Robotersysteme erkunden bisher unbekanntes Gelände, Gebäude oder Gefahrenzonen mit Kameras.
Der LiDAR-Laser ist auf einem rotierenden Drehteller befestigt. Pro Sekunde tastet der Laser einen Ausschnitt von 16 senkrechten Scheiben ab. Foto: Fraunhofer FKIE
Im Projekt „3D-InAus“ nutzen Forschende des Fraunhofer-Instituts für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE einen LiDAR-Laser auf einem fahren- den Roboter, der mit Laserimpulsen Entfernungen misst. In der Visualisierung entstehen geometrisch exakte 3D-Umgebungen.
Die Forschenden des Fraunhofer FKIE in Wachtberg arbeiten im Projekt an einer Löung zur Erkundung gefährdeter Räume etwa bei Hochwasser oder Erdbeben. Ein Roboter mit LiDAR-Laser (Light Detection and Ranging) erkundet das Gelände. Die LiDAR-Technik tastet die Umgebung mit gepulstem Licht ab, um Entfernungen zu messen. So entsteht ein 3D-Modell mit Gebäuden, Innenräumen, Freiflächen, Objekten und allen dazu gehörigen Abmessungen und Entfernungen. Nutzer:innen bewegen sich via Joystick völlig frei in der 360-Grad-Visualisierung und untersuchen die virtuelle Umgebung.
Timo Röhling, Technischer Projekt- leiter aus der Abteilung Kognitive Mobile Systeme, sagt: „Im Vergleich zu Robotersystemen, die eine Gefahrenzone mit Kameras erkunden, geht unser Projekt einen großen Schritt weiter. Die Laserimpulse liefern Messwerte für die exakte 3D-Kartographierung eines Geländes oder Gebäudes. Entfernungen und Abmessungen werden dabei nicht geschätzt, sondern auf wenige Zentimeter genau ermittelt.“
Geometrische Punktwolke
Kern der Hardware ist ein LiDAR-Laser auf einem Drehteller. Im LiDAR-Modul ist ein rotierender Spiegel verbaut, mit dem sich zehnmal pro Sekunde ein Ausschnitt von 16 senkrechten Scheiben abtasten lässt. Der Drehteller rotiert den Laser dann so, dass die senkrechten Ausschnitte horizontal eine komplette Rundumsicht abdecken. Es entstehen insgesamt 1,3 Millionen Laserimpulse pro Sekunde.
Das LiDAR-Modul ist auf einem Fahrzeug montiert, das sich im Stop- and-Go-Betrieb oder kontinuierlich durch das Gelände bewegt. Das kontinuierliche Fahren ist deutlich schneller, aber weniger genau. So entsteht eine 3D-Punktwolke, jeder Punkt steht für einen Laserimpuls bzw. eine Entfernungsmessung.
Hinzu kommt ein Kamerasystem mit bis zu sechs Kameras. Deren Bilder werden genutzt, die dazu gehörenden Objekte oder Formen einzufärben. „Wir verschmelzen sozusagen Kamerabilder und Punktwolke. So entsteht eine anschauliche, detaillierte und zugleich geometrisch korrekte 3D-Umgebung mit Häusern, Freiflächen und Objekten“, sagt Röhling.
Die im LiDAR-Laser gewonnen Rohdaten werden bereits während der Fahrt in einem Rechnermodul im Roboter vorverarbeitet. Die endgülti- ge Visualisierung findet dann statio- när im Postprocessing statt. Ein 400 × 400 m großes Gelände kann in etwa drei Stunden kartiert werden. Wenn es im Katastrophenfall besonders schnell gehen muss, kann man durch beschleunigten Betrieb schon nach einer Stunde einen ersten Überblick gewinnen.
Auch für die Bundeswehr, die das Forschungsprojekt in Auftrag gegeben hat, ist die 3D-Kartierung wertvoll. Sie kann verwendet werden, um komplexe Lagebilder von unbekanntem Gelände oder einer Gefahrenzone zu generieren – und damit das Leben von Soldatinnen oder Soldaten schützen. Die Software des Systems ist in der Lage, die Messwerte von Sensoren zu verarbeiten, die gasförmige toxische Substanzen oder radioaktive Quellen detektieren. Diese lassen sich in den 3D-Karten platzieren.
In der visuellen Darstellung werden die Punktwolken durch Kamerabilder eingefärbt. In der virtuellen Szenerie kann man sich frei bewegen. Foto: Fraunhofer FKIE
Virtuelles GPS im Gebäude
Gesteuert wird das Robotersystem in der Regel per Funk. Wenn kein Funkkontakt besteht, können sich die Robotersysteme auch automatisiert auf dem Gelände bewegen. Für Erkundungen ohne GPS-Empfang haben die Forschenden des Fraunhofer FKIE eine Lösung gefunden. Durch die Kartierung des Geländes sind Position und Größe des Gebäudes bekannt, daraus generiert die Software ein virtuelles GPS für das Gebäudeinnere. So kann das Robotersystem auch in den Innenräumen selbstständig navigieren.
Lasermodul und Drehteller sind auf ganz unterschiedlichen Fahrzeugen montierbar. Je nach Gelände könnte man Landfahrzeuge mit Rädern, Kettenfahrzeuge oder auch Drohnen einsetzen. Anwenderinnen und Anwender stellen die Komponenten für jedes Szenario passgenau zusammen.