TRIPLE-GNC
TRIPLE-Guidance, Navigation & Control Teilvorhaben DFKI: akustische und visuelle Perzeption eines miniaturisierten autonomen Unterwasserfahrzeuges zur Erforschung subglazialer Seen
Ziel der TRIPLE-Projektlinie ist es, ein Explorationssystem zur kontaminationsfreien Durchführung wissenschaftlicher Beobachtungen in Gewässern unter Eis zu entwerfen und zu bauen und die damit verbundenen Funktionen im Rahmen einer Demonstrationsmission in der Antarktis in enger Zusammenarbeit mit Meeres- und Weltraumwissenschaftlern zu validieren. Dieser Ansatz ist unabdingbar, um die Anwendbarkeit und die Nutzung des TRIPLE-Systems in zukünftigen terrestrischen Missionen sicherzustellen und die Grundlage für eine spätere planetarische Mission zu legen. Das Interesse seitens der Raumfahrt besteht darin, es künftig auch zur Erforschung von Ozeanen auf anderen Planeten und Monden, wie zum Beispiel dem Jupitermond Europa, einzusetzen. Unter der Eisdecke des Jupitermondes werden in rund 100 Kilometern Wassertiefe Hydrothermalquellen vermutet, die durch das Spenden von Wärme und Mineralien selbst an dunklen und kalten Orten Leben ermöglichen. Es ist offensichtlich, dass das Projekt mit diesen Zielen hoch innovative Ansätze verfolgen muss, die über den heutigen Stand der Technik hinausgehen müssen.
Projektdetails
In der Phase 1 der TRIPLE-Projektlinie wurde bereits untersucht, welche Randbedingungen zu erfüllen sind, und wie die daraus resultierenden technischen Herausforderungen für das Erreichen der Projektziele zu bewältigen sind. Die Arbeiten innerhalb des Projekts haben sich auf diese technischen Herausforderungen konzentriert und am Ende eine Bewertung der aktuellen technischen Fähigkeiten anhand der definierten Missionsanforderungen geliefert. Im speziellen wurden Softwarefunktionen und Hardware-Elemente konzeptioniert und als Testaufbauten erprobt.
In der nun folgenden zweiten Phase der TRIPLE-Projektlinie sollen die Konzepte aus Phase 1 in ein finales Design des nanoAUV sowie der hierfür erforderlichen Peripherie überführt werden. Ziel des Teilvorhabens TRIPLE-GNC ist die Weiterentwicklung und Erprobung des Guidance, Navigation and Control (GNC) Systems des nanoAUVs. Besonderes Augenmerk wird auf die autonome Exploration und das Docking mit dem Launch & Recovery-System (LRS, vorher: MoDo) gelegt. Die Software für das nanoAUV und das LRS soll appliziert und in mehreren Tests validiert und anschließend in Feldtests unter Eis demonstriert werden.
Um zu den definierten Gesamtzielen des Verbundvorhabens TIRPLE-GNC beizutragen, wird das Umgebungswahrnehmungskonzept aus Phase 1 am DFKI weiterentwickelt und auf dem Flugmodell des nanoAUVs appliziert. Hierbei werden drei Weiterentwicklungen vorgesehen:
- Die aktuelle Umgebungsrekonstruktionssoftware wird mithilfe eines neuartigen SLAM-Ansatzes aus verschiedenen akustischen Sensoren, und zwar aus Echoloten und Side-Scan Sonar (SSS), zur Unterstützung der Navigation bei Lokalisierung sowie Hinderniserkennung und -vermeidung weiterentwickelt. Darüber hinaus soll die dreidimensionale Kartierung des Meeresbodens bzw. der unteren Eisschicht aus Sonardaten für wissenschaftliche Zwecke eingesetzt werden.
- Eine Datenbank zur räumlichen und zeitlichen intelligenten Aggregation, Speicherung sowie Abfrage wissenschaftlicher Daten wird für die Unterstützung, Gradienten oder mögliche Richtungen von POIs zu bestimmen, in denen sich organisches Material befinden könnte, weiterentwickelt.
- Eine moderne ML-basierte Methode zur Unterwasserbildrekonstruktion aus einfach oder mehrfach belichteten LDR-Bildern zu einer nicht-invasiven Kategorisierung der Lebensräume (Biotop) von Lebensgemeinschaften (Biozönose) wird weiterentwickelt.
Darüber hinaus wird am DFKI die in TRIPLE-MoDo entwickelte Dockings-Strategie an das Flugmodell des nanoAUVs angepasst sowie robustifiziert. Dies beinhaltet die zuverlässige Ansteuerung und Regelung des Andockvorgangs in die neuartige aktive Dockingstation des (LRS) mit Softrobotik-Elementen.
Um die rauschbehaftete Geschwindigkeitslösung der Navigationsfilter für den Closed-Loop-Betrieb mit dem Regler zu glätten und somit die Robustheit der Navigation zu unterstützen, wird außerdem ein hochpräzises, hydrodynamisches Modell des nanoAUVs aufgrund der bisherigen Erfahrung und Forschung des DFKIs in dem Gebiet mittels eines auf ML-basierenden Verfahrens identifiziert und in das Navigationsfilter der RWTH Aachen integriert.