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Integrität von Sensordaten
14.08.2015, 20:54 (Dieser Beitrag wurde zuletzt bearbeitet: 14.08.2015 21:22 von Laura.)
Beitrag #1
Integrität von Sensordaten
Guten Abend zusammen,

ich stehe vor einem kleinen Modellierungsproblem und hoffe, es kann mir wer auf die Sprünge helfen.

Ausgangssituation: Ich habe einen Roboter, der einem Laserleitstrahl folgt. Der Laser ist ein Linienlaser mit Intensitätsmaximum in der Mitte, nach links und rechts abnehmend (siehe dazu auch Bild). So kann dem Leitstrahl gefolgt werden und bei Abweichungen nach links oder rechts gegengesteuert werden. Soweit so einfach.

Nun wird ein Spiegel so in den Strahl gestellt, dass er einseitig einen Anteil in Richtung der Mittellinie reflektiert, siehe ebenfalls Bild. Das Fahrzeug empfängt nun in einem begrenzten Bereich von mehreren Fahrzeuglängen falsche Helligkeiten. F2 im Bild fährt dann etwa in Richtung des roten Pfeils, da sich in dieser Richtung die Intensitäten überlagern. Nun suche ich eine Möglichkeit, dies zu erkennen und zu behandeln.

Zunächst kommt einem die Bildung von Mittelwerten in den Sinn. Da das Signal aber außerhalb des Fehlerbereichs sehr gut ist, würde es dadurch weichgezeichnet. Der nächste Gedanke war, dass sich in dem Bereich das Signal im Vergleich zu anderen Bereichen sehr schnell verändert, also ein P Regler, bei dem Kp kleiner wird, wenn sich das Signal schnell verändert? Erscheint mir auch nicht wirklich sauber. Ein Kalman Filter ist meinem Verständnis nach für diese Problemstellung nicht geeignet und wie ein Partikelfilter funktioniert habe ich leider nicht ganz durchdrungen.

Kann jemand einen Hinweis geben, in welche Richtung eine Recherche Früchte tragen wird?

Danke und Gruß
[Bild: QzSjljpA6LWEoCFv65eHyaLm5RIx-TBfl_VdteJI...ize_mode=2]Laura
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14.08.2015, 23:06
Beitrag #2
RE: Integrität von Sensordaten
Hi,
mit dem Bild stimmt was nicht. Kannst Du das nochmal hochladen?
Gruß,
Thorsten

Falls ich mit einer Antwort helfen konnte, wuerde ich mich freuen, ein paar Fotos oder auch ein kleines Filmchen des zugehoerigen Projekts zu sehen.
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15.08.2015, 07:54
Beitrag #3
RE: Integrität von Sensordaten
(14.08.2015 23:06)Thorsten Pferdekämper schrieb:  Hi,
mit dem Bild stimmt was nicht. Kannst Du das nochmal hochladen?
Gruß,
Thorsten

Selbstverständlich, hier im Anhang.


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15.08.2015, 09:45
Beitrag #4
RE: Integrität von Sensordaten
Hi,
interessantes Problem...
Mir fällt da als erstes eine Art Sensor-Fusion mit Odometrie ein. Möglicherweise sogar mit einem Kalman-Filter. Der Laserstrahl ändert seine Richtung ja eigentlich nicht (oder?). D.h. Du hast einmal die Richtung, in die der Roboter fährt, gemessen am Laserstrahl und einmal gemessen anhand der Odometrie. (Auch wenn Du kein Odometrie-Feedback hast, kann man das anhand der Lenkbewegungen oder so berechnen.) Wenn man beides jetzt in einen Kalman-Filter füttert, und das ganze entsprechend parametrisiert, dann sollte der Robotor zumindest so langsam drehen, dass er durch die "Fehler-Zone" fahren kann und danach den richtigen Strahl wieder aufnimmt.
Ich könnte das jetzt auch nicht einfach so programmieren, aber ich würde in dieser Richtung forschen.
Gruß,
Thorsten

Falls ich mit einer Antwort helfen konnte, wuerde ich mich freuen, ein paar Fotos oder auch ein kleines Filmchen des zugehoerigen Projekts zu sehen.
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15.08.2015, 11:27
Beitrag #5
RE: Integrität von Sensordaten
Moin,

Danke für deine Antwort. Das entspricht auch etwa meinem Gedankengang, die Zeitkonstante der Regelung zu erhöhen. Das Problem ist ja, dass der Fehler keinesfalls Gauß'sch ist, sodass es mir schwierig erscheint, den Kalman Filter darauf zu applizieren. Regelmäßig kennt man dort ja den Messfehler und es handelt sich um einen zufälligen Messfehler. Hier dagegen ist dem zufälligen Messfehler auf ganzer Strecke begrenzt ein systematischer Fehler überlagert. Dieser müsste erkannt werden.

Lieber Grüße
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15.08.2015, 14:39
Beitrag #6
RE: Integrität von Sensordaten
Hi,
soweit ich weiß ist es rein theoretisch richtig, dass dem Kalman-Filter ein "gauß'scher Prozess" zu Grunde liegt. Allerdings dürfte das in der Anwendung zweitrangig sein. Gegebenenfalls muss man halt mit den Konstanten etwas rumprobieren.
Soweit ich es verstanden habe kann man den Kalman-Filter auch so interpretieren:
Aus der Odometrie generiert man eine "Vorhersage" des aktuellen Zustands. Diese wird dann bei der nächsten Messung korrigiert. Wenn die Messung stark von der Vorhersage abweicht, dann wird sie als nicht so verlässlich betrachtet und wenig gewichtet. Was dabei "stark abweicht" bedeutet kann man parametrisieren. Das hängt auch davon ab, wie gut die Odometrie ist. Wenn man bei der Messung schon eine große Varianz des Zustands "vermutet", dann werden ggf. auch "schlechte" Messungen stark gewichtet.
Das bedeutet, dass wenn Dein Roboter in den "schwierigen" Bereich fährt, er erst einmal wenig von der Spur abweicht, da in dem Moment die Odometrie klar verlässlicher ist als die Laser-Messung. Erst nach einer Weile wird sozusagen die Odometrie immer schlechter, da sich deren Fehler aufaddieren und der Roboter "glaubt" dann wieder mehr an den Laser. Wenn das ganze aber richtig parametrisiert ist, dann sollte das Teil dann schon wieder aus dem schwierigen Abschnitt draußen sein.

Falls natürlich in dem zu befahrenden Bereich immer der Spiegel drinhängt, und zwar immer etwa an der gleichen Stelle, dann kann man das auch gleich mit rein modellieren. Aber ich gehe mal davon aus, dass das nicht so gemeint war.
Gruß,
Thorsten

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15.08.2015, 15:00
Beitrag #7
RE: Integrität von Sensordaten
Genau, die Anzahl und Position der Spiegel ist Variabel und dem Fahrzeug unbekannt. Nicht betrachtet werden sollen zunächst Bewegungen der Spiegel während einer Fahrt.

Dass ich im Odometrie für die Problemstellung nicht herum komme habe ich fast vermutet. Gelenkt wird per Geschwindigkeitsdifferenz der Räder links und rechts, Drehencoder haben sie keine. Also werde ich wohl zunächst Steuerbefehle ungefähr auf Positionsveränderungen im Zeitverlauf parametrisieren müssen, meine Lasersignale in das gleiche Koordinatensystem abbilden und dann einen Kalman Filter drüber legen, der insgesamt den Laser stärker gewichtet, seidenn der liefert als Messung einen Zustand, der aus dem Bewegungsmodell wahrscheinlich nicht erreicht worden sein kann. So in etwa.

Danke!
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15.08.2015, 15:34
Beitrag #8
RE: Integrität von Sensordaten
Hi,
ja, so in etwa.
Allerdings...
(15.08.2015 15:00)Laura schrieb:  seidenn der liefert als Messung einen Zustand, der aus dem Bewegungsmodell wahrscheinlich nicht erreicht worden sein kann.
...dachte ich, dass das beim Kalman-Filter fast als Abfallprodukt rauskommt. Vielleicht nicht ganz so "scharf", aber im Endeffekt dann doch.

Alternativ dann halt doch irgend etwas stochastisches. Dann kannst Du das Modell richtig erfassen. ...aber ich muss jetzt erstmal weg.

Gruß,
Thorsten

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