Von autonomen Tauchrobotern, Unterwasserbildgebung und maritimer Situationsanalyse

Unser breites Kompetenzspektrum in der Unterwassersensorik, Sensordatenfusion, Umwelterfassung, autonomen Navigation und ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen ermöglicht uns die Erkundung maritimer Themen voranzutreiben. Mit unserer Expertise bewegen wir uns auf und unter dem Wasser, um dort unterschiedliche Aufgabenstellungen zu lösen. Unsere Systeme kommen zum Einsatz, wenn es um die präzise Kartierung des Meeresbodens, Entdeckung historischer Funde unter Wasser, Beseitigung von Mikroplastik im Meer, Wasserrettung mit Tauchrobotern, Optimierung von Unterwasserbildern, die Digitalisierung und Automatisierung von Wasserstraßen oder um die maritime Situations- und Lageerkennung geht.   

 

Das sind unsere Leistungsbereiche:

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  1. Oberflächen- und Unterwasserfahrzeuge unterschiedlicher Autonomiegrade (remotely operated vehicles, ROV; autonomous surface/underwater vehicles, ASV/AUV), mit Kameras bzw. multisensoriell ausgestattet für unterschiedliche Missionen von der Rettung Ertrinkender über Kartierung, Objektdetektion und Vermessung bis hin zu Inspektions- und Wartungsaufgaben
  2. Optimierung von Unterwasserbildern und Erforschung optischer Unterwasserkommunikation
  3.  Maritime Situationsanalyse und Erkennung von deren Objekten u. a. mit KI-gestützten Verfahren

Wir entwickeln autonome Tauchdrohnen und Oberflächenfahrzeuge

Datenschutz und Datenverarbeitung

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Abtauchen - Ein Video über die autonomen Unterwasserfahrzeuge des Fraunhofer IOSB-AST

Wir haben langjährige Erfahrung mit ferngesteuerten (remotely operated vehicles, ROV) und autonomen Unterwasserfahrzeugen (autonomous underwater vehicles, AUV) sowie mit unbemannten Oberflächenfahrzeugen (unmanned surface vehicle, USV) als Sensorträger für Explorations- und Inspektionsaufgaben. Typische Einsatzszenarien sind etwa die automatisierte Kartierung über und unter Wasser, Inspektions- und Instandhaltungsaufgaben sowie Unterwasserarchäologie. Unsere Forschungsthemen umfassen dabei Konzeption, Bau, Sensorausstattung und Steuerung der (Unter-)Wasserfahrzeuge, Einsatzplanung und Navigation sowie Sensordatenauswertung und -fusion. 

© Fraunhofer IOSB-AST
Ein agiles, multifunktionales und ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug der TORTUGA ROV Familie.
© 2020 Google,GeoBasis-DE/BKG, GeoContent, Maxar Technologie
Im Projekt TAPS erzeugte 3D-Überwasserkarte

Die unterschiedlichen Missionen unserer ROVs und autonomen Fahrzeuge:

  • Wasserqualität überwachen, Wasserproben entnehmen, Unterwasserstrukturen inspizieren oder die Fischzucht unterstützen. Dabei kommen die agilen, ferngesteuerten Unterwasserfahrzeuge der TORTUGA ROV Familie zum Einsatz, die im Gegensatz zu herkömmlichen ROVs mit einem internen Energiespeicher ausgestattet sind.
  • Mit hochauflösenden, bildgebenden Sensoren und Unterwasserdrohnen den Meeresgrund erforschen. Dabei konnte das Fahrzeug DEDAVE des Fraunhofer IOSB-AST historische Funde aus dem Bronzezeitalter und ein Flugmodell des verschollen geglaubten kanadischen Düsenjägers CF-105 Avro Arrow am Grund des Ontario-Sees entdecken. Auch bei der Entwicklung einer leichtgewichtigen Technologie für die Kartierung der Tiefsee konnte sich die Unterwasserdrohnentechnologie des Fraunhofer IOSB behaupten: Unser Team ARGGONAUTS kam beim Technologiewettbewerb Shell Ocean Discovery XPRIZE unter die weltbesten fünf Teams
  • Menschen vor dem Ertrinken retten. Real-Experimente des Fraunhofer IOSB-AST zur Entwicklung eines Wasserrettungsroboters laufen bereits in Schwimmbädern, die Rettung in Binnengewässern ist in Planung.
  • Wasserstraßen über und unter der Oberfläche exakt vermessen und so die Digitalisierung der Wasserinfrastruktur unterstützen. In einem Vorlaufforschungsprojekt entwickeln wir ein Teilautomatisches Peilsystem (TAPS) - einen mit Sensoren ausgestatteten Katamaran, der die Befahrung und Kartierung von Wasserflächen bzw. -straßen automatisiert. Dabei werden mögliche Hindernisse erkannt und umfahren.

In maritimer Sondermission

In diese institutsübergreifenden Initiativen bringen wir unsere Kompetenzen ein:

Smart Ocean Technologies

Die Fraunhofer-Forschungsgruppe Smart Ocean Technologies SOT entwickelt am Standort Rostock zukunftsweisende Unterwassertechnologien für eine nachhaltige Nutzung der Meere. Beteiligt sind die Abteilungen Mess-, Regelungs- und Diagnosesysteme und Unterwasserrobotik.

 

Plattform Lernende Systeme

Unter führender Beteiligung des Fraunhofer IOSB untersucht die AG7 »Lebensfeindliche Umgebungen« der Plattform Lernende Systeme, wie autonome Systeme Menschen belastende und gefährliche Aufgaben abnehmen können - auch unter Wasser (Anwendungsszenario, pdf).

Unter dem Wasser inspizieren, sehen und kommunizieren

Ergebnisse aus Underwater-Vision: Hier eine Bildaufnahme im Rohzustand
... und die automatisch restaurierte Bildaufnahme.
© Fraunhofer IOSB
Ein Panoramabild aus circa 2000 zusammengesetzten Einzelbildern eines Seebodens.

Inspizieren: Unsere autonomen Unterwasserfahrzeuge sind hilfreich für Explorations- und Inspektionsaufgaben. So kommen verschiedene Fahrzeuge in Ausstattung, Größe und Traglast im Einsatz bei der Wartung von Offshore-Windkraftanlagen unter Wasser. Auch Öl- und Gaspipelines, Seekabel zwischen Kontinenten sowie Spundwände in Häfen und Binnenwasserstraßen können mit unseren praktischen autonomen Tauchsystemen gewartet werden.   

Sehen: Mit neuen Verfahren der variablen Bildgewinnung und -verarbeitung erhöhen wir die Bildqualität und Sichtweite unter Wasser. Damit wird die visuell-optische Inspektion von Unterwasser-Infrastruktur auch in trüben Gewässern ermöglicht. Zusätzlich kann aus vielen Einzelbildern oder Videos ein Bildteppich zu einem Panoramabild zusammengesetzt werden - ohne unnatürliche Abbildungsverzerrungen. Diese Übersichtskarten dienen der Inspektion von Unterwasserinfrastrukturen (z. B. Brückenfundamente), der Dokumentation, Archivierung und dem Erkennen von Veränderungen gegenüber älteren Übersichten.

Unsere KI-basierten Klassifikations- und Detektionsalgorithmen für Bilddatensätze können helfen, Lebewesen oder interessante Objekte auf dem Meeresboden zu entdecken. Dafür wurde ein Algorithmus trainiert, der aus großen Bilddatensätzen mithilfe künstlicher neuronaler Netze gezielt Strukturen auf dem Meeresboden sucht und erkennt.  

Kommunizieren: Können U-Boote über Laserlicht kommunizieren, und welche Auswirkungen haben Wasserturbulenzen auf diese Art der Kommunikation? Um diese Fragen im Rahmen unserer langjährigen Expertise in adaptiver Optik zu untersuchen, verfügen wir seit 2020 über ein in Europa einzigartiges Wasser-Turbulenzlabor (siehe Interview auf Seite 3 in InfOSB 1/2020 [pdf]). Spezielle Spiegelvorrichtungen im 500-Liter-Wassertank strecken die Länge des Lichtstrahls auf ein Vielfaches.    

Maritime Situationsanalyse

© Fraunhofer IOSB
Die XAI-Toolbox liefert dem Benutzer eine Vielfalt von Plots, z. B. Feature Importance und Heat Plots als Erklärung zur Modellvorhersage.

Wir entwickeln nicht nur Unterwasserfahrzeuge für vielfältige Missionen, sondern bieten auch Assistenzsysteme zur Entscheidungsunterstützung an. Insbesondere beim Aufkommen hoher Datenmengen unterstützen KI-basierte Verfahren bei der Situationserkennung und Anomaliedetektion im maritimen Kontext .

In Projekt MARISA wurde beispielsweise ein maritimes Überwachungssystem mit automatischen Verfahren entwickelt, um die geltenden Sicherheitsanforderungen und den Umweltschutz zu gewährleisten. Dabei werden menschliche Entscheider darin unterstützt, das Augenmerk auf die relevanten Informationen zu lenken.

Mit der XAI-Toolbox können verschiedene XAI-Methoden für KI-Verfahren schnell ausgewertet werden. Anwenden können dies u. a. Überwachungsorgane maritimer Gebiete oder Häfen, wenn es darum geht, die Schiffstypen anhand der Trajektorien zu identifizieren.

Im europäischen Verteidigungsforschungsvorhaben OCEAN2020 integrieren 42 Partner aus EU-Ländern fliegende, schwimmende und tauchende unbemannte Systeme als Sensorträger in Flottenverbände, um eine vernetzte maritime Überwachungs- und Aufklärungsmission der Zukunft aufzustellen. Das Fraunhofer IOSB bringt dabei seine Expertise auf verschiedenen Ebenen ein - vom einzelnen unbemannten Wasserfahrzeug über die Vernetzung und Interoperabilität bis zur Lagedarstellung und maritimen Situationsanalyse.

Unsere Labore – nah am Wasser gebaut

Neben der Erforschung in offenen Gewässern verfügt das Fraunhofer IOSB an drei Standorten über spezielle Labore für Unterwassersysteme.

© Fraunhofer IOSB-AST

Ilmenau

Das Testbecken unseres Institutsteils für angewandte Systemtechnik IOSB-AST in Ilmenau bietet mit 12m x 8m x 3m optimale Bedingungen für die Erprobung von Tauchrobotern wie DEDAVE, dem Wasserrettungsroboter und der TORTUGA-ROV-Fahrzeuge.

© Fraunhofer IOSB / indigo

Ettlingen

Im stabilen 500-Liter-Tank erforschen wir die Unterwasserkommunikation mit Licht. Dieses wird mittels Spiegeln vielfach hin- und hergeschickt, dadurch ist die Messstrecke ausreichend lang. Eine Wärme- und eine Kältemaschine sorgen für dosierbare Turbulenzen.

© Fraunhofer IGD

Rostock

Die Forschungsgruppe Smart Ocean Technologies SOT in Rostock hat direkten Zugang zum »Digital Ocean Lab«, einem Unterwassertestfeld in der Ostsee. Dort können smarte Unterwassersysteme für verschiedene Einsatzzwecke unter realitätsnahen Bedingungen erprobt werden.