Entsprechend den auftretenden Bedingungen werden menschenfeindliche Umgebungen unterschieden in:

Transkript

1 24. März 2016 Seite 1 5 Autonome Systeme für menschenfeindliche Umgebungen Menschenfeindliche Umgebungen sind durch Bedingungen gekennzeichnet, die Menschen besonders belasten oder gefährden, wie zum Beispiel unter Wasser, extreme Höhen (Weltraum), Kontamination (Strahlung, Viren, Gifte), Extrembedingungen (Sauerstoffmangel, Verschmutzung, Hitze/Kälte), hohes Gefahrenpotenzial (Einsturz- und Explosionsgefahr) oder Bedrohungen durch Menschen (Krisen- und Kriegsgebiete, Polizei-Sondereinsätze). Entsprechend den auftretenden Bedingungen werden menschenfeindliche Umgebungen unterschieden in: Umgebungen, die Menschen nur mit spezieller Schutzausrüstung betreten können Umgebungen in denen Belastung und Gefährdung des Menschen mit wachsender Aufenthaltsdauer ansteigen Umgebungen in denen ein Aufenthalt des Menschen mit unzumutbar hohen Risiken verbunden ist Je nach Anwendungsgebiet sind autonome Systeme mit unterschiedlichen oder aufgabenbedingt variablen Autonomiegraden zweckdienlich, wobei man die folgenden unterscheidet: Ferngesteuerte Systeme (mit visueller und/oder haptischer Rückkopplung) Automatisierte Systeme, die Teilaufgaben selbständig erledigen können Autonome Systeme Die verschiedenen Autonomiegrade erfordern dedizierte Mensch-Maschine- Schnittstellen. Use Case: Maritime Anwendungen Unter Wasser gibt es eine Vielzahl von Aufgaben, bei denen Menschen durch autonome Systeme entlastet und ersetzt werden können, oder die mittels autonomer Systeme sinnvoll angegangen werden können. Menschen müssen Atemgeräte verwenden und vor Kälte geschützt werden, sie haben eine

2 eingeschränkte Sicht und Orientierung sowie beschränkte Kommunikationsmöglichkeiten. Außerdem gibt es kurze zumutbare Aufenthaltszeiten und sie können ohne eine Druckkapsel nur in geringe Tiefen vordringen. Wirtschaftlich und wissenschaftlich relevante Aufgaben für den Einsatz autonomer Systeme sind vielfältig, wie die automatische Inspektion von Unterwasseranlagen (Bohrlöcher, Pipelines, Windradfundamente, Schiffsrümpfe) sowie deren Instandhaltung und Sicherung. Dazu zählt auch die Überwachung maritimer Farmen (Fische Algen), die geographische, geologische und biologische Erkundung (Tiefsee, eisbedeckte Gebiete), die Erkundung und Ausbeutung mariner mineralischer Ressourcen, das Auffinden und Beseitigen von Altlasten (Munition) sowie der Umweltschutz. Autonome Unterwasserfahrzeuge und -roboter, die den herrschenden Bedingungen angepasst sind, bieten einen hohen Nutzen und ein wirtschaftliches Potenzial. Besondere technische Herausforderungen liegen in druckfesten Materialien und Komponenten (Batterien, Antriebe, Behältern), in der Unterwassersensorik (optisch, akustisch, elektrisch, magnetisch, chemisch, biologisch), in der Navigations- und Kommunikationstechnik, in der UW- Manipulationstechnik sowie im notwendig hohen Autonomiegrad und der Schwarmfähigkeit. 24. März 2016 Seite 2 5 DEDAVE: Exploration der Tiefsee und Inspektion von technischen Anlagen in der Tiefsee Wasser bedeckt mehr als 70 Prozent der Erdoberfläche, aber aufgrund der am Meeresboden herrschenden menschenfeindlichen Bedingungen - pro 10m Wassertiefe steigt der Druck um ca. 1 bar - sind weniger als fünf Prozent der Tiefsee erforscht und kartiert. Die Tiefsee ist eine Umgebung, in der Maschinen besser zurechtkommen als Menschen. Aktuelle Marktstudien erwarten für autonome Unterwasserfahrzeuge (AUV) deshalb in wenigen Jahren eine Vervierfachung der Umsätze. DEDAVE ist ein vom Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) in Karlsruhe entwickeltes flexibles Tiefsee-AUV, dessen Name für»deep Diving AUV for Exploration«steht. DEDAVE ist ein autonom navigierender Träger für verschiedene Sensoren, um Unterwasserkarten zu erstellen, marine Sedimente zu untersuchen und andere Inspektionen und Vermessungen durchzuführen. Anwendungsgebiete sind die Meeresforschung, die Vorbereitung der Verlegung von Tiefseekabeln und Pipelines, deren Inspektion im Betrieb, Tiefsee-Bergbau und maritime Öl- und Gas-Förderung. Das Unterwasserfahrzeug kann bis zu Meter tief tauchen, Missionen mit bis zu 20 Stunden Dauer durchführen und mit mehreren Sensoren ausgestattet

3 werden. Aufgrund der patentierten Schnellwechseleinrichtung für Batterien und Datenspeicher sind Wartungs- und Rüstzeiten geringer, was die Dauer und Kosten einer Mission erheblich reduziert. Das AUV ist in verschiedene Module aufgeteilt und kann so innerhalb seines Rastermaßes adaptiert werden. Seine Kompaktheit ermöglicht es, weltweit flexibel auf kleineren, größeren und unterschiedlich konzipierten Schiffen eingesetzt zu werden. 24. März 2016 Seite 3 5 DEDAVE im Unterwasserlabor am IOSB-AST in Ilmenau. Modularer Aufbau, Tauchtiefe bis 6.000m, L x B x H = 3,5m x 1,25m x 0,55m, Gewicht inklusive Nutzlast: 750kg, Tauchdauer bis 20 Stunden, Geschwindigkeit: 4kn, Energieversorgung: Schnellwechsel- Li-Polymer-Modul mit 10kWh. Systemverbund autonomer Systeme für den Einsatz in menschenfeindlichen Umgebungen Autonome Systeme können diverse Aufgaben in unterschiedlichen menschenfeindlichen Umgebungen ausführen. Diese Aufgaben werden letztendlich immer von Menschen gestellt und erfordern ein benutzerfreundliches Bedieninterface insbesondere wenn es sich um die Beauftragung mehrerer Systeme handelt. Bei der Ausführung der Aufgabe muss der Mensch auch wissen, wo und in welchem Zustand sich die Teilsysteme befinden und was der aktuelle Stand der Aufgabenerledigung ist. Zudem ist es

4 in menschenfeindlichen Umgebungen oft notwendig, die Aufgabenstellung dynamisch ändern zu können. Der mobile Leitstand Aufklärung mit mobilen und ortsfesten Sensoren im Verbund (AMFIS) wurde vom Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) in Karlsruhe entwickelt, um heterogene mobile Systeme (fahrende, fliegende oder schwimmende) gezielt zu disponieren und zu kontrollieren z. B. bei einer Erkundung menschenfeindlicher Umgebungen, Katastrophenschutz oder Überwachung. Die angebundenen autonomen oder teilautonomen Systeme können über graphische Interfaces auf einheitliche Weise beauftragt und kontrolliert werden. Der einsatzfertige Leitstand ist in einem Mercedes Sprinter untergebracht und verfügt über Schnittstellen zu anderen Leitzentren. 24. März 2016 Seite 4 5 Als Beispiel eines in das System integrierten Landroboters (Unmanned Ground Vehicle/UGV) dient der vom Fraunhofer IOSB entwickelte»iosb.amp Q1«, der autonom eine unbekannte Outdoor-Umgebung multisensoriell (Video, IR, Lidar) erkunden und 3D-Karten erstellen kann. Ein Beispiel für einen modernen Flugroboter stellt der md vor. Der Quadrokopter wurde von microdrones GmbH entwickelt und kann autonom mit Nutzlasten bis vier Kilogramm 45 Minuten in Höhen bis Meter fliegen. Der Unterwasserroboter SeaCat von ATLAS ELEKTRONIK GmbH kann mit diversen austauschbaren Köpfen (z. B. Chemical Sniffer, Survey oder Inspektion) in Wassertiefen bis 600 Meter autonom oder ferngesteuert bis zu zehn Stunden agieren.

5 24. März 2016 Seite 5 5 AMFIS-System für den effektiven Einsatz von teil- und vollautonomen Systemen in menschenfeindlichen Umgebungen. Oben: mobiler Leitstand integriert in einen Kleinbus. Unten links: SeaCat, Fa. ATLAS ELEKTRONIK GmbH. Unten Mitte: Quadrokopter md4-3000, Fa. microdrones GmbH. Unten rechts: IOSB.amp Q1, Fraunhofer-IOSB. Dieses Feld, sowie die Tabelle auf der letzten Seite nicht löschen!