Leckortung mit einem mobilen Roboter : Messungen und Simulation

Abstract

Zukünftige Roboter sollen sich gleich dem Menschen autonom bewegen können. Hierzu ist eine Erfassung der Umgebung notwendig. Vergleichbar mit dem Menschen sollen 'Sinne' es den Systemen ermöglichen, sich auch in 'unbekannten Umgebungen' zu orientieren. Der überwiegende Teil der Forschung beschäftigt sich mit den visuellen Eindrücken, chemische Information (die dem Riechen entsprechen würde) wurde bisher nur sehr vereinzelt verwendet.

Aus der technischen Sicht gibt es ein gesteigertes Interesse an chemischen Überwachungsgeräten, die in der Lage sind, Produktionsanlagen und Lagerstätten im Hinblick auf das Austreten von Chemikalien zu überwachen. Ein autonomes, selbstlernendes System zur Fernüberwachung gerade beim Umgang mit gefährlichen bzw. explosiven Substanzen ist eine notwendige Bedingung für die Sicherheit des menschlichen Operators.

Grundidee der vorliegenden Arbeit ist es, einen 'Elektronischen Wachmann' zu entwickeln, der in der Lage ist, austretende Substanzen wahrzunehmen und die Quelle zu erkennen. Leitgedanke bei den Experimenten war der biomimetische Ansatz, d.h. die technische Nachahmung von natürlichen Verhaltensweisen. Im Gegensatz zu den bekannten Arbeiten in der Literatur, die fast immer von sehr speziellen Umgebungen ausgehen (z.B. künstlich erzeugte laminare Strömung), wurden in dieser Arbeit möglichst normale Räume verwendet.

Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen sowohl die Möglichkeiten aber auch die Grenzen des heute technisch Machbaren in Bezug auf die Kombination von Gassensoren, Sensorsystemen und Robotern. Wie experimentell gezeigt ist die Detektion selbst kleinster Leckagen in geschlossenen Räumen möglich. Voraussetzung ist, dass die verwendeten Sensoren über eine ausreichende Empfindlichkeit gegenüber der zu detektierenden Substanz verfügen. Der Vorteil der Montage von Sensoren auf Robotern ist, dass das Gesamtsystem eine große Flexibilität besitzt und somit mit einem System gleich mehrere Räume überwacht werden können. Der verwendete Algorithmus zur Bestimmung des Auftretens eines Lecks gibt mit ausreichender Genauigkeit den Zeitpunkt wieder. Der Ansatz wurde experimentell mit Hilfe eines 'künstlichen Lecks' verifiziert, wobei die Methode sowohl in eindimensionaler Umgebung (Gang) als auch in zweidimensionaler Umgebung (Raum) Verwendung finden kann.

Das Auffinden der Quelle ist im Gegensatz zur 'Leckzeitpunktsbestimmung' eine komplexere Aufgabe. Während der Durchführung der Experimente zeigte sich, dass man hier die vielfältigen Möglichkeiten der Luftströmungen berücksichtigen muss, die neben örtlichen Gegebenheiten auch von äußeren Einflüssen abhängig sein können. Die Ergebnisse der Auswertungen zeigen, dass trotz der beschriebenen Schwierigkeiten eine gezielte Annäherung an die Quelle möglich ist.

Von der Grundlagenseite aus betrachtet bietet die Kombination von Sensoren und Robotern die Möglichkeit, biomimetische Erkenntnisse in Experimenten zu überprüfen und einen Vergleich von biologischem Vorbild und technischer Realisierung anzustellen.

Trotz der noch vielen offenen Fragen werden Gassensoren auf Robotern schon kommerziell angeboten, was bei dem Einsatz bewährter Sensoren wie z.B. in Brandmeldern auch gut funktionieren kann.

Future robot should like human beings be able to act autonomously. Therefore the recording of the environment is needed. Comparable to human beings sense should enable the robot to act in unknown surroundings as well. The majority of the research is dealing with visual impressions; chemical information (corresponding to the sense of smell) is only rarely used.

At a technical point of view there is an increasing demand on devices to oversee chemical production places or chemical warehouse, in respect of escaping substances. An autonomous, self learning system, remotely controlled by an operator in a safe distance, is a great advantage when dealing with toxic or explosive substances.

The main goal of the work presented here is to develop the “electronic watchman”, it should have the ability to detect escaping substances and find the source of those substances. The approach was biomimetics, this means to imitate biological behaviour with a technical implementation. In contrast to former publications in this field, which relay on special environments (e.g. with artificial airflow), common indoor environments were uses.

The results of the present work show the possibility but also the limits of technical implementations of a combination of gas sensors, sensor systems, and robots. The detection, even of small leaks was possible, if the sensors are sensitive enough to the used substance. The advantage of sensors mounted on a mobile system is its great flexibility and the possibility to oversee more rooms, or bigger areas. The developed algorithm for leak detection computes the time of occurrence with sufficient accuracy. This was proven in a series of experiments with an artificial, remotely controlled leakage in different environments, in 1-dimensional (corridors) environments or 2-dimensional environments (class rooms)

In contrast to the estimation of the time of occurrence, the localisation of the source is a complex task. During the experiments it became obvious that the effect of air currents has to be considered. These air currents depend on many external influences. According to the results, a specific approach to the source is nevertheless possible.

In the field of basic research, the combination of gas sensors and robots give us the opportunity to experimental validate biomimetic results. A comparison between the biological model and the technical implementation is possible.

Even though the open questions, robots equipped which gas sensors are already commercially available, e.g. in case with proven fire alarm sensors with success.