Biologische Vorbilder

Insektenauge:

• (relativ) fest mit dem Körper ver- bunden, keine Fixation

• geringe Auflösung

• keine Scharfstellung

• geringe Überlappung der

Bildfelder beider Augen (=> kaum Stereo)

• nichtuniforme Samplingbasis

=> Insekt muß Distanzinformation aus optischem Fluß gewinnen Verhaltensleistungen:

• Zentrierung in Korridor durch Abgleich des Flusses in beiden Augen

• Anpassung an Korridorweite, Flughöhenregelung und Landung auf einer ebenen Fläche durch Konstanthalten des Flusses

• Landung/Ausweichmanöver bei frontalem Expansionsfluß

• Zielabstand durch seitliches Bewegen des Kopfes

Biologische Vorbilder

vermeidung

3

Y

'

^sin ϕ

'

=

Ω

• Distanzmessung ist nur dort möglich, wo Kontraste sichtbar sind

• Eigengeschwindigkeit muß für Distanzschätzung bekannt sein, sonst ergeben sich nur relative Distanzen

• kleiner Fluß in Bewegungsrichtung wegen sin => geringste Genauigkeit im Vorausbereich, größte Genauigkeit senkrecht zur Bewegungsrichtung

• keine Information in und entgegen der Fahrtrichtung

• funktioniert nur bei reiner Translation

• 3 darf sich nicht selbst bewegen

Distanz aus Bildbewegung

vermeidung

Braitenberg-Vehikel 3. Art:

• 2 Korrelationsdetektoren werden ipsi- und contralateral über Gewichte mit den Antriebsmotoren verbunden.

• Blickrichtung und Gewichte werden mit einem genetischen Algorithmus berechnet

• Fitnessfunktion: Weglänge in texturiertem Tunnel

S. A. Huber, H. H. Bülthoff (1997), Proc. o7th Intl.

Conf. on Artificial Neural Networks , pp. 709-714

Hindernis- vermeidung

Flußgesteuertes Insektoid

Hindernis- vermeidung

Insektoid (100. Generation)

• 4 Freiheitsgrade (Translation in x-, y-, und z- Richtung, Drehung um die Hochachse

• 2 nach schräg vorne und oben gerichtete Schubvektoren

• in jedem Auge ein vertikaler und ein horizontaler Bewegungsdetektor

• simulierte Gravitation

• einfach texturierter Tunnel mit vertikalen und horizontalen Hindernissen

Neumann T.R., Huber S.A., Bülthoff H.H.

(1997), Proc. 7th Intl. Conf. on Artificial Neural Networks ICANN97. pp 715-720

Hindernis- vermeidung

Insektoid im 3D-Flug

1. Generation 4. Generation

10. Generation 28. Generation

Hindernis- vermeidung

3D-Insektoid

• Flußdetektoren haben i.A. einen sehr begrenzten Bereich von detektierbaren Geschwindigkeiten

• Flußdetektoren, insbesondere

Korrelationsdetektoren, reagieren kontrastabhängig

• Flußsignale sind stark verrauscht

• Fehlkorrespondenzen, Aperturproblem,

Verletzungen von Bewegungsmodellannahmen

• Inhomogen verteilte Kontraste

• Hindernisse ohne Textur

• Rotation verfälscht Distanzschätzungen

• Schlechte bzw. gar keine Tiefenauflösung in Fahrtrichtung

• Bewegliche Hindernisse

=> variable Basislänge

=> Anpassung der Geschwindigkeit

=> Räumliche Integration

=> Tiefpaß- oder Kalmanfilterung der Distanzschätzungen

=> Wandfolgeverhalten

=> Anpassung der Pfadplanung

=> Anpassung der Bewegung, Korrektur

=> Time to contact (TTC)

=> Anpassung der Pfadplanung

=>

Flußfeldsegmentierung Hindernis- vermeidung

Technische Probleme

N. Franceschini et al. (1992), 3KLO7UDQV56RF /RQG%, , 283-294.

dreht sich immer in Fahrtrichtung

* (lementary 0otion 'etectors

Korrelationsdetektor

Hindernis- vermeidung

Roboter mit analogen EMD*s

„Komplexauge“

Hauptplatine Komplex- auge: Widerstände, Dioden, Konden- satoren, OpAmps in

SMD-Technik Synchro-Drive- Plattform

Hindernis- vermeidung

Hindernisvermeidung mit analogen EMDs

Sehachsen der EMDs:

Basisabstand folgt sin - Abhängigkeit

=> Anpassung an den durchschnittlichen Fluß

=> Detektorarchitektur bleibt gleich

=> keine Anpassung an Exzentrizität bei der Distanzschätzung nötig Stückweise konstante Bewegung => leichte Separierung des Rotations- flusses

Zylindrische Hindernisse mit einheitlich starker Textur

Ziel

Blinder Fleck

Hindernis- vermeidung

Anpassung der Basislänge

• nur 1 Kamera => stückweise konstanter Zickzack- Pfad, Kamera dreht sich immer von der einen auf die andere Seite

• Richtungsbewertung über Potentialansatz:

• Blinder Fleck zeigt nach vorne =>Bewegung nur in Richtung vorher

detektierter Objekte (nur dort ist gesicherte

Information über Freiraum verfügbar)

P.J. Sobey(1994), %LRO&\EHUQ. , 433-440 Zielfeld

Objektkonfidenz

Abstoßung nahe Hindernissen

Ziel/Objektblockierung

Ziel

Ziel Letzte

Fahrt- richtung

Hindernis- vermeidung

Anpassung der Pfadplanung

• J. Santos-Victor et al. (1995),

,QWO-&RPSXWHU9LVLRQ, 159-177

• D. Coombs, K. Roberts (1993), 3URF,(((&RQI

&RPS9LV3DW5HF IEEE Computer Society Press, Los Alamitos, CA, pp. 440-451

• S.A.Huber (1997), Ingeborg Huber Verlag, Schwangau

• A.P. Duchon, W.H. Warren, Proc. ,(((&RQI6\VW0DQ

&\EHUQ IEEE Computer Society Press, Los Alamitos, CA, pp. 2272-2277

• K. Weber et al. (1997), in M.V.Srinivasan, S.Venkatesh,

)URP/LYLQJ(\HVWR6HHLQJ 0DFKLQHV, Oxford University Press, Oxford, pp. 226-248

„Divergentes Stereo“

Grundprinzip:

• 2 Kameras messen Fluß auf linker und rechter Seite des Roboters

• Roboter bewegt sich auf die Seite des kleineren Flusses

=> Ausgleich des linken und rechten Flusses =>

Zentrierung

Zentrierung

Zentrierung im Korridor

Flußvektoren sind nur an Kontrasten meßbar

Inhomogenität der Fluß- vektoren erfordert räumliche Integration:

• Maximaler Flußvektor eines Bildbereiches <=> nächstes Hindernis, aber nicht robust gegen Ausreißer (s.u.)

• Mittelung über Bereich:

robuster, aber Gefahr des Übersehens kleiner, naher Objekte

• p-Quantil der Flußbetragsverteilung: robust, Empfindlichkeit kann durch Wahl von p an die Eigenschaften des Flußfeldes angepaßt werden.

Histogramm der Flußbeträge

Maximum 0.95-Quantil

Ausreißer

Zentrierung

Räumliche Integration von Flußmessungen

Rotationsfluß verfälscht Distanzschätzungen:

• Objekte mit Fluß in Richtung der Rotation erscheinen näher

• Bei Montage der Kameras außerhalb der Rotationsachse ergeben sich weitere Fehler (überlagertes Translationsfeld => distanzabhängige Fehler)

• Rotationsfluß überlagert Translationsfluß und läßt diesen u.U. im Rauschen untergehen

Maßnahmen:

• stückweise konstante Bewegung mit Unterdrückung der Hindernisvermeidung bzw. Zentrierung bei Rotation

• Schätzung des Rotationsflusses im Vorausbereich und Korrektur

• Rotation aus Odometrie und Korrektur

• Gegenrotation der Kamera mit sakkadischer Rückholung

• Montage der Kameras nahe an der Rotationsachse

• Schnelle Vorwärtstranslation, langsame Rotation

• Anpassung der Geschwindigkeit an Durchschnittsfluß

Zentrierung

Rotationseinfluß