Reaktive Bewegungsplanung auf 3D-Sensordaten mittels GPU-basierter Kollisionserkennung - Untersuchung von hochgradig parallelen Algorithmen für mobile Serviceroboter

In der vorliegenden Arbeit wird die Anwendung von hoch-parallelen Algorithmen zur Auswertung von 3D-Punktwolken in der Robotik untersucht. Die Zielstellung ist es, essentielle Berechnungen der Kollisionsprüfung und Planung so weit zu beschleunigen, dass Roboter ein reaktives Verhalten erreichen und somit in einer dynamischen, teils unbekannten Umgebung eingesetzt werden können. Da die präsentierten Lösungen direkt auf 3D-Sensordaten der Umgebung arbeiten, reduzieren sie die Abhängigkeit auf a priori bekannte geometrische Modelle, was das Einsatzgebiet erweitert. Die untersuchten Aufgabenstellungen decken alle drei Teilbereiche des traditionellen Sense-Plan-Act-Zyklus ab und reichen von Bewegungsprädiktion, inverser Kinematik, über Greif- und Trajektorienplanung bis zur Ausführungsüberwachung.

Aktuelle 3D-Kameras liefern detaillierte geometrische Umweltmodelle in Form von Punktwolken, welche jedoch hohe Anforderungen an den Datendurchsatz der verarbeitenden Algorithmen stellen. Um hier die benötigte Effizienz zu erreichen, liegt der erste Beitrag dieser Arbeit in der Entwicklung unterschiedlicher diskretisierender Datenstrukturen auf Voxelbasis, die eine hoch parallele Interpretation der Sensordaten auf Grafikprozessoren ermöglichen. ... mehrHervorzuheben ist hierbei der umgesetzte, lastbalancierte Octree.

Ausgehend von spezialisierten Techniken zur Kollisionsprüfung werden weitere Beiträge durch Softwarekomponenten geleistet, die es erlauben, unterschiedliche Planungsund Überwachungsaufgaben zur Ausführungszeit (also während der Bewegung) zu lösen. Ein Kernaspekt dabei ist die Verwendung von dichten Swept-Volumen zur volumetrischen Darstellung von Bewegungstrajektorien. Im Gegensatz zur weit verbreiteten Dreiecksnetzdarstellung sind diese durch eine Voxeldarstellung sehr effizient zu erstellen und auf Kollisionen zu evaluieren.

Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Lösungen wurden in einer OpenSource Softwarebibliothek zusammengeführt und sehr ausführlich in unterschiedlichen Szenarien praktisch evaluiert. Neben den Evaluationsergebnissen sind auch die dafür vom Autor entwickelten Robotersysteme Teil dieser Arbeit.