Navigations- und Regelungssysteme - Anlagen

TRON - Testbed for Robotic Optical Navigation



Motivation

Zukünftige Explorationsmissionen benötigen die Fähigkeiten zu einer präzisen und sicheren Landung auf  dem Mond, Mars und Asteroiden. Ein vielversprechender Ansatz, diese Anforderungen zu erfüllen ist die Anwendung von optischer Navigation, also der Bestimmung der eigenen Position aus Bildern des Zielkörpers. Daraus ergeben sich die Vorteile einer nahezu verzögerungsfreien Datenaufnahme vor Ort und der Möglichkeit von der Erde unabhängig zu agieren. Dadurch werden lange Signallaufzeiten bei großer Entfernung zur Erde vermieden. Zudem ist das Navigationssystem nicht von schlechten Kommunikationsbedingungen betroffen, wie sie bei der Verdeckung durch die Sonne oder den Zielkörper auftreten. Folglich befindet sich weltweit eine Reihe von Navigationssensoren wie Kameras und Lidars in der Entwicklung.
Zusammen mit anderen DLR Instituten entwickelt die Abteilung für Navigations- und Regelungssysteme einen Sensor für die autonome, präzise und sichere Landung auf dem Mond. Die Arbeiten sind auf der Seite zum Projekt ATON näher beschrieben.

Aufbau von TRON - Testbed for Robotic Optical Navigation

Bevor ein neues Sensorsystem auf einer Explorationsmission zum Einsatz kommt, sollte es möglichst realitätsnah getestet werden. Dazu müssen die für ein optisches Navigationssystem relevanten Umweltbedingungen simuliert werden. Das sind die dynamischen, geometrischen und optischen Bedingungen, die während eines Landeanflugs auf den Mond auftreten können.
Daher wird parallel zum ATON Projekt das Testbed for Robotic Optical Navigation (TRON) am DLR Bremen aufgebaut. Dort sollen realitätsnahe Echtzeit-Tests (Hardware-in-the-Loop Tests) durchgeführt werden können. Dazu wird das Labor folgendermaßen ausgestattet:

Ansicht des Labors - Roboter mit Kamera auf Lineareinheit vor Test-Geländemodell
1. Dynamische Bedingungen:

Die Aufgabe des dynamischen Systems ist es, eine in Echtzeit steuerbare Bewegung des Sensorsystems zu realisieren. Diese soll der Bewegung des Landefahrzeugs im Mondorbit entsprechen. Als Robotersystem wurde ein KR16 von KUKA gewählt, der auf einer 11 m langen Lineareinheit installiert ist. Das System besitzt eine hohe Wiederholgenauigkeit. Der Roboter wird über einen Simulationsrechner mit 85 Hz in Echtzeit ferngesteuert. Abhängig von der zu simulierenden Phase der Mondlandung kommen verschiedene Skalierungen zwischen 1:50000 und 1:100 zum Einsatz.

2. Optische Bedingungen:

Die optischen Umgebungsbedingungen der Mondlandung werden über ein Beleuchtungssystem und ein Verdunklungssystem hergestellt. Das Beleuchtungssystem besteht aus einer Lampe, die über eine Krananlage in 4 Freiheitsgraden bewegt werden kann. Die Lampe simuliert die Sonneneinstrahlung. Mit Hilfe der Krananlage können verschiedene Sonnenstände realisiert werden. Das Verdunklungssystem hat die Aufgabe, sicherzustellen, dass die Geländemodelle nur von der oben genannten Lichtquelle beleuchtet werden. Dazu wird zum Einen von außen einfallendes Licht blockiert. Zum Anderen sind die Wände mit schwarzem Stoff ausgekleidet, um von den Geländemodellen reflektiertes Streulicht zu absorbieren.

Kameraansicht eines Testmodells mit Beleuchtung
3. Geländegeometrie: 3D Geländemodelle verschiedener Größe und Skalierung

Daraus ergeben sich viele Möglichkeiten zum Test von aktiver (z.B. Lidar) und passiver optischer Sensorik (z.B. Kameras). Während für Lidar Tests vor Allem die Punkte 1. und 3. maßgebend sind, benötigt der Test von Kamerasystemen zusätzlich die aktive Beleuchtung der Szene mit Hilfe von 2.


Kontakt
Hans Krüger
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Raumfahrtsysteme

Tel: +49 421 24420-1126

Fax: +49 421 24420-1120

E-Mail: Hans.Krueger@dlr.de
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