Elevation Map

Auch genannt: height map, 2.5D map, digital elevation model
Kategorie: Sensing › 3D maps & reconstruction
Schlagwörter: mapping, terrain, legged-locomotion, 3d-perception, navigation

Eine 2,5D-Gitterkarte des Geländes, die für jede horizontale Zelle einen Höhenwert speichert, oft mit einer Unsicherheit; eine Standardeingabe für die Planung von Lauf- und Geländerobotern.

Definition

Eine Höhenkarte (elevation map) ist ein Gitter über der Bodenebene, in dem jede Zelle die Höhe der Geländeoberfläche an dieser Stelle enthält. Da sie nur eine Höhe pro Zelle speichert, wird sie oft als 2,5D-Darstellung bezeichnet: reichhaltiger als ein flaches Belegungsgitter und viel günstiger als eine vollständige 3D-Voxelkarte. Zellen tragen meist auch eine Varianz oder Konfidenz, und viele Systeme fügen weitere Ebenen für Oberflächennormalen, Steigung, Rauheit oder Befahrbarkeit hinzu, die aus den Höhen berechnet werden.

Eine Höhenkarte aufzubauen heißt, Entfernungsdaten über die Zeit zu fusionieren. Jedes Tiefenbild oder jeder LiDAR-Scan wird mit der Pose des Roboters in das Kartenkoordinatensystem transformiert, die Punkte werden auf Zellen verteilt, und jede neue Höhenmessung wird mit der gespeicherten Schätzung zusammengeführt, oft mit einer Aktualisierung nach Art eines Kalman-Filters, gewichtet nach dem Sensorrauschen. Fehler in der Posenschätzung verschmieren die Karte, sodass die Drift der Odometrie die Kartenqualität direkt begrenzt. Die roboterzentrierte Höhenkartierung (robot-centric elevation mapping), die an der ETH Zürich für Laufroboter wie ANYmal entwickelt wurde, hält die Karte am Roboter fest und erhöht die Unsicherheit von Zellen, je weiter sich der Roboter von dem Ort entfernt, an dem sie beobachtet wurden, sodass das Gelände nahe den Füßen konsistent bleibt, selbst wenn die globale Position driftet. GPU-Implementierungen ermöglichen es, die Karte mit Kamerarate zu aktualisieren.

Die Annahme einer einzigen Höhe ist zugleich die wichtigste Einschränkung. Überhänge, Tische, Tunnel und mehrstöckige Strukturen lassen sich nicht darstellen, und Bereiche, die hinter Stufen oder Felsen verborgen sind, bleiben unbekannt, sofern sie nicht durch Interpolation oder gelerntes Inpainting gefüllt werden. Mehrschichtige Oberflächenkarten und vollständige 3D-Karten behandeln diese Fälle mit zusätzlichem Aufwand. Bei der Fortbewegung auf Beinen speisen Höhenkarten Planer für Fußaufsetzpunkte, liefern Höhenstichproben rund um jeden Fuß als Eingaben für gelernte Policies und unterstützen Befahrbarkeitsschätzungen für die Pfadplanung.

Warum es wichtig ist

Laufroboter und Geländefahrzeuge müssen wissen, wo der Boden ist, nicht nur, wo Hindernisse sind. Eine Höhenkarte liefert das in kompakter Form, die Planer und gelernte Policies schnell abfragen können, und sie ist zu einer gängigen Schnittstelle zwischen Wahrnehmung und geländebewusster Fortbewegung geworden.

Wichtige Anwendungen

Wahrnehmungsbasierte Fortbewegung von Vierbeinern und Humanoiden auf Treppen und unebenem Boden
Planung von Fußaufsetzpunkten und Vermeidung von Stufenkanten
Befahrbarkeitsanalyse für Geländefahrzeuge und Planetenrover
Höhenscan-Eingaben für gelernte Fortbewegungs-Policies
Geländekartierung für Landwirtschafts- und Bauroboter

In der Praxis

Auf einem Vierbeiner, der Treppen steigt, erzeugen Tiefenkameras am Körper mehrmals pro Sekunde Punktwolken. Jede Wolke wird mit der Pose aus visuell-inertialer oder Bein-Odometrie in ein roboterzentriertes Kartenkoordinatensystem transformiert und in ein Gitter mit Zellen von einigen Zentimetern Kantenlänge fusioniert. Der Regler tastet Höhen in einem Muster um jeden Fuß ab und gibt sie zusammen mit der Propriozeption an eine Fortbewegungs-Policy weiter oder übergibt die Karte an einen Planer für Fußaufsetzpunkte, der Zellen nahe Stufenkanten verwirft. Die Ingenieure achten auf Artefakte wie Spitzen, die entstehen, wenn die eigenen Beine des Roboters ins Kamerabild geraten, und filtern sie heraus, bevor die Karte den Regler erreicht.

Häufige Missverständnisse

Eine Höhenkarte ist eine vollständige 3D-Karte — sie speichert eine Höhe pro Zelle und kann Überhänge, Tische oder mehrere Stockwerke nicht darstellen
Zellen ohne Daten sind ebener Boden — unbeobachtete Zellen, oft hinter Hindernissen, sind unbekannt und sollten mit Vorsicht behandelt oder explizit gefüllt werden
Die Kartenqualität hängt nur vom Tiefensensor ab — Posenfehler verschmieren Höhen über Zellen hinweg, daher ist die Qualität der Odometrie ebenso wichtig wie der Sensor

Wer das wissen sollte

Ingenieure für Fortbewegung auf Beinen, die an wahrnehmungsbasierter Regelung arbeiten
Entwickler für Feld- und Geländerobotik
Ingenieure für Kartierung und Wahrnehmung
Forschende in Planeten- und Landwirtschaftsrobotik

Open Source Robotics