Kognitive Mobile Systeme

Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE

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Funktionieren, wo es für Menschen zu gefährlich ist

Ob in Industrieanlagen giftige Substanzen aufzuspüren oder zu beseitigen sind oder in einem Katastrophengebiet ein Kommunikationsnetzwerk provisorisch neu aufgebaut werden muss, mobile Roboter bewahren Menschen zunehmend davor, sich den Gefahren direkt auszusetzen. Doch sind die Anforderungen an die Kontrollsysteme für solche Roboter hoch. Bereits ein einzelner Roboter verfügt über eine Vielzahl von Sensoren und Bewegungsmöglichkeiten, die überwacht und gesteuert werden müssen. Diese Aufgabe kann selbst geschulte Fernbediener schnell überfordern. Werden mehrere Roboter im Verbund eingesetzt, steigt die Belastung noch einmal erheblich, da der Operateur zusätzlich das sinnvolle Zusammenspiel aller Geräte überwachen muss.

Die Abteilung Kognitive Mobile Systeme schafft wichtige Grundlagen für eine einfachere und intuitivere Handhabung solcher komplexen Mehrrobotersysteme. Dazu entwickelt sie Software für intelligente Unterstützungsfunktionen bei der Steuerung der Roboter sowie Planungswerkzeuge zur besseren Koordination von Mehrrobotersystemen.

Vorgehen

Unsere Forschung im Bereich ‚Mensch-Mehrrobotersysteme für verteidigungs- und sicherheitsrelevante Aufgabenstellungen‘ begegnet den oben aufgezeigten Herausforderungen auf zwei Ebenen:

(1) Assistenzfunktionen zur Robotersteuerung: Durch intelligente Software kann der Operateur von vielen der kognitiv belastenden Steuerungsaufgaben befreit werden. Dazu entwickeln wir Algorithmen, die die Sensordaten des Roboters fortwährend beobachten und zu einem intuitiv verständlichen Situationsbild verdichten. Aktuelle Forschungsergebnisse aus dem Bereich der autonomen Robotik erlauben es zunehmend, auch komplexere Bewegungs- und Manipulationsaufgaben auf Basis dieser Informationen automatisch durchzuführen.

Die Assistenzfunktionen stellen dem Anwender eine verständliche Darstellung der Umgebungswahrnehmung des Robotersystems und dessen Handlungsabsichten zur Verfügung. Sie ermöglichen somit eine zunehmend anwenderfreundliche High-Level-Steuerung der Systeme.

(2) Koordinationsverfahren für Mehrrobotersysteme: Für viele Aufgaben ist der koordinierte Einsatz mehrerer mobiler Robotersysteme erforderlich, sei es der paarweise Einsatz mobiler Manipulatoren bei der Explosivstoffentschärfung oder die Verwendung eines ganzen Teams unbemannter Fahrzeuge für den Aufbau eines Kommunikationsnetzes in einem Katastrophengebiet. Der zusätzliche Abstimmungsaufwand lässt die Belastung bei der Führung eines solchen Mehrrobotersystems überproportional steigen.

Wir entwerfen softwarebasierte Koordinationsverfahren, mit denen dieser zusätzliche Aufwand deutlich reduziert werden kann. Planungsalgorithmen schlagen dafür automatisch ein effizientes Vorgehen der Robotergruppe vor. Für Routineaufgaben können sie die Steuerung der Einzelsysteme sogar selbstständig übernehmen.

Für beide Ebenen gilt, dass wir laufend relevante technische Neuentwicklungen in unsere Konzepte und Methoden integrieren und diese in Zusammenarbeit mit unseren Auftraggebern, wie der Bundeswehr und anderen mit Sicherheitsaufgaben betrauten Organisationen, mithilfe von prototypischen Anwendungssystemen evaluieren.

Kompetenzen

Wir forschen seit mehr als zwanzig Jahren im Auftrag des Bundesministeriums der Verteidigung auf dem Gebiet der unbemannten mobilen Systeme. Im Zentrum steht dabei die Entwicklung innovativer Werkzeuge für die Mensch-Mehrroboter-Interaktion und Kooperation. Die Grundlage für erfolgreiche Lösungen bildet unser profundes Wissen über aktuelle Verfahren der autonomen Robotik, unsere Erfahrung sowohl mit der Kommunikation zwischen mobilen Systemen als auch mit der ergonomischen Gestaltung von Leitständen für derartige Systeme.

Die entwickelten Werkzeuge werden anhand prototypischer Anwendungen evaluiert.

Der Schwerpunkt dieser Anwendungen liegt auf den Bereichen

  • Mehrrobotersysteme für die Nachrichtengewinnung und Aufklärung (NG&A) sowie
  • CBRNE-Roboter, d. h. Roboter für die Detektion und die Untersuchung von chemischen, biologischen, radiologischen, nuklearen und explosiven Bedrohungen.

Diese Domäne bildet gleichzeitig den anwendungsbezogenen Kompetenzkern der Forschungsgruppe. Alle unsere Projekte werden in enger Zusammenarbeit mit den Auftraggebern durch konsequente Verfolgung der skizzierten Proof-of-Concept-Strategie umgesetzt.

Anwendungsfelder

Die aktuellen Anforderungen in den Einsatzgebieten für friedenschaffende und ‑erhaltende Maßnahmen sowie der Terrorbekämpfung bestimmen auch die Entwicklung der militärischen Robotik. Unbemannte Robotersysteme zum Schutz und zur Erweiterung des Fähigkeitsspektrums von Soldaten im Einsatzgebiet bei hochriskanten Operationen sind ein wesentliches militärisches Erfordernis. Beispielsweise kann man Mehrrobotersystemen die Aufgabe übertragen, im Wirkbereich des Gegners die nötigen Sensor- und Kommunikationssysteme aufzubauen, die eine Vernetzte Operationsführung (NetOpFü) dort erst zulassen. Dabei bedeutet NetOpFü den verantwortungsvollen Einsatz der menschlichen Streitkräfte auf der Basis eines durch Nutzung unbemannter Systeme schnell verfügbaren, einheitlichen Lagebildes für alle Beteiligten.

Daneben halten unsere Lösungen zunehmend auch Einzug in zivile Anwendungsfelder: Im Bereich Homeland Security können unbemannte Systeme die Absicherung kritischer Infrastrukturen vor terroristischen Anschlägen unterstützen. Im Bereich der Wirtschaft eignen sie sich zur Inspektion industrieller Einrichtungen, etwa der Leckagedetektion in Chemieanlagen. Prototypische Anwendungen haben wir neben der NetOpFü auch für ISR (Intelligence, Surveillance and Reconnaissance) und CBRNE (Detektion chemischer, biologischer, radiologischer, nuklearer und explosiver Gefahren) realisiert.

Projekte

ARMINIUS – Assistenzfunktionen für Teilautonomie in mobilen unbemannten Systemen

Die Verwendung von unbemannten Robotersystemen zum Schutz und zur Erweiterung des Fähigkeitsspektrums der Soldaten im Einsatzgebiet ist insbesondere bei hochriskanten Operationen eine wesentliche militärische Forderung. Um die Führung eines mobilen Roboters für Soldaten zu vereinfachen, entwickeln wir im Projekt ARMINIUS intelligente Assistenzfunktionen, mit denen das System Teile der Steuerungsaufgabe autonom durchführen kann und den Operateur dadurch entlastet. Mehr

VARUS – Vernetzungsstrategien und Anwendungsszenarien für unbemannte Systeme

Ein essenzieller Bestandteil der Vernetzten Operationsführung (NetOpFü) sind Kommunikations- und Sensornetze, die es ermöglichen, schnell ein aktuelles Lagebild zu generieren. Der Aufbau der Netze im Wirkungsbereich des Gegners kann eine Gefahr für den Soldaten darstellen. Zum Schutz der Soldaten ist deshalb der Einsatz von unbemannten Systemen für den Aufbau der Netze vorzuziehen. Mehr

ManiPuR – Modulares Manipulatorfahrzeug / CBRNE-Aufklärungsroboter

Abwehrfähigkeit gegenüber CBRNE-Gefahren (chemische, biologische, radiologische, nukleare und explosive Gefahren) ist eine wesentliche Aufgabe der Bundeswehr und aller Behörden mit Sicherheitsaufgaben. Freigesetzte Chemikalien oder radioaktives Material bei Großschadensereignissen können eine ernste Bedrohung für Einsatzkräfte und Bevölkerung darstellen. Weitgehende Automatisierung und Roboterisierung hingegen ermöglicht es, die eigenen Kräfte im Einsatz erheblich besser zu schützen. Mehr

RobotFahrer – experimentelle Realisierung eines automatisierten Militärtransports

Vor dem Hintergrund der zunehmenden asymmetrischen Form der Kriegsführung sowie der schwierigen geografischen und klimatischen Bedingungen möglicher Einsatzgebiete wurden »Konvoiroboter« als eine wichtige Fähigkeitslücke erkannt. Ziel des Projekts ist es, einen Realisierungsvorschlag für einen »Automatisierten Militärtransport« (AMT) zu erarbeiten und anschließend experimentell umzusetzen. Mehr

Eine Auswahl wesentlicher Publikationen

Brüggemann, B.; Tiderko, A.; Stilkerieg, M. An Adaptive Signal Strength Predictor for Multi-Robot Systems by using Radio Propagation Models to improve Navigation Strategies. In: Proceedings of the International Conference on Robot Communication and Coordination (RoboComm), Odense, Dänemark, März 2009.

Brüggemann, B.; Schulz, D. Coordinated Navigation of Multi-Robot Systems with Binary Constraints. In: Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Taipeh, Taiwan, Oktober 2010.

Hoffmann, J.; Brüggemann, B.; Krüger, B. Automatic Calibration of a Motion Capture System based on Inertal Sensors for Tele-Manipulation. In: Proceedings of the 7th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics (ICINCO), Madeira, Portugal, Juni 2010.

Höller, F.; Schulz, D.; Moors, M.; Schneider, F. E. Accompanying Persons with a Mobile Robot using Motion Prediction and Probabilistic Roadmaps. In: Proceedings of IROS 2007, San Diego, USA, Oktober 2007.

Höller, F.; Röhling, T.; Königs, A. Combining Coordinated Navigation and Reactive Collision Avoidance for GPS-based Convoying. In: Proceedings of the Conference Towards Autonomous Robotic Systems (TAROS), Edinburgh, GB, September 2008.

Röhling, T.; Brüggemann, B.; Höller, F.; Schneider, F. E. CBRNE Hazard Detection with an Unmanned Vehicle. In: Proceedings of the IEEE International Workshop on Safety, Security, and Rescue Robotics (SSRR), Denver, USA, November 2009.

Schneider, F.; Röhling, T.; Brüggemann, B.; Wildermuth, D. CBRNE reconnaissance with an unmanned vehicle – A semi-autonomous approach. In: Proceedings of the IFAC Symposium on Telematics Applications, Timisoara, Rumänien, Oktober 2010.

Tiderko, A.; Bachran, T.; Höller, F.; Schulz, D. RoSe – A framework for multicast communication via unreliable networks in multi-robot systems. In: Robotics and Autonomous Systems, Volume 56, Issue 12, Dezember 2008, S. 1017-1026.

Weitere Publikationen

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