Autonomes Unterwasserfahrzeug

Verbundprojekt Mare-IT gestartet

Im Zentrum von Mare-IT steht die Entwicklung einer IT-Infrastruktur, die den bidirektionalen Informationsfluss und die Einbindung in bestehende Geschäftsprozesse ermöglicht. Bild: DFKI
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Die regelmäßige Wartung ist für die Sicherheit maritimer Anlagen essenziell. Zukünftig sollen Roboter diese für den Menschen aufwendige und gefährliche Aufgabe übernehmen. Im Verbundprojekt Mare-IT, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit etwa sieben Millionen Euro gefördert wird, entwickelt ein Konsortium namhafter Unternehmen und Forschungseinrichtungen unter Leitung des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) ein zweiarmiges Autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV), das sowohl autonom als auch ferngesteuert unter Wasser operieren kann. Zugleich stellt es die notwendige IT-Infrastruktur bereit, um einen reibungslosen und bidirektionalen Informationsfluss mit dem Anlagenbetreiber zu gewährleisten.

Der Einsatz von Robotern und IT-Systemen ist ein wesentlicher Faktor für die zukünftige Nutzung maritimer Potentiale. Insbesondere die Offshore-Industrie setzt bei der Wartung ihrer Infrastruktur, beispielsweise von Windenergieanlagen oder Öl- und Gasförderungsanlagen, vermehrt auf Roboter, um Schäden an Anlagen, kostenintensive Ausfälle, aber auch Umweltschäden zu vermeiden. Dabei geht der Trend weg von rein ferngesteuerten Systemen, hin zu Unterwasserfahrzeugen, die über lange Zeiträume Unterwasser verbleiben, dort autonom operieren und zugleich im Bedarfsfall ferngesteuert werden können.

Für einen dauerhaften und reibungslosen Einsatz von Robotern in tiefen Gewässern braucht es allerdings ganzheitliche Lösungen, die neben einem robusten AUV, intuitiven Teleoperationstechnologien, auch die notwendige IT-Infrastruktur bereitstellen, um einen effektiven Informationsfluss mit den Anlagenbetreibern zu ermöglichen. Hier setzt das vom DFKI Robotics Innovation Center geleitete Verbundprojekt Mare-IT an, das führende Unternehmen und Forschungseinrichtungen aus den Branchen IT, Robotik, Antriebstechnik und Offshore vereint. Zum Projektkonsortium gehören zudem die DFKI-Forschungsbereiche Kognitive Assistenzsysteme (vormals Intelligente Benutzerschnittstellen) und Eingebettete Intelligenz sowie die WITTENSTEIN cyber motor GmbH, SAP SE, die IMPaC Offshore Engineering GmbH und die ROSEN Technology and Research Center GmbH.

Intuitive Bedienbarkeit

Im Zentrum von Mare-IT steht die Entwicklung einer IT-Infrastruktur, die den bidirektionalen Informationsfluss und die Einbindung in bestehende Geschäftsprozesse ermöglicht. Um eine ganzheitliche Lösung zu erreichen, liegt der Fokus des Projekts insbesondere auf der Kompatibilität der Einzelkomponenten, der intuitiven Bedienbarkeit sowie der visuell ansprechenden Darstellung aller in den Informationsfluss eingespeisten Daten, zum Beispiel auf einem Tablet oder Smartphone. Darüber hinaus kommen in Mare-IT auch Techniken aus dem Bereich Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge zur Anwendung, etwa die vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance), die zusätzliche Informationen über den Zustand von Unterwasserstrukturen und Anlagen liefern können.

Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts liegt im Bau und der Konzeption eines neuartigen zweiarmigen AUVs. Dies lässt sich in die IT-Infrastruktur einbetten und als mobile Plattform zurInspektion und Wartung von Unterwasserstrukturen einsetzen Im projektierten Anwendungsszenario führt das Fahrzeug mithilfe seiner zwei Arme eine Manipulation an einer Infrastruktur (teil-) autonom aus.

Dafür dockt es mit einem Arm an die Infrastruktur an, um eine Datenverbindung über eine Hochgeschwindigkeitsschnittstelle herzustellen. Auf diese Weise wird die Informationsübermittlung und damit auch eine Fernsteuerung des AUVs sowie des zweiten Arms durch einen menschlichen Operator möglich. Die Teleoperation erfolgt dabei mittels eines Exoskeletts über einen virtuellen Leitstand, der zusätzliche Kontrolleinrichtungen sowie einen virtuellen Co-Piloten zur Entlastung des Operators bereitstellt. Auf der Konzeption und Entwicklung der notwendigen Leitstandtechnik zur intuitiven Steuerung des robotischen Systems liegt ein weiterer Fokus.

Dezentrale Analyse von Datenströmen

Das DFKI Robotics Innovation Center bringt in das Projekt seine langjährige Expertise im Bau autonomer und teleoperierter Unterwasserfahrzeuge sowie auf den Gebieten der Teleoperation und der Mensch-Roboter-Kollaboration ein. Für den autonomen Betrieb des geplanten AUVs setzen die Wissenschaftler auf eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren, zum Beispiel Sonarsensoren, Kameras, Laser und Magnetometer. Um die große Menge an Sensordaten effektiv verarbeiten zu können, erarbeiten die Forscher ein standardisiertes Architekturkonzept, dass die dezentrale Analyse von Datenströmen direkt an Bord des Roboters ermöglicht.

Eine große Herausforderung für die Regelung des freischwebenden Fahrzeugs stellt der Wechsel von Autonomie zu Teleoperation dar, insbesondere die Umsetzung der zweiarmigen Manipulation. Die Teleoperation des Unterwasserroboters erfolgt über den Leitstand mithilfe eines am Robotics Innovation Center entwickelten Exoskeletts, das vom Operator getragen wird und Force Feedback, d.h. Kraftrückkopplung, ermöglicht. Zusätzlich betrachten die Bremer Wissenschaftler im Projekt den Informationsfluss zwischen AUV, Leitstand sowie geschäftsinterner Infrastruktur und erarbeiten eine einheitliche Schnittstelle für den bidirektionalen Datenaustausch.

Interaktionsmodell dynamisch erweiterbar

Im Fokus der Aufgaben des DFKI-Forschungsbereichs Kognitive Assistenzsysteme steht die Entwicklung eines digitalen Assistenten, der den Operator bei seiner Interaktion mit dem Leitstand und letztendlich damit auch bei der durchzuführenden Teleoperation unterstützt. Da bei der Teleoperation mittels Force Feedback beide Arme des Operators genutzt werden, um eine direkte Fernsteuerung der Roboterarme umzusetzen, sollen ergänzende Modalitäten wie Sprache oder Blickgestik zum Zugriff auf Informations- oder Steuerungssysteme eingesetzt werden. Auf diesem Weg ermöglicht es der digitale virtuelle Co-Pilot während der Teleoperation mittels Sprachbefehl Sekundärsysteme des Roboters oder der Infrastruktur zu bedienen, beispielsweise zum Ein- und Ausschalten der AUV-Scheinwerfer. Das Interaktionsmodell ist dabei dynamisch erweiterbar und ermöglicht die Programmierung kleiner Bewegungsabläufe per Teach-in. Zusätzlich präsentiert der Assistent dem Operator eine Situationszusammenfassung über eine Augmented Reality-Schnittstelle.

DFKI Eingebettete Intelligenz: Zuverlässige Lokalisierung dank künstlicher oszillierender Magnetfelder
Der DFKI-Forschungsbereich Eingebettete Intelligenz fokussiert sich in Mare-IT auf die Unterstützung der Lokalisierung des Unterwasserroboters mittels künstlicher oszillierender Magnetfelder. Dieses physikalische Konzept wurde bereits in vorherigen Projekten des Forschungsbereichs sowohl im industriellen Kontext als auch in Smart Home-Anwendungen erfolgreich eingesetzt. Im Rahmen von Mare-IT sollen hierbei die Vorteile und Einschränkungen des Systems im Unterwasserbereich erforscht werden. (ig)

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