VIPEVIPE

Projekt "Exploration in schwer zugänglichem Terrain anhand visueller und propriozeptiver Daten im Valles Marineris (VIPE)" (Mittelgeber: BMWi)

 


Ziel dieses Vorhabens der Grundlagenforschung ist eine effektive Exploration von schwer zugänglichen Terrain im Valles Marineris auf dem Mars. Hierbei schließt das Vorhaben der Grundlagenforschung eine Lücke im Schwarm der Valles Marineris Explorer Initiative des DLR Raumfahrtmanagements. Diese umfasst bereits eine Kombination aus Rovern und Fluggeräten, jedoch bieten diese keine Lösung für die Erforschung von Steilhängen und Höhlen. Zu diesem Zweck soll die Entwicklung einer hominiden Roboterplattform vorangetrieben werden, um diese in den existierenden Schwarm zu integrieren. 

Um dies effizient und kostengünstig zu erreichen, soll dabei auf in vorangegangenen Vorhaben aufgebaute Expertise und Hardware zurückgegriffen werden. So soll für die Entwicklung der hominiden Roboterplattform auf dem im Vorhaben „iStruct“ entwickelten vierbeinigen Laufroboter „Charlie“ aufgebaut werden. Dieser ist aufgrund seiner leichten und hochintegrierten Bauweise, seiner Agilität und taktilen Sensorik ideal geeignet um schwieriges Gelände zu überwinden.

Um das Gewicht der Roboterplattform gering zu halten (wichtig für die Agilität und die Transportkosten des Systems), sollen nur wenige leichte Sensoren verbaut werden. Eine visuelle Navigation stellt dabei eine sehr geeignete Technologie dar, die auf leichten, passiven Sensoren aufbaut und aufgrund der großen Redundanz eine zuverlässige Positionsbestimmung ermöglicht. Im Gegensatz zu einer funkbasierten Ortung ist dabei keine (Sicht-)Verbindung zu anderen Schwarmteilnehmern notwendig. Für die zuvor dargestellten Anforderungen an eine solche ergänzende Roboterplattform ist jedoch die Positionsbestimmung anhand einer kontinuierlichen visuellen Odometrie mittels Stereokamera, wie Sie für die Rover und Flugsysteme eingesetzt wird, nicht ausreichend. Gerade in Bereichen mit geringer Helligkeit wären die Belichtungszeiten zu lang oder würden eine durchgehende und somit ressourcenintensive Beleuchtung erfordern.

Ziel des Vorhabens ist es daher einen neuartigen visuellen Positionierung- und Kartierungsansatz zu erforschen, der durch den Einsatz einer 360° Panoramakamera den Abstand zwischen den notwendigen Bildaufnahmen so vergrößert, dass lediglich wenige Aufnahmen für eine Navigation über mehrere Meter hinweg ausreichen. Auf diese Weise ist es möglich, die einzelnen Panoramabilder aus dem Stand mit langer Belichtungszeit aufzunehmen. Weiterhin soll der visuelle Navigationsansatz in der Lage sein zuvor besuchte Orte robust (trotz der oft schlecht unterscheidbaren Umgebungstextur) wiederzuerkennen. Die dabei geschlossenen Schleifen können so detektiert und berücksichtigt werden, um den Positionsdrift, auch gegenüber anderen Schwarmteilnehmern, zu reduzieren. Die entstehenden Kartendaten sollen als Teil der Netzwerkintelligenz innerhalb des Schwarms ausgetauscht und fusioniert werden, um eine dezentrale visuelle und geometrische Karte zu erstellen. Zur Verarbeitung der Kameradaten sollen energieeffiziente Ansätze gefunden werden; eine Anforderung wie sie schon in den Vorhaben „NAVVIS“ I und II grundlegend war. Die in diesen Vorhaben entwickelten Schlüsseltechnologien und Grundlagen sind Voraussetzungen für die Entwicklung dieser visuellen Positionierungs- und Kartierungstechnologie.

Während dieser Ansatz zur visuellen Navigation eine genaue Positionsbestimmung über weitläufige Umgebungen hinweg auch bei schlechten Lichtbedingungen ermöglichen soll, ist ein komplementärer Ansatz notwendig, um zwischen den einzelnen Panoramaaufnahmen die Positionsänderung zu bestimmen. Gerade bei der Überwindung von schroffem Gelänge ist es dabei entscheidend die „Beine“ des Laufroboters präzise auf stabile Oberflächen aufzusetzen. Um dies zu ermöglichen, soll ein propriozeptiver Ansatz erforscht werden, der anhand von taktilen Sensoren die Körperlage und -bewegung im Raum erfasst und in Positionsinformationen umsetzt. Dies ist Voraussetzung für eine Bewegungsplanung und reaktive Bewegungssteuerung, die das Überwinden von Hindernissen ermöglicht. Durch Fusion der taktilen Daten mit visuell wahrgenommenen Oberflächenstrukturen wie Kanten und Spalten ergänzen sich diese beiden Technologien zu einem sehr vielversprechenden Ansatz um schwieriges Gelänge zuverlässig zu überwinden.

Die im Vorhaben zu erforschenden Technologien sind auch auf der Erde in zahlreichen Anwendungen wie der Personennavigation, Servicerobotik, Höhlenexploration, beim Katastrophenschutz (Fukushima, Erdbebengebiete, etc.) von großem Nutzen. Dabei sind jedoch zusätzliche Anforderungen zu berücksichtigen. Ziel dieses Vorhabens ist es daher, die für zentrale Transferanwendungen notwendigen Erweiterungen dieser Schlüsseltechnologien zu erforschen, um diese für terrestrische Anwendungen nutzbar zu machen.

 

 

Projektsteckbrief: Exploration in schwer zugänglichem Terrain anhand visueller und propriozeptiver Daten im Valles Marineris (VIPE)

Projekttitel: Exploration in schwer zugänglichem Terrain anhand visueller und propriozeptiver Daten im Valles Marineris (VIPE)
Projektkoordinator: Eckehard Steinbach
Lehrstuhl für Medientechnik
Arcisstraße 21, 80333 München
Tel.: 089-289-23500
Projektlaufzeit: 01.05.2015 – 30.04.2018
Mittelgeber: BMWi
Kooperationspartner: Lehrstuhl für Medientechnik, Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI), NavVis GmbH
Homepage: http://www.vamex-vipe.de/