Von autonomen Tauchrobotern, Unterwasserbildgebung und maritimer Situationsanalyse

Die unterschiedlichen Missionen unserer ROVs und autonomen Fahrzeuge:

• Wasserqualität überwachen, Wasserproben entnehmen, Unterwasserstrukturen inspizieren oder die Fischzucht unterstützen. Dabei kommen die agilen, ferngesteuerten Unterwasserfahrzeuge der TORTUGA ROV Familie zum Einsatz, die im Gegensatz zu herkömmlichen ROVs mit einem internen Energiespeicher ausgestattet sind.
• Mit hochauflösenden, bildgebenden Sensoren und Unterwasserdrohnen den Meeresgrund erforschen. Dabei konnte das Fahrzeug DEDAVE des Fraunhofer IOSB-AST historische Funde aus dem Bronzezeitalter und ein Flugmodell des verschollen geglaubten kanadischen Düsenjägers CF-105 Avro Arrow am Grund des Ontario-Sees entdecken. Auch bei der Entwicklung einer leichtgewichtigen Technologie für die Kartierung der Tiefsee konnte sich die Unterwasserdrohnentechnologie des Fraunhofer IOSB behaupten: Unser Team ARGGONAUTS kam beim Technologiewettbewerb Shell Ocean Discovery XPRIZE unter die weltbesten fünf Teams. 
• Menschen vor dem Ertrinken retten. Real-Experimente des Fraunhofer IOSB-AST zur Entwicklung eines Wasserrettungsroboters laufen bereits in Schwimmbädern, die Rettung in Binnengewässern ist in Planung.
• Wasserstraßen über und unter der Oberfläche exakt vermessen und so die Digitalisierung der Wasserinfrastruktur unterstützen. In einem Vorlaufforschungsprojekt entwickeln wir ein Teilautomatisches Peilsystem (TAPS) - einen mit Sensoren ausgestatteten Katamaran, der die Befahrung und Kartierung von Wasserflächen bzw. -straßen automatisiert. Dabei werden mögliche Hindernisse erkannt und umfahren.
  

Inspizieren: Unsere autonomen Unterwasserfahrzeuge sind hilfreich für Explorations- und Inspektionsaufgaben. So kommen verschiedene Fahrzeuge in Ausstattung, Größe und Traglast im Einsatz bei der Wartung von Offshore-Windkraftanlagen unter Wasser. Auch Öl- und Gaspipelines, Seekabel zwischen Kontinenten sowie Spundwände in Häfen und Binnenwasserstraßen können mit unseren praktischen autonomen Tauchsystemen gewartet werden.   

Sehen: Mit neuen Verfahren der variablen Bildgewinnung und -verarbeitung erhöhen wir die Bildqualität und Sichtweite unter Wasser. Damit wird die visuell-optische Inspektion von Unterwasser-Infrastruktur auch in trüben Gewässern ermöglicht. Zusätzlich kann aus vielen Einzelbildern oder Videos ein Bildteppich zu einem Panoramabild zusammengesetzt werden - ohne unnatürliche Abbildungsverzerrungen. Diese Übersichtskarten dienen der Inspektion von Unterwasserinfrastrukturen (z. B. Brückenfundamente), der Dokumentation, Archivierung und dem Erkennen von Veränderungen gegenüber älteren Übersichten.

Unsere KI-basierten Klassifikations- und Detektionsalgorithmen für Bilddatensätze können helfen, Lebewesen oder interessante Objekte auf dem Meeresboden zu entdecken. Dafür wurde ein Algorithmus trainiert, der aus großen Bilddatensätzen mithilfe künstlicher neuronaler Netze gezielt Strukturen auf dem Meeresboden sucht und erkennt.  

Kommunizieren: Können U-Boote über Laserlicht kommunizieren, und welche Auswirkungen haben Wasserturbulenzen auf diese Art der Kommunikation? Um diese Fragen im Rahmen unserer langjährigen Expertise in adaptiver Optik zu untersuchen, verfügen wir seit 2020 über ein in Europa einzigartiges Wasser-Turbulenzlabor (siehe Interview auf Seite 3 in InfOSB 1/2020 [pdf]). Spezielle Spiegelvorrichtungen im 500-Liter-Wassertank strecken die Länge des Lichtstrahls auf ein Vielfaches.    

Wir entwickeln nicht nur Unterwasserfahrzeuge für vielfältige Missionen, sondern bieten auch Assistenzsysteme zur Entscheidungsunterstützung an. Insbesondere beim Aufkommen hoher Datenmengen unterstützen KI-basierte Verfahren bei der Situationserkennung und Anomaliedetektion im maritimen Kontext .

In Projekt MARISA wurde beispielsweise ein maritimes Überwachungssystem mit automatischen Verfahren entwickelt, um die geltenden Sicherheitsanforderungen und den Umweltschutz zu gewährleisten. Dabei werden menschliche Entscheider darin unterstützt, das Augenmerk auf die relevanten Informationen zu lenken.

Mit der XAI-Toolbox können verschiedene XAI-Methoden für KI-Verfahren schnell ausgewertet werden. Anwenden können dies u. a. Überwachungsorgane maritimer Gebiete oder Häfen, wenn es darum geht, die Schiffstypen anhand der Trajektorien zu identifizieren.

Im europäischen Verteidigungsforschungsvorhaben OCEAN2020 integrieren 43 Partner aus 15 EU-Ländern fliegende, schwimmende und tauchende unbemannte Systeme als Sensorträger in Flottenverbände, um eine vernetzte maritime Überwachungs- und Aufklärungsmission der Zukunft aufzustellen. Das Fraunhofer IOSB bringt dabei seine Expertise auf verschiedenen Ebenen ein: Von der Informationsfusion und dem Tracking, Videoauswertung, der Entwicklung autonomer Wasser- und Unterwasserfahrzeuge und Koordination des Schwarmverhaltens der Water Strider über die Vernetzung und Interoperabilität bis zur Lagedarstellung und maritimen Situationsanalyse.