 | Andert F. Bildbasierte Umgebungserkennung für autonomes Fliegen: Diss. … Dr.-Ing. / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Flugsystemtechnik, Braunschweig. - Köln: DLR, Bibliotheks- und Informationswesen, 2011. - xx, 152 S.: Ill. - (Forschungsbericht; 2011-09). - Bibliogr.: S.137-152. - ISSN 1434-8454
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Kurzfassung/Abstract ............................................ v
Abbildungsverzeichnis .......................................... xi
Tabellenverzeichnis ............................................ xv
Abkürzungen .................................................. xvii
Symbolverzeichnis ............................................. xix
1 Einleitung ................................................... 1
1.1 Unbemannte Luftfahrzeuge ................................ 1
1.2 Gefahrenvermeidung in Bodennähe ......................... 4
1.2.1 Reaktives Ausweichen ............................. 4
1.2.2 Kartenbasierte Planung ........................... 7
1.3 Entwicklung einer Lösung für unbemannte Helikopter ...... 8
1.3.1 Vorbetrachtung ................................... 9
1.3.2 Ziel und Aufbau dieser Arbeit .................... 9
2 Grundlagen .................................................. 11
2.1 Sensoren zur Umgebungserkennung ........................ 11
2.1.1 Abstandssensoren ................................ 11
2.1.2 Kameras ......................................... 12
2.2 Geometrische Grundlagen ................................ 13
2.2.1 Verwendete Koordinatensysteme ................... 14
2.2.2 Rotation und Translation ........................ 15
2.3 Optische Abbildung ..................................... 16
2.3.1 Zentralperspektive .............................. 17
2.3.2 Verzeichnung .................................... 18
2.3.3 Epipolargeometrie ............................... 20
2.3.4 Rektifizierung .................................. 22
2.4 Bestimmung der Kameraorientierung ...................... 24
2.4.1 Beziehungen zwischen Kamera-, Träger-und
Weltkoordinaten ................................. 24
2.4.2 Lokalisierung von Flugversuchsträger und
Kamera .......................................... 25
2.5 Erzeugung von Tiefenbildern ............................ 27
2.5.1 Geometrische Betrachtung ........................ 27
2.5.2 Schätzung von Disparitäten ...................... 29
3 Erzeugung von Umgebungskarten ............................... 31
3.1 Übersicht .............................................. 31
3.1.1 Kartentypen in der Robotik ...................... 32
3.1.2 Anforderungen an Karten zur
Hindernisvermeidung ............................. 33
3.1.3 Kombination von verschiedenen Kartentypen ....... 35
3.2 Erzeugung von Rasterkarten ............................. 36
3.2.1 Belegtheitsgitter zur Umgebungsdarstellung ...... 36
3.2.2 Interpretation und Auswertung von Sensordaten ... 40
3.2.3 Fusion von Sensordaten .......................... 55
3.2.4 Aufteilung der Karte in Zonen ................... 56
3.3 Weltmodellierung ....................................... 60
3.3.1 Möglichkeiten zur Umgebungsdarstellung .......... 60
3.3.2 Modellierung mit Prismen und Bodenebenen ........ 62
3.3.3 Erkennung zusammenhängender Objekte ............. 64
3.3.4 Generierung von Prismen ......................... 66
3.3.5 Bodenerkennung .................................. 72
3.4 Weiterführende Themen .................................. 75
4 Detektion bekannter Muster .................................. 79
4.1 Motivation und Szenario ................................ 79
4.2 Bildbasierte Zielerkennung ............................. 82
4.2.1 Bildauswertung .................................. 82
4.2.2 Lokalisierung der Kamera ........................ 85
4.3 Geodätische Zielpunktschätzung ......................... 89
4.3.1 Schätzung bei bekannter Kameraorientierung ...... 89
4.3.2 Optimierung der Kameraorientierung .............. 90
5 Versuchsdurchführung ........................................ 95
5.1 Testplattform .......................................... 95
5.1.1 Flugversuchsträger .............................. 95
5.1.2 Simulationsumgebung ............................. 97
5.2 Versuche zur Umgebungskartierung ....................... 99
5.2.1 Untersuchung der Stereokamera ................... 99
5.2.2 Kartierung mit manuellen Flügen ................ 100
5.2.3 Autonomer Flug in unbekanntem Gelände .......... 107
5.3 Versuche zur Erkennung und Durchquerung von
Torbögen .............................................. 113
5.3.1 Prinzip der Ablaufsteuerung .................... 113
5.3.2 Simulationstests ............................... 115
5.3.3 Flugversuche ................................... 123
5.4 Abschließende Bewertung ............................... 132
6 Zusammenfassung und Ausblick ............................... 133
Literaturverzeichnis .......................................... 137
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