Erkundung fremder Planeten Roboterschwarm übt Mars-Exploration

Die Oberfläche des Mars ist eine Herausforderung für die Wissenschaft. Steiniges und zerklüftetes Terrain behindert die Erkundung. Dabei werden die interessantesten Entdeckungen genau an den Stellen vermutet, die am schwersten zugänglich sind. Um sie untersuchen zu können, müssen Roboter laufen, klettern, fliegen – auch der Transport von Nutzlasten und die Energieversorgung müssen gesichert sein.

Das Projekt VaMEx-3 soll die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Robotersystemen ermöglichen, die eines Tages auf dem Mars landen. Zentral daran beteiligt sind die Arbeitsgruppe Computergrafik am Technologie-Zentrum Informatik und Informationstechnik (TZI) der Universität Bremen unter Leitung von Prof. Gabriel Zachmann, die Arbeitsgruppe Kognitive Neuroinformatik von Prof. Kerstin Schill und die Arbeitsgruppe High-Performance Visualization (HPV) von Prof. Andreas Gerndt. VaMEx-3 besteht aus vier parallel durchgeführten Teilprojekten mit Partnern aus ganz Deutschland und hat ein Gesamtfördervolumen von rund fünf Millionen Euro.

Simulation der Mars-Erkundung in Echtzeit

In Vorläuferprojekten haben die TZI-Wissenschaftler bereits rund 40 km² Marsoberfläche auf Basis von Scans der NASA virtuell nachgebildet, um ein Testumfeld für die benötigten Technologien zu errichten. Anschließend setzten die Projektpartner digitale Versionen ihrer Robotersysteme in diesem virtuellen Zwilling der realen Marslandschaft aus.

„Bisher agierte jedes Schwarmmitglied noch weitgehend für sich allein“, berichtet Projektkoordinator Dr. René Weller von der Arbeitsgruppe Computergrafik am TZI. „Jetzt geht es darum, sie kooperativ zusammenzubringen.“ Über Schnittstellen sollen die unterschiedlichen Systeme in die Lage versetzt werden, in Echtzeit zu interagieren – und zwar weitgehend autonom.

Das Testumfeld muss dabei hohen Ansprüchen genügen: „Der virtuelle Zwilling muss realistische Aussagen ermöglichen, dass der Schwarm in Zukunft auf dem Mars genauso funktionieren wird“, betont Zachmann. Auch muss das Testumfeld bestehende Schwächen aufzeigen, wenn beispielsweise die Erkennung bestimmter Objekte bei einem Roboter noch nicht ausreichend funktioniert. Für die Informatik ist es eine Herausforderung, alle Fahrzeuge schnell genug zu simulieren und dabei unter anderem auch die Kamerabilder und Lidar-Scans in Echtzeit nachzubilden.

Navigation ohne GPS, Galileo und befestigte Wege

Während sich die Arbeitsgruppe Computergrafik auf die Weiterentwicklung des Testfelds konzentriert, leitet die Arbeitsgruppe Kognitive Neuroinformatik das Teilprojekt „Robust Ground Exploration“. Ein zentraler Punkt dabei ist die Entwicklung eines gemeinsamen Navigationsverfahrens; denn auf dem Mars hilft irdische Satellitennavigation nicht weiter. Dafür wird an der Universität Bremen die nötige Software entwickelt. Darüber hinaus soll die Robustheit der Systeme gesteigert werden, um den schwierigen Umweltbedingungen standzuhalten und mit unerwarteten Situationen umzugehen.

„Eine Herausforderung ist, dass die Umgebung im Vorfeld teilweise unbekannt ist“, erklärt Dr. Joachim Clemens, der das Teilprojekt koordiniert. „Daher müssen die Schwarmmitglieder Hindernisse selbstständig erkennen, eine Karte der Umgebung erstellen und ihre Position in der Karte schätzen. Dabei kooperieren die Einheiten miteinander: Karten- und Positionsinformationen werden ausgetauscht, damit alle Einheiten davon profitieren können. Diese Informationen nutzen die Schwarmteilnehmer anschließend, um das weitere Vorgehen zu planen und sich dabei abzustimmen.“

Ein weiterer Aspekt des Teilprojekts ist die Entwicklung und Integration eines Missionskontrolltools. Dieses soll zum einen die Visualisierung des aktuellen Status der Mission und zum anderen die Kommunikation der Wissenschaftler mit dem VaMEx-Schwarm ermöglichen. Die an den Schwarm übermittelten Informationen, beispielsweise über wissenschaftlich relevante Zielgebiete, werden in die autonome Planung des Systems eingebracht und im weiteren Missionsverlauf berücksichtigt. Entwickelt wird das Tool von der Arbeitsgruppe High-Performance Visualization.

Suche nach Wasser und Leben

In drei bis vier Jahren ist eine größere Demonstrationskampagne geplant, um den Roboterschwarm in einem marsähnlichen Testgebiet ausführlich zu erproben. Fernziel der Mission VaMEx ist es, auf dem Mars das Canyon-System Valles Marineris zu erkunden, um Hinweise auf Wasservorkommen und biologische Spuren aus klimatisch lebensfreundlicheren Epochen des Mars zu finden. Die „Mariner-Täler“, benannt nach einer der ersten Mars-Raumsonden der NASA, bilden mit einer Ausdehnung von 4.000 km und einer Tiefe von stellenweise bis zu 10.000 m das größte Canyon-Geflecht des Sonnensystems.

Gefördert wird das Projekt VaMEx-3 von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz. Neben der Universität Bremen sind folgende Partner beteiligt:

• ANavS

• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

• DFKI Robotics Innovation Center

• DSI Aerospace Technologie

• Invent

• TU Braunschweig

• TU München

• Universität Erlangen-Nürnberg

• Universität der Bundeswehr München

• Universität Würzburg