Prozessautomatisierung

SpaceBot Cup – Autonome Roboter für die Planetenerkundung

Roboter sind heutzutage allgegenwärtig - auf der Erde und im All. Die mit Hightech vollgepackten Helfer übernehmen hier vielfältige Jobs. Die Weltraumrobotik gilt längst als Schrittmachertechnologie auch für terrestrische Anwendungen von der Medizintechnik bis zu Fahrerassistenzsystemen.

Vor diesem Hintergrund lobte im vergangen Jahr das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) einen Wettbewerb aus - den "SpaceBot Cup". Bundesweit gesucht wurden außergewöhnliche Ideen, die zunächst als Projektskizze eingereicht werden konnten. Wir sind nun eines von zehn Teams, die am Wettbewerb teilnehmen werden. Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Wissenschaft und Technologie, das jedem Team 50.000€ zur Verfügung stellt.

Die Aufgabe

Die Aufgabe beim SpaceBot Cup ist anspruchsvoll: Die Roboter sollen autonom ein zerklüftetes Gelände - wie man es auch auf dem Mond oder Mars antreffen würde - erkunden und interessante Objekte aufspüren und transportieren.

Die Aufgabe in Stichpunkten:
  • Es ist ein 36x28 Meter großes Gelände zu erkunden. Das Gelände besteht aus steinigem und sandigem Boden. Weiterhin sind große Felsbrocken und Geröll anzutreffen. Es gibt bis zu 30° steile Steigungen.
  • Die Roboter sollen möglichst autonom agieren. Wie bei einer echten Raumfahrtmission hat die "Bodencrew" keinen direkten Sichtkontakt zu den Robotern und die Kommunikation ist nur zu bestimmten Zeiten und nur mit Verzögerung möglich. Außerdem können Signale verloren gehen oder die Kommunikation zeitweise ausfallen.
  • Es dürfen nur zweimal Kommandos an den Roboter gesendet werden, alles weitere wird mit Strafpunkten belegt.
  • Im Gelände befinden sich drei Objekte. Diese interessanten Objekte sollen gefunden, mittels eines Greifarms aufgenommen und transportiert werden. Für die volle Punktzahl sollen die drei Objekte noch montiert werden.
  • Anschließend sollen die Roboter zum Ausgangspunkt (die Landezone) zurückkehren.

Der Wettbewerb findet am 11. - 13. November in der Nähe von Bonn statt. Austragungsort ist eine speziell präparierte Motocross-Halle.

Unser Konzept

Unser Konzept zur Bewältigung dieser Aufgabenstellung sieht zwei kooperierende Roboter am Boden vor, die optional von einem fliegenden Roboter unterstützt werden können:

Autonomous Laboratory Rover (ALR) Der ALR repräsentiert einen größeren autonomen Roboter der mit einem Greifarm bestückt ist. Seine Aufgabe ist in der Hauptsache die Manipulation von Objekten. Er beteiligt sich ebenfalls unterstützend an der Exploration des Geländes.

Autonomous Exploration Rover (AER) Aufgabe des AER ist es, die Umgebung autonom und systematisch zu erkunden, zu kartieren und die für den ALR interessanten Objekte zu suchen. Weiterhin kann der AER die Exploration fortsetzen, während der ALR mit der Manipulation von Objekten beschäftigt ist. Alternativ kann der AER den ALR bei der Handhabung von Objekten unterstützen, zum Beispiel durch Bereitstellung zusätzlicher externer Sensordaten.

Autonomous Aerial Explorer (AAE) Aufgabe des fliegenden AAE ist, die Einsatzumgebung autonom in Form eines Suchmusters zu überfliegen und Bilder der Umgebung an die Bodenstation zu übertragen, damit bereits erste interessante Objekte, Gefahrenstellen und allgemeine Geländeinformationen identifiziert werden können. Als Demonstrator für den AAE soll ein Quadrocopter zum Einsatz kommen, der eine Einsatzdauer von etwa 10 Minuten haben wird. Bei realen Weltraummissionen kann eine fliegende Plattform wie der AAE selbstverständlich nur bei geeigneter Atmosphärenbeschaffenheit realisiert werden, bei terrestrischen Rettungseinsätzen ist eine autonome Lufterkundung jedoch das Mittel der Wahl. Der AAE ist daher optional und nicht missionskritisch.

Verwendete Sensoren Für einen autonomen Roboter ist die genaue Wahrnehmung der Umwelt enorm wichtig. Wir verwenden eine RGB-D-Kamera (zum Beispiel die Kinect von Mircosoft oder die Asus Xtion) bzw. eine Stereokamera für die dreidimensionale Wahrnehmung der Umgebung. Diese Kameras liefern eine dreidimensionale sog. Punktwolke, also zu jedem Pixel im Bild auch die 3D-Koordinaten (x,y,z).

Mit Hilfe dieser 3D-Daten berechnen wir ein Modell der Umgebung, erstellen eine Karte, navigieren und messen die Bewegung des Roboters. Weiterhin werden die zu suchenden Objekte mittels der Bildverarbeitung gefunden. Die Kameras unterstützen später auch das Greifen und Manipulieren der Objekte.

Wissenschaftliche, Technische und Algorithmische Themengebiete

Die beim SpaceBot-Cup gestellte Aufgabe berührt eine ganze Reihe interessanter wissenschaftlich-technischer Themengebiete:

  • Geländeanalyse: Die Roboter bewegen sich in unwegsamen und teilweise gefährlichem Gelände. Bevor ein Geländebereich "betreten" wird, müssen die Roboter deshalb unbedingt eine Analyse der Gefährlichkeit und Befahrbarkeit durchführen. Beispielsweise sollten Abschnitte mit großer Steigung oder tiefer, lockerer Sandboden als potentiell gefährlich eingestuft werden. Wir wollen dazu die Daten der Stereokamera bzw. RGBD-Kamera verwenden. Die Bewertung geschieht anhand der 3D-Struktur des Geländes und der Textur.

  • Pfadplanung: In enger Verzahnung mit der Gefahrenanalyse müssen sichere Wege durch das Gelände geplant werden. Dabei sollen besonders gefährliche Stellen umfahren werden. Der Roboter wird also lieber einen Umweg in Kauf nehmen, als sich in gefährliches Gelände zu wagen.

  • Bewegungsschätzung

  • Kartierung und Lokalisierung

  • Objekterkennung

  • Greifen und Manipulieren, Visual Servoing

  • Kooperation mehrerer Roboter

Aktuelle Aufgaben für Studenten

Wir suchen jederzeit engagierte Studenten, die uns bei der Durchführung dieses spannenden Projektes unterstützen wollen. Gerne betreuen wir auch Ihre Abschlussarbeit im Rahmen des SpaceBot-Cups. Bitte wenden Sie sich an Dr.-Ing. Niko Sünderhauf.

Interessieren Sie sich für eine der weiter oben genannten Themengebiete? Auch wenn Sie noch kein "Experte" auf diesem Gebiet sind und noch keine Vorkentnisse haben, sprechen Sie uns bitte an. Bei ausreichend Interesse und Engagement findet sich immer die Gelegenheit für eine Mitarbeit. Obendrein haben Sie die Gelegenheit, in aktuelle wissenschaftliche Fragestellungen hineinzuschnuppern und ihr Wissen zu erweitern!