Sichtfelderweiterung eines Laserscanners mittels einer Kamera für unbemannte Luftfahrzeuge

Nutzungskonzepte fur kleine unbemannte Luftfahrzeuge beschreiben oftmals eine Verwendung in Bodennahe, nah an Objekten und innerhalb einer unbekannten Hinderniskulisse. Randbedingungen wie ein Betrieb auserhalb der Sicht des Operators und die Fortfuhrung eines Einsatzes auch bei gestorter Kommunikation erfordern, dass die Luftfahrzeuge auch ohne direkte Anweisungen selbstandig und sicher operieren konnen. Einsatze in einem unbekannten Gelande setzen zusatzlich die automatische Detektion von Hindernissen voraus, um Kollisionen zu verhindern. Fur kleine unbemannte Luftfahrzeuge mit begrenzter Nutzlast stehen fur die automatische Hindernisdetektion nur wenige Sensoren mit unterschiedlichen Nachteilen, wie begrenztem Auflosungsvermogen, Sichtfeld oder geringer Signifikanz der Daten, zur Verfugung. Aktuelle Sensoren konnen alle Anforderungen, welche vom Luftfahrzeug ausgehen oder an eine Umweltwahrnehmung gestellt werden, allein oft nicht erfullen. Diese Arbeit prasentiert eine automatische Detektion von Hindernissen auf Basis einer Fusion monokularer Kamera- und monogoner Laserscannerdaten, welche eine Umgebungswahrnehmung bereitstellt, die gegenuber dem alleinigen Einsatz des Laserscanners erweitert ist und eine umfassendere Sicht auf die Umwelt ermoglicht. Daruber hinaus wird eine automatische Kalibrierung der beiden Sensoren zueinander sowie Verfahren fur die Integration von kontinuierlichen Entfernungsmessungen in ein diskretes Weltmodell vorgestellt. Das Ergebnis dieses Vorgehen ist ein metrischen Weltmodell, welches den Raum, der das Luftfahrzeug umgibt, diskretisiert und pro Zelle beschreibt, ob der jeweilige Raum durch ein Hindernis belegt ist und somit nicht gequert werden kann. Voraussetzung fur die Fusion ist eine Bestimmung der extrinsischen Parameter zwischen der monokularen Kamera und dem monogonen Laserscanner. In der Arbeit wird ein automatisches Verfahren vorgestellt, das neben den Entfernungs- auch die Intensitatsmessungen des Laserscanners verwendet, um Fehlmessungen des Laserscanners welche auf Kantentreffern basieren, zu detektieren. Als weitere Voraussetzung werden Losungsansatze fur die Integration von Entfernungsmessungen in ein diskretes Weltmodell vorgestellt, welche eine ungewollte Freizeichnung von Zellen verhindert, die als Folge einer Diskretisierung nur teilweise belegt sind. Diese Verfahren werden bezuglich ihrer Rechenperformanz verglichen und ein Ansatz mit der besten Eignung fur den Betrieb auf einem kleinen unbemannten Luftfahrzeug ausgewahlt. Die dargelegte Fusion ist zweistufig aufgebaut und nutzt eine kooperative Fusion, auf die eine konkurrierende Fusion folgt. Die kooperative Fusion der Sensordaten generiert dreidimensionale vereinfachte planare Approximationen der betrachteten Hindernisoberflachen, wobei deren Lage und Position auf Lasermessungen und die Abmessungen auf monokularen Kameradaten beruhen. Die Annahme einer planaren Oberflachenapproximation bildet die tatsachlichen Hindernisse nur sehr grob ab. Aus diesem Grund werden mehrere Approximationen, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten und Blickwinkeln von den Hindernissen generiert wurden, in einem metrischen Weltmodell, einem OcTree, unter Verwendung eines probabilistischen Sensormodells konkurrierend fusioniert, um eine realistischere Reprasentation der Hindernisse zu erreichen. Der Fokus bei der Entwicklung lag auf kleinen unbemannten Luftfahrzeugen und den fur diese Klasse von Vehikeln zur Verfugung stehenden Sensoren. Die umgesetzten Algorithmen sind fur den Betrieb an Bord des Vehikels vorgesehen und im Hinblick auf die begrenzte Rechenleistung optimiert. Validiert wurden die Verfahren in Simulationen und mittels realer Testdaten, die mit einem unbemannten Helikopter als Sensortrager erstellt wurden. Die Ergebnisse zeigen eine erfolgreiche Erweiterung der Hinderniswahrnehmung, welche fur das dargelegte Beispiel um 140% uber die Sicht des Lasers hinausgeht. Der Ansatz ermoglicht damit einen Betrieb des unbemannten Vehikels in einer unbekannten Hinderniskulisse, der sicherer ist als bei alleiniger Nutzung eines Einzelsensors.