Ein kleiner Schritt für einen Roboter, aber ein gewaltiger Sprung für die Robotik?

Digitale Technologie kommt häufig zum Einsatz, um Modelle von Kulturerbestätten zu erstellen, deren Erforschung und Erhaltung zu unterstützen und um archäologische Stätten öffentlich zugänglich zu machen. Unter Anwendung der meisten aktuellen Technologien müssen diese Bereiche von Personen betreten werden, um sie mit einem statischen 3D-Laserscanner abzutasten. Dies ist zwar an vielen Orten möglich, jedoch nicht an allen.

Um Abhilfe zu schaffen, wollten die Forscher des ROVINA-Projekts Technologie für autonome Roboter weiterentwickeln, die schwer zugängliche oder gefährliche Orte wie Tunnel oder Minen erreichen können. Die Roboter können selbstständig navigieren und einen Bereich erkunden, dreidimensionale Texturmodelle erstellen (inklusive semantischer Interpretation) und wieder an den Ort zurückkehren, an dem ihr Einsatz begann. Die ROVINA-Forscher bauten auf frühere Fortschritte im Bereich robotischer digitaler Kartierung auf und verbesserten die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Autonomie entsprechender Technologien.

Aufbau eines vollkommen neuen Robotersystems

Um unter anderem eine zuverlässige Kartierung, autonomes Verhalten, eine realistische Renderung der 3D-Modelle zu erreichen, mussten die ROVINA-Forscher ein vollkommen neues Robotersystem entwickeln. Wie der Projektkoordinator Professor Cyrill Stachniss es ausdrückt: „Mit unseren Techniken finden die neuesten Forschungsergebnisse in den Bereichen Robotik, maschinelles Sehen und der Photogrammetrie Anwendung.“ ROVINA war mit zahlreichen Herausforderungen konfrontiert, etwa wurde die Scanning-Technologie häufig durch unwegsames Gelände und andere Probleme behindert, welche die Analyse der Umgebung erschwerten, z. B. durch schlechte Lichtverhältnisse. Zudem erwies sich die Kommunikation mit dem Roboter als problematisch, was die Steuerung aus der Ferne sowie dessen Überwachung erschwerte.

Die Behebung dieser Probleme wurde durch den Umstand erleichtert, dass sich das ROVINA-Team aus Experten verschiedenster Gebiete zusammensetzte, darunter elektronische Archivierung, autonome und vernetzte Roboter, 3D-Rekonstruktion und -Kartierung, Objekterkennung und Online-Maschinenlernen, Sehvermögen und Wahrnehmung, semantische Analyse und Benutzeroberflächenentwicklung. Um die verschiedenen Fachgebiete zu kombinieren, wandten die Projektmitglieder ein modulares Softwaredesign an, wobei alle Module, die einem wissenschaftlichen Zweck dienten, über eine Middleware-Schnittstelle miteinander interagierten. Die Module wurden regelmäßig integriert und an verschiedenen Kulturerbestätten getestet.

Die Projektforscher entwickelten einen Prototyp, mit dem die Katakomben unter Rom und Neapel erkundet werden konnten. Im Rahmen des Projekts wurden auch intuitive und flexible Benutzeroberflächen verbessert, welche die Interaktion mit dem Roboter aus der Ferne ermöglichen, auch wenn dieser in komplexen und unbekannten Umgebungen eingesetzt wird. Ein wichtiger Erfolg des Projekts besteht in der Benutzerfreundlichkeit der Technologie, da diese voraussichtlich von verschiedensten Endnutzern angewendet werden wird – Historikern, Archäologen, Bauingenieuren und möglicherweise sogar in Form eines Virtual-Reality-Systems von Touristen.

Der Prototyp zeichnete sich außerdem durch gesteigerte Autonomie und Zuverlässigkeit aus, kann die Befahrbarkeit des Geländes genauer ermitteln und somit besser navigieren. Durch die Verarbeitung der Sensordaten zu Navigationszwecken können darüber hinaus semantische Informationen gesammelt werden, etwa um interessante Artefakte zu erkennen.

Neue Möglichkeiten

Durch ROVINA werden die Grenzen des Möglichen für Organisationen zur Pflege von Kulturerbe wie den International Council of Monuments and Sites neu definiert. „Wenn wir mit dem ROVINA-System schnell digitale zeitabhängige Modelle erstellen können, wird es zusammen mit Tools zur Analyse zeitlich bedingter Veränderungen möglich, den Fortschritt des Verfalls zu beobachten“, erklärt Professor Stachniss. Durch ROVINA können digitale Modelle zudem auch kostengünstiger und schneller erstellt werden, bei gleichem Kosten- und Zeitbudget kann also ein größerer Bereich untersucht werden. Mit der erforderlichen Software für Sensoren, die auf größere Bereiche ausgelegt sind, wird die autonome (oder halbautonome) Digitalisierung von Umgebungen möglich, in denen keine GPS-Abdeckung besteht, etwa von komplexen Fabriken oder anderen geschlossenen Räumen.

Das Projekt ist also nicht nur in Bezug auf kulturelles Erbe und Denkmalpflege interessant, sondern auch für andere Gruppen aus dem Bereich der autonomen Robotik, die ihre Investitionen sicherer gestalten möchten. Um dies zu unterstützen, wurden wichtige in ROVINA entwickelte Ressourcen unter einem dualen Lizenzierungsmodell, als Open-Source-Software über die Projektwebsite und unter kommerzieller Lizenz veröffentlicht.

Hinsichtlich zukünftiger Vorhaben fasst Professor Stachniss zusammen, dass das Hauptziel des ROVINA-Projekts in der geometrischen Modellierung bestand und die Semantik nur eine untergeordnete Rolle spielte. „Der semantische Aspekt verfügt jedoch über hohes Potenzial, weshalb ihm in der Zukunft größere Aufmerksamkeit zuteilwerden sollte. Außerdem müssen wir die Anwendung des Roboters und die Automatisierung des hochpräzisen geodätischen Scanverfahrens, das aktuell noch sehr arbeitsaufwändig und somit kostenintensiv ist, vereinfachen.“

Weitere Informationen:
http://www.rovina-project.eu/