Dezentrale kooperative Exploration von Umweltfeldern mit kleinen autonomen Unterwasserrobotern in räumlich beschränkten und unübersichtlichen Umgebungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Robert Seifried
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 357117608

Die Exploration und Überwachung von Umwelt- oder Schadstofffeldern wie chemischen Konzentrationen oder Strahlung in Gewässern und Wassertanks gehören zu den vielversprechendsten Aufgaben, die von Teams autonomer Unterwasserfahrzeuge (AUVs) übernommen werden können. Die erste Phase dieses Projekts konzentrierte sich auf Teams von AUVs in strukturierten und vollständig bekannten Umgebungen, z. B. einem hindernisfreien Wasserbecken. Die zweite Phase erweitert diese Arbeit auf Szenarien in beengten und unübersichtlichen Umgebungen mit Hindernissen. Beispiele reichen hier von Hafenbecken bis hin zu Industrieanlagen, wie z. B. stillgelegte nukleare Abklingbecken. Für diese Zielsetzung gibt es nur wenige Arbeiten, die sich mit den Herausforderungen befassen, welche sich beim Übergang von klar strukturierten Laborumgebungen hin zur Erkundung in realen, unübersichtlichen Umgebungen ergeben. Das Hauptziel dieses Forschungsprojekts ist die dezentrale Erkundung und Überwachung von Umweltfeldern durch Teams von kleinen Unterwasserrobotern. Dabei koordiniert das Team von Mikro-AUVs seine Bewegung, um ein unbekanntes Konzentrationsfeld innerhalb des Flüssigkeitsvolumen zu aufzuklären. Das Umweltfeld wird mit Hilfe einer stochastischen Feld Repräsentation mittels nicht-stationären Gaußschen Markov Random Fields (GMRFs) modelliert. In dieser Umgebung berechnen Roboter Agenten, die als mobile Sensorknoten fungieren, informationsreiche Pfade, die die Unsicherheit des geschätzten Feldes wirksam verringern. Aufgrund der massiven Einschränkungen der Kommunikations-Bandbreite Unterwasser sind Ansätze mit einer zentralen Koordinationseinheit nicht praktikabel. Daher werden dezentrale Ansätze untersucht, die eine Implementierung an Bord der einzelnen Mikro-AUV ermöglichen. In diesen unübersichtlichen Umgebungen verursachen Hindernisse wie Wände Anomalien in der Feldstruktur, die in die Feldschätzung und -erkundung einbezogen werden müssen. Das Umweltfeld wird dabei mit nichtparametrischen Ansätzen (GMRFs) modelliert und die zunächst unbekannte Kovarianzfunktion des Prozesses wird mitgeschätzt. Der Ansatz erfordert die Analyse eines grundlegenden Kompromisses bei Explorations-Problemen, der in der folgenden Frage zusammengefasst wird: Sollen künftige Beobachtungen gesammelt werden, um das Feldmodell zu verbessern (in diesem Fall eine bessere Abschätzung der Kovarianzfunktion), oder sollen zukünftige Messungen an Stellen gemacht werden, an denen das aktuelle (evt. falsche) Modell die größte Unsicherheit anzeigt? In der ersten Phase des Projekts wurde eine stochastische Feldrepräsentation auf der Grundlage von GMRFs hergeleitet sowie zwei dezentrale Regelungsansätze für die autonome Erkundung von Umweltfeldern entwickelt. Darauf aufbauend wird das dezentrale Explorations-Framework für beengte und unübersichtliche Umgebungen erweitert. Eine gründliche Analyse und ein Vergleich dieser Strategien werden durchgeführt und das Konzept wird experimentell verifiziert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Daniel-André Dücker
• Kooperationspartner: Dr. Simon Watson