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Unsere Einsatzszenarien

Inhalt:

 


Motivation für die Einsatzszenarien


Zur Demonstration der Funktionalität des Gesamtsystems dient das nachfolgend beschriebene Szenario. Als einen geeigneten Anwendungsbereich für diese Vision bietet sich Roboterfußball an (s. Abbildung 1). Mittlerweile existieren schon erste internationale Wettkämpfe, beispielsweise der RoboCup oder die jährlich stattfindende Weltmeisterschaft durch die Federation of International Robot-Soccer Association (FIRA). Damit eine besondere Liveübertragung von dem Fußballspiel den Zuschauern oder den Spielerteams zur Verfügung gestellt werden kann, bietet sich eine „fliegende Kamera“ an. 


Ziele der Szenarien


Der Fokus im Grundszenario liegt in der Objekterkennung und einer autonomen Kameraführung über eine Kamerapositioniereinheit, die am Multikopter befestigt ist. Dieser wird am Seitenrand von einem Piloten ferngesteuert. Des Weiteren erfolgt eine Liveübertragung des Kamerabildes an eine Telemetriestation.

Im erweiterten Szenario wird das Fußballspiel konkretisiert und es werden Torlinien hinzugefügt. Der Multikopter fungiert in diesem Fall zusätzlich als Torlinienrichter. Ebenfalls soll dem Piloten über einen Livestream eine Flugrichtung vorgeben werden, um den Ball optimal verfolgen zu können.


Das Grundszenario


Bei diesem Szenario handelt es sich bei dem zu verfolgendem Objekt um einen Ball. Um die Umwelteinflüsse zu minimieren, spielt sich der Ablauf in einem geschlossenen, gut belichteten Raum ab. Damit ein ausreichend großes Sichtfeld der Kamera aufgebaut werden kann, muss der Multikopter eine gewisse Flughöhe erreichen können. Folglich bietet sich als Räumlichkeit eine Sporthalle an.

Während der gesamten Ballverfolgung soll sich das Objekt stets im Zentrum des Kamerabildes befinden. Dies wird durch eine am Multikopter befestigten Kamerapositioniereinheit erreicht. Durch das Sichtfeld der Kamera wird eine „Tracking Area“ gebildet. Sofern sich der Ball innerhalb dieses Bereichs befindet, kann der Ball erkannt und zur Zentrierung verfolgt werden (s. Abbildung 4).

Während der Durchführung des Szenarios können im Spielablauf folgende Situationen auftreten:

  • Situation 1 Ball sichtbar: Die Kamera detektiert den zu verfolgenden Ball und wird autonom nachgestellt, sodass der Ball fortwährend im Fokus des Bildes ist.
  • Situation 2 Ball ist kurzzeitig verdeckt: Da ein kurzzeitiges Verdecken des Balls z. B. durch einen Fußballroboter sehr wahrscheinlich ist, wird die Kamera in diesem Fall ihre ursprüngliche Ausrichtung zunächst behalten. Wenn nach einer bestimmten Zeit der Ball nicht wieder auffindbar ist, tritt Situation 3 ein.
  • Situation 3 Ball nicht im Bild sichtbar: Die Kamera sucht autonom das Spielfeld nachdem Ball ab, bis dieser gefunden wird. Sobald dieser erneut detektiert werden konnte, wird die Objektverfolgung aufgenommen und es tritt Situation 1 ein.

Das Szenario wird gestartet, indem sich der Multikopter am Seitenrand in einer ausreichenden Flughöhe befindet. Dabei muss eine freie Sicht auf den Ball gewährleistet werden. Zu diesem Zeitpunkt ist die Videoaufnahme und Objektverfolgung noch deaktiviert. Die bedeutet, dass die Kamera sowie die Kamerapositioniereinheit stromlos geschaltet sind. Ist die Flughöhe erreicht, wird zuerst die Bildaufnahme durch den Piloten aktiviert, die Kamerapositionierseinheit fährt autonom in Nullposition und behält diese unabhängig von der Multikopterlage bei. In der Nullposition ist die Kamerapositioniereinheit in 45° Winkel zum Lot in Flugrichtung ausgerichtet (s. Abbildung 3).

Des Weiteren wird die Kamera eingeschaltet, sodass das aufgenommene Bild an die Telemetriestation übertragen wird. Danach schaltet der Pilot die Objektverfolgung ein. Das Spielfeld wird nun nach den Ball mit Hilfe der Kamera und der Positioniereinheit abgesucht, bis der Ball gefunden wird (s. blaue Pfeile in der Abbildung 4).

Daraufhin spielen sich zwei Personen den Ball langsam, in Bodennähe, innerhalb des Spielfeldes zu. Die Kamerapositioniereinheit wird dabei ständig autonom nachgestellt, um den Ball möglichst im Zentrum des Bildes zu behalten. Währenddessen kann der Pilot den Multikopter frei bewegen (s. Abbildung 5).

Das Kamerabild samt der Objektverfolgung wird fortlaufend über eine gesonderte Funkverbindung an eine Telemetriestation gesendet, welche das aktuelle Bild auf einem Ausgabebildschirm darstellt. Neben dem aktuellen Kamerabild sollen Telemetriedaten des Multikopters an die Station gesendet werden. Dazu zählen u.a.

  • Flughöhe,
  • Akkustand,
  • Reglerwerte der einzelnen Motoren,
  • Sensorwerte,
  • Lagewinkel
  • etc.


Damit der Pilot permanent die Daten „Flughöhe“ und „Akkustand“ überwachen kann, werden diese separat an die Fernsteuerung gesendet.

Das Szenario wird standardmäßig beendet, indem der Pilot die Objektverfolgung (Kamera fährt in Nullposition) und die Videoaufnahme (Kamera und Positioniereinheit stromlos schalten) deaktiviert und schließlich die manuelle Landung des Multikopters durchführt (außerhalb des Spielfeldes).

 


Das erweiterte Szenario


Das oben beschriebene Szenario kann in den Kontext eines Fußballspiels eingebettet werden. Durch zwei farblich unterschiedlich gekennzeichnete Linien werden die zwei Tore konkretisiert (s. Abbildung 6). Durch die digitale Bildverarbeitung ist es möglich, erzielte Tore zu erkennen und mitzuzählen. Der Spielstand ist an die Telemetriestation zur Anzeige weiterzuleiten. Das System kann somit als Torrichter eingesetzt werden.

Ist die Objekterkennung aus technische Gründen (z. B. Objekt zu weit von der Kamera entfernt) nicht mehr möglich, wird dem Piloten eine Flugrichtung (Vorzugsflugrichtung) vorgeschlagen, um den Ball schnellstmöglich wiederzufinden. Diese Situation muss sich klar von der Situation 3 abgrenzen und die Kamerapositioniereinheit muss die aktuelle Position halten.

Wejtnrqbmasteoir (thomasqk64.nordlohnyjytoe@uol.dedsm9) (Stand: 21.08.2020)