Institut für Regelungs- und Steuerungssysteme IRS

Fußgängernavigation (IndoorGuide)

 Am Schuh und Torso befestigte Inertialsensorik mit Laser und KameraDas Forschungsgebiet IndoorGuide mit den zwei Schwerpunkten Kartierung und Indoor Positionierung befasst sich mit der Navigation und Guidance von Personen in Innenräumen, also der Bestimmung einer Navigationslösung für eine mit Sensoren ausgerüstete Person vornehmlich in Gebäuden und der Leitung zu einem gewünschten Navigationsziel innerhalb einer Karte. Einsatzbereiche sind:

  • Katastrophenschutz
  • Feuerwehrleute und Rettungspersonal
  • Unterstützung von Blinden im Alltag
  • Consumerbereich

In Gebäuden ist das oben geschilderte Verfahren mit Stützung durch Satellitennavigation und Erdmagnetfeld-Sensoren allerdings nur sehr eingeschränkt möglich: Die Satellitennavigation liefert in Gebäudenähe und innerhalb von Gebäuden keine oder nur sehr ungenaue Ergebnisse, da Funksignale nur stark gedämpft oder über Mehrfachreflexionen zu empfangen sind. Hinzu kommt, dass von Innenräumen der Gebäude im Allgemeinen keine Karten verfügbar sind. Da in unpräparierten Räumen navigiert werden soll, muss außerdem auf spezielle Infrastruktur wie vermessene Sender oder Induktionsschleifen verzichtet werden.

Bei der Navigation in urbanem Gebiet bzw. innerhalb von Gebäuden stellt sich also im allgemeinen Fall die Aufgabe, eine Navigationslösung ohne Rückgriff auf Satellitennavigation, vorhandenes Kartenmaterial oder besondere Gebäudeinfrastruktur zu ermitteln.

Links zu den Fernsehberichten:

Inertialsystem

Grundlage des am ITE bereits entwickelten IndoorGuide ist deshalb Inertialsensorik, welche die Bewegung der Person mit Hilfe von Beschleunigungs- und Drehratensensoren verfolgt. Werden diese Bewegungen aufintegriert, kann die Trajektorie der Person errechnet werden. Dazu wird ein Inertialsystem am Fuß montiert, welches dessen Bewegung verfolgt. Dabei kommen Miniatursensoren mit vergleichsweise stark fehlerbehaftetem Signal zum Einsatz, welche bei Standardmethoden zu einem Navigationsfehler von mehreren Hundert Metern innerhalb nur einer Minute führen würde. Erst durch eine geeignete Kombination und durch geeignete Algorithmik kann eine genaue Positionierung erreicht werden. Dabei wird vor allem die Stillstandsphase des Fußes in Form von sogenannten Zero Velocity Updates dem Navigationsfilter aufgeschaltet, wodurch ein Großteil der aufsummierten Fehler eliminiert werden kann. Navigationslösung (sieben Testläufe)

Durch eine zweite, am Torso montierte Inertialsensoreinheit kann des Weiteren die Bewegung des Torsos aufgezeichnet werden. Auf dieser zweiten Plattform ist zusätzlich ein elektronischer Kompass und ein elektronischer Höhenmesser zur langzeitgenauen Stützung von Richtung und Höhe aufgebaut. Mit diesem gesamten dualen Inertial System konnten bereits vielversprechende Ergebnisse erzielt werden, wie Abbildung 2 Navigationslösung (sieben Testläufe) zeigt. Unter Ermangelung einer absoluten Positionstützung wie bei der Satellitennavigation driftet diese Navigationslösung jedoch unweigerlich mit der Zeit. In diesem Zusammenhang werden deshalb weitere Stützsensoren wie Laser oder Kamera untersucht. Dazu wird eine möglichst enge Datenfusionsstrategie angestrebt, was nicht zuletzt durch das angestrebte Duale Inertialsystem erst möglich wird, da sowohl die hochgenaue Positionierung durch die Fußsensorik als auch die Dynamik eines am Torso montierten Lasers oder Kamera im dualen System integriert ist.

Laserranger

Zur Stützung des Inertialsystems und zur Kartierung wird am ITE die Integration eines tragbaren Laser-Entfernungsmessers untersucht. Das Erstellen einer Umgebungskarte und die Positionierung innerhalb dieser Karte geschehen gleichzeitig, was auch SLAM (engl. simultaneous localization and mapping) genannt wird. Somit wird die mittels der Inertialsensorik gewonnene Bewegungsschätzung verbessert und eine Umgebungskarte sukzessive aufgebaut. Mittels des speziell auf Innenräume angepassten sogenannten OrthoSLAM-Verfahrens wird die benötigte Rechenleistung stark reduziert und Echtzeitfähig erreicht. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Kombination von Laser und Inertialsystem zu einem sehr robusten und hochgenauen Navigationssystem für Innenräume führt. Gerade auch die Vermessung von Räumen ist ein Ziel, welches am ITE weiterverfolgt wird.

Bildverarbeitung

Abbildung 3 Schätzung der Eigenbewegung
anhand von Videodaten

Am ITE wird der Einsatz von Kameras zur Stützung und Kartierung untersucht, was als VisualSLAM bekannt ist. Aus den Bildern einer bewegten Kamera kann mittels Bildverarbeitung die Eigenbewegung sowie die Struktur der Umgebung berechnet werden (engl: structure-from-motion, SFM). Die bildbasierte Navigation liefert eine vollständige Navigationslösung und ist in der Lage in Kombination mit einem Laserscanner die lokale Umgebung hochgenau zu kartieren, wie in Abbildung 3 zu sehen ist.

Am ITE werden verschiedenste Techniken verwendet, die unterschiedliche Stärken aufweisen. Beispielsweise werden verschiedene Arten von Bildmerkmalen, wie z.B. Punktmerkmale oder Linienmerkmale, und verschiedene Methoden zur Datenfusion untersucht, z.B. Kalman-Filter basierte Methoden oder numerische Optimierungsverfahren. Ziel ist es, die verschiedenen Techniken mit den Messungen der Inertialsensorik und des Lasers optimal zu kombinieren, um eine robuste und hochgenaue Navigation zu ermöglichen.

Ansprechpartner

3D Karte eines Gebäudes