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Projekt
Dezentrale kooperative Exploration von nichtstationären räumlich und zeitlich verteilten Feldern mit Autonomen Unterwasserfahrzeugen
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Edwin Kreuzer
Fachliche Zuordnung
Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
Förderung
Förderung von 2017 bis 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 357117608
Systeme zur Exploration von maritimen Umweltfeldern sind von großem Interesse. Sie werden eingesetzt zur Datenerhebung in der ozeanographischen Forschung, bei der Detektion von Schadstoffquellen aber auch beim Bau von Offshore-Windparks. Üblicherweise werden Umweltgrößen mit stationären Sensoren aufgenommen. Gruppen von autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUVs) ermöglichen eine verbesserte räumliche Messauflösung, weil der Messort angepasst werden kann. Mobile Sensornetzwerke, die von einer zentralen Einheit gesteuert werden, weisen eine gute Performance auf und sind derzeit Gegenstand vieler Untersuchungen. Bei Unterwasseranwendungen haben sie oft Nachteile gegenüber dezentralen Regelungsansätzen, weil die Kommunikationskanäle unzuverlässig sind und eine geringe Bandbreite haben.Im Rahmen dieses Forschungsprojekts sollen Methoden entwickelt werden, um räumlich und zeitlich veränderliche maritime Umweltfelder mit AUVs unter Verwendung von dezentralen Regelungsstrategien zu erkunden. Die AUVs können die physikalischen Umweltfeldgrößen, wie z.B. Schadstoffkonzentration, punktweise messen. Die Felder werden als nichtstationäre Gaußsche Zufallsfelder modelliert. Die Kovarianz des Gaußschen Zufallsfeldes wird für die dezentrale Koordination der AUV-Gruppe genutzt. Die Gruppenkoordination basiert auf den Konzepten der Synchronisation und der Pfadintegral-Steuerung.Ein auf Synchronisation und der Pfadintegral-Steuerung basierender Ansatz für AUV-Gruppen ermöglicht eine dezentrale Exploration von Umweltfeldern mit einem Minimum an a priori Informationen. Das Umweltfeld wird mit nichtparametrischen Ansätzen (Gaußsche Prozesse) modelliert und die zunächst unbekannte Kovarianzfunktion des Prozesses wird mitgeschätzt. Der Ansatz ermöglicht die Untersuchung eines fundamentalen Kompromisses explorativer Problemstellungen, der sich als folgende Fragestellung formulieren lässt: Sollen zukünftige Messungen vorgenommen werden, um ein besseres Modell des Prozesses zu erhalten (in diesem Fall eine bessere Abschätzung der Kovarianzfunktion) oder sollen zukünftige Messungen dort vorgenommen werden, wo das aktuelle (evt. falsche) Modell die größte Unsicherheit angibt? Am Institut für Mechanik und Meerestechnik wurden Forschungsergebnisse im Bereich der Dynamik und Regelung von AUV-Gruppen erzielt und publiziert. Es wurden Algorithmen entwickelt, um Strömungsfelder aufzuklären, basierend auf physikalischen und zentralen Regelungsansätzen. Mikro-AUVs wurden entwickelt. Weiterhin wurden im Rahmen von theoretischen Vorarbeiten dezentrale Regelungsansätze mit Unsicherheiten kombiniert. Es wurden Studien durchgeführt in denen ein Advektions-Diffusionsfeld mit einem Fahrzeug erkundet wird, wobei das Feld durch ein Gauß-Markov Zufallsfeld dargestellt wird.Die theoretischen Ansätze sollen für verschiedene Aufgabenstellungen experimentell untersucht werden, wie z.B. Niveau-folgen (level curve tracking), Gradientensteigen (gradient climbing) und Quellenlokalisierung.
DFG-Verfahren
Sachbeihilfen
Internationaler Bezug
Brasilien, USA
