GNSS-freie Navigation

Mit dem DMT Pilot 3D haben DMT und DLR ein System entwickelt, dass die Echtzeit- Navigation auch dann ermöglicht, wenn keine Verbindung zu einem Geo-Satelliten besteht. Zudem kann die Lösung detaillierte 3D-Modelle erstellen.

Bereits im Jahr 2016 stellten die DMT GmbH & Co. KG und das Institut für Optische Sensorsysteme am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) den DMT Pilot 3D vor. Als mobiles Multisensorsystem entwickelt, stellt der DMT Pilot 3D eine Positionierungs- und Navigationslösung in Echtzeit dar. Die dabei genutzten Algorithmen und Techniken entstammen dem Integrated Positioning System (IPS), welches vom DLR entwickelt wurde. Mit dem System wollte DMT ein kostengünstiges, passives Messsystem entwickeln, das ohne externe Referenzen – wie beispielsweise die GNSS-Satellitennavigation oder vorhandenes Kartenmaterial – auskommt.

Der DMT Pilot 3D ermöglicht hochauflösende Punktwolken mit einer Genauigkeit von zwei Zentimetern. Foto: DMT GmbH & Co. KG

Herausgekommen ist ein System, welches gleich zwei Funktionen bedienen kann: Zum einen kann mit dem DMT Pilot 3D eine reine Navigation und Inspektion durchgeführt werden, ohne dafür auf äußere Referenzen – beispielsweise GNSS-Empfang – angewiesen zu sein. Zum anderen ermöglicht der DMT Pilot 3D in der Nachbearbeitung die dreidimensionale Dokumentation von Räumen, auch unter Tage. Die dafür benötigten Daten liefern sowohl die aufgenommen Bildpaare als auch die Trajektorie aus der Navigationsfunktion.

Sensorkopf und Rechnereinheit

Ursprünglich als Multisensorsystem für den Einsatz unter Tage entwickelt, bietet der DMT Pilot 3D durch seine flexible Funktionsweise auch anderen Branchen gegenüber herkömmlichen Aufnahmesystemen, wie dem terrestrischen Laserscanning, entscheidende Vorteile. Seine Stärken vollends ausspielen kann das System jedoch in kleinen, verwinkelten Räumen. So müssen nicht mehrere Einzelscans miteinander verknüpft werden, um eine flächendeckende Abbildung des Gesamtobjekts zu erstellen. Aufgrund der kontinuierlichen Bildaufnahme und der vorhandenen Trajektorie des DMT Pilot 3D lassen sich durch entsprechende Bewegungen des Anwenders auch abgeschottete Bereiche erfassen. Die Aufnahme von Einzelscans, deren Registrierung und Verknüpfung untereinander sowie der wiederholte Aufbau entfallen also. Nachteil des DMT Pilot 3D: Mit seiner Stereobasis von lediglich etwa elf Zentimetern ist das System auf eine Reichweite von etwa acht Metern begrenzt.

Der DMT Pilot 3D lässt sich in zwei Hauptkomponenten unterteilen: Den Sensorkopf und die Rechnereinheit. Der Sensorkopf seinerseits besteht ebenfalls aus zwei Komponenten – der Inertialmesseinheit und dem Sensorkamerasystem. Die Inertialmesseinheit bildet dabei den zentralen Baustein des Systems. Bei der inertialen Messung wird durch zweimalige Integration innerhalb eines Strapdown-Algorithmus aus den Beschleunigungen und Dreharten die Position sowie die Lage des Sensors im Raum bestimmt. Weil auch Fehlereinflüsse dabei miteinberechnet werden können, führt das zu einer Abweichung in der Navigationslösung.

Die Rechnereinheit steuert per Software die Sensorik. Basis der dafür genutzten Software ist die Navigation Engine (NE) mit der die Echtzeitnavigation des Gerätes definiert werden kann. Die Navigationslösung wird dabei mit einer Frequenz von 10 Hertz berechnet und ist aktuell lediglich durch die softwareseitige Bildverarbeitung begrenzt. In der NE finden sich außerdem die für die Steuerung der Sensorik notwendigen Algorithmen und Techniken. Bislang wird als Rechnereinheit ein handelsübliches Tablet genutzt.

VINS –Visual Aided Navigation System

Mit dem DMT Pillot 3D lassen sich hochauflösende Punktwolken eines Untertagebaus erstellen. Die Genauigkeit dabei ist mit Laserscans vergleichbar. Foto: DMT GmbH & Co. KG

Visuell unterstützt wird die Inertialmessung von einem Multisensorsystem. Mithilfe des Stereokamerasystems können unter Hinzunahme einer automatischen Bilderkennung homologe Texturen erstellt werden. Zudem ermöglicht die Triangulation einer bekannten Orientierung des Kamerasystems die dreidimensionale Erfassung von Raumpunkten (Intramatching). Anschließend werden die Raumpunkte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Szenen verglichen (Intermatching). Daraus können Translation und Rotation bestimmt werden, die zusammen mit den Messdaten aus der Inertialmesseinheit als Eingangswerte für die Kalman-Filterung dienen. Das Resultat: Durch die Kalman-Filterung lassen sich die Freiheitsgrade des Systems in Echtzeit ableiten – und durch die anschließende fotogrammetische Auswertung im Nachgang ein detailliertes, dreidimensionales Bild eines Raumes erstellen.

Das Stereokamerasystem des DMT Pilot 3D ist mit Kameras ausgestattet, deren Sensoren im Echtfarbbereich bis in den nahen Infrarotbereich empfindlich sind. Zusätzlich werden hochwertige Objektive verwendet, die für den Einsatz in dunklen Umgebungen prädestiniert sind. Somit gewährleistet der DMT Pilot 3D zum einen die bestmögliche geometrische Auflösung, zum anderen ist er für den Einsatz in dunklen Umgebungen geeignet.

Halle 12.1 | E.058

www.dmt-group.com