Autonome CBRNE-Kartierung und -Manipulation mit Erkundungsrobotern

Bei Aufgaben, die für Menschen ein zu hohes Risiko bedeuten, unterstützen Roboter. So beispielsweise im Bereich der CBRNE-Aufklärung. CBRNE steht für »Chemical, Biological, Radiological, Nuclear and Explosive«. Darunter fallen auch aggressive Gefahrstoffe und radioaktive Verstrahlung, welche die Streit- und Sicherheitskräfte im Einsatzfall vor extreme Herausforderungen stellen. Eine Gefahr für Leib und Leben kann trotz richtiger Ausrüstung und intensiver Schulung nie vollkommen ausgeschlossen werden. Roboter, die mit CBRNE-Sensorik und autonomen Assistenzfunktionen ausgestattet sind, übernehmen hier.

Unterstützt von der Bundeswehr und der Bundespolizei erforscht die Abteilung »Kognitive Mobile Systeme« die intelligente Kombination von CBRNE-Aufklärungssensorik, Navigationsstrategien und Geodatenverarbeitung. Zudem befasst sie sich mit der Entwicklung intelligenter Assistenzfunktionen, die eine entfernte Steuerung von Robotern deutlich einfacher und intuitiver gestalten oder Teilaufgaben sogar vollkommen automatisiert erledigen.

Dabei wird durch die Fusion von Sensordaten unter anderem die Generierung eines gemeinsamen Lagebildes untersucht, das Einsatzkräften als verbesserte Entscheidungsgrundlage dienen soll. Ebenso werden Verfahren erforscht, um ein solches Lagebild beispielsweise an ein Battle-Management-System (BMS) zu übermitteln. Hierfür sind ein effizienter Informationsaustausch und eine nahtlose Integration verschiedener Systeme notwendig. Dazu werden Schnittstellen und Standards erforscht sowie Fragestellungen der Interoperabilität (z. B. in der NATO) und der zivil-militärischen Zusammenarbeit (CIMIC/ZMZ) betrachtet.

Für die präzise Detektion, Lokalisierung und Kartierung von Gefahrstoffen verknüpfen und koordinieren die Wissenschaftler Sensordaten, die Erkundungsroboter im Hinblick auf die Erkennung von CBRNE-Gefahrstoffen liefern, mit Navigationsstrategien und Zusatzinformationen aus digitalen Geo-Datenbanken. Können nicht alle Bereiche eines Areals vom Roboter erkundet werden, ergänzt ein geostatistisches Schätzverfahren die Messwertkarte an den nicht zugänglichen Stellen.

Gefahrenquellen können somit genauer detektiert, lokalisiert sowie – für die Einsatzkräfte besonders wichtig – präzise kartiert werden. Die unterschiedlichen Daten werden hierfür zu einem gemeinsamen Lagebild fusioniert. Dieses wird dem Leitstand zur Verfügung gestellt, der somit nachhaltige Entscheidungsunterstützung erhält.

Viele Einsatzszenarien erfordern weiterhin auch die entfernte, mobile Manipulation von Objekten, also das Sichern der Gefahrstoffe. Die Fernsteuerung eines Roboters mit Greifarm erforderte bisher jedoch eine langwierige Ausbildung des Bedieners. Dies ändert sich mit der Verfügbarkeit immer leistungsfähigerer mobiler Rechner und moderner KI-Algorithmen, die eine intuitivere Steuerung sowie teilweise sogar die automatisierte Erledigung von Aufgaben ermöglichen.

So nimmt mit ihrer Hilfe beispielsweise die Fähigkeit zur Echtzeit-Verarbeitung detailreicher Videodatenströme, sogenannte »Robot Vision«, stetig zu. Ihre Bedeutung für autonome High-Level-Anwendungen wächst rasant. Auf ihr basiert auch eine weitere innovative Assistenzfunktion aus dem FKIE-Labor: ein »Click & Grasp«-System, das allein auf Mausklick in ein Live-Videobild einen Greifarm automatisiert Gegenstände aufnehmen und an anderer, ebenfalls per Mausklick angewiesener Stelle wieder ablegen lässt.

Funktionalität und Effizienz der vom Fraunhofer FKIE entwickelten Kartierungs- und intelligenten Assistenzverfahren wurden nicht nur wissenschaftlich unter Laborbedingungen bewiesen, sondern auch in mehreren Durchläufen des regelmäßig stattfindenden »European Robotics Hackathon« (EnRicH) durch Demonstratoren praxisnah erprobt und erfolgreich unter Beweis gestellt.

Der Wettbewerb, den das Fraunhofer FKIE in Kooperation mit dem Amt für Rüstung und Wehrtechnik (ARWT) des österreichischen Bundesheeres regelmäßig ausrichtet, findet in realitätsnahen CBRNE-Szenarien statt. Sein Ziel ist es, die derzeitigen Fähigkeiten mobiler Roboter zur Reaktion auf nukleare und andere CBRNE-Lagen zu prüfen und voranzubringen. Die Teams müssen unter anderem kontaminierte Bereiche kartieren, Strahlungsquellen lokalisieren und gefährliche Objekte handhaben.

Dem Fraunhofer FKIE gelang es dabei wiederholt, seine Robotersysteme durch fortgeschrittene Software- und Assistenzfunktionen so zu befähigen, dass komplexe Teilaufgaben hochgradig automatisiert umgesetzt werden konnten. Die Kombination aus leistungsfähiger Sensorik, intelligenter Datenfusion, Assistenzfunktionen für die Teleoperation und robuster Manipulation wurde mehrfach ausgezeichnet, unter anderem in den Kategorien »Best Manipulation« und »Best Radiation Mapping«.

Das Forschungsvorhaben wird in verschiedene Richtungen fortgeführt. So sollen auf der Grundlage des ganzheitlichen Ansatzes zur Bildauswertung für universell einsetzbare Roboter, wie er für das »Click & Grasp«-System gewählt wurde, viele weitere Funktionen realisiert werden. Hilfreich hierbei sind leistungsfähige Sensoren, miniaturisierte Rechner sowie Virtual-Reality-Brillen und Steuergeräte mit Bewegungserkennung. Sie stellen eine Triebfeder für Robot Vision dar. Perspektivisch können dadurch nicht nur militärische Technologien, sondern auch ganz neue Bedienkonzepte und Anwendungsfelder erschlossen werden.