Leistungsschau europäischer Roboter im Geländeeinsatz

Bei der C-Elrob testeten europäische Roboter in den Schweizer Alpen ihre praktischen Fähigkeiten in simulierten Katastropheneinsätzen - inklusive echtem Wolkenbruch.

Vierzehn Teams aus fünf europäischen Ländern trafen sich Mitte August auf einem Übungsgelände der Schweizer Armee im Kanton Tessin zur zweiten Elrob, der „Europäischen Leistungsschau Robotik“. Nach der militärischen Premiere im vergangenen Jahr auf einem Bundeswehrgelände bei Hammelburg fand sie diesmal als C-Elrob unter zivilen Vorzeichen statt.

Hervorgegangen aus einem Nato-Workshop zu kurzfristig realisierbaren Militärrobotern im September 2004, soll die Leistungsschau den Entwicklungsstand der europäischen Robotik demonstrieren und die Nutzer in näheren Kontakt mit Industrievertretern und Forschern bringen. Erst auf Wunsch von Forschungsteams an Universitäten wurde beschlossen, die Elrob im jährlichen Wechsel mal militärisch, mal zivil auszurichten.

Der zivile Charakter der viertägigen Veranstaltung sprang allerdings nicht unmittelbar ins Auge, die militärischen Wurzeln des „European Land-Robot Trial“ (so der offizielle englische Titel) waren unverkennbar: Vor der Halle, in der sich sonst Soldaten fit halten, stand ein olivgrünes gepanzertes Fahrzeug. Drinnen präsentierte die Firma Macroswiss an ihrem Ausstellungsstand Minen und Schnellfeuergewehre und zeigte in einem Werbevideo, wie ihr Erkundungsroboter Spyrobot 4WD einen Menschen kampfunfähig schießt.

Auch waren die Teams, die ihre Roboter am Gebirgspass Monte Ceneri auf Erkundungsfahrten schickten, zum Teil bereits im vergangenen Jahr in Hammelburg dabei gewesen. Für die technischen Anforderungen an Roboter macht es eben keinen grundlegenden Unterschied, ob sie Sprengfallen und Geschützstellungen auskundschaften, in einem Erdbebengebiet nach Überlebenden suchen oder Rettungskräften nach einem Chemieunfall einen Überblick über die Lage verschaffen sollen. In jedem Fall müssen sie bei der Suche nach den entscheidenden Informationen unwegsames Gelände bewältigen und möglichst schnell scharfe Bilder und präzise Positionsdaten ihrer Funde übermitteln können.

Wo sind die ERI-Cards?

Eine der wichtigsten Fragen nach einem Unfall mit Gefahrgütern ist die nach der Art der möglicherweise freigesetzten Stoffe. Transportfahrzeuge sind daher mit orangefarbenen Schildern ausgestattet, den sogenannten ERI-Cards (Emergency Response Intervention Cards), die diese Informationen in kodierter Form enthalten. Die Veranstalter der diesjährigen Elrob hatten daher in städtischen und nicht städtischen Umgebungen mehrere dieser Schilder versteckt, von denen die Teams möglichst viele mit Hilfe ihrer Roboter finden, lesbar fotografieren und auf 15 Meter genau in GPS-Koordinaten lokalisieren sollten.

Die Suche begann sehr ehrgeizig mit einer Elrob-Premiere: Am ersten Tag stand ein kombiniertes Szenario mit Luft- und Bodenrobotern auf dem Programm. Ein fliegender Roboter sollte das Gelände von oben erkunden und dem fahrenden Roboter Zielpunkte vorgeben, die dieser dann unterstützt vom Teleoperator ansteuern sollte. Drei Teams hatten sich ursprünglich für den Wettbewerb gemeldet. Allerdings musste die TU Chemnitz absagen, weil ihr 9,5 Meter langer Zeppelin beim letzten Test beschädigt worden war. Das Team von der finnischen University of Oulu wurde im letzten Moment von einem Systemfehler lahmgelegt, sodass nur die Jacobs University Bremen übrig blieb, die sich am Abend zuvor spontan mit Burkhard Wiggerich von der AirRobot GmbH zusammengetan hatte. Der wiederum war eigentlich nur als Aussteller angereist.

Trotz der knappen Vorbereitungszeit gelang den Bremern die Integration der Video- und Telemetriedaten des Luftaufklärers in ihre Benutzerschnittstelle sehr gut. Problematisch war dagegen die Funkverbindung zum Teleoperator. Um den Bodenroboter hinter einem Erdwall überhaupt noch zu erreichen, mussten die Funksignale so sehr verstärkt werden, dass sie den Empfang der Videobilder vom AirRobot störten. Die orangefarbenen ERI-Cards konnte Wiggerich auf seinem Monitor nur mit Mühe erkennen. Dennoch fand er eine der Warntafeln und dirigierte den Bodenroboter dorthin.

Am zweiten Wettbewerbstag galt es, im sogenannten „Non-urban Scenario“ ein Waldgebiet von knapp 100 mal 100 Metern zu erkunden. Die Roboter mussten darin mit Steigungen, Pfützen und dichtem Gestrüpp zurechtkommen. Eine Aufgabe, die durch starken Regen nicht gerade erleichtert wurde.

Das Team der Universität Würzburg ging als Erstes an den Start, als es noch wie aus Kübeln schüttete. Trotz der widrigen Wetterverhältnisse ließ sich der Roboter gut durchs Unterholz fernsteuern. Allerdings gelang es erst fünf Sekunden nach Ablauf der vorgegebenen Zeit, eine ERI-Card zu identifizieren und zu lokalisieren. Für die Wertung war indessen auch entscheidend, wann die Teams ihre Daten an die Schiedsrichter übergaben. Da die Würzburger hierbei sehr schnell waren, reichte ihre Leistung am Ende für den dritten Platz, den sie sich mit der Universität Kaiserslautern teilen. Deren 550 Kilogramm schwerer Roboter Ravon lokalisierte nachmittags bei mittlerweile wieder sonnigem Wetter autonom eine ERI-Card.

Zuvor hatte die Universität Siegen mit ihrem Roboter Amor ebenfalls ein Schild gefunden, war dabei aber fünf Minuten schneller gewesen und schaffte es damit auf Platz zwei. Das von Klaus-Dieter Kuhnert geleitete Team hat ein Quad mit Benzinmotor und Vierradantrieb als Plattform gewählt und mit Kameras, Laserscannern und GPS-Empfängern ausgestattet. Zwei auf den Boden gerichtete Kameras messen die Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Auf diese Weise können die Odometrie-Daten - die die Umdrehungen der Räder wiedergeben, aber durch Radschlupf verfälscht werden können - korrigiert werden. Um die Daten der Laserscanner und Kameras besser interpretieren zu können, verfügt Amor zudem über einen Feuchtigkeitssensor, der Regen oder Nebel erkennen kann.

Das Siegener Fahrzeug hat eine Reichweite von etwa 100 Kilometern und ist eigentlich für großräumige Erkundungen ausgelegt. Bei der Fahrt durch das Waldgebiet mied der Operator das Dickicht und blieb sicherheitshalber auf den breiteren Schneisen. Ein Bruch der Kette zur Kontrolle der Lenkung sorgte wenige Minuten nach dem Start für eine Unterbrechung.

Situationsverständnis

Souveräner Sieger des nicht urbanen Wettbewerbs wurde die Telerob GmbH mit ihrem ferngesteuerten Roboter Telemax. Der Roboter, der in erster Linie für das Durchsuchen von Bussen, Flugzeugen oder Eisenbahnwagen und das Entschärfen von Sprengsätzen konzipiert ist, bewältigte mühelos auch dichtes Gras und Gestrüpp. Mit seiner Hilfe fand der Teleoperator vier ERI-Cards, die letzte knapp drei Minuten vor Ablauf der Zeit inmitten hoch gewachsener Farne. „Das war das bisher schwierigste Gelände, durch das ich mit dem Roboter gefahren bin“, sagte Operator Andreas Ciossek hinterher. „Verglichen mit dem letzten Elrob in Hammelburg war das sicherlich eine Größenordnung schwerer.“

Das Erfassen einer Situation sei derzeit die größte Schwierigkeit für einen Roboter, sagte Alan Winfield von der University of Bristol, einer der Organisatoren der Elrob. Er bezog sich damit in erster Linie auf autonome Roboter. Die Aussage gilt aber auch für die Bediener an der Fernsteuerung, denen die Benutzerschnittstelle ein möglichst intuitives Erfassen der Situation ermöglichen muss. Ciossek etwa steuerte Telemax nicht nur über die Videobilder, sondern nahm über Kopfhörer auch die Umgebungsgeräusche wahr. Auf diese Weise konnte er zum Beispiel schneller erkennen, ob die Räder und Ketten des Roboters gute Bodenhaftung hatten oder durchdrehten.

Ein Wassertropfen mitten auf der Kameralinse hatte in den letzten Minuten die Sicht von Telemax erheblich beeinträchtigt. Damit war dieser Lauf nicht nur hinsichtlich der Punktwertung erfolgreich, sondern er zeigte auch einen Schwachpunkt auf: Roboter, die unter zeitkritischen Bedingungen zuverlässig arbeiten sollen, benötigen eine Vorrichtung, etwa ein Gebläse, um Verschmutzungen der Kameralinse rasch zu beseitigen - oder eine Reservekamera.

Solche Erkenntnisse, die sich unter den zumeist sanfteren Bedingungen in den heimischen Labors kaum gewinnen lassen, sind ein Grund, warum auch die schlechter platzierten Teams ihre Teilnahme an der Elrob durchweg positiv bewerteten. Selbst das Team Robotics Inventions aus Polen, das aufgrund von Schwierigkeiten bei der Zollabfertigung mit zwei Tagen Verspätung eintraf und seinen Roboter in der verbleibenden Zeit nicht ordentlich zum Laufen bekam, bereute die Reise nicht.

Der dritte Wettbewerbstag sah Erkundungen im städtischen Umfeld vor. Hierfür waren auf einem asphaltierten Platz Fahrzeuge, Container und Tische aufgestellt worden. ERI-Cards konnten außerdem auch in einem benachbarten Gebäude versteckt sein. Die Roboter mussten bei der Suche Böschungen und Treppen überwinden und mit unterschiedlichen Lichtverhältnissen umgehen. An diesem Tag schien die Sonne so sehr, dass sie zusätzlich für einen Test der Hitzeempfindlichkeit sorgte.

In dieser dritten Runde machten zwar erneut ferngesteuerte Roboter das Rennen. So schaffte es die Uni Würzburg dank einer ausgeklügelten Suchstrategie und schneller Datenverarbeitung mit sechs korrekt lokalisierten ERI-Cards auf den ersten Platz, gefolgt von Telerob. Die Autonomieleistungen anderer Teams machten aber mindestens ebenso starken Eindruck.

Der Operator der Jacobs University Bremen etwa konnte zwei Roboter gleichzeitig steuern, indem er ihnen Zielpunkte auf den automatisch erstellten Karten vorgab und sie lediglich an Treppen und anderen schwierigen Stellen unterstützte. Die Roboter tauschten zudem untereinander Daten aus und kombinierten sie zu einer Gesamtkarte des Geländes. Teamleiter Andreas Birk zeigte sich mit dem vierten Platz sehr zufrieden.

Ebenfalls teilautonom fuhr der Roboter „MoRob 4x4“ der Universität Hannover, was allerdings nur für den Rückweg genutzt wurde. Dafür erfolgte die Erkennung der ERI-Cards mit Hilfe eines Laserscanners vollautomatisch. Die größere Zahl der gefundenen Warnschilder brachte die Hannoveraner noch knapp vor den Bremern auf Platz drei.

Manch ein Teilnehmer hätte solchen anspruchsvollen, weitgehend autonom arbeitenden Lösungen eine noch bessere Platzierung gewünscht. Die Ausrichtung des Elrob auf realistische, gegenwärtige Einsatzszenarien lässt das derzeit aber kaum zu. In einem Erdbebengebiet geht es nun einmal darum, möglichst viele Überlebende so präzise und so schnell wie möglich zu lokalisieren - in dieser Reihenfolge. Das gelingt mit ferngesteuerten Systemen bisher noch deutlich besser.

Die Veranstalter scheinen aber gewillt, die Entwicklung autonomer Funktionen künftig stärker zu belohnen. Bei der nächsten zivilen Elrob im Jahr 2009 etwa will Cheforganisator Frank E. Schneider von der Forschungsgesellschaft für Angewandte Naturwissenschaften (FGAN) für die ferngesteuerten Roboter nur noch teamfremde Operatoren zulassen. Das würde den Druck in Richtung leichte Bedienbarkeit und unterstützende Autonomie erhöhen. Es könnte auch ein vielversprechender Ansatz sein, die zivile Elrob deutlicher gegenüber der militärischen Variante abzusetzen, die größeres Gewicht auf Robustheit und Zuverlässigkeit legen muss.

Autonom durch den Wald

In Anspielung auf den Roboterwettbewerb „Grand Challenge“ der US-Militärforschungsbehörde Darpa ist ironisch gelegentlich von der Elrob als der „European Not-So-Grand Challenge“ die Rede. Spätestens am letzten Wettbewerbstag auf dem Monte Ceneri wurde aber klar, dass das lediglich im Hinblick auf Budget und Teilnehmerzahl gilt.

So stehen der Darpa für die „Urban Challenge“ im kommenden Oktober allein an Preisgeldern für die drei besten Teams 3,5 Millionen US-Dollar zur Verfügung. Elf Teams wurden zudem bereits im Vorfeld mit jeweils bis zu einer Million Dollar unterstützt. Insgesamt hatten sich 89 Teams beworben, deren Zahl in einem mehrstufigen Qualifikationsverfahren reduziert wurde.

Das diesjährige Elrob-Budget dagegen lag bei sage und schreibe 3000 Euro, die durch Teilnahmegebühren der 14 Teams und einiger Aussteller zusammenkamen. Das Gelände wurde von der Schweizer Regierung kostenlos zur Verfügung gestellt. Ansonsten nutzten die Teilnehmer und Organisatoren so gut es ging die finanziellen Ressourcen ihrer jeweiligen Institutionen - und leisteten klaglos Überstunden.

Hinsichtlich der technologischen Herausforderung sind sich Darpa-Wettbewerb und Elrob jedoch mindestens ebenbürtig. „Ich habe die Grand Challenge im letzten Jahr sehr genau verfolgt“, sagte etwa Hans-Joachim Wünsche von der Universität der Bundeswehr in München. „Die diesjährige Waldstrecke bei Elrob ist erheblich schwieriger.“

Unter dem Titel „Autonomous Reconnaissance“ galt es zum Abschluss, eine fünf Kilometer lange Strecke möglichst autonom zu bewältigen. Die Teams konnten sich auch wahlweise für den urbanen oder nicht urbanen Teilabschnitt entscheiden. Insbesondere letzterer hatte es in sich: Die Waldwege waren teilweise extrem holprig und hatten keine klare Begrenzung. Die dichte Vegetation sorgte für sehr schwierige Lichtverhältnisse und war eine Herausforderung für die Hindernisvermeidung.

Das Münchner Team setzt für die autonome Navigation, anknüpfend an die Forschungen von Wünsches Vorgänger Ernst-Dieter Dickmanns, eigentlich auf Bildverarbeitung, erreichte damit aber noch nicht die nötige Zuverlässigkeit. Bei der Elrob stützte es sich diesmal daher auf einen schnell rotierenden Laserscanner auf dem Dach des VW Touareg. Damit ließen sich nicht nur Hindernisse gut erkennen, sondern auch die Beschaffenheit des Bodens bestimmen. Das Fahrzeug suchte möglichst glatten Untergrund und konnte auf diese Weise sowohl die urbane als auch die nicht urbane Strecke sicher und zügig bewältigen. Schon nach etwa 30 Minuten kehrte das Fahrzeug an den Ausgangspunkt zurück.

Ein Missgeschick verhinderte allerdings, dass dieser Erfolg voll gewertet wurde. Mitglieder des Teams waren am Tag zuvor mit dem Auto auf der nicht urbanen Wettbewerbsstrecke gesehen worden, was ausdrücklich verboten war und zur Disqualifizierung für diesen Streckenabschnitt führte. Dennoch zeigte sich Wünsche hoch zufrieden. „Für das Zusammenwachsen des Teams war die Elrob ungeheuer wichtig“, sagte er. „In den wenigen Tagen ist so viel passiert wie sonst in drei Monaten.“ Und Elrob-Leiter Schneider unterstrich die Leistung der Münchner bei der Preisverleihung mit den Worten: „Das war Weltklasse!“ Für die „Urban Challenge“ der Darpa im Oktober, an der Wünsches Team mit einem anderen Fahrzeug teilnimmt, sollte das auch ohne offizielle Platzierung viel Schwung geben.

Offiziell hat nur der Roboter Amor von der Universität Siegen beide Strecken, die urbane und die nicht urbane, bewältigt. Wie bei allen anderen Teams ging das nicht ganz ohne manuelle Eingriffe. Da die Siegener aber auch ausreichend Schilder fanden, reichte das für den Sieg in dieser Kategorie.

Großen Eindruck machte auch der Roboter der Universität Hannover, der morgens gleich als Erster an den Start ging und mit relativ hohem Tempo größtenteils autonom die urbane Strecke bewältigte. Es war vor allem der sehr glatte, weitgehend störungsfreie Lauf dieses Roboters, der überzeugte und ihm den zweiten Platz einbrachte. Die Hannoveraner teilen ihn sich mit der Firma Base 10, die ihr knapp drei Tonnen schweres Fahrzeug „Gecko“ über die nicht urbane Strecke komplett fernlenkte.

Die nächste militärische Elrob findet Anfang Juli 2008 in Hammelburg statt, Ort und Termin der nächsten zivilen Elrob im Jahr 2009 stehen noch nicht fest. (anm)