Objekttracking mit LiDAR

Autoren: Ahmad Hassan, Lihui Liu

Einleitung

Die Gruppe Hassan/Liu beschäftigt sich im Wintersemester 2020/2021 mit dem Thema Objekterkennung und Objekttracking mit dem Hokuyo LiDAR. Im Sommersemester wurde schon ein Arbeitskonzept dazu entworfen inkl. einem Signalflussplan sowie einem morphologischen Kasten. In dem WS20/21 soll eine Umsetzung dieses Arbeitskonzepts in C erfolgen. Zuerst kommt die Einbindung bzw. Einrichtung und Ansteuerung des LiDARs in C. Darauffolgend wird die Koordinatentransformation implementiert. Zum Testen des Schnittstellenkommunikationsprinzips wird auch eine Funktion programmiert, die innerhalb des ersten Monats des Semesters eine Dummy Objektliste erstellt, die an die DS1104 verschickt werden kann anhand von dem vom Team Heuer/Kruse entwickelten Kommunikationsframework. Zukünftig dient diese Funktion dem Versand der tatsächlichen, erfassten Objekte und ihrer Attribute. Es ist die Implementierung eines Connected Component Clusterung Algorithmus zur Segmentierung und eines L-Shape Fitting Algorithmus zur Objektbildung vorgesehen. An letzter Stelle findet die Programmierung des Kalman-Filters zur Objektverfolgung und Schätzung Attribute wie Geschwindigkeit und Beschleunigung der verfolgten Objekte. Eine detaillierte Beschreibung der erforderlichen, fachlichen Grundlagen und des entwickelten Konzepts ist im Objekterkennung mit Hokuyo LiDAR zu finden.

Eine Auflistung der Aufgaben zu den entsprechenden Meilensteinen ist unten ersichtlich.

1. Meilenstein 3:
   1. Implementierung der Einbindung und Ansteuerung des Hokuyo LiDAR
   2. Implementierung der Koordinatentransformation
   3. Testdokumentation der Koordinatentransformation
   4. Versand einer Dummy-Objektliste an DS1104
   5. Implementierung der Segmentierung (Connected Component Clustering)
   6. Erstellen eines PAPs zum L-Shape Fitting Algorithmus
2. Meilenstein 4:
   1. Implementierung des L-Shape Fitting Algorithmus
   2. Implementierung des Kalman Filters
   3. Attribute schätzen
   4. Versand der echten Objektlisten an die dSpace-Karte
   5. Dokumentation im Wiki

Anforderungen

Abbildung 2.1: der Anforderung

Abbildung 2.2: der Anforderung

Abbildung 2.3: der Anforderung

Pflichten

Die vorgenommenen Pflichten zeigen die folgenden Abbildungen:

Abbildung 3.1: Pflichtheft Teil1

Abbildung 3.2: Pflichtheft Teil2

Abbildung 3.3: Pflichtheft Teil3

Komponentenspezifikation (Hier pro Modul ein PAP)

Inbetriebnahme und Ansteuerung des LiDARs

Bei diesem Praktikum verwendete LiDAR ist UGR-04LX-UG01. Im Folgende sind Spezifikation von UGR-04LX-UG01:

Beschreibung	Kenngröße
Maximale Reichweite	20 - 5.600 mm
Garantierte Messreichweite	60 - 4.000 mm
Horizontaler Scanwinkel	240◦
Winkelauflösung	0.36
Anzahl Scannschritte	682
Auflösung	1 mm
Genauigkeit (20mm ~ 1000mm)	±30mm
Genauigkeit (20mm ~ 4000mm)	±3%
Schnittstelle	USB

Eine genaue Spezifikation ist "Specification""

Koordinatentransformation

Das kartesische Koordinatensystem benutzt zum Beispiel x- und y-Koordinaten, um die Position eines Objektes darzustellen. Das Polarkoordinatensystem benutzt im Gegensatz dazu die radiale Entfernung vom Ursprung zum Objekt sowie den Objektwinkel. Deshalb wird das Koordinatensystem transformiert. Mehr Informationen über Koordinatentransformation siehe Programmierung von Koordinatentransformation.

Erstellung einer Dummy Objektliste zum Testen des Schnittstellenkommunikationsprinzips für LiDAR Daten

Für den Fall, dass kein Lidar genutzt wird werden Dummyparameter für die Objektliste des Lidar generiert. Die versandete Objektliste ist wie folgende Tabelle dargestellt.

Signal	Bedeutung	Datentype
nObjekte	Gesamtanzahl der relevanten Objekte (max. 5)	u8
Objekt[n].Nummer	Objektzähler	u8
Objekt[n].x0	x-Koordinate des Objektmittelpunktes (mitte, vorn)	f32
Objekt[n].y0	y-Koordinate des Objektmittelpunktes (mitte, vorn)	f32
Objekt[n].b	Objektbreite	f32
Objekt[n].t	Objekttiefe	f32
Objekt[n].alpha	Objektausrichtung	f32
Objekt[n].v	Betrag des Geschwindigkeitsvektors	f32
Objekt[n].Plausibel	Vertrauenswert für das Objekt (100: 100% vertrauenswürdig)	u8

Segmentierung: Connected Component Clustering

Nach die Transformation der Koordinaten ist die Segmentierung erforderlich. Hier verwendet Algorithmus ist Connected Component Clustering (CCC). Der Zweck des CCC-Algorithmus besteht darin, das eingegebene Binärbild in ein symbolisches Bild umzuwandeln, in dem jede verbundene Komponente eine eindeutige Bezeichnung hat(siehe Abbildung x).

Abbildung 5.1:Connected Component Clustering

Der linke Teil der Abbildung zeigt ein Beispiel für ein Binärbild. Die rechte Seite zeigt ein Ergebnis des Etikettierungsprozesses mit CCC. Wir erweitern den CCC-Algorithmus von der Kennzeichnung von Binärbildern bis zur Segmentierung von 2D-LIDAR-Daten, indem wir zunächst LIDAR-Daten vorverarbeiten. Die von LIDAR zurückgegebenen Daten werden als Array von k 2D-Punkten dargestellt. Der Index des Arrays entspricht dem Winkel θ (i) und der Wert ist der Abstand zum Objekt entlang des in Richtung des Winkels θ (i) emittierten Strahls. Dann werden Punkte auf das Belegungsraster projiziert. Dieses Raster wird als Binärbild behandelt und zur Beschriftung verwendet.

Objektbildung: L-Shape Fitting

LiDAR bietet beim Umfahren die Messungsdaten von den Hindernissen. Hier handelt es um die statische Hindernisse, kann die Szenarien je nach Konzept von BSF in folgende Abbildungen dargestellt werden. Die Bewegungspositionen von dem Fahrzeug werden nummeriert, und auf der rechten Seiten zeigt die entsprechenden Scannerpunkten.

Abbidlung 5.2: Szene 1	Abbidlung 5.3: Szene 2
Abbidlung 5.4: Szene 3	Abbidlung 5.5: Szene 3.2
Abbidlung 5.6: Szene 4	Abbidlung 5.7: Szene 4.2

Die Objekte werden zyklisch gebildet, die von LiDAR erfassten Punkten in jeder Zyklus zugeordnet werden müssen, indem jede Cluster mit unterschiedlichen Farben kenngezeichnet. Mit der Kamera lässt sich erfahren, was bedeutet die Messpunkte in jeder Cluster. Um die Hindernisse zu ermitteln, werden die Messpunkte von den Hindernissen mit einem Rechteck umrahmet. Folgende stellt die Schritte für Bildung eines Rechteck dar. Von Cluster aus dem Hindernis werden die 2 Punkten von den Hindernisse gesucht, die am weitesten entfernt sind. Abbildung 5.8 zeigt eine Szene.

Abbidlung 5.8: Darstellung des Modells

Auf der linken Seit gibt es ein Hindernis vor dem Fahrzeug, beim Umfahren gibt es ein Frame wie auf der rechten Seite dargestellt. Die beiden weitesten entfernten Punkten werden hier mit blauer Kreis kenngezeichnet (Sie sind zwei Eckpunkte A, B von dem Rechteck). Anschließend wird das letzte Eckpunkt gesucht. Von den Resten Punkten berechnet, welcher Punkt mit Punkten A,C kann den Winkel ACB = 90 Grad bilden, ist der Punkt das letzte Eckpunkt. Jetzt kann ein Rechteck alle Punkte in diesem Cluster umrahmen. Um die oben genannten Schritte zu vereinfachen, wurden ein Programmablaufplan entwickelt. Abbildung 5.9 zeigt der Programmablaufplan.

Abbidlung 5.9: PAP für Objektbildung

Programmierung (Hier pro Modul Code-Snippets und Erklärung)

Koordinatentransformation

Das Modul zur Umsetzung der Koordinatentransformation besteht aus der Schnittstellendatei coordinate_transformation.h und ihrer Implementierung coordinate_transformation.c. Der Funktionsprototyp sieht folgendermaßen aus:

void coord_transform(const urg_t* lidar_handle, long* distance_array, int numMeasurements, long* x_coord, long* y_coord, int trans_x, int trans_y);

Die Eingangsparameter sind:

1. lidar_handle: Lidarobjekt dient dem Zugriff auf die erstellte LiDAR Instanz und ihre Funktionalitäten
2. distance_array: dynamisch erstellte Array der empfangenen Schrägentfernungswerte
3. numMeasurements: Anzahl der durchgeführten Messungen
4. x_coord: Dieser leere, dynamische Array wird über Call-by-Reference übergeben. Die transformierten x-Koordinaten werden in diesem Array geschrieben
5. y_coord: Dieser leere, dynamische Array wird über Call-by-Reference übergeben. Die transformierten y-Koordinaten werden in diesem Array geschrieben
6. trans_x: x-Komponente des Translationsvektors, falls nötig, zwischen Ursprung dem KoS des Fahrzeugs und dem des LiDARs
7. trans_y: y-Komponente des Translationsvektors, falls nötig, zwischen Ursprung dem KoS des Fahrzeugs und dem des LiDARs

Die Funktion ist void. Es wird kein Rückgabewert zurückgeliefert. Die Ausgangsparameter der Funktion bzw. ihre Resultate werden in den übergebenen, dynamischen, leeren Arrays gespeichert. Im Folgenden wird die Definition der Koordinatentransformationsfunktion in detaillierten Schritten erklärt.

Zuerst findet die Deklaration der lokalen Variablen statt

	long distance; // einen Schrägentfernungswert von dem distance_array ablesen und speichern pro Durchlauf
	double angle_rad; // den entsprechenden Winkel ermitteln und in dieser Variable speichern pro Durchlauf
        long x; // die daraus berechnete x-Koordinate hier speichern pro Durchlauf
	long y; // die daraus berechnete y-Koordinate hier speichern pro Durchlauf

Hiernach kommt die Hauptschleife. Innerhalb dieser Schleife wird ein Entfernungswert von dem übergebenen Array distance_array abgelesen und in eine x- und y- Koordinate überführt. Diese bilden das x-y Koordinatenpaar dieses bestimmten Messpunktes. Dies passiert, indem die folgenden mathematischen Gleichungen angewendet werden:

$x = radius * cos(\vartheta )$

$y = radius * sin(\vartheta )$

Gegebenenfalls erfolgt eine Translation anhand von dem übergebenen Translationsvektor-Argument. Am Ende vom Durchlauf wird jede Koordinate an der richtigen Stelle in dem entsprechenden, leeren Array, der über Call-by-Reference übergeben wurde, gespeichert.

	
        /*Main loop*/
	for (int i = 0 ; i < numMeasurements ; i++) {
		distance = distance_array[i]; // Entfernungswert ablesen und speichern
		angle_rad = urg_index2rad(lidar_handle, i); // Entsprechenden Winkel ermitteln mit der verfügbaren Member-Method                   
		x = (long)(distance * cos(angle_rad)); // x-Koordinate aus Polarkoordinaten ermitteln in mm
		y = (long)(distance * sin(angle_rad)); // y-Koordinate aus Polarkoordinaten ermitteln in mm

		/*Je nachdem ist die Translation erforderlich*/
		//x = (long)(trans_x + x); // Translate x
		//y = (long)(trans_y + y); // Translate y

		/*Speichern in Arrays*/
		x_coord[i] = x;
		y_coord[i] = y;
	}

Literaturverzeichnis

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