FZI im Finale der ESA Space Resources Challenge
In Vorbereitung auf das Weltraumzeitalter
Forschungsschwerpunkt: Applied Artificial Intelligence
Im Rahmen eines Wettbewerbs der europäischen Space Agency (ESA) treten Roboterprototypen von Industrieunternehmen sowie Forschungseinrichtungen gegeneinander an. Die Challenge: In einem mondähnlichen Terrain Ressourcen sammeln und auswerten, Messungen durchführen und Karten erstellen. Das FZI konnte sich für das Finale durchsetzen und tritt nun im September mit einem Team aus drei Robotern gegen vier andere Teams in der letzten Wettbewerbsphase an.
Wir schreiben das Jahr 2028. Der europäische Large Logistic Lander ist in einem Krater in der Südpolregion des Mondes gelandet. Das Ziel der Mission ist, Ressourcen wie Wasser und Metalle lokalisieren und charakterisieren, Bodenmessungen durchführen sowie eine genaue Karte des Kraters erstellen. Denn: Die Erforschung des Monds als potenzieller Lebensraum ist von großem Interesse für die Menschheit. Es gilt, Wege zu finden, um die auf dem Mond vorhandenen Ressourcen zu sammeln und zu nutzen. Daher veranstaltet die European Space Agency (ESA) mit dem European Space Resources Innovation Centre (ESRIC) die so genannte ESA und ESRIC Space Resources Challenge: Sie forderten dabei Industrieunternehmen sowie Forschungseinrichtungen dazu auf, innovative, technische Methoden für die Erkundung von Ressourcen auf dem Mond zu entwickeln. In einer 2.500 Quadratmeter großen Halle mit 14 Meter Deckenhöhe schufen ESA und ESRIC daher ein mondähnliches Terrain, indem Roboterprototypen gegeneinander antreten können. Eines der fünf internationalen Teams, das sich im Wettbewerb behaupten konnte, ist das FZI Forschungszentrum Informatik. Damit erhält das FZI eine Förderung in Höhe von 75.000 Euro sowie die Chance, sich im Finale zu beweisen. „Die gute Platzierung verdanken wir unserem hochmotivierten, engagierten Team“, erklärt FZI-Abteilungsleiter Dr.-Ing. Arne Rönnau stolz. „Erfahrungen im Umgang mit mobilen Robotern in schwierigen Umgebungen konnte unser Team bereits durch die bundesgeförderten Projekte intelliRISK und intelliRISK 2 sowie im Kompetenzzentrum ROBDEKON sammeln. Auch durch die Vorarbeiten zur 3D-Navigation, Missionssteuerung und Umgebungsinterpretation im Rahmen der Projekte hatte sich das Team bereits viel relevantes Fachwissen angeeignet.“ Nicht zuletzt profitierte das FZI zudem von seiner langjährigen Expertise in der Entwicklung und im Einsatz von Laufrobotern – wie LAURON, ANYmal und Spot.
FZI setzt auf hohe Autonomie und das Open Source Framework ROS
In der ersten der drei Phasen des Wettbewerbs konnten die Robotik-Teams online ihre Konzepte für die Teilnahme an der Challenge einreichen. Der Entwurf des FZI sah vor, mit drei autonomen, mobilen Robotern ins Rennen zu gehen – darunter die Roboterplattform Husky sowie die Vierbeiner ANYmal und Spot. Das FZI wurde aus 31 Teams ausgewählt und zog mit 13 anderen Teams in die zweite Phase des Wettbewerbs ein.
In der zweiten Phase durften die Teams im November 2021 in den Niederlanden an einem ersten realistischen Feldversuch teilnehmen. Die FZI-Roboter hatten 2,5 Stunden Zeit, um zusammen autonom die mondähnliche Umgebung zu erkunden. Dabei wurde jeder Roboter über eine dezentralen Missionssteuerung kommandiert, sodass bei Bedarf einer der anwesenden FZI-Wissenschaftler von der Bodenstation aus eingreifen oder manuell Erkundungspunkte hinzufügen konnte. Das FZI strebte dabei einen hohen Grad an Autonomie an und gab nur abstrakte Ziele vor, sodass die Roboter ihre jeweiligen Aufgaben auch fortsetzen konnten, wenn die Kommunikation verloren gehen sollte. Außerdem erstellte jeder Roboter mit einem Laserscanner eine eigene 3D-Karte der Umgebung und war mit verschiedenen Kameras ausgestattet, um weitere Analysen durchzuführen. Hier konnte das FZI seine Expertise in der Anwendung des quelloffenen Open Source Framework ROS nutzen, das bei Projekten am FZI häufig eingesetzt wird. Die 3D-Kartierung sowie die 3D-Navigation sind eigene Software-Entwicklungen des FZI – ersteres steht bereits auf GitHub als Open-Source-Projekte zur Verfügung, zweiteres wird folgen.
Einige Kommunikationsprobleme während des Feldversuchs führten dazu, dass nicht alle FZI-Roboter die Hindernisse bewältigen und die Zielregion erreichen konnten. Allerdings ermöglichte der redundante, modulare Ansatz des FZI, dennoch mehrere Gesteinsproben zu untersuchen und eine detaillierte Karte der Umgebung zu erstellen. Mit diesem Ergebnis konnte sich das FZI für die dritte Phase der Challenge qualifizieren und erhielt nun ein Budget über 75.000 Euro, um die Prototypen weiterzuentwickeln. Im September 2022 werden nun die fünf besten Teams in Luxemburg erneut in einem realistischen Feldversuch gegeneinander antreten, um einen Gewinner der ESA and ESRIC Space Resources Challenge zu ermitteln.
Vorbereitungen aufs Finale
Derzeit konzentriert sich das Team darauf, aus den Fehlern und Herausforderungen des ersten Feldtests zu lernen, die Autonomie der Roboter zu stärken und die wissenschaftliche Analyse der Gesteine mittels verschiedener Werkzeuge und Sensoren weiter zu verbessern. Mit der Teilnahme am Wettbewerb möchte das FZI die Leistungsfähigkeit und Robustheit der eigenen Software-Entwicklungen demonstrieren sowie die Vorteile eines autonomen Teams aus unterschiedlichen Robotern aufzeigen. Denn das FZI-Team ist überzeugt: Mehrbeinige Laufroboter bieten große Vorteile in schwierigem, unbekanntem Gelände und können zusammen mit einem hochflexiblen Roboterarm – wie dem auf der Husky-Plattform – nahezu jede Aufgabe lösen.
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