Neue Methode könnte es Roboterteams ermöglichen, andere Planeten autonom und zuverlässig zu erkunden

Während Robotiker in den letzten Jahrzehnten immer ausgefeiltere Systeme entwickelt haben, ist es oft eine Herausforderung, sicherzustellen, dass diese Systeme in realen Umgebungen autonom und ohne Pannen funktionieren können. Dies ist besonders schwierig, wenn diese Roboter für den Einsatz in komplexen Umgebungen wie dem Weltraum und anderen Planeten konzipiert sind.

Forscher der Universität Glasgow haben kürzlich eine neue Methode entwickelt, mit der Teams aus mehreren Rovern autonom und zuverlässig andere Planeten erkunden können. Diese Methode, die in einem Papier vorab veröffentlicht am arXivintegriert Daten aus verschiedenen Quellen, darunter Bilddaten, Karten und von Sensoren erfasste Informationen, um effiziente Routen für verschiedene Roboter in einem Team zu planen.

„Die Verwendung eines Teams von Planetenerkundungsrovern zur Erkundung der Marsoberfläche anstelle eines einzelnen Rovers könnte die wissenschaftlichen Möglichkeiten einer Mission erheblich erweitern“, sagte Sarah Swinton, Erstautorin des Artikels, gegenüber Tech Xplore. „Alle Planetenerkundungsrover müssen ein gewisses Maß an Autonomie aufweisen, da die Kommunikationslatenzen zwischen der Erde und dem Mars es für Menschen äußerst schwierig und zeitaufwändig machen, Fahraktionen durchzuführen. Der Einsatz eines Roverteams legt einen weiteren Schwerpunkt auf die Autonomie, da die Schwierigkeit, ihr Verhalten zu koordinieren, für menschliche Bediener zunimmt.“

Das Hauptziel der aktuellen Studie von Swinton und ihren Mitarbeitern war es, ein seit langem bestehendes Forschungsproblem in der Robotik effektiv anzugehen: die effektive Bewältigung autonomer Planetenerkundungsmissionen mit mehreren Robotern. Zu diesem Zweck entwickelte das Team einen Multi-Rover-Missionsplaner, der es einem Team aus mehreren Rovern – kleinen Robotern, die für die Weltraumerkundung entwickelt wurden – ermöglicht, einen Bereich der Marsoberfläche autonom, sicher und effizient zu erkunden.

„Die von uns vorgeschlagene Methode ermöglicht es einem Roboterteam, die Marsoberfläche autonom zu erkunden. Dabei werden zwei Schlüsselphasen durchlaufen: Kartenerstellung und Missionsplanung“, erklärte Swinton. „Zuerst wird mithilfe von Daten des Mars Reconnaissance Orbiter eine Karte der Umgebung erstellt. Wir haben insbesondere Daten vom Jezero-Krater verwendet, in dem der Perseverance-Rover der NASA derzeit im Einsatz ist.“

Nachdem der Planer des Teams eine Karte der Umgebung erstellt hat, die die Rover auf dem Mars erkunden werden, analysiert er diese und teilt sie in verschiedene Regionen auf. Dabei werden Teile mit Gelände hervorgehoben, die die Rover sicher durchqueren können. Anschließend legt der Planer eine Wahrscheinlichkeitsverteilungskarte darüber, die die Wahrscheinlichkeit hervorhebt, dass die Rover an bestimmten Stellen innerhalb der von ihnen erforschten Umgebung auf Orte von wissenschaftlichem Interesse stoßen.

„Diese Punkte könnten Gesteinsbrocken darstellen, von denen wir die Rovers Proben nehmen lassen wollen“, sagte Swinton. „Sobald diese Karte erstellt ist, sucht unser Missionsplaner die Umgebung ab, um eine effiziente Route zu finden, die die Wahrscheinlichkeit erhöht, die interessanten Punkte zu finden. Anschließend wird ein koordinierter Satz sicherer Pfade für jedes Mitglied des Roverteams ermittelt.“

Der von Swinton und ihren Kollegen entwickelte Multi-Rover-Missionsplaner hat gegenüber zuvor entwickelten Ansätzen mehrere Vorteile. Neben der Abgrenzung des Terrains, in dem sich die Rover sicher bewegen können, und der Planung von Routen für ihren autonomen Betrieb liefert der Planer auch Informationen darüber, wo sich Standorte von wissenschaftlichem Interesse befinden könnten.

„Unser Rover-Team ist in der Lage, in relativ kurzer Zeit ein komplettes Missionsgelände von 22.500 m2 sicher und effizient abzusuchen“, sagte Swinton. „Es ist auch erwähnenswert, dass jeder Rover eine autonome Fahrstrecke zurücklegt, die mit dem aktuellen Rekord für die längste ohne menschliche Überwachung gefahrene Strecke eines Planetenerkundungsrovers vergleichbar ist. Unsere Arbeit hat auch gezeigt, dass die Effizienz der Suche durch den Einsatz eines Rover-Teams gegenüber einem einzelnen Rover verbessert wurde.“

Swinton und ihre Kollegen evaluierten ihren Kartierungs- und Planungsansatz in einer Reihe von Tests und Simulationen, die sie mit einer Reihe zufällig generierter Wahrscheinlichkeitsverteilungskarten durchführten. Ihre Ergebnisse waren sehr vielversprechend und ließen darauf schließen, dass ihre Methode es einem Team von fünf Rovern ermöglichen könnte, eine Fläche von 22.500 m2 auf dem Mars innerhalb von etwa 40 Minuten autonom zu erkunden.

Während der Planer bisher bei der Erforschung des Mars eingesetzt wurde, könnte er auch für andere Missionen als die Planetenerkundung genutzt werden. Er könnte zum Beispiel auch dabei helfen, die Bemühungen mehrerer Bodenroboter bei Such- und Rettungseinsätzen zu koordinieren, indem er einfach eine Karte der betreffenden Umgebung und eine Wahrscheinlichkeitsverteilungskarte verwendet, die die Orte markiert, an denen die Roboter am wahrscheinlichsten auf Menschen treffen, die gerettet werden müssen oder Hilfe benötigen.

In ihren nächsten Studien wollen Swinton und ihre Kollegen ihre Methodik weiterentwickeln und testen und gleichzeitig an weiteren Rechenwerkzeugen arbeiten, die den autonomen Betrieb mehrerer Roboter unterstützen. Diese Werkzeuge werden auch Methoden zur Verbesserung der Fehlertoleranz von Mehrroboterteams umfassen.

„Die Auswirkungen von Fehlern und Ausfällen sind bei Rover-Missionen zur Planetenerkundung ein ernstes Problem“, fügte Swinton hinzu. „Damit ein Team von Planetenerkundungsrobotern als vertrauenswürdig gilt, müssen die Roboter in der Lage sein, Fehler bei sich selbst und/oder bei ihren Teamkollegen zu diagnostizieren. Erst wenn Fehler diagnostiziert wurden, können Wiederherstellungsmaßnahmen ergriffen werden, um die Auswirkungen des Fehlers auf die Missionsergebnisse zu mildern.“

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