KI-basierte Weltraumrobotik

Transkript

1 KI-basierte Weltraumrobotik Rekonfigurierbare Roboterteams zur Erforschung Lunarer Krater und Betrieb Lunarer Infrastruktur Frank Kirchner*, Rolf Janovsky**, Wolf, Peter Foth*** DFKI-Robotics-Lab*, OHB-System**, Astrium***

2 Überblick Planetarische Exploration Warum Roboter Stand der Technik Lunokhod I & II Sojourner Spirit & Opportunity ExoMars Alternative Konzepte Insbesondere zur Kraterexploration Zukünftige Herausforderungen

3 Planetarische Exploration Bild in Richtung der Twin Peaks, aufgenommen während der Pathfinder-Mission zum Ares Vales, Mars (1997) JPL

4 Planetarische Exploration mit Rovern Russische Lunokhod I & II (Mond, ) 8 Räder Starres Chassis ~ 850kg Gewicht 1.6m Länge Sensorik/Experimente: 4 Kameras Solar X-Ray Experiment Astrophotometer Magnetometer Radiometer Photodetector für Laserdetektionsexperimente Laser Reflektor Resultate: Km (Lunokhod I) & 37km (Lunokhod II) Terrain überwunden.

5 Planetarische Exploration mit Rovern Pathfinder (1996/1997) Erste Marsmission mit einem Rover Kosten 265M Dollar Erste Mission mit Airbacks Landing Site: Ares Vallis Sojourner wird am vom Lander abgesetzt sehr steinig, verschiedene geologische Funde erwartet, ehemaliges Flutgebiet Gewicht 10.5 Kilo Alpha Proton X-ray Spektrometer 3 Kameras 1cm/sek Mehrere 100m zurückgelegt in 83 SOL Ausrichten eines Instruments am Stein teilweise mehrere Tage Der Micro-Rover Sojourner Kommandosequenzbasierte Steuerung (2-3/SOL) Resultate: 16,500 Bilder 550 Bilder vom Rover 15 chemische Steinanalysen + weitere Umweltdaten Blick vom Lander auf Sojourner

6 Planetarische Exploration mit Rovern MER-Mission (2003- bis jetzt) Zweite Marsmission mit 2 Rovern Spirit und Opportunity Landing Sites: Gusev Crater & Meridiani Planum Suche nach Wasser Kosten: mittlerweile >1000M Dollar Aufbau Steuerung: Gewicht 180 Kilo Panoramic Camera (Pancam) Miniature Thermal Emission Spectrometer Mössbauer Spectrometer Alpha Particle X-Ray Spectrometer Magnets: zum Sammeln magnetischen Staubs Mikroskop Kamera (Nahaufnahmen) Rock Abrasion Tool (RAT) Vorplanung + Simulieren des Plans + Bildbasierte Navigation (2 x pro Tag Upload) Resultate bisher: Geplante Lebensdauer bei weitem überschritten Über Bilder Untersuchung flacher Krater Mehrere Kilometer Fahrt (mittlerweile 9km mit Opportunity) Abb. Spirit und Sojourner Modell

7 Stand der Technik: KI-Planung / Navigation Navigation / Fahrtplanung Plan mit Visualisierung auf der Erde Plan wird 2mal am Tag zum Rover gefunkt Rover erstellt aus Panoramadaten ein 3D- Elevation-Grid Planner berechnet sichersten/günstigen Weg bis zum nächsten Wegpunkt (30cm) Visuelle Odometrie zur Lokalisation Autonomie-Probleme: Korrektes Modell Korrekte Regeln Im Zweifel maximal konservatives Vorgehen Visuelle Odometrie Plannug in Elevation-Grid

8 Planetarische Exploration mit Rovern Exo-Mars (2011 oder 2013) Suche nach Spuren von Leben Geplant: ~120kg Gewicht (ursprünglich mehr / Kosten!) 180 SOLS geplant Pasteur Wissenschaftspayload»»»»»»»»» Panoramakamera IR-Spektrometer Ground Penetrating Radar(GPR) Mössbauer >Spectrometer Bohrer bis 2m Teife Laser-Induced Breakdown Spectroskop (LIBS) Mikroskop X-Ray Diffractometer usw (noch offen)

9 Exomars Modell Chassis Tests Aufnahmen von Tests mit dem RCL-Chassis (1:2) im ESTEC Testbed

10 Zusammenfassung: Stand der Technik Bisher: Missionen mit 6-8 rädigen Rovern Missionen mit nur einem Roboter Keine Kooperationen / keine Infrastruktur komplexerer Art Rein wissenschaftliche Missionen mit Fokus auf Exobiologie Exogeologie Missionen in vorwiegend leichtem Gelände und möglichst unter Ausschluss von Autonomie Krater/Canyons können nur begrenzt untersucht werden Autonomie (dynamische Umgebung) Mobilität

11 Krater auf dem Mars Abb. Panorama-Bild Endurance Crater (Oppertunity) Bisher ist es nur sehr beschränkt möglich Krater oder Canyons zu untersuchen, sie stellen sind aber von wissenschaftlich hohem Interesse. Aktuell: Opportunity am Victoria Krater Animation vom Victoria Krater

12 Erklimmen von Kraterabhängen Missionen in Krater stellen neue Anforderungen an Mobilität Laufende Systeme bieten diese Mobilität Interesse an Kratern & Canyons: Zugang zu verschiedenen Sedimentschichten Zugang zu vereisten Wasser Mögliche Mikrohabitate in Spalten, Höhlen Anderes Klima als an der Oberfläche letzter Zufluchtsort für biologische Organismen Animation: Abstieg in einem Krater

13 Laufroboter für schwieriges Terrain Projekte: Dante (NASA/CMU) Lemur(NASA/JPL) SCORPION (DFKI Labor Bremen, NASA) ARAMIES (DFKI Labor Bremen, ESA/DLR) Lemur IIa (NASA/JPL) Lemur IIb (NASA/JPL) SCORPION (DFKI Labor Bremen) ARAMIES (DFKI Labor Bremen)

14 Bio-Inspirierte Kontrolle für robuste & flexibe Fortbewegung

15 Alternative Konzepte: Kugeln Z.B. Spherical Mobile Investigator for Planetary Surfaces (SMIPS) (Ångström Space Technology Centre, Rotundus, Uppsala, Sweden) Ähnliche Konzepte bei NASA (Inflatable Rover) Geringes Gewicht (5.5kg) Durchmesser (0.44m) Theor. große Reichweite Hülle mit bis zu 11 Lagen (MEMS- Sensorik, Isolierung, Stromversorgung etc.) Pendulum

16 Alternative Konzepte: Schwärme kleiner Roboter Microbots for Large-Scale Planetary Surface and Subsurface Exploration (MIT Field and Space Robotics Lab, New Mexiko Tech) Schwärme von Robotern Untersuchung von Höhlen und Kratern Frogbot: Hüpfende Roboter (P. Fiorini, JPL)

17 Alternative Konzepte: Heterogene Roboterteams 2 Basis Rover (Mutterschiffe) Autonomer 6-rädiger Rover für leichtes Terrian Transporter für ARAMIES & SCORPION Seilwindensystem Hoch performate Computer & Communicationseinheiten Hochkapazitive Energeiversorgung Vollsensorik Verbindung zum Lander / Basisstation Specialists for each Task ARAMIES (ESA/DLR funded): Autonomer 4-beiniger Scout für unebenes Terrain Aktive Greife zum Klettern und zur Manipulation Payload: >5.0kg Reichweite : 2000m SCORPION: Autonomer 8-beiniger Scout für steiles Terrain Payload: 2.0kg Reichweite: ~1000m Leichtgewicht (11kg)

18 Alternativen: Ein hybrides System von 2 Robotern Eigenschaften: Ressourcensharing sollte Gewicht und Energieanforderungen verringern. Redundanz von Sensorsystemen verringert die Unsicherheit von Sensorwerten Basis-Rover dient als energieeffizienter Transporter auf leichtem Terrain Basis-Rover dient als Kommunikationsrelay Base Rover dient als Missions-Controller (Team leader) Scout ermöglicht Zugang zu schwierigem Terrain und in-situ-analysen

19 Alternativen: Ein mögliches kooperatives Szenario

20 Zusammenfassung 2 Hauptbereiche an zukünftigen Herausforderungen für planetarische Robotik: Eindringen in Krater, Spalten, Höhlen und den Boden Laufende, rollende, hüpfende, bohrende Roboter Autonomie Kooperative Ansätze Aufbau planetarischer Infrastruktur z.b. Habitate Teleskope Energieversorgung Lösungen: Kooperative Roboter Multi-Tool-Roboter

21 DFKI Robotics Lab & University of Bremen Germany

22 Weitere Konzepte: Aerobots AErial ROBOTS (AEROBOTS) für Planeten mit Atmosphäre 2 Sorten Leichter als Luft: Ballons, Luftschiffe (besonders günstig) Schwerer als Luft: Gleiter, Flugzeuge, Hubschauber etc.. Russische Vega Missionen (1984/85) zur Venus Vega Ballon Abb. NASA Gleiter JPL Aerobot

23 Visual Servoing in der Logistik Sortieren von Gegenständen aus unorganisierten Transportbehältern Automatische Identifikation von Gegenständen über Bildverarbeitung (Größe, Farbe, RFID, etc.) Anfahrbewegung des Roboters über direktes visuelles Feedback.

24 Virtuelle Immersion Operator besitzt den Blick aus dem Fahrzeug Unterstützung der Bedienung durch multimodales Interface: Datenhandschuh Sprachsteuerung (...)