Im Einklang mit den Bedürfnissen der Verteidigungs- und Sicherheitsindustrie werden Roboter von Robowatch eingesetzt, um Menschen rechtzeitig vor bedrohlichen Situationen zu warnen, um Gefahrenzonen zu überwachen und um die Informationssammlung für Katastrophen- und Zivilschutz zu optimieren.

Der Schlüssel zum Erfolg dieser vielseitigen Roboter ist die IMOR (Intelligent Modular Robot) Software, die alle diese Fahrzeuge antreibt. Anwendbar für eine breite Palette verschiedener Roboterformen und -technologien, von Diesel-angetriebenen Trucks bis hin zu kleinen elektrischen Überwachungssystemen, ist die IMOR-Software in der Lage, die optimale Performance aus allen diesen verschiedenen Systemen herauszuholen. Auf praxiserprobten Fahrzeugen, wie Robowatchs modularem Dieselfahrzeug CHRYSOR, wird die IMOR-Software mit einer Bandbreite an optionalen Nutzlastmodulen angewendet, um den Anforderungen des Katastrophenschutz und dem Schutz ziviler Infrastruktur bestmöglich gerecht zu werden.

IMOR im Detail: Fähigkeiten

IMOR enthält Standard-Komponenten, die für autonome Serviceroboter benötigt werden, dazu zählen u.a. die Umweltwahrnehmung, Kartierung, Bahnplanung und Lokalisierung. Das Umweltwahrnehmungsmodul nutzt die Daten von Sensoren wie Laserscannern, um eine Terrainkarte seiner Umgebung aufzubauen. Statistische Algorithmen des Kartierungsmoduls eliminieren dann Störungen und erstellen eine weitere Karte mit Terrainklassifizierungen, mit der für alle Elemente der Terrainkarte bestimmt wird, ob sie ein Hindernis darstellen.

Mit dieser Hinderniskarte erzeugt ein Planungsmodul einen optimalen Pfad entlang der benutzerdefinierten Route, unter Beachtung aller bei der Kartierung erkannten Hindernisse. Das Ergebnis dieses Planungsschritts ist eine Trajektorie, die von einem Kontrollmodul benutzt wird, um mittels eines Reglers den Roboter so zu steuern, dass er immer auf der bestimmten Route bleibt, ohne dabei ruckhafte Bewegungen durchzuführen. Das Lokalisierungsmodul benutzt intelligente Sensorfusionsmethoden für Outdoor-Lokalisierung. Unter Benutzung von Rad-Encodern und Intertialsensoren wie Gyroskopen und Beschleunigungsmessern zusätzlich zu GPS, führt es kontinuierlich eine Schätzung der aktuellen Position und Orientierung des Roboters durch. Das Ergebnis ist eine sehr präzise Position, die viel genauer ist als die einzelnen Sensoren in der Lage wären zu liefern.

Temporäre Verzerrungen oder gar der vollständiger Verlust des GPS-Signals, wie es häufig in der Nähe von hohen Gebäuden oder unter Baumkronen vorkommt, führen nicht zu einer starken Beeinträchtigung der Lokalisierungs-Genauigkeit, da die Sensorfusion in der Lage ist, solche Ausfälle zu kompensieren. Eine genaue Lokalisierung ist nicht nur für die Kenntnis der Position des Roboters wichtig, sondern auch zur Bestimmung der exakten Ausrichtung, weil jede Entfernungsmessung, wie sie z.B. von einem Laserscanner durchgeführt wird, mit der Ausrichtung des Roboters transformiert werden muss, um Informationen über die Umgebung des Roboters zu erhalten.

Fortgeschrittene Methoden der Bildanalyse sind in der Lage, Aufgaben wie das Erkennen von menschlichen Formen in Wärmebildkameras oder die Erkennung von befahrbaren Straßen vor dem Roboter durchzuführen. Da dies auch während der Fahrt des Roboters passieren soll, werden erhöhte Anforderungen in die eingesetzten Algorithmen gestellt, denn vor der eigentlichen Analyse muss zuerst die Eigenbewegung sowohl des Roboters als ggf. auch noch einer rotierenden Pan-Tilt-Einheit der Kamera kompensiert werden. Weitere Analysemethoden sind dann u.a. die Suche nach areas of interest (AOI), Bildsegmentierung und -klassifikation. Als Ergebnis ist die IMOR-Software in der Lage, mehrere Menschen unabhängig von einander in der Umgebung des Roboters zu erkennen und zu tracken.

Technische Details: Die Architektur der IMOR-Software

Die IMOR-Software läuft bereits jetzt unverändert auf völlig verschiedenen Arten von Robotern und ist so modular, dass wir in der Lage sind, neue Roboter in bemerkenswert kurzer Zeit zu entwickeln. Physikalische Eigenschaften des Fahrzeugs sind hinter einer Abstraktionsschicht versteckt, so dass die High-Level-Module wie Lokalisierung oder Bahnplanung keine Details und Besonderheiten der zugrundeliegenden Plattform kennen müssen.

Eine Situation, die bei der Wartung eines langlebigen Robotermodells oft auftritt, ist der Wunsch oder die Notwendigkeit, seine Sensoren oder Aktoren zu aktualisieren. Mit der IMOR-Software können neue Modelle von Sensoren, Kameras oder Aktoren sehr einfach in die Software integriert werden, in der Regel ohne jegliche Anpassung des High-Level-Codes, der mit den Daten dieser Sensoren arbeitet.

Durch die Nutzung des leistungsfähigen Device Abstraction Layers der IMOR-Software kann die Abfrage neuer Sensoren sehr einfach entwickelt und nahtlos in die Software integriert werden. Fortgeschrittene Funktionen zur Pufferung und Interpolation von Sensordaten erleichtern die Integration neuer Sensoren erheblich.

Der Ansatz der IMOR-Software zur Erfüllung des Einsatzzwecks basiert auf dem Konzept der Mission. Eine Mission kann sehr unterschiedliche Ausprägungen haben, wie etwa eine autonome Patrouillenfahrt, eine ferngesteuerte EOD-Sitzung, oder ein autonomer Konvoi mehrerer Fahrzeuge. Das Missionsobjekt ist verantwortlich für alle Initialisierungen und Tätigkeiten, die zur Erfüllung des Einsatzzwecks nötig sind; hierbei kann es selbstverständlich auf vorhandene Funktionalitäten wie autonome Navigation, Fernsteuerung, usw. zurückgreifen.

Dieser Missions-basierte Ansatz der IMOR-Software liefert die nötige Flexibilität, um nahezu jede Aufgabe in eine geeignete Form für die Integration in die Software zu bringen. Als Low-Level-Operation stehen Koordinatentransformationen im Zentrum fast aller IMOR-Module. Eine Reihe von C++-Klassen ermöglichen einfache und typsichere Manipulationen und Transformationen von Koordinaten. Durch Implementierung als C++-Templates wird jeglicher Overhead vermieden.

Praxiserprobte Fahrzeuge, wie Robowatch's modulares Dieselfahrzeug CHRYSOR or individuelle Entwicklungsplattformen, nutzen erfolgreich die IMOR-Software

Großer Wert wurde auf Sicherheitsaspekte gelegt; es existieren Module, die unabhängig voneinander wichtige Zustände des Fahrzeugs wie z.B. Batterieladung, Netzwerkverbindung oder Schräglage überwachen und somit dabei helfen, gefährliche Situationen zu vermeiden. Wichtige und insbesondere kritische Zustände werden durch die IMOR-Software gesammelt und bei Bedarf an User-Interface-Software wie z.B. RobControl (separat verfügbar) via TCP/IP gesendet. Die User-Interface-Software bekommt diese Daten und kann sie anzeigen und auswerten, zusammen mit Live-Kamerabildern, Kartendaten, usw. Das IMOR-Netzwerkprotokoll ist vollständig dokumentiert und kann in beliebige andere User-Interface-Clients integriert werden.

Heutzutage arbeiten die meisten Entwicklungsprojekte zum großen Teil mit Simulationen, um kurze Entwicklungszyklen zu erreichen. Auch die IMOR-Software ist simulierbar; in ihr sind Module zur Anbindung an führende, in Industrie und Forschung benutzten Simulationsumgebungen integriert, aber auch die Integration an andere Simulations-Frameworks ist möglich.

Die IMOR-Software ist sehr ressourcenschonend und somit auch auf Systemen mit geringer Rechenleistung lauffähig; sie wird routinemäßig auf Robotersystemen mit Low-Power-Prozessoren mit nur 800 MHz oder weniger eingesetzt und bietet trotzdem die volle Leistungsfähigkeit. Durch die Konzentration auf das Wesentliche gibt es Roboter mit nur 25kg Masse, die mit der IMOR-Software jeden Tag 12 Stunden am Stück autonom fahren, bei Nutzung von herkömmlichen und preiswerten Blei-Gel-Akkus.

Die IMOR-Software läuft auf herkömmlichen Linux-Systemen wie Fedora, SuSE und Ubuntu und verlangt kein spezielles Real-Time-Betriebssystem. Dadurch verkürzen sich die Entwicklungszeiten neuer Funktionen, und die Integration von Fremdmodulen wird stark vereinfacht.

Technische Voraussetzungen

Kompatible Systeme: Moderne Linux-Distributions für IA-32-Systeme (mit GNU g++ 4.0 oder besser, oder kompatible Compiler) Die RobControl-Software benötigt Windows 2000, XP, oder kompatible Versionen von Microsoft Windows Betriebssystemen.