Roboter erkundet neues Terrain

Doch oft ist keine Karte verfügbar, die ihnen den Weg durch unbekanntes Gelände weist. Ein neuer mobiler Roboter erkundet autonom fremde Umgebungen und kartiert sie. Eine Algorithmen-Toolbox macht’s möglich.

Industrieroboter sind seit Jahren in der Arbeitswelt etabliert – etwa in der Automobil- oder der Hausgerätefertigung verrichten sie zuverlässig ihren Dienst am Fließband und in der Montagestraße. Künftig wird eine neue Generation von Hightech-Helfern unterwegs sein:

Mobile Roboter erkunden für Menschen gefährliche oder schwer zugängliche Umgebungen – etwa einsturzgefährdete Häuser, Höhlen oder nach einem Industrieunfall verseuchtes Gelände. Ausgerüstet mit Sensoren, Radar und optischen Kameras können sie Rettungskräfte nach Naturkatastrophen, Explosionen oder Bränden bei der Suche nach Opfern unterstützen und Schadstoffe messen.

Das Problem: Oftmals ist keine Karte verfügbar, die die Lage von Hindernissen sowie die befahr- und begehbaren Bereiche kennzeichnet. Solche Karten sind jedoch unverzichtbar, damit sich die Hightech-Gesellen selbstständig oder auch ferngesteuert vorwärtsbewegen können. Einen fahrenden Landroboter, der autonom unbekanntes Gelände auskundschaftet und zugleich kartiert, haben jetzt die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB in Karlsruhe entwickelt. Den Weg durch das fremde Terrain bahnt sich der Roboter mithilfe spezieller Algorithmen und Multisensordaten.

»Um navigieren zu können, werden hohe Anforderungen an unser mobiles Gefährt gestellt: Es muss sich selbst präzise lokalisieren und auf dem Weg durch die Gefahrenzone seine Position permanent neu errechnen und gleichzeitig die selbst erstellte Karte verfeinern«, sagt Diplomingenieur Christian Frey vom IOSB. Damit dies gelingt, haben der Forscher und sein Team eine Algorithmen-Toolbox entwickelt, die auf einem in den Roboter integrierten Rechner läuft. Zudem ist der Hightech-Geselle mit verschiedenen Sensoren ausgerüstet: Odometriesensoren messen Radumdrehungen und Inertialsensoren die Beschleunigungen, Distanz messende Sensoren registrieren beispielsweise den Abstand zu Wänden, Treppen, Bäumen und Büschen. Kameras und Laserscanner nehmen die Umgebung wahr und dienen zur Kartierung. Die Algorithmen lesen die vielfältigen Sensordaten aus und bestimmen auf Basis dieser Informationen die exakte Position des Roboters. Aus diesem Zusammenspiel entsteht zugleich eine Karte, die ständig aktualisiert wird. Dieses Verfahren zur simultanen Lokalisierung und Kartenerstellung nennen die Experten SLAM, kurz für Simultaneous Localization and Mapping.

Eine weitere Herausforderung für mobile Roboter: Sie müssen den für den jeweiligen Einsatzzweck optimalen Pfad finden. Situationsabhängig kann dies sowohl der kürzeste als auch der schnellste Weg sein oder der energieeffizienteste, also der mit dem geringsten Benzinverbrauch. Beim Planen des Pfads müssen die Hightech-Helfer Bewegungseinschränkungen wie einen begrenzten Wenderadius selbst berücksichtigen und Hindernissen ausweichen. Ändert sich die Umgebung, etwa durch herabfallende Gegenstände oder Nachbeben, so muss der mobile Roboter dies registrieren und seinen Pfad mithilfe der Toolbox neu berechnen.

»Wir haben unsere Toolbox modular entwickelt, die Algorithmen können ohne großen Aufwand an beliebige mobile Roboter und unterschiedlichste Anwendungsszenarien im In- und Outdoor-Bereich angepasst werden. Es spielt also beispielsweise keine Rolle, welches Setup an Sensoren zum Einsatz kommt und ob der Helfer einen Zwei- oder einen Vierradantrieb hat«, sagt Frey.

Die Software lasse sich kundenspezifisch flexibel skalieren, der Entwicklungsaufwand beschränke sich auf wenige Monate. »Die Toolbox ist vielseitig einsetzbar, nicht nur für Unglücksereignisse. Beispielsweise lassen sich auch Putzroboter oder Rasenmäher damit ausrüsten. Denkbar ist die Kombination mit mobilen Helfern, die Gebäude bewachen oder Gasleitungen auf Schwachstellen untersuchen«, so der Forscher. Ihren mobilen Roboter demonstrieren die Experten vom IOSB vom 6. bis 10. März auf der CeBIT am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle 9, Stand E08.