Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB 
Kurzbeschreibung des Projekts
SAM-UGV: Semi-Autonomous Unmanned Ground Vehicle System Demonstrator
Zur Überwachung von gefährdeten öffentlichen und industriellen Liegenschaften können multisensoriell ausgestattete mobile autonome Robotersysteme einen entscheidenden Beitrag leisten. Effizienter und zuverlässiger als Wachpersonal sind sie in der Lage, weitgehend autonom zu patrouillieren, verdächtige Situationen automatisch zu erkennen und geeignete Alarmierungsmaßnahmen auszuführen.
Zur Evaluierung der zukünftigen Leistungsfähigkeit solcher Systeme hat die European Defence Agency (EDA) das Projekt SAM-UGV initiiert, in dessen Rahmen ein Demonstrator in Form einer teilautonom agierenden mobilen Plattform geschaffen werden soll. Diese soll in der Lage sein, unbekannte Liegenschaften zu explorieren und autonom Wachaufgaben auszuführen.
Projektbeschreibung
Die Pfadplanung agiert im Spannungsfeld zweier gegensätzlicher Welten: Die Daten, auf denen die Pfadplanung operiert, sind diskreter Natur, da es aus Effizienzgründen nicht möglich ist, die Umwelt in einem beliebigen Detaillierungsgrad zu modellieren. Sie wird daher in Form einer »Zellen-Karte« abgebildet, in der jede Zelle Informationen über die Höhe und Beschaffenheit des Geländes besitzt. Auf der anderen Seite ist die Bewegung der Plattform kontinuierlicher Natur, sodass während der Pfadplanung die kinematischen Randbedingungen der mobilen Plattform berücksichtigt werden müssen.
Ausgehend von der aktuellen Fahrzeugposition wird eine Prädiktion der Fahrzeugbewegung über ein kleines Weginkrement entlang verschiedener Bewegungsprimitive durchgeführt. Im Anschluss hieran wird jede neue raum-kontinuierliche Fahrzeugposition bewertet, indem die während des Weginkrements angefallenen »Kosten« berechnet werden. Zusätzlich wird mittels einer Heuristik geschätzt, wie günstig die neue Position in Bezug auf das nächste Ziel liegt. Aus diesen beiden Größen kann daraufhin bestimmt werden, welches Bewegungsprimitiv als nächstes weiterverfolgt wird. Diese Schritte werden iterativ durchgeführt, bis das vorgegebene Ziel letzten Endes erreicht wird.
Neben der grundlegenden Pfadplanungsfunktionalität verfügt das entwickelte Pfadplanungskonzept über eine Reihe zusätzlicher Funktionalitäten, welche vor allem auch in völlig unbekanntem Gebiet eine robuste Pfadplanung ermöglichen. So ist das Fahrzeug zum Beispiel in der Lage, ein großes unbekanntes Hindernis selbstständig zu explorieren. Hierzu werden lokale Umgebungsscans mit den Geländedaten der Zellen-Karte fusioniert und daraus charakteristische geometrische Strukturen, wie sie zum Beispiel Wälle oder Mauern besitzen, extrahiert. Indem die mobile Plattform diesen Strukturen folgt, ist sie in der Lage, ihr Wissen über die Umgebung zu vervollständigen und sich so einen Weg zum nächsten Ziel zu suchen.
Projektziele
Neben dem hardware-technischen Aufbau der Plattform stellt die Entwicklung von geeigneten Algorithmen und Softwaremodulen zur Autonomiebefähigung der mobilen Plattform eine besondere Herausforderung dar. Im Rahmen des SAM-UGV-Projekts zeichnet sich die Firma Diehl BGT Defence für die Entwicklung und Implementierung von umfassenden Autonomiefunktionalitäten verantwortlich.
Im Zusammenhang mit dieser Aufgabenstellung entwickelt die Abteilung Mess-, Regelungs- und Diagnosesysteme (MRD) des Fraunhofer IOSB als Unterauftragnehmer der Firma Diehl BGT Defence Lösungen für eine effiziente und robuste Pfadplanung, welche es der autonomen Plattform ermöglichen soll, in zuvor unbekanntem Gelände zu navigieren und zu operieren.
Aufgrund des spezifischen Einsatzszenarios werden an die Pfadplanungsalgorithmen besondere Anforderungen gestellt: Die Pfadplanung muss in unstrukturiertem Gelände – auch jenseits von Straßen – einen Pfad generieren, welcher bestimmten Randbedingungen genügt. Zu diesen gehört zum Beispiel das explizite Berücksichtigen von Beschränkungen durch die Fahrzeugkinematik (eingeschränkter Lenkwinkel, nicht-holonomes Verhalten, maximale Steigfähigkeit). Zusätzlich soll die Pfadplanung im Hinblick auf die Kostenoptimalität parametrierbar sein. Hierzu zählen Faktoren wie ein möglichst kurzer Weg oder eine möglichst hohe Energieeffizienz. Ferner muss die mobile Plattform in der Lage sein, statische Hindernisse sicher zu umfahren sowie dynamischen Hindernissen, wie sie zum Beispiel andere Verkehrsteilnehmer darstellen, auszuweichen.
Projektergebnis
Um unsere Kunden von der Idee bis zur praktischen Umsetzung zu unterstützen, erstellt das IOSB im Rahmen des SAM-UGV- Projektes Software-Module, welche die entwickelten Algorithmen zur Lösung der vorgestellten Aufgaben beinhalten. Diese können dank definierter Schnittstellen direkt in das Framework der Zielplattform integriert werden und so dessen Funktionalität auf einfache Art und Weise erweitern. Um in der Realität einsetzbar zu sein, garantieren die entwickelten Algorithmen eine Ausführung mit der vereinbarten Updaterate.
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