Next Generation: Erkundungsroboter kartieren autonom unbekannte Umgebungen
Eine neue Generation von Erkundungsrobotern kann in unbekannten Umgebungen bessere Karten erstellen als bisherige Systeme.
Das Erkundungssystem kann in verschiedenen Robotern und Drohnen eingesetzt werden. Hier in einem motorisierten, umgebauten Rollstuhl.
(Bild: Robotics Institute / Carnegie Mellon University)
Eine Gruppe von Wissenschaftlern des Robotics Institute an der Carnegie Mellon University (CMU) hat mehrere Robotersysteme und -planer entwickelt, die Robotern dazu verhelfen, selbstständig unbekannte Umgebungen schneller zu erkunden. Dabei kann die nächste Generation von Erkundungsrobotern genauere und detaillierte Karten als bisher erstellen.
Das Forschungsteam der CMU arbeitet bereits seit mehr als drei Jahren an Erkundungssystemen für Roboter. Das von ihr entwickelte System mit ihren Computern und Sensoren kann an nahezu jeden Roboter angeschlossen werden und ihn in einen automomen Entdecker verwandeln, wie die Wissenschaftler in ihrer Studie "Representation Granularity Enables Time-Efficient Autonomous Exploration in Large, Complex Worlds" schreiben, die in Science Rbotics veröffentlicht ist.
Die Systeme bestehen aus einem Rechner, an dem verschiedene Sensoren angeschlossen sind, die die Umgebung aufnehmen können. Darunter befindet sich ein 3D-Lidar-Sensor, eine nach vorn ausgerichtete Kamera sowie Sensoren für Trägheitsmessgeräte. Gesteuert wird das System von einem Erkundungsalgorithmus, sodass der Roboter weiß, wo er sich befindet, wo er war und wo er sich als Nächstes hinbewegen sollte. Das funktioniere nach Angaben der Forscher deutlich effizienter als bei früheren Systemen. Die Karten, die in Echtzeit erstellt werden, seien vollständiger und der Algorithmus arbeite etwa doppelt so schnell wie bisherige Ansätze.
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Roboter, die mit den Erkundungsystemen der CMU ausgestattet sind, umfassen drei verschiedene Erkundungsmodi. Im ersten Modus steuert ein menschlicher Operator die Bewegungen und die Richtung des Roboters. Autonome Funktionen sorgen dann lediglich dafür, dass der Roboter nirgends aneckt. Modus zwei umfasst das Auswählen eines Punktes auf einer Karte durch einen Menschen. Den Punkt fährt der Roboter an und beginnt von dort autonom seine Erkundungstour. Im dritten Modus kann sich der Roboter selbstständig auf den Weg machen und den gesamten Raum erkunden und davon eine Karte erstellen.
Einsatz unter erschwerten Bedingungen
Die Erkundungssysteme der CMU funktionieren der Studie nach auch bei schlechten Lichtverhältnissen unter schwierigen Bedingungen, etwa dann, wenn die Kommunikation beeinträchtigt ist. Das kann etwa bei Höhlen, Tunnel und verlassenen Gebäuden der Fall sein, oder bei Rettungsaktionen in Katastrophengebieten.
Die Forschungsgruppe erprobte die Erkundungssysteme mit verschiedenen Robotern und Drohnen. Ein Großteil der Tests fanden mit einem modifizierten motorisierten Rollstuhl sowie einem Quadkopter statt. So gelang die Kartierung mehrerer unterirdischer Minen, eines Parkhauses sowie des Cohon University Centers und mehrerer Innen- und Außenbereiche des CMU-Campus. Zudem gewann das Erkundungssystem einen Preis im Rahmen der Subterranean Challenge der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), dem Forschungszweig der US-Streitkräfte. Das System konnte erfolgreich die meisten Sektoren erforschen und kartieren.
"Dies ist ein sehr flexibles System, das für viele Anwendungen eingesetzt werden kann, von der Lieferung bis hin zur Suche und Rettung", so Howie Choset, Professor am Robotics Institute.
Die Ergebnisse der Arbeit legt das Forschungsteam komplett offen. "Wir wollen nichts zurückhalten", sagt Chao Cao, Doktorand der Robotik an der CMU. So sollen andere Wissenschaftler in die Lage versetzt werden, ihre Forschungen auf diesem System aufzubauen und mehr autonome Erkundungsroboter zu bauen, die unbekannte Umgebungen komplett selbstständig erkunden können.
(olb)