Die Weltraum-Explorationshalle

Ansprechpartner: Unternehmenskommunikation HB

Mondszenario
Mondszenario, Fotograf: Michael Joos

Beschreibung

Die 288 Quadratmeter große Weltraum-Explorationshalle ermöglicht es, Weltraumroboter unter realistischen Bedingungen zu testen. Systeme wie der an steilen Hängen kletternde Roboter SpaceClimber erproben ihre Fähigkeiten in der neun Meter breiten Kraterlandschaft, die sich in der Halle befindet. Die Beschaffenheit der Landschaft wurde der eines Kraters am Südpol des Mondes nachgebaut. Die Oberfläche ist variabel: Steinsegmente lassen sich austauschen, damit Testläufe auf verschiedenen Untergründen gemacht werden können. Eine 18 Quadratmeter große Rampe auf einem vier Meter hohen Plateau am Kopfe der Kraterlandschaft ist in ihrem Steigungsgrad verstellbar. So lässt sich die Beweglichkeit der Roboter auf horizontalem Boden und an Abhängen testen. Die schwarze, nicht-reflektierende Beschichtung der Halleninnenwände sorgt für mondähnliche Lichtverhältnisse. Bereits jetzt proben Forscher hier für eine künftige Mission zum Mond.

Mit einer Höhe von zehn Metern bietet die Weltraum-Explorationshalle ausreichend Platz, um Flugsysteme sowie Interaktionen zwischen Satelliten und Robotern zu erproben: Im Projekt INVERITAS simulieren DFKI-Forscher das Einfangen von nicht mehr kontrollierbaren Satelliten durch einen so genannten Servicing-Satelliten. Dieser besteht aus einem Roboterarm, der an einen beweglichen Kabelroboter montiert ist. Von insgesamt acht Seilen gestützt, bewegt sich das System durch die Luft. Währenddessen nimmt es Kontakt zu einem Industrieroboterarm am Hallenboden auf, der die Bewegungen des einzufangenden Satelliten nachahmt.

Bau und Ausstattung der Weltraum-Explorationshalle kosteten rund 600.000 Euro, die der DFKI-Gesellschafter Astrium GmbH, die WFB Wirtschaftsförderung Bremen GmbH und das DFKI zu gleichen Teilen tragen.

Im Folgenden finden Sie Informationen zu den technischen Anlagen

Halle

Die Weltraumexplorationshalle wurde im Jahr 2010 an das Hauptgebäude des DFKI in Bremen angebaut. Diese Halle hat eine Länge von 24m, eine Breite von 12m und eine Höhe von 10m.

Computergrafik der Halle
Computergrafik der Halle
Draufsicht der Halle mit Arbeitsbereichen des Kabelroboters
Draufsicht der Halle mit Arbeitsbereichen des Kabelroboters
Außenaufnahme der Halle
Außenaufnahme der Halle

Video

Sie erfahren in diesem kurzen Video mehr über die Weltraumexplorationshalle.

Langstreckenbewegungssimulationsystem

Die Weltraumexplorationshalle kann zur HIL-Simulation z.B. von Docking-, Capture- und Landemanövern im Weltraum eingesetzt werden. Die in einer Simulation bewegten Raumfahrzeuge, z.B. autonom andockende Satelliten oder lunare Lander, können als reale Hardware in der Halle exakt synchron mit der Software-Simulation bewegt werden, so dass echte Sensoren als HIL eingesetzt und ihre Messdaten in der Simulation verwendet werden können.

Das Langstreckenbewegungssimulationsystem (LBSS) wird direkt mit einem neu entwickelten modularen Software-Simulator und einer 3D Visualisierung gekoppelt. Es ist möglich, verschiedene Arten der Bewegungssimulation und Steuerung von bis zu zwei Raumfahrzeugen zu implementieren und zu evaluieren. Die im Software-Simulator gewonnenen Erkenntnisse können dann schrittweise auf das physisch existente LBSS übertragen werden. So wird sichergestellt, dass Software und Hardware die gleichen Ergebnisse liefern.

Die physischen Technologiedemonstratoren für die bis zu zwei Raumfahrzeuge werden durch einen Sechs-Achsen-Roboter und durch ein seilgeführtes 3D-Bewegungsystem (Kabelroboter) zum LBSS zusammengeführt. Zur genauen Positionsbestimmung verfügt das LBSS zusätzlich über ein visuelles Tracking-System, über das die aktuelle Position des Kabelroboters bestimmt werden kann. Bei der Übertragung der Simulationsergebnisse auf das LBSS werden die insgesamt 12 Freiheitsgrade der realen Raumfahrzeuge auf die eingeschränkten insgesamt 9 Freiheitsgrade des Roboters und des seilgeführten Bewegungssystems umgesetzt. Das LBSS selbst wird in einer Umgebung aufgebaut, in der eine komplette Kontrolle der Lichtverhältnisse möglich ist, durch schwarz gestrichene Wände und ein modulares rekonfigurierbares Scheinwerfersystem. Insgesamt können so viele physikalische Parameter einer Weltraummission simuliert, evaluiert und demonstriert werden.

Kabelroboter

Das Raumfahrzeug, dessen Sensoren primär getestet werden sollen, das die weitere Strecke zurücklegen soll oder das ohne ein weiteres simuliertes Raumfahrzeug z.B. zur Simulation von Landevorgängen dient, wird über den Kabelroboter entsprechend der Simulation bewegt:

Computergrafik des Mounts des Kabelroboters
Computergrafik des Mounts des Kabelroboters
Foto einer der 4 Winden des Kabelroboters
Foto einer der 4 Winden des Kabelroboters
Foto des Kabelroboters mit Zuladung
Foto des Kabelroboters mit Zuladung
technische Details
Anzahl Seile:8
Anzahl Winden:4
Kern-Arbeitsbereich mit genauer Ansteuerung: 6 m x 4 m x 4,50 m (LxBxH)
Wiederholgenauigkeit im Kern-Arbeitsbereich:ca. +/- 5 mm
Erweiterter Arbeitsbereich:16 m x 7 m x 5,50 m (LxBxH)
min. translatorische Geschwindigkeit:0,1 mm/s
max. translatorische Geschwindigkeit:2 m/s
max. Beschleunigung:1,5 m/s²
Zuladung (konstant):150 kg
Datenübertragung zum/vom Mount:10 GBit/s über Glasfaser, Switch am Mount
Spannungsversorgung am Mount:230 V AC mit 1 kW, 24 V DC
Ansteuerung:CAN
Taktzeit:4 ms

Der Kabelroboter ist eine modifizierte Version eines Kameraroboters der Firma „SPIDERCAM“. Er ist an 8 Seilen befestigt, die über 4 Winden und Umlenkrollen so in ihrer Länge gesteuert werden können, dass der Mount des Kabelroboters innerhalb seines Arbeitsbereichs mit drei translatorischen Freiheitsgraden jede beliebige X-, Y- und Z-Koordinate erreichen kann.

Der Kern des Arbeitsbereichs des Kabelroboters deckt einen Bereich von 6m x 4m x 4,50m ab (Länge x Breite x Höhe). Hier kann die Position des Kabelroboters allein über die Seillängen am genauesten bestimmt werden. Der erweiterte Bereich mit weniger genauer Ansteuerung ohne visuelles Tracking erstreckt sich über 16m x 7m x 5,50m.

Der Kabelroboter kann sich mit einer Geschwindigkeit von 0,1 mm/s bis zu 2m/s bewegen. Seine maximale Beschleunigung beträgt 1,5m/s². Um eine hohe Bewegungsstabilität zu erreichen, wird die verwendete Zuladung des Kabelroboters konstant bei 150kg gehalten. Wird dieses Gewicht nicht bereits durch die Nutzlast erzeugt, werden entsprechend zusätzliche Gewichte am Mount angebracht. 

Kabelroboter im Versuch
Kabelroboter im Versuch
Computergrafik Zusammenspiel von KUKA und Kabelroboter
Computergrafik Zusammenspiel von KUKA und Kabelroboter
KUKA und Kabelroboter
KUKA und Kabelroboter

Jede der vier Winden steuert gleichzeitig 2 der insgesamt 8 Seile. Das jeweils obere Seil der Winden 1 und 2 wird zur Datenübertragung über Glasfaserleitungen mit bis zu 10 GBit/s genutzt. Am Mount befindet sich ein Switch zur Verteilung der Datenkommunikation über Ethernet. Die Seile der Winden 3 und 4 sind für die Spannungsversorgung am Mount zuständig. Über diese stehen am Mount 230 V AC mit 1KW Leistung sowie 24 V DC zur Verfügung. Der Kabelroboter wird über einen CAN-Bus angesteuert. Zwischen den einzelnen Positions-Befehlen liegt jeweils eine Taktzeit von 4ms.

Um die Anzahl der Freiheitsgrade des Kabelroboters von 9 auf bis zu 10 zu erhöhen, befindet sich eine ansteuerbare Z-Achse am Mount des Kabelroboters.

Zur Positionsbestimmung und -Regelung können intern die aktuellen Seillängen des Kabelroboters herangezogen werden. Dabei wird im Kern-Arbeitsbereich eine Wiederholgenauigkeit von ca. +/- 5 mm erreicht. Unabhängig vom Kabelroboter-System kann die Position des Mounts auch über das visuelle Tracking-System bestimmt werden. Zur Regelung des Kabelroboters werden beide Systeme in Kombination eingesetzt.

KUKA-Roboterarm

Eines der maximal zwei zu simulierenden Raumfahrzeuge wird von einem Roboterarm der Marke „KUKA“, Modell KR-60-3 gehalten und entsprechend der Simulation bewegt:

Computergrafik des KUKA KR-60-3
Computergrafik des KUKA KR-60-3
Computergrafik des KUKA KR-60-3
Computergrafik des KUKA KR-60-3
Foto des KUKA KR-60-3
Foto des KUKA KR-60-3
Freiheitsgrade: 6
Tragkraft: 60 kg
Ansteuerung: Remote Sensor Interface (RSI) über Ethernet-Schnittstelle
Taktzeit: 12 ms
Wiederholgenauigkeit: +/- 0,2 mm

Der KUKA KR-60-3 verfügt über 6 Freiheitsgrade und hat eine maximale Tragkraft von 60 kg. Er kann über eine Ethernet-Schnittstelle mit dem Remote Sensor Interface (RSI) gesteuert werden, in einer Taktzeit von 12 ms zwischen einzelnen Positions-Befehlen. Beim Anfahren von Positionen erreicht der KUKA eine Wiederholgenauigkeit von +/- 0,2 mm.

Arbeitsbereiche des KUKA KR-60-3
Arbeitsbereiche des KUKA KR-60-3

Daten zu den Arbeitsbereichen des KUKA KR-60-3:

MaßABCDEFG
Länge (in mm)24983003203312188151084820
AchseA1A2A3A4A5A6
Wickelbereich±185° +35°/-135°+158°/-120°±350° ±119° ±350°
max. Winkelgeschwindigkeit128°/s102°/s 128°/s 260°/s 245°/s 322°/s 

VICON-Tracking-System

Kamera des VICON-Trackingsystems

Das VICON-Tracking-System nutzt 6 Kameras, die in jeweils ca. 6,5 m Höhe angebracht sind und damit ein Volumen von ca. 770 m³ abdecken. Jeweils drei sind auf jeder der beiden langen Seiten der Halle verteilt. Das Tracking-System kann mit variablen Taktraten zwischen etwa 4 ms und 12 ms angesteuert werden. Die Kameras arbeiten im Infrarot-Wellenlängenbereich und senden aktiv Licht in diesem Bereich aus. Am Kabelroboter sind entsprechende Marker zur Positionsbestimmung angebracht, die in diesem Wellenlängenbereich einen hohen Reflexionskoeffizienten aufweisen und so vom Tracking-System besonders gut erkannt werden können.

Anzahl Kameras:6
Abgedecktes Volumen:ca. 770 m³
Taktzeit:ca. 4 ms – 12 ms
Wellenlängenbereich
(empfangen und aktiv ausgesendet):
Infrarot

Leitstand LBSS

Da die Lichtverhältnisse in der Halle die Dunkelheit des Weltraums simulieren sollen, kann das Geschehen in der Halle nicht nur direkt sondern zusätzlich auch durch 9 hochempfindliche Überwachungskameras in der Halle verfolgt werden.

Das Betrachten der Bilder dieser Überwachungskameras sowie die Steuerung des LBSS sind vom Leitstand aus möglich, der sich in der südöstlichen Ecke der Halle in einer Höhe von 7 m befindet. Durch Fenster im Leitstand kann das Geschehen in der Halle auch direkt betrachtet werden, soweit die eingestellte Beleuchtungssituation dies zulässt. Hier läuft auch die Software-Simulation, die in verschiedenen Stufen in die Hardware-Simulation überführt werden kann. Zusätzlich gibt es noch einen zweiten Leitstand auf mittlerer Ebene.

Kraterlandschaft

Ansprechpartner: Florian Cordes

Spuren vom SpaceClimber, Fotograf: Michael Joos
Spuren vom SpaceClimber, Fotograf: Michael Joos

Die Kraterlandschaft wurde anhand von Daten realer Südpolarkrater des Mondes und Fotos der Apollo-Missionen nachgebaut. Der Krater stellt Steigungen von 15° bis 45° für Experimente zur Verfügung. Insbesondere gibt es drei durchgängige Pfade mit 25°, 35° und 45° Steigung. Der Krater dient der Erprobung von frei kletternden robotischen Systemen und der anschaulichen Demonstration der Entwicklungen am DFKI RIC. Die Tragfähigkeit der Rampe ist dabei auch für große Systeme ausgeleg

Testanlagen in der SpaceHalle
Testanlagen in der SpaceHalle
Reine Kraterfläche:105 m²
Breite:9,5 m 
Höhe Kraterrand:4,5 m 
Tragfähigkeit Oberfläche:500 kg/m²

Zusätzliche Ausstattung:

  • Schraubpunkte in regelmäßigen Abständen für zusätzliche Hindernisse wie Felsen oder zur Befestigung von Sicherungen 
  • Kran mit 750 kg Traglast für Transport von schwerem Gerät/Systemen auf oberes Kraterplateau 

Verstellbare Rampe

Für eine höhere Wiederholbarkeit und definierte Experimentbedingungen existiert auf dem oberen Kraterplateau eine variable Rampe, die Steigungen von 0° bis 45° in 5° Schritten wahlweise in Längs- oder Querrichtung bietet. In das 3 m x 6 m Bett der Rampe können variable 1 m² Bodenplatten für unterschiedliche Untergründe eingebracht werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Rampe mit losen Sedimenten zu befüllen. Am DFKI stehen derzeit drei Substrate mit unterschiedlichen Korngrößen zur Verfügu

Fläche der verstellbaren Rampe:18 m² (3 m x 6 m)
Verstellbereich:0°-45° in zwei Richtungen
Abstufung der Verstellung:5° Schritte
Oberfläche:Variabel: Austauschbare feste Bodenelemente und Möglichkeit lose Substrate zu nutzen

Scheinwerfersystem

Scheinwerfer in der Explorationshalle
Scheinwerfer in der Explorationshalle

Um realistisch verschiedene Lichtverhältnisse von Weltraummissionen simulieren zu können, befinden sich an den Wänden der Installation mehrere Scheinwerfer, die einerseits selbst über aktive Pan-Tilt-Einheiten zur Richtungssteuerung verfügen und weiterhin an aktiven Zügen befestigt sind, über welche die Höhe der Scheinwerfer im Raum verstellt werden kann. Ferner sind die Scheinwerfer abnehmbar und können so entlang der Wände an verschiedenen Positionen der Züge befestigt werd

Anzahl Züge:
Max. Anzahl Scheinwerfer pro Seilzug:3
Anzahl Scheinwerfer in Halle:6
Scheinwerfer-Typ:ADB Warp motorisch 

Leuchtmittel:

  • G22 Entladungslampe, 575 W (Lichtleistung vergleichbar mit 2.500 W Halogenlampe)
  • Öffnungswinkel variabel 12°- 30°
  • 14500 lux in 10 m (@12°) 

Die Scheinwerfer (siehe Abbildung) haben eine Farbtemperatur von 6.000 K und erzeugen so tageslichtähnliche Bedingungen. Durch die Möglichkeit, die Lichtkegel durch je vier Shutter pro Scheinwerfer in ihrer Form zu beeinflussen, können genau abgegrenzte Bereiche von Licht und Schatten erzeugt werden. Zudem ergeben sich keine überlappenden Lichtbereiche, was in der Kraterlandschaft zu unerwünschten Bereichen mit Kernschatten und Halbschatten führen würde.

Das Steuerpanel für die Lichtsteuerung bietet die Möglichkeit, bis zu acht verschiedene Lichtthemen abzuspeichern. Auf diese Weise können Experimentbedingungen abgespeichert und jederzeit wieder aufgerufen werden. Je nach Ausrichtung der Scheinwerfer wird beispielsweise der Sonnenstand für Sattelliten-Missionen oder der Sonnenstand bei Explorationsmissionen am lunaren Südpol nachgestellt.

Leitstand Krater (Bodenkontrollstation Kraterexploration)

Im Kraterleitstand wird eine Bodenstation einer komplexen robotischen Mission zum Mond simuliert. Diese Bodenstation (Kotrollraum) wird vornehmlich im Projekt RIMRES eingesetzt. Zum einen ist der Kontrollraum mit leistungsfähigen Rechnern ausgestattet, die eine 3D-Simulation (Abbildung rechts) des Multi-Roboter-Szenarios erlauben, zum anderen gibt es Rechner auf denen die Missionssteuerung läuft. Die Simulation beinhaltet auch ein detailgenaues Modell der Kraterlandschaft aus der Halle, so dass die Performanz der simulierten und realen Systeme verglichen werden kann.

Hier wird der Missionsablauf geplant und durchgeführt, bzw. an die Systeme in der Kraterumgebung oder der laufenden Simulation gesendet.

Kontrollraum/ Leitstand für RIMRES-Szenario
Kontrollraum/ Leitstand für RIMRES-Szenario
Zwei Roboter des Mehr-Robotersystems in der Simulationsumgebung der Kontrollstation
Zwei Roboter des Mehr-Robotersystems in der Simulationsumgebung der Kontrollstation
© DFKI GmbH
zuletzt geändert am 16.09.2016
nach oben