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Positionsbestimmung und Positioniergenauigkeit

In der mobilen Robotik muss generell zwischen der Positionsbestimmung und der Positioniergenauigkeit unterschieden werden.

Die Genauigkeit der Positionsbestimmung gibt an, wie exakt ein Roboter seine reale Position relativ zu bekannten Referenzpunkten bestimmen kann. Dadurch lässt sich beispielsweise feststellen, ob der Roboter seinen vorgegebenen Pfad verlassen oder seine Zielposition erreicht hat. Wenn der Versatz zwischen der Soll- und der Ist-Position genau genug ermittelt werden kann, kann dieses Wissen zum Beispiel verwendet werden, um zu entscheiden, ob ein erneutes Rangieren notwendig und sinnvoll wäre. Oder die Bewegungen des auf dem Roboter montierten Roboterarmes können so angepasst werden, dass sie den Versatz zwischen Soll- und Ist-Position ausgleichen. Die Positionsbestimmung ist vor allem von den verwendeten Sensoren abhängig.

Mit der Positioniergenauigkeit wird angegeben, wie gut ein Roboter eine vorgegebene Zielposition erreichen kann. Sie wird primär durch die verwendete Kinematik und die Fahrtgeschwindigkeit bestimmt. Bei nicht omnidirektional beweglichen Robotern (etwa mit Differentialantrieb) kann es vorkommen, dass der Roboter leicht versetzt neben der Zielposition ankommt, dann aber keine Möglichkeit mehr hat, den Versatz auszugleichen, weil die Umgebung zu eng zum Rangieren ist. Auch bei sehr hohen Geschwindigkeiten leidet die Positioniergenauigkeit, da die relativ zeitaufwändige Positionsbestimmung nicht schnell genug läuft, um Fahrtabweichungen auszuregeln.

Insgesamt kann es also durchaus vorkommen, dass ein Roboter seine Zielposition nach schneller Fahrt nur mit einigen Zentimetern Abweichung erreicht, die exakte Position dann aber bis auf wenige Millimeter genau feststellen kann.

Die Details der beiden wichtigsten Lokalisierungsmethoden finden Sie in diesem Dokument.

Laserscanner - Landmarken-basiert

Die in mobilen Robotern verwendeten Laserscanner tasten die Umgebung in einer Ebene ab. Sie werden meist so platziert, dass die Scanebene parallel zum Boden und möglichst niedrig liegt. Dadurch erhält der Roboter quasi eine Schnittansicht durch seine unmittelbare Umgebung. Der Sichtbereich ist abhängig von den verwendeten Scannertypen, ihrer Anzahl und Positionierung. Einfache Konfigurationen bieten nur 180° Sichtwinkel bei maximal 30m Reichweite, während andere Systeme volle Rundumsicht und Reichweiten bis 250m erlauben.

In jedem Fall erkennt der Roboter im Umgebungsscan verschiedene markante Elemente, sogenannte natürliche Landmarken. Dies können gerade Linien (Wände, Sockel, Tore), Kreise (Säulen u. ä.) oder stark reflektierende Punkte (glänzende Objekte oder aufgeklebte Reflektoren) sein. Die erkannten Landmarken werden ständig mit einer auf dem Roboter gespeicherten Karte verglichen, um so die exakte Position des Roboterfahrzeugs zu berechnen.

In vielen Umgebungen finden sich mobile Roboter auf diese Weise schon auf Anhieb sehr gut zurecht. Nur wenn die Umgebung entweder sehr gleichförmig oder extrem zerklüftet ist, also der aktuelle Scan mit verschiedenen Kartenpositionen übereinstimmen würde bzw. nur sehr wenige Landmarken erkannt werden, sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Durch das Aufkleben von Reflektoren können zum Beispiel eindeutige Landmarken erzeugt werden, die die Positionsbestimmung deutlich verbessern.

Laserscanner - Reflektor-basiert

Eine Alternative zur Landmarken-basierten Positionsbestimmung sind Systeme, die ausschließlich spezielle Reflektoren auswerten und daraus die Position im Raum errechnen. Neobotix unterstützt zum Beispiel den NAV350 von Sick.

Voraussetzung dafür ist ein uneingeschränktes 360°-Blickfeld, weshalb der Scanner ganz oben am Fahrzeug, möglichst noch über Kopfhöhe, montiert werden muss. In dieser Höhe kann er dann aber, anders als die tief angebrachten Sicherheitslaserscanner, nicht mehr zur sicheren Kollisionsvermeidung verwendet werden.

Der Scanner erkennt die fest montierten Reflektoren und vergleicht deren sichtbare Anordnung mit einer direkt auf dem Scanner hinterlegten Umgebungskarte. Da bei diesem Verfahren lediglich einzelne Punkte verglichen werden müssen und nicht, wie beim Landmarken-basierten Verfahren, Linien und Linienstücke, kann die aktuelle Position sehr schnell und genau ermittelt werden. Wenn mindestens drei Reflektoren zu sehen sind, ist der Scanner in der Lage, direkt die Abolutposition und die Orientierung des Roboters zu liefern. Diese sehr zuverlässige Information wird dann von der Robotersteuerung PlatformCtrl für die Pfadplanung genutzt.

Odometrie

Odometrie ist die Positionsbestimmung anhand der bisher zurückgelegten Wege. Dazu wird aus den Geschwindigkeiten aller angetriebenen Räder permanent die aktuelle Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit des gesamten Roboters berechnet. Aus diesen wiederum ergibt sich dann der seit dem Start zurückgelegte Weg.

Die Genauigkeit der Odometrie ist jedoch begrenzt und die Abweichung zwischen der realen und der berechneten Position des Roboters nimmt stetig zu, je weiter der Roboter fährt. Insbesondere auf unebenen oder rutschigen Untergründen können sich mobile Roboter meist nur sehr eingeschränkt auf die Odometrie verlassen. Bereiche, in denen eine Positionsbestimmung per Laserscanner nicht möglich ist, können so zwar gut überbrückt werden, anschließend ist aber fast immer eine Korrektur nötig, um die berechnete mit der realen Roboterposition wieder in Einklang zu bringen. Bei Neobotix-Robotern erfolgt diese Korrektur automatisch, sobald wieder ausreichende Landmarken erkannt werden.

Andere Methoden

Es gibt noch zahlreiche andere Möglichkeiten, wie ein mobiler Roboter seine Position berechnen kann, zum Beispiel durch Auswertung von Trägheitssensoren, durch Ultraschallsensoren oder mit Hilfe von fest installierten Markern oder Leitlinien im oder auf dem Boden.

Die meisten dieser Lösungen sind jedoch entweder deutlich ungenauer, teurer oder aufwändiger als die Verwendung von Laserscannern.