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Roboterschwärme, Sensornetze und UAVs

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Im Handelsblatt Artikel Beweglich wie ein Bienenvolk berichtete Hans Schürmann über das 2004 begonnene Kollektive Mikrorobotik bzw. Open-source Mikrorobotik Forschungsprojekt am Institut für Parallele und Verteilte Systeme der Universität Stuttgart.

Wie in vielen anderen Projekten dient auch das Projekt des IPVS der Grundlagenforschung zur Entwicklung von Mikrorobotern, die in einem Netzwerk, das aus Hunderten oder Tausenden der Roboter besteht, "zusammenarbeiten" und als "Kollektiv" oder "Schwarm" autonom mit ihrer Umwelt interagieren und in ihr bestimmte Aufgaben erfüllen.

Erforscht werden die Möglichkeiten der Miniaturisierung der Elemente, aus denen die Roboter bestehen, wozu Energiequellen, Antriebe, Prozessoren, Sensoren und Mikromechanik gehören, die der Verkleinerung des einzelnen Roboters bis – langfristig – in den Nanobereich dienen, also der "Hardware". Wichtige Komponenten in Bezug zu "kollektiven Schwarmfähgkeiten" sind Sensoren, mit denen die Roboter ihresgleichen und Objekte der Umwelt erkennen und unterscheiden oder Informationen aufnehmen, die der Schwarm erfassen soll und Kommunikationselemente, über die dem Schwarm und dem einzelnen Roboter Informationen und Daten übermittelt werden, mit denen der einzelne Roboter Daten weitergibt und mit denen sich alle Roboter aufeinander abstimmen.

Im Bereich der "Software" werden Programme und Algorithmen erforscht, mit denen Roboter und Schwarm die Informationen, die über die Sensorik erfasst wurden, so verarbeitet werden, dass der Schwarm seine Umwelt "wahrnehmen" kann. Zum Beispiel sammelt jeder Roboter Daten über die von ihm erkannten Objekte und Bestandteile seiner Umgebung, die dann über weitere Programme zu einer "Karte" zusammengefügt werden, die der ganze Schwarm miteinander teilt und permanent aktualisiert. Oder es werden nicht zum Schwarm gehörende Objekte und Bereiche in der Umwelt lokalisiert, die nicht von Angehörigen des Schwarms besetzt sind, damit sich Teile des Schwarms zu den Objekten / Bereichen bewegen und dort konzentrieren. Die Software dient also auch dem Schwarm, sich selbst zu organisieren, Entscheidungen zu fällen und gemeinsame Handlungen durchzuführen.

Wer jetzt an die Schwarmintelligenz des Borgkollektivs in den Star Trek Filmen denkt, liegt nicht ganz falsch.

Im Forschungsprojekt des IVPS besteht der einzelne "Borg" aus den "Jasmine II", "Jasmine III" und "Jasmine III+" Roboter, der mittlerweile im weltweit größten künstlichen Roboterschwarm eingesetzt wird – laut des Handelsblattartikels besteht der zur Zeit aus 300 Jasmines.
Jasmine IIJasmine IIIJasmine IIIp

Jasmine II, III und III plus.
Der Jasmine III plus Roboter besitzt gegenüber seinen Vorgängern neben der größeren Integration der technischen Komponenten einen Vorteil, der auch ein kleiner, aber wichtiger Bestandteil einer autonomen Selbstorganisation ist. Der Roboter besitzt ein Power Managementsystem, mit dem er feststellt, wann ihm der "Saft" ausgeht und mit dessen Schnittstellen er selbst an eine Ladestation andockt, um seine Lithium-Polymer Batterie wieder aufzuladen, so dass Jasmine III plus im Prinzip eine undendliche Laufzeit aufweist.
Jasmine III

Viele Jasmins machen einen Jasmine-Schwarm.

Jasmine Fotos: Open-source micro-robotic project.
Miniaturisierte Bodenroboter mit Schwarmintelligenz sind nicht nur deshalb interessant, weil man mit ihnen irgendwann autonome, sich selbst organisierende und dabei mobile Sensornetzwerke im Bodenbereich betreiben kann, die z. B. auch Töne, Bilder oder die Daten aus RFID-Chips erfassen könnten, sondern weil man die gleichen Mechanismen und Techniken auch für Schwärme aus Mikro-Flugvehikeln verwenden kann, die z. B. der Videoüberwachung aus der Luft dienen können.

Nicht umsonst findet sich auch beim Open-Source Mikrorobotik Projekt das "Flying Robot my-Ufo" Unterprojekt, das sich wie andere MAV-Schwarm Projekte den "Quadrocopter" als Plattform (basierend auf dem X-Ufo von Silverlit) ausgesucht hat, der auch auf dem letzten Chaos Computer Congress als Microdrone in der "1.0 Variante" mit manueller, nicht autonomer Steuerung vorgeführt wurde.
X-UfoMicrodrone auf 23C3

Links: Das X-Ufo (Foto: Wikipedia). Rechts: Die Microdrone auf dem 23C3 (Foto: yog).
Quadrocopter sind als Überwachungsmedium deshalb interessant, weil sie wie Helikopter und die sogenannten "Organischen Flugvehikel" für längere Zeit über dem zu überwachenden Zielgebiet schweben können, dabei aber eine einfachere Bauweise und einfachere Steuerungsmechanismen als Helikopter aufweisen.

Wie bei den Jasmines wird als ein Ziel die Miniaturisierung der Quadocopter angegeben. Das wichtigste Forschungsziel, so die Autoren auf der Projektseite, bestehe in der Produktion eines funktionsfähigen Schwarms fliegender Roboter, um wie mit den Jasmine Robotern Schwarmforschung zu betreiben, da ein fliegender Schwarm verschiedene Vorteile im Vergleich zu den aktuellen Schwarmrobotern aufweise. Und da es eine Menge Ähnlichkeiten zu Insekten gibt, auch in dieser Beziehung eine Menge Forschung zu betreiben sei.

Die Produkte der Forschungsprojekte des IVPS könnten auch Bestandteil von Plattformen werden, die in dem Juni 2006 gestarteten und bis 2009 angelegten AWARE Projekt der Europäischen Union erforscht werden, an dem das IPVS mitwirkt.
AWARE Logo
AWARE Logo.


AWARE steht für "Platform for Autonomous self-deploying and operation of Wireless sensor-actuator networks cooperating with AeRial objEcts". Diese Plattform besteht aus einem bodengestützten, beliebig erweiterbarem und sich selbst organisierendem Sensornetzwerk, das Sensoren und Minisende- und empfangseinheiten umfasst. Die Sensoren / Funkeinheiten tragen Personen bei sich, sind an Fahrzeugen, Geräten und Videokameras angebracht oder werden über ein Gebiet "verstreut". Zusätzlich sind unbemannte Flugvehikel – in diesem Fall autonome Helikopter statt Quadrocopter – Bestandteil des Netzwerkes, die mit ihren Kameras zusätzliche Bildinformationen aus der Luft beisteuern, aber auch dem Transport bzw. Ersatz mobiler Sensoren dienen, wenn die vom Netzwerk benötigt werden oder um ein Netzwerk aufzubauen.
AWARE Systemarchitektur

AWARE Systemarchitektur als Comic.
Quelle
Das Ganze dient laut der Beschreibungen des Projekts dem Einsatz in Katastrophengebieten, dem Zivilschutz und dem "Filmen von sich dynamisch ändernden Ereignissen", kann aber genauso gut zur Gebietsüberwachung, der Lokalisierung oder Identifizierung von Objekten und Personen genutzt werden.
AWARE Anwendungen AWARE Netz

AWARE Anwendungen.
von rabenhorst - Owl, gepostet am Dienstag, 20. Februar 2007 um 21:54
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