Mobile Robotik

 

Allgemein

Der Monsun ist ein am Institut für Technische Informatik vor allem für den Einsatz in Roboterschwärmen entwickeltes AUV (Autonomous Underwater Vehicle). Zu anderen Systemen unterscheidet er sich vor allem durch seine kleine Bauform, wodurch er auch als Mikro-AUV bezeichnet werden kann. Neben einer hohen Mobilität, dank sechs in den Flügeln untergebrachten Brushless-Motoren, zeichnet sich der Roboter besonders durch seine Flexibilität and Anpassbarkeit an unterschiedliche Missionen aus. Mithilfe eines modularen Erweiterungssystems können verschiedenste Sensoren und Module untergebracht werden, welches ein breites Spektrum an durchführbaren Aufgaben ermöglicht.

 

 

Aufbau

Die Hülle des Roboters besteht aus glasfaserverstärktem Kunststoff und dient gleichzeitig als Druckkörper bis zu einer maximal angedachten Tiefe von 20m. Der Körper besteht aus zwei Teilen, die über einen Bajonettring im hinteren Bereich verbunden sind. Die außerhalb angebrachten Motoren und Sensoren werden über wasserdichte Steckverbinder mit der Hülle verbunden und erlauben so im Schadensfall einen schnellen Austausch der Komponenten.

 

 

Als Motoren werden handelsübliche Brushless-Motoren aus dem Flugzeugmodellbau verwendet. Diese haben den Vorteil einer kleinen Bauart und die Möglichkeit einer einfachen Auswertung der Motorwerte, wie zum Beispiel Umdrehungszahl und Stromverbrauch. Der innere Aufbau des Roboters ist sehr modular aufgebaut. Den Hauptteil der Elektronik bildet eine Basisplatine, auf der eine Bus-basierte Architektur realisiert ist. Über mehrere Steckverbinder können so Elektronikmodule miteinander verbunden werden, wodurch der Roboter flexibel auf sein jeweiliges Anwendungsgebiet angepasst werden kann.

 

 

Die Anpassbarkeit des Systems an verschiedenste Missionen wird durch das modulare Erweiterungspaket erreicht, welches in drei unterschiedliche Gerätetypen unterteilt ist:

Am Bug des Roboters können mithilfe eines kleinen Bajonettrings verschiedene Frontmodule, wie z.B. ein optischer Distanzsensor (i), ein Sonar (ii) oder bildgebende Sensorik (iii) integriert werden. Unterhalb des Roboters befindet sich ein Geräteträger, der es erlaubt, externe Komponenten und Nutzlasten an den Roboter zu befestigen. In diesem Fall werden eine CTD-48 Sonde (a) und ein kommerzielles Unterwassermodem (b) unterhalb angebracht. Zusätzlich kann ein OzeanKit bestehend aus Tragebügel und externen Antennen von außen befestigt werden. In der Mitte des Roboters können ebenfalls mithilfe von Bajonettringen sogenannten Korpusmodule integriert werden. Illustriert sind ein Sonar Modul (1), ein Modul zur Aufnahme von Wasserproben (2), ein internes Unterwassermodem (3), ein Visual-Feedback Modul (4) und ein Environmental Monitoring Modul (5).

 

 

Steuerung

Als Steuereinheit wird aktuell ein Raspberry Pi 3B verwendet, auf dem ein Ubuntu 16.04 Betriebssystem seine Arbeit verrichtet. Dieses erlaubt es, das Robot Operating System (ROS) zu verwenden. So kann eine einfache modulare Steuerungssoftware realsiert werden, die sich an die verwendete Hardware anpassen kann.

Die Softwarearchitektur ist aufgeteilt in drei hierarchische Ebenen: dem Sense/Act Level, dem Behaviour Level und dem Task Level. Auf der untersten Ebene sind die Gerätetreiber und spezifischen Grundfunktionalitäten, sowie Positions- und Fahrtregler implementiert. Auf diese Fähigkeiten wird in der mittleren Ebene für die Implementierung von spezifischen Verhalten, wie das Fahren zu einem vorgegebenem Wegpunkt zugegriffen, bevor auf der höchsten Abstraktionsebene ganze Missionen als Abfolge von Verhalten in endlichen Automaten definiert werden.

 

 

Schwarmverhalten und -kommunikation

An der Wasseroberfläche wird WLAN zur Kommunikation zwischen den MONSUN AUVs im Schwarm sowie mit einem Bedien-Notebook an Land oder auf einem Boot eingesetzt. Die Lokalisation der Schwarmmitglieder erfolgt mittels GPS. Unter Wasser ist beides nicht mehr möglich, daher werden Akustikmodems verwendet. Diese ermöglichen nicht nur eine (schmalbandige) Kommunikation, sondern durch Laufzeitmessungen auch eine ziemlich genaue Abstandsmessung zwischen den AUVs.

Das MONSUN-Lokalisationskonzept sieht nun vor, dass einige AUVs an der Oberfläche bleiben und ihre absolute Position per GPS bestimmen. Die übrigen Schwarmmitglieder unter Wasser lokalisieren sich durch Abstandsmessung relativ zu ihnen. Entsprechende neuartige Verfahren sind im Rahmen des MONSUN-Projektes entwickelt, implementiert und evaluiert worden. Dabei ist zu beachten, dass die akustische Kommunikation sehr unzuverlässig ist. Die entwickelten Verfahren zeichnen sich daher dadurch aus, dass sie sehr robust sind gegenüber auch längeren Aussetzern der Kommunikationsverbindungen. Ausgefallene Schwarmmitglieder können ebenfalls toleriert werden.

Eine V-Formation aus drei MONSUNs wurde bereits erfolgreich am Ratzeburger See getestet. Zwei AUVS fahren an der Wasseroberfläche parallel zueinander unter Verwendung von GPS. Der dritte MONSUN folgt ihnen unter Wasser in einem vorgegebenen Abstand anhand von Distanzmessungen auf der Basis von akustischer Kommunikation. Auch Kurvenfahrten mit nicht allzu engem Radius sind ohne weiteres möglich.

 

 

Anwendungsprojekte

Als eine der ersten Anwendungen wurden 2016 zwei MONSUNs (einer an der Oberfläche, einer abgetaucht) in der Ostsee vor Bornholm im Rahmen des Projektes ‚Uhrwerk Ozean‘ des Helmholtz-Zentrums Geesthacht zur Vermessung von submesoskalen Wirbeln eingesetzt.

In dem vom BMBF geförderten Verbundprojekt MoSAIk (9/2016 - 11/2018) wurden die MONSUN-Schwärme für den Einsatz zur Messung von Gefahrenstoffen in Häfen weiterentwickelt. Vom Projektpartner TUHH wurde hierzu ein neues kostengünstiges akustisches Mikro-Modem speziell für die Kommunikation in MONSUN-Schwärmen entwickelt. Dieses soll das bisher verwendete kommerzielle Akustikmodem der Firma Evologics ablösen. Projektpartner Sea&Sun Technology hat einen MONSUN-Zwischenring zur Integration seiner Sensoren zur Messung der Wasserqualität und Ermittlung von Schadstoffen konstruiert.

Im Zuge des vom BMVI geförderten IHATEC-Projektes SecurePort (10/2017 – 9/2020) wird in Kooperation mit der LHG (Lübecker Hafengesellschaft) der Einsatz von MONSUN zur Inspektion von Kaimauern und Schiffsrümpfen erforscht. Ziel ist es, einen autonom arbeitenden Schwarm für diese heute noch manuell durch Taucher durchgeführte Aufgabe zu verwenden. Dazu kommen als Sensoren hochauflösende Multibeam-Sonare und Kameras mit LED-Scheinwerfern zum Einsatz.

In dem EU.SH-Projekt Modulares Autonomes Unterwasser System – MAUS (3/2019 – 2/2022) wird MONSUN zusammen mit dem ebenfalls am ITI entwickelten AUV HANSE als Testsystem für neuartige Kontroll- und Navigationssoftware für heterogene AUV-Teams eingesetzt. Diese Software soll dann später auf gemeinsam mit den Projektpartnern FH Kiel, Universität Kiel sowie den Firmen SubCtech und emma technologies neu entwickelte AUVs portiert werden.

 

 

Videos

Auf dem Youtube Channel des Instituts für Technische Informatik finden sich diverse Videos von aktuellen Tests und Experimenten, welche die möglichen Eigenschaften des Systems verdeutlichen:

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