Erkundungsroboter - Wernher von Braun Schule

Erkundungsroboter
am Beispiel des Marsroboters „Spirit“
Referat im Fach Informatik
Wernher-von-Braun-Schule Neuhof
eingereicht bei
Herrn Matthias Dietrich
vorgelegt von
David Wehner
Klasse G10a
Neuhof, 15.12.2009

Gliederung des Referates
1. Einleitung…………………………………………………………………………………………..1
2. Erkundungsroboter
2.1. Geschichte………………………………………………………………………………....1-2
2.2. Die Anforderungen an Erkundungsrobotern………………………….…………………..2
am Beispiel des Marsroboters „Spirit“
2.3. Die technischen Grundlagen des Marsroboters „Spirit“………………………………2-4
2.4. Weitere Erkundungsrobotertypen……………………………………………………….4-6
3. Literaturverzeichnis…………………………………………………………………………….7-8
4. Eigenständigkeitserklärung……………………………………………………………………..9

1. Einleitung
Unter dem Begriff „Erkundungsroboter“ versteht man ferngesteuerte oder zum Teil auch
unabhängig arbeitende Maschinen, deren Einsatzbereiche für den Menschen
lebensgefährlich (z. B. Kriegsgebiete, Erdbebenrettung, Bombenentschärfungen, usw.) oder
unerreichbar (z.B. Tiefseeregionen, Mars, enge Schächte, usw.) sind. Zum Erkunden gehört
aber nicht nur, sich ein Bild von der jeweiligen Lage zu machen, sondern auch, auf die
gesammelten Informationen zu reagieren und mit robotereigenen Werkzeugen zu arbeiten,
Proben einzusammeln und zu analysieren oder im Kriegsgebiet mit Waffen erkannte Ziele
auszuschalten.
Die gesammelten Daten und Fakten über Erkundungsroboter werden in den folgenden
Dokumenten zu lesen sein.
2. Erkundungsroboter
2.1. Die Geschichte
Roboter haben ihren Ursprung im Film, der Literatur und im Theater. Bereits im Jahr 1927
wurde in dem Film „Metropolis“ von Fritz Lang ein Roboter gezeigt. Das Interesse an Filmen,
in denen Roboter eine wichtige Rolle spielen, ist bis heute nicht verloren gegangen. Immer
wieder werden diese Filme ausgestrahlt und sogar neue Filme produziert.
Im Jahr 1942 beschrieb der russisch-amerikanische Sachbuchautor und Science-Fiction-
Schriftsteller Isaac Asimov in seiner Kurzgeschichte „Runaround“ die drei Roboterregeln,
welche besagen, dass Roboter wissentlich kein Menschenleben in Gefahr bringen dürfen,
den Befehlen des Menschen gehorchen müssen und dass sie in Anbetracht der eben
genannten ersten zwei Gesetze ihre Existenz beschützen sollen. Diese drei Robotergesetze
sind heute noch in der Kategorie Science-Fiction wichtig für Film und Literatur. In
wissenschaftlicher Hinsicht können die Gesetze bei der Programmierung allerdings nicht als
Grundlage verwendet werden (� z. B. Militärroboter).
Auf die immer häufiger werdende Verwendung von Robotern in Film und Literatur wurde
schließlich auch die Wissenschaft aufmerksam. Die Konstruktion und der Bau von Robotern
gehören zum Gebiet Robotik. Diese Bezeichnung stammt ebenfalls von Isaac Asimov.
Seitdem schreitet die Technologie der Roboter immer weiter voran. Damit ist auch die
Technologie der Erkundungsroboter gemeint, deren Einsatzgebiet stetig wächst und
ausgebaut wird. So operieren Erkundungsroboter nicht nur auf dem Land, sondern auch
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unter der Erdoberfläche, auf und unter Wasser, in der Luft und nicht zuletzt auf anderen
Planeten. So spielt zum Beispiel der Roboter „Spirit“, der seit 2004 für die Nationale Luft- und
Raumfahrtbehörde (NASA) auf dem Mars Gesteinsproben sammelt und analysiert, eine
wichtige Rolle für die Raumfahrt. Dieses Beispiel beweist den hohen Stellenwert heutiger
Erkundungsroboter. Ohne die Roboter könnten solche Projekte wie die Mars-Mission gar
nicht existieren.
2.2. Die Anforderungen an Erkundungsrobotern
am Beispiel des Marsroboters „Spirit“
Der Marsrover „Spirit“ landete am 4. Januar 2004 auf der Marsoberfläche. Zusammen mit
seiner Schwester-Sonde „Opportunity“ ist es seine Aufgabe, nach Spuren von ehemals
vorhandenem Wasser zu suchen und die Oberfläche geologisch zu erforschen. Um das zu
ermöglichen, führt der Roboter mittels eines eingebauten Bohrers geologische Bohrungen
durch. Durch die verschiedenen Instrumente und Messsysteme werden Magnetismus und
Konsistenz des Stoffes herausgefunden. Neben hochauflösenden Panoramaaufnahmen
macht der Roboter detaillierte Nahaufnahmen der Gesteinsproben. Die ermittelten Daten
werden dann an die Erde geschickt, wo sie von wissenschaftlichen Teams weiter
ausgewertet werden.
Der Roboter soll außerdem in der Lage sein, angegebene Koordinaten selbstständig
anzufahren. Dazu wurde extra eine Navigationssoftware entwickelt. Der Roboter erkennt
dadurch selbstständig Hindernisse, umfährt diese und setzt seinen Weg dann wieder
planmäßig fort. Natürlich könnte der Roboter durchgehend von der Bodenstation auf der
Erde ferngesteuert werden. Allerdings ist die Entfernung zwischen Mars und Erde so groß,
dass es zwei Stunden dauert, bis die Daten nach dem Versenden beim Empfänger
ankommen. Die selbstständige Navigation des Roboters spart also sehr viel Zeit.
2.3. Die technischen Grundlagen des Marsroboters „Spirit“
„Spirit“ ist mit insgesamt vier Kameras ausgestattet. Zwei Kameras sind als Front- und
Heckkamera am Fahrwerk des Roboters angebracht. Diese Verhindern den Zusammenstoß
mit Hindernissen wie Felsbrocken, die sich in der unmittelbaren Umgebung des Roboters
befinden. Diese beiden Navigationskameras sind dafür da, dass sich der Roboter
selbstständig fortbewegen kann. Das Kontrollteam auf der Erde kann dem Roboter
Koordinaten übermitteln, die der Roboter dann ohne anfährt, ohne dass von außen
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eingegriffen werden muss. Das Navigationsprogramm ist sehr zeitsparend, da es auf Grund
der großen Entfernung rund zwei Stunden dauert, wenn man Informationen von der Erde
zum Mars verschickt. Ansonsten wird der „Spirit“ zum Beispiel bei der Entnahme von Proben
meist von der Erde aus ferngesteuert. Die dritte Kamera ist die sogenannte
Panoramakamera. Wie man am Namen schon erkennen kann, können damit
Panoramaaufnahmen der Umgebung in einem Winkel von 360° gemacht werden. Auch die
Panoramakamera hilft dem Roboter bei der Navigation. Über weitere Sensoren zur
Fortbewegung und zur Navigation verfügt der „Spirit“ nicht. Die letzte Kamera hat den
Zweck, mikroskopische Aufnahmen von Gesteinsproben anzufertigen. Die Kamera ist am
Instrumentenarm des Roboters installiert.
Am Instrumentenarm ist neben dem Bohrer zum Entnehmen der Gesteinsprobe auch ein
Mößbauer-Spektrometer installiert. Das Hauptanwendungsgebiet des Spektrometers ist der
Nachweis der Elemente Zinn, Antimon und Tellur in einer Probe.
Ebenfalls ist ein sogenanntes Alphapartikel-Röntgenspektrometer am Instrumentenarm des
Roboters installiert. Dieses System ist ebenfalls zur Analyse eines Stoffes da. Allerdings
benötigt das Spektrometer radioaktives Plutonium und der Analyseprozess dauert sehr
lange. Der große Vorteil ist aber der geringe Stromverbrauch. Zusammen mit dem
Mößbauer-Spektrometer dient das Alphapartikel-Röntgenspektrometer dazu, Wasser bzw.
Rückstände von Wasser nachzuweisen.
Zuletzt ist am Instrumentenarm des Spirits eine Magnetplatte angebracht. Diese prüft die
Gesteinsproben auf Magnetismus.
Selbstverständlich benötigt der Roboter eine Menge Energie. Deshalb ist der „Spirit“ mit
großen Solarpaneelen ausgerüstet. So ist der „Spirit“ in der Lage, sich vollständig mit
Energie zu versorgen. Nach dem Start der Mission wurde angenommen, dass die Paneelen
nicht länger als 90 Tage halten. Allerdings konnte die Mission mehrmals verlängert werden.
Während der Mission trat bereits das Problem auf, dass sich Staub auf den Paneelen
ablagerte, sodass nicht genug Sonnenlicht auf die Solarzellen traf. Nur durch eine
sogenannte Windreinigung konnte der Staub einigermaßen entfernt werden. Aktuell soll die
Mission bis zum Ende des Jahres 2009 andauern.
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Marsroboter „Spirit“
2.4. Weitere Erkundungsrobotertypen
Nachfolgend eine Liste der verschiedensten Erkundungsroboter, deren Anwendungsgebiete
und Funktionen:
- Militärroboter setzt man ein, um Aufgaben wie Beobachtung, Aufklärung, Spionage,
Minenräumung, Wachaufgaben und Zielbekämpfung in einem Militäreinsatz zu
erfüllen, ohne dass das Leben der eigenen Einheiten in Gefahr gebracht wird.
Besonders werden unbemannte Flugdrohnen eingesetzt, die Überwachungs- und
Vernichtungsmaßnahmen durchführen. Die Roboter arbeiten vor allem mit
Infrarotkameras, und Kameras mit Nachtsichtfunktion. Außerdem arbeiten alle
Militärroboter satellitengestützt und können dadurch Ziele durch Koordinaten
ansteuern. Bekannte Militärroboter sind zum Beispiel: „Global Hawk“ (Northrop),
„Predator“ (General Atomics) und „Swords“ (Foster Miller).
- Bei Robotern, die Bomben oder Minen aufspüren, entschärfen oder sprengen, sind
ebenfalls Menschenleben akut in Gefahr. Deshalb versucht man, die Bomben oder
Minen über die Roboter zu entschärfen. Falls das Entschärfen nicht funktioniert,
führen die Roboter eine kontrollierte Sprengung durch. Die Roboter arbeiten
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vorwiegend mit Kameras. Außerdem spielen die vielen Werkzeuge, die an dem
Roboter installiert sind, eine wichtige Rolle.
Ein bekannter Roboter dieses Typs ist der „Talon“ der Firma Foster Miller.
- Zu einer der wichtigsten Kategorien gehören die bereits zuvor vorgestellten Roboter,
die im Dienste der Luft- und Raumfahrtbehörden die Oberflächen von Mond und Mars
erkunden und untersuchen. Da diese Gebiete für den Menschen nur sehr schwer zu
erreichen sind, ist der Einsatz von Erkundungsrobotern notwendig, um Projekte, wie
z.B. die Marsmission zu ermöglichen. Als Sensoren zur Navigation benutzen die
Roboter besonders hochauflösende Videokameras. Die bekanntesten Roboter sind
wie bereits erwähnt die Marsroboter „Spirit“, „Opportunity“ und deren Vorgänger
„Pathfinder“.
- Auch auf der Erde gibt es Orte, die für den Menschen unmöglich oder nur sehr
schwer zu erreichen sind. Beispielsweise gibt es Roboter, die zur Erforschung der
Pyramiden eingesetzt wurden. Mithilfe des kleinen Roboters „Upuaut“ konnten
Ägyptologen die engen Luftschächte einer Grabkammer untersuchen. Der Roboter
wurde über Kabel gesteuert und besaß vorne eine Kamera, durch die die Forscher
alles sehen konnten, was sich vor dem Roboter befand.
- Zu einem ganz anderen Typ von Erkundungsrobotern gehören die Rettungs- und
Bergungsroboter. Die immer noch in der Entwicklung steckenden Roboter haben die
Aufgabe, nach Explosionen, Erdbeben und Einstürzen nach verschütteten Menschen
zu suchen. Die Roboter ähneln Spinnen oder Skorpionen und sind kleiner als
herkömmliche Rettungshunde. Doch wie tragen die kleinen Maschinen zur Rettung
Verschütteter bei? Durch ihre hohe Mobilität auch in unwegsamem Gelände können
die Roboter bis in die verwinkelten Ecken eines jeden Trümmerberges vordringen.
Die Navigation sollen dabei die Roboter mithilfe von Videokameras, Infrarotkameras,
Entfernungsmessern, Satellitenkommunikation und Lasertechnologie überwiegend
selber übernehmen. Beim Aufspüren von Personen hilft neben einem
leistungsstarken Mikrofon, das durch Menschen verursachte Geräusche wie zum
Beispiel Hilferufe erkennen kann, ebenfalls die Infrarotkamera, die einen
menschlichen Körper anhand seiner Wärmeabstrahlung genau identifizieren kann.
Beim Fund eines Verschütteten schickt der Roboter sofort die Koordinaten der
Fundstelle und den Zustand der Person an die Einsatzkräfte und gibt sogar
Vorschläge über den sichersten und schnellsten Rettungsweg an.
Momentan wird daran gearbeitet, dass der Roboter sogar Erste-Hilfe-Maßnahmen
am Verletzten vornimmt. Die Entwicklung der Rettungs- und Bergungsroboter ist also
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noch lange nicht abgeschlossen. Allerdings konnten diese bereits große Erfolge an
Großschadenslagen wie beim Einsturz des World Trade Centers im Jahr 2001, beim
Erdbeben im Iran im Jahr 2002 usw. für den Katastrophenschutz leisten.
- Ebenfalls für den Katastrophenschutz arbeiten sogenannte Löschroboter, die auch
zur großen Familie der Erkundungsroboter zählen. Der bekannteste Löschroboter ist
das auch für deutsche Einsatzorganisationen arbeitende Löschunterstützungsfahrzeug
(LUF60). Der Löschroboter soll die Einsatzkräfte bei Großbränden entlasten.
Hierbei wird der Roboter an besonders gefährlichen Orten eingesetzt, bei
denen sehr hohe Temperaturen und immer die Gefahr vor herabfallenden Trümmern
herrschen. Der Löschroboter wird über Funk ferngesteuert. Teilweise sind an den
Robotern auch Kameras installiert, mit denen die Einsatzkräfte bei der Steuerung des
Fahrzeugs unterstützt werden. Meistens operiert das Fahrzeug aber in deren
Sichtweite. Das Aufgabenfeld des LUF 60 besteht aber nicht nur darin, Brände zu
löschen, sondern auch gefährdete Sachwerte vor dem Übergreifen der Flammen zu
schützen, Einsatzstellen mit der großen Löschturbine zu be- und entlüften, Material
zu transportieren oder PKW durch Wegschieben zu beseitigen.
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3. Literaturverzeichnis
Interquellen:
3sat: 3sat.online
URL: http://www.3sat.de/dynamic/sitegen/bin/sitegen.php?tab=2&source=
/delta/117642/index.html
[Stand: 12. Dezember 2009]
Feuerwehr Frankfurt: Willkommen bei der Feuerwehr Frankfurt
URL: http://www.feuerwehr-frankfurt.de/BF/Fahrzeuge/Sonderfahrzeuge2006/luf60.html
[Stand: 12. Dezember 2009]
KoMeTeC GmbH: KoMeTeC GmbH – Produktentwicklung | Konstruktionen | Maschinenbau |
Anlagenbau | Betriebsmittel | Vorrichtungen
URL: http://www.kometec.net/wiki/roboter.html
[Stand: 12. Dezember 2009]
LUF60: LUF60 – Mobile Firefighting Support Unit
URL: http://www.luf60.com/products/
[Stand: 12. Dezember 2009]
Marspages: marspages.eu | Mars Exploration Rover Spirit Opportunity - Erforschung des
Mars
URL: http://www.marspages.eu/index.php?page=113
[Stand: 12. Dezember 2009]
NASA: Mars Exploration Rover Mission: Features
URL: http://marsrover.nasa.gov/spotlight/20091210a.html
[Stand: 12. Dezember 2009]
Raumfahrer.net: Vorstellung neuer NASA Erkundungsroboter
URL: http://www.raumfahrer.net/news/raumfahrt/11052003141231.shtml
[Stand: 12. Dezember 2009]
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Scinexx: scinexx | Lebensretter aus Silizium und Stahl: Roboter im Katastropheneinsatz -
Katastrophen Erdbeben Hurrikans - Katastrophen, Erdbeben, Hurrikans, Katrina, Autonome
Intelligente Systeme, World Trade Center, Wolkenkratzer, Künstliche Intelligenz,
Explosionen, Bombern, Minen, Erste Hilfe, 3D, Elektroden, Scan, Raumschiff Enterprise,
Überschwemmungen
URL: http://www.g-o.de/dossier-291-1.html
[Stand: 10. März 2006]
TMS Tuve: TMS Tuve: Technische Untersuchungen | Erkundungsroboter
URL: http://www.tms-tuve.de/technische-untersuchungen/erkundungsroboter.html
[Stand: 12. Dezember 2009]
WAS IST WAS: Er, der Roboter – WAS IST WAS
URL: http://www.wasistwas.de/technik/alle-artikel/artikel/link//e272f27da3/browse/1/article/erder-roboter.html?tx_ttnews[backPid]=58
[Stand: 12. Dezember 2009]
Wikipedia: Militärroboter – Wikipedia
URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Milit%C3%A4rroboter
[Stand: 12. Dezember 2009]
Wikipedia: Roboter – Wikipedia
URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Roboter
[Stand: 12. Dezember 2009]
Wikipedia: Spirit (Raumsonde) – Wikipedia
URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Spirit_(Raumsonde)
[Stand: 12. Dezember 2009]
Bildquellen:
Wikipedia: Mars_Spirit.jpg – Wikipedia
URL: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Mars_Spirit.jpg&
filetimestamp=20060330204131
[Stand: 12. Dezember 2009]
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4. Eigenständigkeitserklärung
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit ohne fremde Hilfe verfasst und keine
anderen Quellen und Hilfsmittel als die angegebenen benutzt habe. Die Stellen in der Arbeit,
die anderen Werken dem Wortlaut oder dem Sinne nach entliehen sind, habe ich in jedem
Fall unter Angabe der Quelle kenntlich gemacht.
Neuhof, 15.12.2009
gez. David Wehner
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