Autonomer Landvermesser
Von Thomas Gith · 28.05.2013
SEAR steht für Small Exploration Assistant Rover. Die TU Berlin arbeitet an diesem kleinen Roboter, der eigenständig eine unbekannte Umgebung erkunden soll. Im November dieses Jahres wird die Maschine beim SpaceBot Cup gegen ihresgleichen antreten.
Erkundungstour auf dem fernen Mars: Rover Curiosity fährt durch eine zerklüftete Landschaft. Unzählige Bergspitzen und Felswände ragen in den wolkenverhangenen Marshimmel, der Boden ist rostig-rot und mit Steinen übersät. Mit seinen sechs Geländereifen kämpft sich Curiosity durch diese unebene Landschaft.
Der Rover ist dabei so groß wie ein Kleinwagen und rund eine Tonne schwer. Sein Bruder SEAR wird wesentlich kleiner sein und nur rund 30 Kilogramm wiegen. Doch auch er wird sich in so einer zerklüfteten Landschaft zurechtfinden und seinem großen Bruder auch sonst sehr ähnlich sein. Allerdings: Ins All wird er nicht starten – er dient allein der Technikentwicklung. Cem Avsar von der TU Berlin zeigt auf eine Skizze des Rovers:
"So, also, das ist unser Rover SEAR. Das ist ein klassischer Rover. Wenn man sich die Marsmission vor Augen führt, dann sieht der ziemlich ähnlich aus. Der hat einen Corpus, in dem die ganze Bordelektronik eingebunden ist. Daran ist ein Fahrwerk angebunden, bestehend aus acht Rädern. Noch angebunden an den Corpus oben drauf ist dann der Manipulator, wenn man es einfach ausdrückt der Roboterarm. Auf diesem Manipulator ist dann eine Kamera angebracht, die die Umgebung erkennen kann und dreidimensional kartieren kann."
Mit der Kamera wird SEAR seine Umgebung genau abfilmen. Ein Programm in seinem Inneren legt dann eine Umgebungskarte an, verzeichnet in ihr Hindernisse wie Steine, Sandgruben und Felsen. SEAR kann auf dieser Grundlage also selbst entscheiden, welchen Weg er nimmt. Und diese Selbstständigkeit unterscheidet den Rover von seinem großen Bruder Curiosity, sagt Raumfahrtingenieur Thomas Meschede:
"Also, unser ist ein Stück weit autonomer als Curiosity. Vor allem, weil er selbstständig planen wird, zum Beispiel um Steine herum zu fahren. Also bei Curiosity wird das vorgegeben. Der macht Bilder und sendet eine Karte an die Bodenstation. Und dann sitzen da Leute und denken sich, am besten ist es, rechts rum an dem Stein vorbeizufahren. Und das soll unser Rover zum Beispiel selber machen."
Der Rover ist dabei so groß wie ein Kleinwagen und rund eine Tonne schwer. Sein Bruder SEAR wird wesentlich kleiner sein und nur rund 30 Kilogramm wiegen. Doch auch er wird sich in so einer zerklüfteten Landschaft zurechtfinden und seinem großen Bruder auch sonst sehr ähnlich sein. Allerdings: Ins All wird er nicht starten – er dient allein der Technikentwicklung. Cem Avsar von der TU Berlin zeigt auf eine Skizze des Rovers:
"So, also, das ist unser Rover SEAR. Das ist ein klassischer Rover. Wenn man sich die Marsmission vor Augen führt, dann sieht der ziemlich ähnlich aus. Der hat einen Corpus, in dem die ganze Bordelektronik eingebunden ist. Daran ist ein Fahrwerk angebunden, bestehend aus acht Rädern. Noch angebunden an den Corpus oben drauf ist dann der Manipulator, wenn man es einfach ausdrückt der Roboterarm. Auf diesem Manipulator ist dann eine Kamera angebracht, die die Umgebung erkennen kann und dreidimensional kartieren kann."
Mit der Kamera wird SEAR seine Umgebung genau abfilmen. Ein Programm in seinem Inneren legt dann eine Umgebungskarte an, verzeichnet in ihr Hindernisse wie Steine, Sandgruben und Felsen. SEAR kann auf dieser Grundlage also selbst entscheiden, welchen Weg er nimmt. Und diese Selbstständigkeit unterscheidet den Rover von seinem großen Bruder Curiosity, sagt Raumfahrtingenieur Thomas Meschede:
"Also, unser ist ein Stück weit autonomer als Curiosity. Vor allem, weil er selbstständig planen wird, zum Beispiel um Steine herum zu fahren. Also bei Curiosity wird das vorgegeben. Der macht Bilder und sendet eine Karte an die Bodenstation. Und dann sitzen da Leute und denken sich, am besten ist es, rechts rum an dem Stein vorbeizufahren. Und das soll unser Rover zum Beispiel selber machen."
Der Praxistest
Noch allerdings ist der Rover SEAR nicht fertig gebaut. Doch bis zum November dieses Jahres soll es soweit sein. Dann wird er beim SpaceBot Cup in der Nähe von Bonn gegen neun weitere Rover antreten. Veranstaltet wird der Weltraumrobotik-Wettbewerb vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt mit dem Ziel, die Entwicklung autonomer Rover zu fördern. Die werden dabei in einer großen Halle gegeneinander antreten. Cem Avsar zeigt auf ein Foto der Wettbewerbsarena:
"So, was wir konkret sehen, ist eine Motocross-Halle. Und die Roboter, die dort teilnehmen am Wettbewerb, sollen jetzt dort auf einer Landschaft fahren. Natürlich nicht auf einer Motocross-Landschaft, sondern diese Landschaft wird noch umgebaut. Die wird so dargestellt, wie wir das auf einem Planeten auch finden würden. Auf dem Mars zum Beispiel, mit felsiger Umgebung, mit Sand und Kuhlen. Und dort sollen die Roboter sich dann halt zurechtfinden und bestimmte Aufgaben erledigen."
SEAR wird in dieser Umgebung vor eine große Herausforderung gestellt: Mit seinem Roboterarm soll er ein Glas Wasser greifen und dann zu einer Basisstation transportieren, erzählt Cem Avsar:
"Und jetzt stelle man sich die Marsumgebung vor: Felsig, man hat viele Hügel und man kann auch im Sand stecken bleiben. Und es ist jetzt schwierig, dieses Glas Wasser zu transportieren, ohne das was danebengeht, einfach mal verschüttet. Und die Veranstalter haben vorausgesetzt, dass man möglichst nicht viel verschüttet, sondern man soll so viel Wasser wie möglich auch von A nach B transportieren können."
Der Rover SEAR muss also in Echtzeit die Unebenheiten im Boden ausgleichen: Denn das Glas im Roboterarm darf nicht wackeln, wenn der Rover etwa über einen Stein fährt. Idealerweise aber erkennt der Rover tückische Hindernisse sofort und weicht ihnen aus. Eine Aufgabe voller Fallstricke ist das, auch wenn Kamera und Sensoren die Umgebung scannen und eine Software alle Daten auswertet. Thomas Meschede:
"Also intern die Software, die plant dann einen Weg für den Roboter. Sie sagt zum Beispiel, fahre erst fünf Meter geradeaus und dann drei Meter rechts. Und wenn aber auf dem Weg ein Fels ist, und die Sensoren haben den nicht erkannt, dann würde der immer weiter versuchen, geradeaus zu fahren und auch, wenn der dann gegen den Fels stößt, würde er trotzdem weiter versuchen, geradeaus zu fahren. Und dann würde wahrscheinlich etwas kaputt gehen oder so."
Für einen autonomen Roboter auf einem fernen Planeten wäre das natürlich das Ende. Doch zunächst einmal wird der Rover SEAR nur irdischen Bedingungen trotzen müssen. Weltraumstrahlungen, die jede Elektronik nachhaltig schädigen können, wird er dabei genauso wenig ausgesetzt sein, wie den eisigen Temperaturen auf dem Mars. Doch auch diesen Bedingungen soll er in einigen Jahren standhalten können, sagt Cem Avsar:
"Da wir hier am Fachgebiet Weltraumtechnik Satelliten entwickeln und da viele Jahre Erfahrungen haben, möchten wir halt diese Entwicklung an diesem Rover auch weiterführen, nach dem SpaceBot Cup. Das heißt, innerhalb von Jahren darauf, möchten wir die raumfahrttauglichen Komponenten aus unseren Satelliten in diesen Rover einbetten und dann einen raumfahrtauglichen Rover entwickeln, der tatsächlich mal auf einer planetaren Oberfläche auch überleben kann und diese autonomen Aufgaben übernehmen kann."
Zunächst einmal aber muss der Rover seine Karosserie samt Elektronik erhalten. Und auch die Software, die eine autonome Fahrt ermöglicht, gilt es fehlerfrei zu programmieren. Unterstützung gibt es vom Bund: Der fördert das Projekt mit 50.000 Euro.
Im November steht dann der Praxistest an: Mit seinen acht Rädern soll SEAR selbstständig den unebenen Boden in der Motocross-Halle bezwingen, Felsen ausweichen, Hügel erklimmen – und so zeigen, dass komplett autonome Weltraumfahrzeuge sicher funktionieren können.
"So, was wir konkret sehen, ist eine Motocross-Halle. Und die Roboter, die dort teilnehmen am Wettbewerb, sollen jetzt dort auf einer Landschaft fahren. Natürlich nicht auf einer Motocross-Landschaft, sondern diese Landschaft wird noch umgebaut. Die wird so dargestellt, wie wir das auf einem Planeten auch finden würden. Auf dem Mars zum Beispiel, mit felsiger Umgebung, mit Sand und Kuhlen. Und dort sollen die Roboter sich dann halt zurechtfinden und bestimmte Aufgaben erledigen."
SEAR wird in dieser Umgebung vor eine große Herausforderung gestellt: Mit seinem Roboterarm soll er ein Glas Wasser greifen und dann zu einer Basisstation transportieren, erzählt Cem Avsar:
"Und jetzt stelle man sich die Marsumgebung vor: Felsig, man hat viele Hügel und man kann auch im Sand stecken bleiben. Und es ist jetzt schwierig, dieses Glas Wasser zu transportieren, ohne das was danebengeht, einfach mal verschüttet. Und die Veranstalter haben vorausgesetzt, dass man möglichst nicht viel verschüttet, sondern man soll so viel Wasser wie möglich auch von A nach B transportieren können."
Der Rover SEAR muss also in Echtzeit die Unebenheiten im Boden ausgleichen: Denn das Glas im Roboterarm darf nicht wackeln, wenn der Rover etwa über einen Stein fährt. Idealerweise aber erkennt der Rover tückische Hindernisse sofort und weicht ihnen aus. Eine Aufgabe voller Fallstricke ist das, auch wenn Kamera und Sensoren die Umgebung scannen und eine Software alle Daten auswertet. Thomas Meschede:
"Also intern die Software, die plant dann einen Weg für den Roboter. Sie sagt zum Beispiel, fahre erst fünf Meter geradeaus und dann drei Meter rechts. Und wenn aber auf dem Weg ein Fels ist, und die Sensoren haben den nicht erkannt, dann würde der immer weiter versuchen, geradeaus zu fahren und auch, wenn der dann gegen den Fels stößt, würde er trotzdem weiter versuchen, geradeaus zu fahren. Und dann würde wahrscheinlich etwas kaputt gehen oder so."
Für einen autonomen Roboter auf einem fernen Planeten wäre das natürlich das Ende. Doch zunächst einmal wird der Rover SEAR nur irdischen Bedingungen trotzen müssen. Weltraumstrahlungen, die jede Elektronik nachhaltig schädigen können, wird er dabei genauso wenig ausgesetzt sein, wie den eisigen Temperaturen auf dem Mars. Doch auch diesen Bedingungen soll er in einigen Jahren standhalten können, sagt Cem Avsar:
"Da wir hier am Fachgebiet Weltraumtechnik Satelliten entwickeln und da viele Jahre Erfahrungen haben, möchten wir halt diese Entwicklung an diesem Rover auch weiterführen, nach dem SpaceBot Cup. Das heißt, innerhalb von Jahren darauf, möchten wir die raumfahrttauglichen Komponenten aus unseren Satelliten in diesen Rover einbetten und dann einen raumfahrtauglichen Rover entwickeln, der tatsächlich mal auf einer planetaren Oberfläche auch überleben kann und diese autonomen Aufgaben übernehmen kann."
Zunächst einmal aber muss der Rover seine Karosserie samt Elektronik erhalten. Und auch die Software, die eine autonome Fahrt ermöglicht, gilt es fehlerfrei zu programmieren. Unterstützung gibt es vom Bund: Der fördert das Projekt mit 50.000 Euro.
Im November steht dann der Praxistest an: Mit seinen acht Rädern soll SEAR selbstständig den unebenen Boden in der Motocross-Halle bezwingen, Felsen ausweichen, Hügel erklimmen – und so zeigen, dass komplett autonome Weltraumfahrzeuge sicher funktionieren können.