwischen einem Flächenverhältnis des Nicht-Direktsichtbereichs zu dem Direktsichtbereich einerseits und der Anzahl der an der Wand angebrachten Ankerpunkte und der Einbaupositionen der Ankerpunkte andererseits, basierend auf der Strahlverfolgungsanalyse, umfassen kann.
Alternativ ist es vorgesehen, dass in der oben beschriebenen Einrichtung das Berechnungsmodul dazu eingerichtet ist, um die ideale Ankerpunktposition auf der Wand auf der Basis der Strahlverfolgungsanalyse in Kombination mit vom Benutzer eingestellten Einschränkungen zu berechnen und auszugeben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerspeichermedium bereitgestellt, wobei das Computerspeichermedium Anweisungen umfasst, wobei die Anweisungen beim Ausführen das oben erwähnte Verfahren zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung durchführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein drahtloses Sensorsystem bereitgestellt, das eine Einrichtung zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung wie oben beschrieben umfasst.
Zusammenfassend kann die technische Lösung zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung der vorliegenden Erfindung einem Benutzer dabei helfen, ein drahtloses Sensorsystem schneller und bequemer zu konfigurieren.
Figurenliste
Die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen macht die oben genannten und weitere Aufgaben sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung vollständiger und klarer, wobei dieselben oder ähnliche Elemente durch dieselben Bezugszeichen dargestellt werden.

1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und 2 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur einer Einrichtung zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Konkrete Ausführungsformen
Im Folgenden wird eine technische Lösung zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens 1000 zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt, umfasst das Verfahren 1000 folgende Schritte:

Schritt S110, Empfangen von ursprünglichen Punktwolkendaten einer Arbeitsumgebung;
Schritt S120, Verarbeiten einer auf der Grundlage der ursprünglichen Punktwolkendaten aufgebauten Karte, um einen Boden, eine Wand und Hindernisse in der Arbeitsumgebung zu erkennen;
Schritt S130, Paaren des erkannten Bodens mit der erkannten Wand gemäß der Nähe des Bodens zu der Wand, um ein oder mehrere benachbarte Boden-Wand-Paare zu bilden; und
Schritt S140, Durchführen einer Strahlverfolgungsanalyse für das eine oder die mehreren benachbarten Boden-Wand-Paare, um einen Direktsichtbereich und einen Nicht-Direktsichtbereich in der Arbeitsumgebung zu ermitteln.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff „Arbeitsumgebung“ eine beliebige Umgebung, in der ein drahtloses Sensorsystem oder ein Ausbreitungssystem für ein drahtloses Signal installiert oder installiert werden muss.
Der Begriff „Punktwolke“ bezieht sich auf eine Sammlung von Punkten, die nach der Gewinnung von Raumkoordinaten für jeden abgetasteten Punkt der Oberfläche des Objekts erhalten werden. Bei einem Ausführungsbeispiel können die „Punktwolkendaten“ Informationen wie beispielsweise zweidimensionale Koordinaten (XY) oder dreidimensionale Koordinaten (XYZ), Laserreflexionsintensität (Intensität) und Farbinformationen (RGB) oder dergleichen umfassen. „Ursprüngliche Punktwolkendaten“, d.h. nicht vorverarbeitete Punktwolkendaten. In einem Ausführungsbeispiel können die ursprünglichen Punktwolkendaten durch ein Laserdetektions- und Entfernungsmessungssystem (LiDAR) oder durch eine Tiefenkamera (z.B. eine RGB-D-Kamera) erzeugt werden.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „Hindernis“ auf „Wand“ und auf „Boden“ und bezieht sich auf ein beliebiges Objekt, das nicht zu einer Wand oder dem Boden gehört, in der Arbeitsumgebung, in der das drahtlose Sensorsystem angeordnet ist.
Der Begriff „Direktsicht“ wird auch als Sichtweite (LOS) bezeichnet, der Begriff „Nicht-Direktsicht“ auch als Nichtsichtweite (NLOS) bezeichnet. Namentlich beziehen sie sich auf die Sichtlinienverbindung und die Nicht-Sichtlinienverbindung von dem drahtlosen Signal. Bei der tatsächlichen Netzplanung für die mobile Kommunikation können die meisten Umgebungen in LOS und NLOS aufgeteilt werden.
Bei LOS-Bedingungen breitet sich das drahtlose Signal ohne Verdeckung „gerade“ zwischen der ausgehenden und der empfangenden Seite aus, was erfordert, dass in der ersten Fresnel-Zone keine Objekte vorhanden sind, die eine Blockierung der Funkwellen verursachen, und wenn die Bedingungen nicht erfüllt sind, nimmt die Signalstärke beträchtlich ab. Die Größe der Fresnel-Zonen hängt von der Frequenz der Funkwellen und dem Abstand zwischen den Sende-/Empfangseinrichtungen ab. Im Falle eines Hindernisses kann das drahtlose Signal auf dem Empfangsende nur durch Reflexion, Streuung und Beugung, bezeichnet als NLOS, also Nicht-Direktsichtverbindung/Nichtsichtweitenverbindung, ankommen. Das drahtlose Signal wird zu diesem Zeitpunkt auf verschiedene Weisen empfangen, und der Mehrwegeffekt führt zu einer Reihe von Problemen wie zum Beispiel asynchroner Verzögerung, Signalabschwächung, Polarisationsänderung, instabiler Verbindung.
Im Zusammenhang mit der Erfindung bezeichnet der Begriff „Direktsichtbereich“ einen bestimmten Bodenbereich in der Arbeitsumgebung, wobei sich drahtlose Signale zwischen Sensoren oder Ankern, die an der Wand angebracht sind, beispielsweise Ankern in dem UWB-System, und dem mobilen Objekt, d.h. dem verfolgten Objekt, als Sichtlinienverbindung ausbreiten, wenn das mobile Objekt innerhalb des Bereichs aktiv ist. In ähnlicher Weise ist der Ausdruck „Nicht-Direktsichtbereich“ gegenüber einem „Direktsichtbereich“ gemeint, und wenn sich das verfolgte Objekt in einem Nicht-Direktsichtbereich bewegt, breiten sich drahtlose Signale zwischen einem Sensor oder Anker, der an einer Wand angebracht ist (z.B. Anker in dem UWB-System) und dem verfolgten Objekt als eine Nicht-Sichtlinienverbindung aus.
Durch das oben beschriebene Verfahren zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung kann einen Direktsichtbereich und einen Nicht-Direktsichtbereich in der Arbeitsumgebung ermittelt werden, indem eine Strahlverfolgungsanalyse an einem oder mehreren angrenzenden Boden-Wand-Paaren durchgeführt wird, um eine ideale Ankerpunktposition anzugeben, die den Nicht-Direktsichtbereich minimieren kann, wodurch dem Benutzer eine schnellere und bequemere Einrichtung des drahtlosen Sensorsystems erleichtert wird.
In einem Ausführungsbeispiel können in Schritt S110 ursprüngliche Punktwolkendaten, die durch ein Laserdetektions- und Entfernungsmessungssystem (LiDAR) oder eine Tiefenkamera (z.B. eine RGB-D-Kamera) erzeugt werden, empfangen und in eine Datenbank geladen werden. In einem Ausführungsbeispiel können die ursprünglichen Punktwolkendaten durch eine SLAM-Technik (Simultaneous localization and mapping) basierend auf Laserradar erzeugt werden. Das Erscheinen und die Popularität von Laserradaren führt zu schnelleren Messungen und reicheren Informationen. Die vom Laserradar erfassten Objektinformationen stellen eine Folge von verteilten Punkten mit Informationen über den genauen Winkel und die Entfernung dar, die als Punktwolke bezeichnet werden. Üblicherweise berechnet das Laser-SLAM-System durch Abgleich und Vergleich der beiden Punktwolken zu verschiedenen Zeitpunkten die Veränderungen bezüglich Abstand und Lage der Relativbewegung des Laserradars und führt so die Positionierung des Roboters selbst durch. Laserradar-Entfernungsmessung ist relativ genau, ein Fehlermodell ist einfach, und ein Betrieb des Laserradars wird in einer anderen Umgebung als einer starken Lichttransmission stabil, so dass die Handhabung der Punktwolke einfach ist. Gleichzeitig enthalten die Punktwolkeninformationen selbst direkte geometrische Beziehungen, so dass die Routenplanung und Navigation des Roboters intuitiv wird.
In einem Ausführungsbeispiel kann Schritt S120 umfassen: Verarbeiten der ursprünglichen Punktwolkendaten unter Verwendung einer SLAM-Technik (Simultaneous localization and mapping), um eine 3D-Karte der Arbeitsumgebung aufzubauen; Vorverarbeiten der Karte, um Rauschen und/oder Ausreißer zu entfernen; und Segmentieren der vorverarbeiteten Karte, um Boden, Wand und Hindernisse in der Arbeitsumgebung zu extrahieren. In einem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass die 3D-Karte der Arbeitsumgebung durch die Funktionalität vorverarbeitet wird, die von der Punktwolkenbibliothek (Point Cloud Library, PCL) bereitgestellt wird, um Rauschen und/oder Ausreißer zu entfernen. In einem Ausführungsbeispiel wird die vorverarbeitete Karte unter Verwendung von Funktionen wie RANSAC und euklidischem Clustering in der Punktwolkenbibliothek geteilt, um die Böden, Wände und Hindernisse in der Arbeitsumgebung zu extrahieren.
RANSAC hat die Bedeutung einer zufälligen konsistenten Stichprobe. Es löst hauptsächlich das Problem der Ausreißer in der Stichprobe und kann bis zu 50% der Ausreißer behandeln. Die Grundidee des RANSAC besteht darin, das Ziel durch wiederholtes Auswählen eines Satzes zufälliger Teilmengen der Daten zu erreichen. Die ausgewählte Teilmenge wird als lokaler interner Punkt angenommen und durch das folgende Verfahren verifiziert: (1) Es gibt ein Modell, das an den hypothetischen lokalen internen Punkt angepasst wird, d.h. alle unbekannten Parameter können aus dem hypothetischen lokalen internen Punkt berechnet werden; (2) alle anderen Daten werden mit dem im Schritt 1 erhaltenen Modell getestet, und wenn ein Punkt für das geschätzte Modell gilt, wird er als lokaler interner Punkt betrachtet; (3) wenn es genug Punkte gibt, die als hypothetische lokale interne Punkte klassifiziert werden, ist das geschätzte Modell angemessen genug; (4) das Modell wird mit allen hypothetischen lokalen internen Punkten neu geschätzt, da es nur durch die anfänglichen hypothetischen lokalen internen Punkte geschätzt wurde; (5) das Modell wird durch Schätzen der Fehlerrate von lokalen internen Punkten zu dem Modell bewertet.
Dieser Vorgang wird mit einer festgelegten Anzahl von Wiederholungen durchgeführt, und das jeweils erzeugte Modell wird entweder verworfen, weil die lokalen internen Punkte zu wenig sind, oder es wird ausgewählt, weil es besser ist als die bestehenden Modelle. Der RANSAC-Algorithmus ist sehr gut geeignet, bestimmte Objekte mit speziellen Formen aus unsauberer Punktwolke zu erkennen.
Ein euklidisches Clustering ist ein Cluster-Algorithmus, der auf einer euklidischen Abstandsmessung basiert. Bei der euklidischen Clusterbildung ist das Abstandsbestimmungskriterium der euklidische Abstand. Für gewisse räumliche Punkte P werden die k Punkte, die am nächsten zu den P Punkten liegen, von dem Nachbarsuch-Algorithmus KD-Tree gefunden, von denen die Punkte in die Menge Q gruppiert wurden, deren Abstände kleiner als der festgelegte Schwellenwert sind. Wenn die Anzahl der Elemente in Q nicht zunimmt, endet der gesamte Clustering-Prozess. Andernfalls muss ein anderer Punkt als Punkt p in der Menge Q ausgewählt werden, und der obige Vorgang muss wiederholt werden, bis die Anzahl der Elemente in Q nicht zunimmt.
in Schritt S130, Paaren des erkannten Bodens mit der erkannten Wand gemäß der Nähe des Bodens zu der Wand, um ein oder mehrere benachbarte Boden-Wand-Paare zu bilden. Beispielsweise werden der Boden und die Wand, die jeweils unterteilt sind, in Abhängigkeit von der Nähe zwischen den Bezugsebenen und den Punkten des Bodens und der Wand gepaart. Mit anderen Worten, wenn die Nähe des Bodens zu der Wand größer ist als der Schwellenwert S, werden der Boden und die Wand gepaart.
In einem Ausführungsbeispiel kann Schritt S140 umfassen: Verfolgen von m Strahlen zwischen jedem von n Wandpunkten auf der Wand in jedem der Paare und m Punkten auf dem Boden in jedem der Paare; Bestimmen eines ersten Strahls der m Strahlen als Direktsichtverbindung, wenn im Strahlengang des ersten Strahls keine Hindernisse und keine Wand angetroffen sind; und Bestimmen eines zweiten Strahls der m Strahlen als Nicht-Direktsichtverbindung, wenn im Strahlengang des zweiten Strahls ein Hindernis oder eine Wand angetroffen ist. In einem Ausführungsbeispiel kann Schritt S140 ferner umfassen: Ermitteln der Anzahl der Strahlen und die Länge der Strahlen, die jeweils als Direktsichtverbindung bzw. Nicht-Direktsichtverbindung bestimmt werden, für jeden der n Wandpunkte.
Obwohl es in 1 nicht gezeigt ist, kann das Verfahren 1000 zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung in einem Ausführungsbeispiel ferner umfassen: Visualisieren des Bodens, der Wand und der Hindernisse auf einer grafischen Benutzeroberfläche, so dass der Benutzer sie durchsuchen und markieren kann. Ein Benutzer kann ein Messinstrument ähnlich zu einem CAD-Programm verwenden, um Abstände und Winkel zwischen geometrischen Merkmalen der Rekonstruktionsumgebung zu bestimmen und 3-D-Positionen und Bereiche auf dem virtuellen Layout für eine spätere NLOS-Analyse zu markieren und einen Ankerpunkt/eine Sensoranordnung auszuwählen.
In einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren 1000 zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung auch umfassen: grafische Darstellung des Direktsichtbereichs und Nicht-Direktsichtbereichs für einen dreidimensionalen Punkt oder einen dreidimensionalen Bereich in der Arbeitsumgebung, der durch den Benutzer ausgewählt ist.
In einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren 1000 zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung auch umfassen: Berechnen und Ausgeben einer idealen Ankerpunktposition an der Wand, basierend auf der Strahlverfolgungsanalyse, wobei die ideale Ankerpunktposition eine Minimierung von Nicht-Direktsicht-Situationen in einem vorgewählten Bereich in der gesamten Arbeitsumgebung ermöglicht. Dies stellt eine visuelle Ausgabe und eine Textausgabe (z.B. 3D-Koordinaten in einer Textdatei) in dem Layout der virtuellen Umgebung bereit.
In einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren 1000 zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung auch umfassen: Bereitstellen einer statistischen Analyse der Beziehung zwischen einem Flächenverhältnis des Nicht-Direktsichtbereichs zu dem Direktsichtbereich einerseits und der Anzahl der an der Wand angebrachten Ankerpunkte und der Einbaupositionen der Ankerpunkte andererseits, basierend auf der Strahlverfolgungsanalyse (z.B. mindestens auf der Basis der Anzahl von Lichtstrahlen der Direktsichtverbindung und der Nicht-Direktsichtverbindung und der Länge des Lichts).
Der Benutzer kann auch eine Anzahl von Beschränkungen spezifizieren, wie zum Beispiel die Anzahl von zu installierenden Ankern/Sensoren, die zulässige minimale/maximale Anker/Sensor-Einbauhöhe, etc. Eine oder mehrere der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele können diese Einschränkungen in der Ausgabe und Anzeige berücksichtigen. In einem Ausführungsbeispiel wird die ideale Ankerpunktposition auf der Wand auf der Basis der Strahlverfolgungsanalyse in Kombination mit vom Benutzer eingestellten Einschränkungen berechnet und ausgegeben.
Dem Benutzer kann auch erlaubt werden, die endgültigen Anker-/Sensorpositionen in einer grafischen Benutzerschnittstelle gemäß der oben beschriebenen Analyse zu spezifizieren. Nach dem Spezifizieren der endgültigen Position wird dem Benutzer eine schrittweise visuelle Anleitung zur Installation eines einzelnen Ankers in dem 3D-Layout bereitgestellt. Der virtuelle Vorschlag und die Entfernung zu dem nächsten visuellen Orientierungspunkt (zum Beispiel Kante und Boden) oder dergleichen können auch angezeigt werden. Beispielsweise wird dem Benutzer empfohlen „einen Anker 1 an einer Wand 1 zu befestigen, wobei der Anker 1 5 m am Boden und 0,8 m vom linken Rand entfernt installiert ist“. Daneben kann es auch möglich sein, alle Visualisierungs- und Analyseergebnisse in Bild- oder Textform zur gemeinsamen Nutzung und Aufzeichnung abzuleiten.
Unter Bezugnahme auf 2 zeigt 2 eine schematische Darstellung der Struktur einer Einrichtung 2000 zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 gezeigt, umfasst die Einrichtung 2000 zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung ein Empfangsmodul 210, ein Verarbeitungsmodul 220, ein Paarungsmodul 230 und ein Analysemodul 240. Dabei dient das Empfangsmodul 210 zum Empfangen von ursprünglichen Punktwolkendaten der Arbeitsumgebung; das Verarbeitungsmodul 220 dient zum Verarbeiten einer auf der Grundlage der ursprünglichen Punktwolkendaten aufgebauten Karte, um einen Boden, eine Wand und Hindernisse in der Arbeitsumgebung zu erkennen; das Paarungsmodul 230 dient zum Paaren des erkannten Bodens mit der erkannten Wand gemäß der Nähe des Bodens zu der Wand, um ein oder mehrere benachbarte Boden-Wand-Paare zu bilden; und das Analysemodul 240 dient zum Durchführen einer Strahlverfolgungsanalyse für das eine oder die mehreren benachbarten Boden-Wand-Paare, um einen Direktsichtbereich und einen Nicht-Direktsichtbereich in der Arbeitsumgebung zu ermitteln.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff „Arbeitsumgebung“ eine beliebige Umgebung, in der ein drahtloses Sensorsystem oder ein Ausbreitungssystem für ein drahtloses Signal installiert oder installiert werden muss.
Der Begriff „Punktwolke“ bezieht sich auf eine Sammlung von Punkten, die nach der Gewinnung von Raumkoordinaten für jeden abgetasteten Punkt der Oberfläche des Objekts erhalten werden. Bei einem Ausführungsbeispiel können die „Punktwolkendaten“ Informationen wie beispielsweise zweidimensionale Koordinaten (XY) oder dreidimensionale Koordinaten (XYZ), Laserreflexionsintensität (Intensität) und Farbinformationen (RGB) oder dergleichen umfassen. „Ursprüngliche Punktwolkendaten“, d.h. nicht vorverarbeitete Punktwolkendaten. In einem Ausführungsbeispiel können die ursprünglichen Punktwolkendaten durch ein Laserdetektions- und Entfernungsmessungssystem (LiDAR) oder durch eine Tiefenkamera (z.B. eine RGB-D-Kamera) erzeugt werden.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „Hindernis“ auf „Wand“ und auf „Boden“ und bezieht sich auf ein beliebiges Objekt, das nicht zu einer Wand oder dem Boden gehört, in der Arbeitsumgebung, in der das drahtlose Sensorsystem angeordnet ist.
Der Begriff „Direktsicht“ wird auch als Sichtweite (LOS) bezeichnet, der Begriff „Nicht-Direktsicht“ wird auch als Nichtsichtweite (NLOS) bezeichnet. Namentlich beziehen sie sich auf die Sichtlinienverbindung und die Nicht-Sichtlinienverbindung von dem drahtlosen Signal. Bei der tatsächlichen Netzplanung für die mobile Kommunikation können die meisten Umgebungen in LOS und NLOS aufgeteilt werden.
Bei LOS-Bedingungen breitet sich das drahtlose Signal ohne Verdeckung „gerade“ zwischen der ausgehenden und der empfangenden Seite aus, was erfordert, dass in der ersten Fresnel-Zone keine Objekte vorhanden sind, die eine Blockierung der Funkwellen verursachen, und wenn die Bedingungen nicht erfüllt sind, nimmt die Signalstärke beträchtlich ab. Die Größe der Fresnel-Zonen hängt von der Frequenz der Funkwellen und dem Abstand zwischen den Sende-/Empfangseinrichtungen ab. Im Falle eines Hindernisses kann das drahtlose Signal auf dem Empfangsende nur durch Reflexion, Streuung und Beugung, bezeichnet als NLOS, also Nicht-Direktsichtverbindung/Nichtsichtweitenverbindung, ankommen. Das drahtlose Signal wird zu diesem Zeitpunkt auf verschiedene Weisen empfangen, und der Mehrwegeffekt führt zu einer Reihe von Problemen wie zum Beispiel asynchroner Verzögerung, Signalabschwächung, Polarisationsänderung, instabiler Verbindung.
Der Ausdruck „Direktsichtbereich“ bezeichnet einen bestimmten Bodenbereich in der Arbeitsumgebung, wobei sich drahtlose Signale zwischen Sensoren oder Ankern, die an der Wand angebracht sind, beispielsweise Ankern in dem UWB-System, und dem mobilen Objekt, d.h. dem verfolgten Objekt, als Sichtlinienverbindung ausbreiten, wenn das mobile Objekt innerhalb des Bereichs aktiv ist. In ähnlicher Weise ist der Ausdruck „Nicht-Direktsichtbereich“ gegenüber einem „Direktsichtbereich“ gemeint, und wenn sich das verfolgte Objekt in einem Nicht-Direktsichtbereich bewegt, breiten sich drahtlose Signale zwischen einem Sensor oder Anker, der an einer Wand angebracht ist (z.B. Anker in dem UWB-System) und dem verfolgten Objekt als eine Nicht-Sichtlinienverbindung aus.
Durch die oben beschriebene Einrichtung 2000 zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung kann ein Direktsichtbereich und ein Nicht-Direktsichtbereich in der Arbeitsumgebung ermittelt werden, indem eine Strahlverfolgungsanalyse an einem oder mehreren angrenzenden Boden-Wand-Paaren durch das Analysemodul 240 durchgeführt wird, um eine ideale Ankerpunktposition anzugeben, die den Nicht-Direktsichtbereich minimieren kann, wodurch dem Benutzer eine schnellere und bequemere Einrichtung des drahtlosen Sensorsystems erleichtert wird.
In einem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass das Empfangsmodul 210 konfiguriert ist, um ursprüngliche Punktwolkendaten, die durch ein Laserdetektions- und Entfernungsmessungssystem (LiDAR) oder eine Tiefenkamera (z.B. eine RGB-D-Kamera) erzeugt werden, zu empfangen und die ursprünglichen Punktwolkendaten in eine Datenbank zu laden. In einem Ausführungsbeispiel können die ursprünglichen Punktwolkendaten durch eine SLAM (Simultaneous localization and mapping) -Technik basierend auf Laserradar erzeugt werden. Das Erscheinen und die Popularität von Laserradaren führt zu schnelleren Messungen und reicheren Informationen. Die vom Laserradar erfassten Objektinformationen stellen eine Folge von verteilten Punkten mit Informationen über den genauen Winkel und die Entfernung dar, die als Punktwolke bezeichnet werden. Üblicherweise berechnet das Laser-SLAM-System durch Abgleich und Vergleich der beiden Punktwolken zu verschiedenen Zeitpunkten die Veränderungen bezüglich Abstand und Lage der Relativbewegung des Laserradars und führt so die Positionierung des Roboters selbst durch. Laserradar-Entfernungsmessung ist relativ genau, ein Fehlermodell ist einfach, und ein Betrieb des Laserradars wird in einer anderen Umgebung als einer starken Lichttransmission stabil, so dass die Handhabung der Punktwolke einfach ist. Gleichzeitig enthalten die Punktwolkeninformationen selbst direkte geometrische Beziehungen, so dass die Routenplanung und Navigation des Roboters intuitiv wird.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verarbeitungsmodul 220 ein Aufbaumodul, ein Vorverarbeitungsmodul und ein Punktwolkensegmentierungsmodul, wobei das Aufbaumodul zum Verarbeiten der ursprünglichen Punktwolkendaten unter Verwendung einer SLAM-Technik (Simultaneous localization and mapping) dient, um eine 3D-Karte der Arbeitsumgebung aufzubauen; das Vorverarbeitungsmodul dient zum Vorverarbeiten der Karte, um Rauschen und/oder Ausreißer zu entfernen; das Punktwolkensegmentierungsmodul dient zum Segmentieren der vorverarbeiteten Karte, um Boden, Wand und Hindernisse in der Arbeitsumgebung zu extrahieren.
In einem Ausführungsbeispiel vorverarbeitet das Vorverarbeitungsmodul die 3D-Karte der Arbeitsumgebung durch die Funktionalität, die von der Punktwolkenbibliothek (Point Cloud Library, PCL) bereitgestellt wird, um Rauschen und/oder Ausreißer zu entfernen. In einem Ausführungsbeispiel segmentiert das Punktwolkensegmentierungsmodul die vorverarbeitete Karte unter Verwendung von Funktionen wie RANSAC und euklidischem Clustering in der Punktwolkenbibliothek, um die Böden, Wände und Hindernisse in der Arbeitsumgebung zu extrahieren.
RANSAC hat die Bedeutung einer zufälligen konsistenten Stichprobe. Es löst hauptsächlich das Problem der Ausreißer in der Stichprobe und kann bis zu 50% der Ausreißer behandeln. Die Grundidee des RANSAC besteht darin, das Ziel durch wiederholtes Auswählen eines Satzes zufälliger Teilmengen der Daten zu erreichen. Die ausgewählte Teilmenge wird als lokaler interner Punkt angenommen und durch das folgende Verfahren verifiziert: (1) Es gibt ein Modell, das an den hypothetischen lokalen internen Punkt angepasst wird, d.h. alle unbekannten Parameter können aus dem hypothetischen lokalen internen Punkt berechnet werden; (2) alle anderen Daten werden mit dem im Schritt 1 erhaltenen Modell getestet, und wenn ein Punkt für das geschätzte Modell gilt, wird er als lokaler interner Punkt betrachtet; (3) wenn es genug Punkte gibt, die als hypothetische lokale interne Punkte klassifiziert werden, ist das geschätzte Modell angemessen genug; (4) das Modell wird mit allen hypothetischen lokalen internen Punkten neu geschätzt, da es nur durch die anfänglichen hypothetischen lokalen internen Punkte geschätzt wurde; (5) das Modell wird durch Schätzen der Fehlerrate von lokalen internen Punkten zu dem Modell bewertet.
Dieser Vorgang wird mit einer festgelegten Anzahl von Wiederholungen durchgeführt, und das jeweils erzeugte Modell wird entweder verworfen, weil die lokalen internen Punkte zu wenig sind, oder es wird ausgewählt, weil es besser ist als die bestehenden Modelle. Der RANSAC-Algorithmus ist sehr gut geeignet, bestimmte Objekte mit speziellen Formen aus unsauberer Punktwolke zu erkennen.
Ein euklidisches Clustering ist ein Cluster-Algorithmus, der auf einer euklidischen Abstandsmessung basiert. Bei der euklidischen Clusterbildung ist das Abstandsbestimmungskriterium der euklidische Abstand. Für gewisse räumliche Punkte P werden die k Punkte, die am nächsten zu den P Punkten liegen, von dem Nachbarsuch-Algorithmus KD-Tree gefunden, von denen die Punkte in die Menge Q gruppiert wurden, deren Abstände kleiner als der festgelegte Schwellenwert sind. Wenn die Anzahl der Elemente in Q nicht zunimmt, endet der gesamte Clustering-Prozess; andernfalls muss ein anderer Punkt als Punkt p in der Menge Q ausgewählt werden, und der obige Vorgang muss wiederholt werden, bis die Anzahl der Elemente in Q nicht zunimmt.
Das Paarungsmodul 230 dient zum Paaren des erkannten Bodens mit der erkannten Wand gemäß der Nähe des Bodens zu der Wand, um ein oder mehrere benachbarte Boden-Wand-Paare zu bilden. Beispielsweise paart das Konfigurationsmodul 230 den Boden und die Wand, die jeweils unterteilt sind, in Abhängigkeit von der Nähe zwischen den Bezugsebenen und den Punkten des Bodens und der Wand. Mit anderen Worten, wenn die Nähe des Bodens zu einer Wand größer als der Schwellenwert S ist, paart das Konfigurationsmodul 230 den Boden mit der Wand.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Analysemodul 240 dazu konfiguriert, um Folgendes durchzuführen: Verfolgen von m Strahlen zwischen jedem von n Wandpunkten auf der Wand in jedem der Paare und m Punkten auf dem Boden in jedem der Paare; Bestimmen eines ersten Strahls der m Strahlen als Direktsichtverbindung, wenn im Strahlengang des ersten Strahls keine Hindernisse und keine Wand angetroffen sind; und Bestimmen eines zweiten Strahls der m Strahlen als Nicht-Direktsichtverbindung, wenn im Strahlengang des zweiten Strahls ein Hindernis oder eine Wand angetroffen ist. In einem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass das Analysemodul 240 ferner dazu konfiguriert ist, um das Ermitteln der Anzahl der Strahlen und die Länge der Strahlen, die jeweils als Direktsichtverbindung und Nicht-Direktsichtverbindung bestimmt werden, für jeden der n Wandpunkte durchzuführen.
Obwohl es in 2 nicht gezeigt ist, kann die Einrichtung 2000 zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung in einem Ausführungsbeispiel auch ein erstes grafisches Anzeigemodul, umfassen, wobei das erste grafische Anzeigemodul zum Visualisieren des Bodens, der Wand und der Hindernisse auf der grafischen Benutzeroberfläche dient, damit Benutzer sie durchsuchen und markieren können. Ein Benutzer kann ein Messinstrument ähnlich zu einem CAD-Programm verwenden, um Abstände und Winkel zwischen geometrischen Merkmalen der Rekonstruktionsumgebung zu bestimmen und 3-D-Positionen und Bereiche auf dem virtuellen Layout für eine spätere NLOS-Analyse zu markieren und einen Ankerpunkt/eine Sensoranordnung auszuwählen.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Einrichtung 2000 zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung auch ein zweites grafisches Anzeigemodul umfassen, wobei das zweite grafische Anzeigemodul in grafischer Weise sowohl einen Direktsichtbereich und einen Nicht-Direktsichtbereich für dreidimensionale Punkte oder dreidimensionale Bereiche in der Arbeitsumgebung anzeigt, die durch den Benutzer ausgewählt werden.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Einrichtung 2000 zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung auch ein Rechenmodul umfassen, wobei das Berechnungsmodul zum Berechnen und Ausgeben einer idealen Ankerpunktposition an der Wand basierend auf der Strahlverfolgungsanalyse dient, wobei die ideale Ankerpunktposition eine Minimierung von Nicht-Direktsicht-Situationen in einem vorgewählten Bereich in der gesamten Arbeitsumgebung ermöglicht. Dies stellt eine visuelle Ausgabe und eine Textausgabe (z.B. 3D-Koordinaten in einer Textdatei) in dem Layout der virtuellen Umgebung bereit.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Einrichtung 2000 zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung auch ein statistisches Analysemodul umfassen, wobei das statistische Analysemodul basierend auf der Strahlverfolgungsanalyse (z.B. mindestens auf der Basis der Anzahl von Lichtstrahlen der Direktsichtverbindung und der Nicht-Direktsichtverbindung und der Länge des Lichts) eine statistische Analyse der Beziehung zwischen einem Flächenverhältnis des Nicht-Direktsichtbereichs zu dem Direktsichtbereich einerseits und der Anzahl der an der Wand angebrachten Ankerpunkte und der Einbaupositionen der Ankerpunkte andererseits bereitstellt.
Der Benutzer kann auch eine Anzahl von Beschränkungen spezifizieren, wie zum Beispiel die Anzahl von zu installierenden Ankern/Sensoren, die zulässige minimale/maximale Anker/Sensor-Einbauhöhe, etc. Beispielsweise kann das zweite grafische Anzeigemodul, das Berechnungsmodul und/oder das statistische Analysemodul diese Einschränkungen bei der Ausgabe und Anzeige berücksichtigen. In einem Ausführungsbeispiel kann das Berechnungsmodul die ideale Ankerpunktpositionen auf der Wand auf der Basis der Strahlverfolgungsanalyse in Kombination mit vom Benutzer eingestellten Einschränkungen berechnen und ausgegeben.
In einigen Ausführungsbeispielen ist es vorgesehen, dass die Einrichtung 2000 zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung dem Benutzer auch erlauben kann, die endgültigen Anker-/Sensorpositionen in einer grafischen Benutzerschnittstelle gemäß der oben beschriebenen Analyse zu spezifizieren. Nach dem Spezifizieren der endgültigen Position wird dem Benutzer eine schrittweise visuelle Anleitung zur Installation eines einzelnen Ankers in dem 3D-Layout bereitgestellt. Der virtuelle Vorschlag und die Entfernung zu dem nächsten visuellen Orientierungspunkt (zum Beispiel Kante und Boden) oder dergleichen können auch angezeigt werden. Beispielsweise wird dem Benutzer empfohlen „einen Anker 1 an einer Wand 1 zu befestigen, wobei der Anker 1 5 m am Boden und 0,8 m vom linken Rand entfernt installiert ist“. Daneben kann es auch möglich sein, alle Visualisierungs- und Analyseergebnisse in Bild- oder Textform zur gemeinsamen Nutzung und Aufzeichnung abzuleiten.
Wie für den Fachmann ersichtlich, kann das durch einen oder mehrere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Verfahren zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung über Computerprogramme implementiert werden. Wenn beispielsweise ein Computerspeichermedium (z.B. ein USB-Flash-Laufwerk), das Computerprogramm speichert, mit einem Computer verbunden ist, kann das Ausführen des Computerprogramms das Verfahren zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ausführen.
Zusammenfassend kann die technische Lösung zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung der vorliegenden Erfindung automatisch die Umgebung unter Verwendung einer zwei- oder dreidimensionalen Punktwolke/eines Rasters rekonstruieren und Wände/Hindernisse und den Boden segmentieren und automatisch 2D- und 3D-Layouts durch Rekonstruieren und Segmentieren erzeugen. Die Layoutgeometrie (wie beispielsweise metrische Distanzen) kann durch ein Werkzeug und eine grafische Benutzerschnittstelle (GUI, Graphic User Interface) automatisch und manuell gemessen und visualisiert werden. Automatische Strahlenverfolgungsanalyse wird zwischen allen Wänden/Hindernissen und Bodenpunkten durchgeführt, um eine qualitative und quantitative Analyse der NLOS-Bedingungen auf der Grundlage unterschiedlicher Anker/Sensor-Anbringungsorte und -beschränkungen durchzuführen. Mittels der Werkzeuge und der GUI können auch eine visuelle und statistische Auswertung für den Benutzer von LOS/NLOS-Situationen durchgeführt werden, basierend auf den Strahlverfolgungsdaten. Es können auch Beschränkungen gesetzt werden (z.B. erforderliche Ankerpunkte/Sensorpositionen, Ankerpunktzahlen oder dergleichen).
In einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann die technische Lösung zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung der vorliegenden Erfindung eine Berechnung und eine visuelle Anzeige eines optimalen Anker/Sensor-Befestigungsorts in einem drahtlosen Sensorsystem ermöglichen, beispielsweise einem UWB-Ortungssystem, das einen Anker und eine Markierung aufweist. Das visualisierte Schritt-für-Schritt-Leitsystem kann für die Installation von Anker/Sensor verwendet werden, d.h. für die Anzeige der Position des Ankers/Sensors und der Installationsaufforderungen (z. B. den metrischen Abstand vom Boden, der Wand oder dergleichen). Wenn neue Eingabedaten (Punktwolke oder Layout) verfügbar sind, kann das Tool automatisch neu betrieben werden, ein aktualisiertes Layout erzeugen, einen aktualisierten LOS/NLOS-Zustand anzeigen und einen Vorschlag für eine neue Einstellung für die Einrichtung bereitstellen. Alle diese Funktionen können die Zeit für manuelle Messungen, Einstellungen und Neueinstellungen beträchtlich verringern, die durch Umgebungsänderungen oder schlechte Systemleistung verursacht werden.
Die obigen Beispiele veranschaulichen hauptsächlich die technische Lösung zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung der vorliegenden Erfindung. Obwohl nur einige der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, sollte der Durchschnittsfachmann im vorliegenden Gebiet verstehen, dass die vorliegende Erfindung in vielen anderen Formen ausgeführt werden kann, ohne von ihrem Geist und Umfang abzuweichen. Die gezeigten Beispiele und Ausführungsformen sind daher als illustrativ und nicht als einschränkend zu betrachten, und die vorliegende Erfindung kann verschiedene Modifikationen und Ersetzungen abdecken, ohne von dem Geist und dem Umfang der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: Empfangen von ursprünglichen Punktwolkendaten einer Arbeitsumgebung; Verarbeiten einer auf der Grundlage der ursprünglichen Punktwolkendaten aufgebauten Karte, um einen Boden, eine Wand und Hindernisse in der Arbeitsumgebung zu erkennen; Paaren des erkannten Bodens mit der erkannten Wand gemäß der Nähe des Bodens zu der Wand, um ein oder mehrere benachbarte Boden-Wand-Paare zu bilden; und Durchführen einer Strahlverfolgungsanalyse für das eine oder die mehreren benachbarten Boden-Wand-Paare, um einen Direktsichtbereich und einen Nicht-Direktsichtbereich in der Arbeitsumgebung zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Empfangen von ursprünglichen Punktwolkendaten einer Arbeitsumgebung umfasst: Empfangen der ursprünglichen Punktwolkendaten, die durch ein Laserdetektions- und Entfernungsmessungssystem oder Tiefenkameras generiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verarbeiten einer auf der Grundlage der ursprünglichen Punktwolkendaten aufgebauten Karte umfasst: Verarbeiten der ursprünglichen Punktwolkendaten unter Verwendung von SLAM-Technik, um eine 3D-Karte der Arbeitsumgebung aufzubauen; Vorverarbeiten der Karte, um Rauschen und/oder Ausreißer zu entfernen; und Segmentieren der vorverarbeiteten Karte, um einen Boden, eine Wand und Hindernisse in der Arbeitsumgebung zu extrahieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Durchführen einer Strahlverfolgungsanalyse für das eine oder die mehreren benachbarten Boden-Wand-Paare umfasst: Verfolgen von m Strahlen zwischen jedem von n Wandpunkten auf der Wand in jedem der Paare und m Punkten auf dem Boden in jedem der Paare; Bestimmen eines ersten Strahls der m Strahlen als Direktsichtverbindung, wenn im Strahlengang des ersten Strahls keine Hindernisse und keine Wand angetroffen sind; und Bestimmen eines zweiten Strahls der m Strahlen als Nicht-Direktsichtverbindung, wenn im Strahlengang des zweiten Strahls ein Hindernis oder eine Wand angetroffen ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Durchführen einer Strahlverfolgungsanalyse für das eine oder die mehreren benachbarten Boden-Wand-Paare auch umfasst: Ermitteln der Anzahl der Strahlen und die Länge der Strahlen, die jeweils als Direktsichtverbindung bzw. Nicht-Direktsichtverbindung bestimmt werden, für jeden der n Wandpunkte.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin umfasst: Visualisieren des Bodens, der Wand und der Hindernisse auf einer grafischen Benutzeroberfläche, so dass der Benutzer sie durchsuchen und markieren kann.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin umfasst: grafische Darstellung des Direktsichtbereichs und Nicht-Direktsichtbereichs für einen dreidimensionalen Punkt oder einen dreidimensionalen Bereich in der Arbeitsumgebung, der durch den Benutzer ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin umfasst: Berechnen und Ausgeben einer idealen Ankerpunktposition an der Wand, basierend auf der Strahlverfolgungsanalyse, wobei die ideale Ankerpunktposition eine Minimierung von Nicht-Direktsicht-Situationen in einem vorgewählten Bereich in der gesamten Arbeitsumgebung ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin umfasst: Bereitstellen einer statistischen Analyse der Beziehung zwischen einem Flächenverhältnis des Nicht-Direktsichtbereichs zu dem Direktsichtbereich einerseits und der Anzahl der an der Wand angebrachten Ankerpunkte und der Einbaupositionen der Ankerpunkte andererseits, basierend auf der Strahlverfolgungsanalyse.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die ideale Ankerpunktposition auf der Wand auf der Basis der Strahlverfolgungsanalyse in Kombination mit vom Benutzer eingestellten Einschränkungen berechnet und ausgegeben wird.
Einrichtung zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung umfasst: ein Empfangsmodul zum Empfangen von ursprünglichen Punktwolkendaten einer Arbeitsumgebung; ein Verarbeitungsmodul zum Verarbeiten einer auf der Grundlage der ursprünglichen Punktwolkendaten aufgebauten Karte, um einen Boden, eine Wand und Hindernisse in der Arbeitsumgebung zu erkennen; ein Paarungsmodul zum Paaren des erkannten Bodens mit der erkannten Wand gemäß der Nähe des Bodens zu der Wand, um ein oder mehrere benachbarte Boden-Wand-Paare zu bilden; und ein Analysemodul zum Durchführen einer Strahlverfolgungsanalyse für das eine oder die mehreren benachbarten Boden-Wand-Paare, um einen Direktsichtbereich und einen Nicht-Direktsichtbereich in der Arbeitsumgebung zu ermitteln.
Einrichtung nach Anspruch 11, wobei das Empfangsmodul konfiguriert ist, um das Empfangen der ursprünglichen Punktwolkendaten durchzuführen, die durch ein Laserdetektions- und Entfernungsmessungssystem oder Tiefenkameras generiert sind.
Einrichtung nach Anspruch 11, wobei das Verarbeitungsmodul umfasst: ein Aufbaumodul zum Verarbeiten der ursprünglichen Punktwolkendaten unter Verwendung von SLAM-Technik, um eine 3D-Karte der Arbeitsumgebung aufzubauen; ein Vorverarbeitungsmodul zum Vorverarbeiten der Karte, um Rauschen und/oder Ausreißer zu entfernen; und ein Punktwolkensegmentierungsmodul zum Segmentieren der vorverarbeiteten Karte, um einen Boden, eine Wand und Hindernisse in der Arbeitsumgebung zu extrahieren.
Einrichtung nach Anspruch 11, wobei das Analysemodul dazu konfiguriert ist, um Folgendes durchzuführen: Verfolgen von m Strahlen zwischen jedem von n Wandpunkten auf der Wand in jedem der Paare und m Punkten auf dem Boden in jedem der Paare; Bestimmen eines ersten Strahls der m Strahlen als Direktsichtverbindung, wenn im Strahlengang des ersten Strahls keine Hindernisse und keine Wand angetroffen sind; und Bestimmen eines zweiten Strahls der m Strahlen als Nicht-Direktsichtverbindung, wenn im Strahlengang des zweiten Strahls ein Hindernis oder eine Wand angetroffen ist.
Einrichtung nach Anspruch 14, wobei das Analysemodul ferner dazu konfiguriert ist, um das Ermitteln der Anzahl der Strahlen und die Länge der Strahlen, die jeweils als Direktsichtverbindung und Nicht-Direktsichtverbindung bestimmt werden, für jeden der n Wandpunkte durchzuführen.
Einrichtung nach Anspruch 11, ferner umfassend: ein erstes grafisches Anzeigemodul zum Visualisieren des Bodens, der Wand und der Hindernisse auf einer grafischen Benutzeroberfläche, so dass der Benutzer sie durchsuchen und markieren kann.
Einrichtung nach Anspruch 11, ferner umfassend: ein zweites grafisches Anzeigemodul zur grafischen Darstellung des Direktsichtbereichs und Nicht-Direktsichtbereichs für einen dreidimensionalen Punkt oder einen dreidimensionalen Bereich in der Arbeitsumgebung, der durch den Benutzer ausgewählt ist.
Einrichtung nach Anspruch 11, ferner umfassend: ein Berechnungsmodul zum Berechnen und Ausgeben einer idealen Ankerpunktposition an der Wand, basierend auf der Strahlverfolgungsanalyse, wobei die ideale Ankerpunktposition eine Minimierung von Nicht-Direktsicht-Situationen in einem vorgewählten Bereich in der gesamten Arbeitsumgebung ermöglicht.
Einrichtung nach Anspruch 11, ferner umfassend: ein statistisches Analysemodul zum Bereitstellen einer statistischen Analyse der Beziehung zwischen einem Flächenverhältnis des Nicht-Direktsichtbereichs zu dem Direktsichtbereich einerseits und der Anzahl der an der Wand angebrachten Ankerpunkte und der Einbaupositionen der Ankerpunkte andererseits, basierend auf der Strahlverfolgungsanalyse.
Einrichtung nach Anspruch 18, wobei das Berechnungsmodul dazu eingerichtet ist, um die ideale Ankerpunktposition auf der Wand auf der Basis der Strahlverfolgungsanalyse in Kombination mit vom Benutzer eingestellten Einschränkungen zu berechnen und auszugeben.
Computerspeichermedium, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerspeichermedium Anweisungen umfasst, wobei die Anweisungen beim Ausführen ein Verfahren zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchführen.
Drahtloses Sensorsystem, das eine Einrichtung zur Analyse einer dreidimensionalen Umgebung nach einem der Ansprüche 11 bis 20 umfasst.