Roboter mit LiDAR-Laser erkundet Gefahrenzonen

Bei Katastrophen wie einem Unfall im Chemiewerk oder Hochwasser sind die Einsatzkräfte darauf angewiesen, einen schnellen Überblick zu gewinnen. Dabei dürfen sie oftmals das Gelände nicht betreten, um sich nicht selbst in Gefahr zu bringen. An einer Lösung hierfür arbeitet das Fraunhofer FKIE in Wachtberg im Projekt 3D-InAus. Ein Roboter mit LiDAR-Laser (Light Detection and Ranging) erkundet das Gelände. Die LiDAR-Technik tastet die Umgebung mit gepulstem Licht ab, um Entfernungen zu messen. So entsteht ein 3D-Modell mit Gebäuden, Innenräumen, Freiflächen, Objekten und allen dazu gehörigen Abmessungen und Entfernungen. Nutzer bewegen sich via Joystick völlig frei in der 360°-Visualisierung und untersuchen die virtuelle Umgebung.

Timo Röhling, Technischer Projektleiter aus der Abteilung Kognitive Mobile Systeme, sagt: »Im Vergleich zu Robotersystemen, die eine Gefahrenzone mit Kameras erkunden, geht unser Projekt einen großen Schritt weiter. Die Laserimpulse liefern Messwerte für die exakte 3D-Kartographierung eines Geländes oder Gebäudes. Entfernungen und Abmessungen werden dabei nicht geschätzt, sondern auf wenige Zentimeter genau ermittelt.«

Geometrische Punktwolke aus Laserimpulsen

Kern der Hardware ist ein LiDAR-Laser auf einem Drehteller. Im LiDAR-Modul ist ein rotierender Spiegel verbaut, mit dem sich zehnmal pro Sekunde ein Ausschnitt von 16 senkrechten Scheiben abtasten lässt. Der Drehteller rotiert den Laser dann so, dass die senkrechten Ausschnitte horizontal eine komplette Rundumsicht abdecken. Es entstehen insgesamt 1,3 Millionen Laserimpulse pro Sekunde. Diese werden von der Umgebung reflektiert, aus der Zeitdifferenz wird die jeweilige Entfernung berechnet. Das LiDAR-Modul ist auf einem Fahrzeug montiert, das sich im Stop-and-Go-Betrieb oder kontinuierlich durch das Gelände bewegt. Das kontinuierliche Fahren ist deutlich schneller, aber weniger genau. So entsteht eine 3D-Punktwolke, jeder Punkt steht für einen Laserimpuls beziehungsweise eine Entfernungsmessung.

Hinzu kommt ein Kamerasystem mit bis zu sechs Kameras. Deren Bilder werden genutzt, um die dazu gehörenden Objekte oder Formen einzufärben. »Wir verschmelzen sozusagen Kamerabilder und Punktwolke. So entsteht eine anschauliche, detaillierte und zugleich geometrisch korrekte 3D-Umgebung mit Häusern, Freiflächen und Objekten«, erläutert Röhling.

In der visuellen Darstellung werden die Punktwolken durch Kamerabilder eingefärbt. So entsteht eine virtuelle 3D-Umgebung, die Anschaulichkeit mit exakten geometrischen Informationen verbindet. In der virtuellen Szenerie kann man sich frei bewegen. © Fraunhofer FKIE

Die im LiDAR-Laser gewonnen Rohdaten werden bereits während der Fahrt in einem Rechnermodul im Roboter vorverarbeitet. Die endgültige Visualisierung findet dann stationär im Postprocessing statt. Ein 400 m × 400 m großes Gelände kann in etwa drei Stunden kartiert werden. Muss es im Katastrophenfall besonders schnell gehen, lässt sich durch beschleunigten Betrieb schon nach einer Stunde ein erster Überblick gewinnen. Es ist zudem möglich, mehrere Fahrzeuge gleichzeitig auf Erkundungstour zu schicken.

Auch für die Bundeswehr, die das Forschungsprojekt in Auftrag gegeben hat, ist die 3D-Kartierung wertvoll. Sie kann verwendet werden, um komplexe Lagebilder von unbekanntem Gelände oder einer Gefahrenzone zu generieren – und damit das Leben von Soldatinnen oder Soldaten schützen. Die Software des Systems ist in der Lage, die Messwerte von Sensoren zu verarbeiten, die gasförmige toxische Substanzen oder radioaktive Quellen detektieren. Diese lassen sich in den 3D-Karten platzieren.

Virtuelles GPS im Gebäude

Gesteuert wird das Robotersystem in der Regel per Funk, Anwender nutzen hierfür Joystick und Tablet. Besteht kein Funkkontakt, können die Robotersysteme sich auch automatisiert auf dem Gelände bewegen.

Eine Herausforderung stellt die Erkundung in Gebäuden dar, da es hier keinen GPS-Empfang gibt. Auch hierfür haben die Forschenden des Fraunhofer FKIE eine Lösung gefunden: Durch die Kartierung des Geländes sind Position und Größe des Gebäudes bekannt, daraus generiert die Software ein virtuelles GPS für das Gebäudeinnere. So kann das Robotersystem auch in den Innenräumen selbstständig navigieren.

Flexible Plattform für unterschiedliche Szenarien

Das Forschungsteam hat darauf geachtet, dass das Robotersystem möglichst vielseitig einsetzbar ist. So sind Lasermodul und Drehteller auf ganz unterschiedlichen Fahrzeugen montierbar. Je nach Gelände sind Landfahrzeuge mit Rädern, Kettenfahrzeuge oder auch Drohnen einsetzbar.