HOBA
Homogenbereichsassistent zur automatischen, baustellenspezifischen Erfassung von Bodenklassen nach der neuen VOB 2016
Motivation
Die Digitalisierung von Bauprozessen und die Umsetzung von modellbasiertem Bauen (kurz: "BIM", engl. Building Information Modeling) sind aktuelle Herausforderungen im Tiefbau. Die Kooperationspartner des Projektes HOBA haben die Entwicklung der Hard- und Software für eine an der Aushubmaschine angebrachte kompakte Sensor- und Rechensystem-Einheit mit Datenschnittstellen zur Bagger-IT und mit Anbindung externer Sensoren - kurz HOBA-Box - zum Ziel.
Die Forschungen und Entwicklungen umfassen zudem die multisensorielle (GNSS/MEMS Optik) 3D-Georeferenzierung des Aushubs im globalen ITRF-Bezug in Verbindung mit der sensorbasierten Erfassung und Berechnung eines 3D-Voxelvolumenmodells des Aushubs, der voxelweisen Klassifizierung der Bodenarten über bildbasierte KI/ML-Algorithmen und die Rückrechnung der klassifizierten und georeferenzierten 2D-Einzelbilder auf das 3D-Voxelmodell.
Übergeordnetes Ziel
Das F & E-Projekt „Homogenbereichsassistent zur automatischen, baustellenspezifischen Erfassung von Bodenklassen nach der neuen VOB 2016 HO-BA)“, kurz HOBA, befasst sich mit der Entwicklung eines Systems zur automatischen Klassifizierung, Segmentierung und 3D-Georeferenzierung als Voxel-Volumenmodell von Bodentypen nach dem neuen VOB 2016.
Im Projekt entsteht ein Homogenbereichsassistent mit grafischer Benutzeroberfläche, mit dem eine automatische Zuordnung von Bodenarten zu Homogenbereichen mit Mengenermittlung erfolgt. Die Hard- und Softwareentwicklungen der o.g. HOBA-Box sind ein innovativer Beitrag zur BIM-gerechten digitalen Echtzeit-Dokumentation von Bodenarten-klassifizierten Aushubarbeiten im Tiefbau.
Projektziele der FuE
Ziel der FuE an der HKA ist die Entwicklung der Hard- und Software für eine an der Aushubmaschine (Beispiel Bagger, Abb. 1)) angebrachte kompakte Sensor- und Rechensystem-Einheit mit Daten-schnittstellen zur Bagger-IT und zur Anbindung externer Sensoren – im folgenden kurz „HKA HOBA-Box“ genannt. Die Hard- und Softwareentwicklung „HKA HOBA-Box“ ist ein innovativer Beitrag zur BIM (Building Information Modeling) gerechten digitalen Echtzeit-Dokumentation von Aushubarbeiten im Tiefbau.
Die zu entwickelnde „HKA HOBA-Box“ (Abb. 1, Abb. 2) leistet die multisensorielle 3D-Georeferenzierung des Aushubs im ETRF89/ITRF in Verbindung mit der sensorbasierten Erfassung und Berechnung eines auf so genannten „Voxel“ (Würfelelemente als 3D-Volumeneinheiten) basierten 3D-Modells des Aushubs, der Klassifizierung der Bodenarten des Aushubs über bildbasierte KI/ML-Algorithmen und die schließlich die Rückrechnung der klassifizierten und georeferenzierten 2D-Einzelbilder in ein nach Bodenarten klassifiziertes georeferenziertes 3D Voxelmodell.
Die wesentliche Komponente bzw. der Grundbaustein der kompletten Georeferenzierung in allen o.g. Berechnungsschritten bildet der unter algorithmischer Fusion aller internen Sensordaten der HKA HOBA Box (IMU, Magnetometer, Barometer, Inklinometer), der daran angebundenen externen HOBA-Box Sensoren (GNSS, TOF (Time-of-Flight) Kamera und optische Kamera) sowie externer Navigationszustandsdaten zu berechnende 3D-Navigationsstatusvektor.
Bei der autarken Boxvariante 1 der HKA HOBA-Box (Abb. 1, Abb. 2) werden ausschließlich die Daten der Sensoren der HKA HOBA-Box zur Sensorfusion und SLAM zur Berechnung von y(t) und y(t)SLAM=(y(t),m(t)) auf der Box verwendet. Bei der Boxvariante 2 werden y(t) und y(t)SLAM=(y(t),m(t)) erneut mit den Daten aller Sensoren - mit Ausnahme der GNSS-Daten - auf der HKA HOBA-Box berechnet. Der Grund ist die ungünstige Platzierung von GNSS am Ort der Box, nämlich in der Nähe der Schaufel, im Hinblick auf Signalabschirmungen und Mehrwegeeffekte. Stattdessen verwenden die Sensorfusion und SLAM in der Boxvariante 2 die MTS-Navigationsteillösung y(t)'=(xe ye ze )', die über den lokalen Maschinenserver bereitgestellt wird (siehe lokaler Maschinenserver, Abb. 2).
Die HKA HOBA-Box ermöglicht - in beiden Varianten auf multisensorischer (GNSS/MEMS/RGB/ToF-3D-Kameraoptik) Datenbasis - die 3D-Georeferenzierung des Aushubs im ETRF89/ITRF als ein nach Bodenarten in "Voxeln" klassifiziertes 3D-Volumenmodells.
Hardwareentwicklungen
Die zentrale Recheneinheit der HKA HOBA-Box (Abb. 2) besteht aus einem NVIDIA Jetson TX2 Rechner, der über eine NVIDIA Pascal-GPU mit 256 Kernen, einen 64-Bit-ARMv8 64-Bit-CPU-Komplex mit Hex-Kern und einen 8-GB-LPDDR4-Speicher mit 128-Bit-Schnittstelle verfügt. Die CPU besteht aus einer 2-Denver 64-bit CPU in Verbindung mit einer Quad-Core A57 Komponente.
Die internen Sensoren der HKA HOBA-Box Variante 1 umfassen ein ZED F9 GNSS, eine kompakte ICM 20948 MEMS-Sensoreinheit (3-Achs-Gyroskop, 3-Achs-Magnetometer und 3-Achs-Beschleunigungsmesser), ein MS5611 MEMS-Barometer und einen SCL3300-Neigungsmesser. Die HKA HOBA-Box Variante 2 verwendet die von MTS aus dem Corpus der Aushubmaschine (Abb. 1) installiertem beiden GNSS (Abb. 1) sowie den Daten der Neigungsmesser auf der Aushubmaschine (Abb. 1) unter Verwendung der Denavit-Hartenberg-Transformation ermittelten Position des Body- (b) bzw. Box-Koordinatenursprungs y(t)'= (xe ye ze)'.
Als Sicherungslaufwerk für die Datensicherung über definierte Schwellenwerte und / oder eine definierte Sicherungsrate (z. B. stündlich) wird eine WD Red SA500 NAS SATA SSD 1 TB Festplatte verwendet. Die LUCID Helios-2 TOF mit integriertem RBG IP67-Kit (Triton 3.2MP) wird als optische Komponente der HKA HOBA-Box umfasst zusätzlich eine Digitalkamera des LU-CID Helios-2 TOF, die neben der ML/KI-basierten Klassifizierung auch die Texturierung der erzeugten Punktwolken leisten kann.
Die Prototyp-Box (Abb. 3) ist als vollständiges System für die laufenden Algorithmenentwicklungen zur Navigation/SLAM, Bildverarbeitung, Voxelmodell-Ermittlung und Georeferenzierung sowie die damit einhergehenden Softwareentwicklungen eingerichtet, während die endgültige kompakt-smarte Box ebenfalls in der Entwicklung ist.
Algorithmen und Softwareentwicklungen
Das beschriebene Hardware-Design (Abb. 2) und die Prototyp-Box bilden die Basis für die Algorithmen und Software-Implementierungen zur HKA HOBA-Box (Abb. 4). Alle Berechnungen werden zentral auf der HKA HOBA-Box bzw. dem NVIDIA Jetson TX2-Computer durchgeführt.
Das Betriebssystem der HOBA-Box ist Linux 18.04 LTS "Bionic Beaver" mit ROS Distribution (Robot Operating System-Melodic). Das HOBA-System verfügt nach Entwicklungstand bereits über eine Python und C/C ++ basierte Deep Learning Komponente unter Installation aller notwendigen Abhängigkeiten. Erste experimentelle Tests mit der Softwarekomponenten TF1.x und PyTorch wurden erfolgreich zur Bilderkennung, -Klassifizierung, und -Segmentierung unter Verwendung von Transferlernen mit verschiedenen vorab trainierten Modellen durchgeführt, z. B. ReNet, FCN-ReNet, SSD-Mobilenet, Inception V3 usw.
Status
Laufendes Projekt 02/2020 — 01/2023
Kontakt
Projektleitung
Prof. Dr.-Ing. Reiner Jäger
Tel.: +49 (0)721 925-2620
reiner.jaeger@h-ka.de
Weitere Informationen
Partner
HOBA ist am Institut für Angewandte Forschung (IAF) der HKA angesiedelt. Die Forschungen und Entwicklungen (FuE) erfolgen im Labor für GNSS & Navigation in Zusammenarbeit mit dem Hauptindustriepartner MTS Schrode AG sowie deren Partner VEMCON GmbH
Projektförderung
HOBA wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) als Forschungs- und Entwicklungsprojekt finanziert.
