Herausforderung

Der Einsatz eines 2D-Kameramoduls auf einem autonomen Miniroboter erweitert dessen sensorische Fähigkeiten um einen komplexen, für viele Anwendung vorteilhaft einsetzbaren Sensor. Einem mit diesem Modul ausgestatteten Roboter wird beispielsweise ermöglicht, entfernte Objekte der Form und Farbe nach zu erkennen, seine Umwelt zielgerichtet zu explorieren und sich zu orientieren. Komplexe Anwendungen wie kamerabasierte Verfahren zur Lokalisation des Roboters bei gleichzeitiger Abbildung der lokalen Umgebung auf eine roboterinterne Umgebungskarte (SLAM) können auf dem Roboter evaluiert und optimiert werden.

Roboterkomponenten

Das 2D-Kameramodul ist so ausgelegt, dass es auf ein vorhandenes Roboter-Basismodul aufgesteckt werden kann. Dabei soll der Roboter durch das Modul nicht mit zusätzlichen Berechnungen belastet werden. So ergibt sich die Notwendigkeit der sensornahen Bildverarbeitung.

Entwickelt wurde eine FPGA-basierte (FPGA - Field Programmable Gate Array) Lösung, bei der ein FPGA zum einen den Bildsensor ansteuert und die Bilddaten entgegennimmt. Zum anderen erfolgt auf dem FPGA die anwendungsoptimierte Bildverarbeitung, so dass zum Prozessor des Robotern nur aufbereitete, symbolische Daten übertragen werden müssen. Für die einzelnen Komponenten ergeben sich die folgenden Eigenschaften:

Kameramodul

Die Bildverarbeitung auf dem FPGA-Modul kann anwendungsoptimiert und hocheffizient mit spezialisierten, in VHDL-kodierten Hardwaremodulen realisiert werden. Alternativ können die Bildverarbeitungsalgorithmen auch in der Programmiersprache C erstellt werden, wenn die Performanzanforderung für eine Anwendung nicht zu groß ist.

Anwendungen

Durch die Verwendung des 2D-Kameramoduls mit eng gekoppeltem FPGA-Modul werden für den autonomen mobilen Miniroboter viele neue Anwendungen ermöglicht. Beispielsweise wurde auf dem FPGA eine Hindernisdetektion implementiert, die es dem Roboter erlaubt, Hindernisse und auch Vertiefungen während der Umgebungsexploration sicher zu umfahren. Hierfür wird der optische Fluss in Bildsequenzen analysiert und eine Entfernungsschätzung zu Objekten realisiert. Weitere Einsatzbeispiele für den Roboter mit Kamera sind:

• Erkennung von Umgebungsmarken anhand ihrer Form und Farbe
• Bildgeführte Exploration einer unbekannten Umgebung
• Experimente mit kooperierenden Robotern mit sichtgestützter Koordination
• Roboterfußball mit sicherer Ball und Gegnererkennung; Multiroboter-Teams

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• Projektbeschreibung (PDF, 117 KB)

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