29. September 2017

Vom Labortest zur Außenmission: Systemoptimierung für die autonome Langzeiterkundung des Jupitermondes Europa

Auf der Suche nach Leben in unserem Sonnensystem ist der Jupitermond Europa von großem Interesse: Unter einer mehrere Kilometer dicken Eisdecke wird dort ein tiefer Ozean vermutet, der die Grundlage für extraterrestrisches Leben bieten könnte. Wie sich dieser Ozean erreichen und erforschen ließe, haben Wissenschaftler des Robotics Innovation Center des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) im Projekt Europa-Explorer (EurEx) untersucht. Die zur autonomen Navigation unter Wasser und für den Transport durch das Eis entwickelten Systeme sollen im nun gestarteten Projekt EurEx-SiLaNa für Langzeitmissionen außerhalb des Labors optimiert werden.


Das Autonome Unterwasserfahrzeug (AUV) Leng und das IceShuttle Teredo während des Dockingvorgangs in der Maritimen Explorationshalle (DFKI GmbH, Foto: Annemarie Popp)

Das IceShuttle Teredo (DFKI GmbH, Foto: Jan Albiez)

Das Autonome Unterwasserfahrzeug (AUV) Leng bei ersten Außentests unter Eis (DFKI GmbH, Foto: Annemarie Popp)

Ziel des Projekts Europa-Explorer war es, im Rahmen terrestrischer Szenarios zu zeigen, dass ein Roboterteam den in Jupiters Schatten liegenden Eismond Europa autonom erkunden kann. Dort befinden sich – so die Annahme – unter einer Eisdecke in rund 100 Kilometern Wassertiefe Hydrothermalquellen, die durch das Spenden von Wärme und Mineralien selbst an dunklen und kalten Orten Leben ermöglichen. Um diese aufzufinden, muss ein Explorationsfahrzeug zunächst den mächtigen Eispanzer auf der Oberfläche des Ozeans durchdringen und anschließend den Grund des Meeres erreichen. Für dieses Szenario entwickelten die DFKI-Wissenschaftler ein Missionskonzept, welches die Exploration des Ozeans auf Europa mit Hilfe eines vollautonomen Systems ermöglichen soll. Dementsprechend bauten sie das autonome Unterwasserfahrzeug (AUV) Leng, das durch eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren sicher im Wasser navigieren kann, und das IceShuttle Teredo. Letzteres dient dem AUV als Transportmittel durch die Eisdecke sowie als Dockingstation zum Datenaustausch und Aufladen der Batterien. Das Team aus Unterwasserzeug und IceShuttle konnte einen Teil des Missionskonzepts in der europaweit einmaligen Maritimen Explorationshalle des DFKI in Bremen bereits erfolgreich demonstrieren. Um allerdings den nächsten Schritt in Richtung einer Realmission wagen zu können – aus dem Labor in eine natürliche Umgebung – sollen im Projekt EurEx-SiLaNa (SiLaNa steht für Sichere Langzeitnavigation) die bestehenden Systeme, deren Zusammenspiel sowie ihre Navigationsleistung weiter optimiert werden.

Technologische Erweiterung und Optimierung der Systeme für Außeneinsätze

Im Rahmen des neuen Projekts sind umfangreiche Tests in Binnengewässern geplant. Die Gegebenheiten und Unwägbarkeiten von Außeneinsätzen erfordern jedoch diverse technologische Erweiterungen und Verbesserungen der Systeme. Die zunächst für das AUV verwendete Materialmischung aus Aluminium und Edelstahl verursachte unerwartet starke Korrosionseffekte, welche im Langzeitbetrieb zu Leckagen führen können. Aus diesem Grund setzen die Wissenschaftler nun auf eine Titanlegierung. Die Integration eines Nutzlastmoduls in das AUV soll darüber hinaus die Ausstattung mit zusätzlicher Sensorik ermöglichen, die z.B. physikalische Parameter wie Druck, Temperatur oder Salzgehalt des Wassers messen kann. Schließlich soll im Projekt die Bohrtechnologie des IceShuttles Teredo weiter vorangetrieben werden.

Missionsbeschreibungssprache ermöglicht sichere Navigation über lange Zeiträume

Die Navigation des AUVs unter Wasser realisierten die Wissenschaftler anfänglich, indem sie den Missionsablauf direkt im Quellcode umsetzten. Dies erforderte jedoch stets einen Systemneustart bei Missionsänderung. Abhilfe soll künftig ein Missionsmanagement schaffen, das die Definition einer Missionsbeschreibungssprache umfasst. Hierdurch lassen sich verschiedene Teilfunktionalitäten des Unterwasserfahrzeugs verknüpfen, etwa das Anfahren von Wegpunkten, die Rückkehr zum IceShuttle oder das Einleiten des Dockingvorgangs. Gleichzeitig erlaubt die Missionssprache dem System auf äußere Einflüsse zu reagieren und kritische Entscheidungen zu treffen, z.B. ob sich mit dem momentanen Akkustand der Zielbereich noch erreichen lässt. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die wiederholte Missionsausführung, welche die sichere autonome Navigation während einer Langzeitmission überhaupt erst ermöglicht. Im Gegensatz zur linearen Abarbeitung eines vordefinierten Missionsplans in einem relativ kurzen Zeitraum erlaubt diese u.a. die Integration eines zusätzlichen Unterwasser-Ladevorgangs und somit eine deutlich verlängerte Einsatzdauer. Außerdem kann das AUV auf diese Weise mit ersten Bodendaten zum IceShuttle zurückkehren und von dort aus neu definierte Detail-Inspektionen interessanter Objekte vornehmen.

EurEX-SiLaNa, das am 1. September 2017 startete, wird mit rund 650.000 Euro vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) über eine Laufzeit von 16 Monaten gefördert.

Animationsvideo zur Veranschaulichung des Missionskonzeptes aus dem Projekt Europa-Explorer:
https://www.youtube.com/watch?v=aT4jWmamPLQ

Kontakt:
Prof. Dr. Dr. h. c. Frank Kirchner
Direktor DFKI Robotics Innovation Center
E-Mail: frank.kirchner@dfki.de
Tel.: 0421 178 45 4100

Dr. Marc Hildebrandt
Projektleiter EurEx-SiLaNa
E-Mail: marc.hildebrandt@dfki.de
Tel. 0421 178 45 4127

Pressekontakt:
Unternehmenskommunikation Bremen
E-Mail: uk-hb@dfki.de
Tel.: 0421 178 45 4180 


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zuletzt geändert am 14.12.2017
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