Entwicklung eines generischen Planungs- und Managementsystems für Verbände heterogener autonomer maritimer Fahrzeuge

Schneider, Matthias GND

The growing importance of research and industrialization of the oceans leads to new technical tasks in this challenging area. First of all, the extreme underwater conditions require the use of heterogeneous robotic systems which are capable to fulfill predefined missions in an autonomous manner. This work presents a novel and comprehensive concept to manage teams of heterogeneous unmanned marine vehicles which includes a novel concept of mission planning in order to allow the realization of complex mission scenarios.The main part of this work is the novel two-stage management system which can be added to existing single autonomous systems to allow a cooperation between them. Based on a flexible and expandable portfolio of mission elements, it facilitates the coordination of multiple unmanned marine vehicles. Thereby, the complexity of the mission task must only be handled by the developed team management. Furthermore, it uses the single autonomous capabilities of each vehicle based on a constant command library. Hence, a modification of the vehicles' existing hard- and software is not necessary.In addition, this work presents a newly developed concept of mission planning for multiple unmanned marine vehicles which allows the planning of complex team missions by an end user without a profound knowledge of the mission language. In this context a novel concept of formation oriented avoidance of known objects is presented which can be realized in an additional planning step.A novel configurable vehicle model based on a controlled vehicle behavior makes up the main part of the developed simulation environment which allows an easy test of the management system presented. Compared to previous concepts with physical vehicle models, a realistic simulation is possible which needs just a few standard parameters of the vehicles.The developed concept was validated in simulation as well as in real sea trials.

Das stetig wachsende Interesse an der Erforschung und Industrialisierung der Ozeane führt zu immer neuen technischen Aufgaben und Herausforderungen in diesem Bereich. Vor allem die unter Wasser herrschenden extremen Bedingungen begünstigen den Einsatz heterogener autonomer Robotersysteme, welche selbstständig Missionen ausführen können. Diese Arbeit stellt ein neuartiges und umfassendes Konzept zur Missionsplanung und zum Management von Verbänden heterogener autonomer maritimer Fahrzeuge vor, welches die Umsetzung komplexer Missionsszenarios ermöglicht.Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet ein neuartiges zweistufiges Managementsystem, mit dem sich bestehende einzelautonome Systeme erweitern lassen, um diese kooperiert einsetzen zu können. Auf der Grundlage eines flexibel erweiterbaren Portfolios an Missionselementen ermöglicht es die Koordination von Fahrzeugverbänden, wobei sich die Komplexität einer Manöveraufgabe lediglich auf das entwickelte Teammanagement beschränkt. Weiterhin werden auf Basis eines festen Befehlssatzes die bestehenden einzelautonomen Fähigkeiten der Systeme genutzt, wodurch keine Änderung der fahrzeugeigenen Hard- und Software notwendig ist.Des Weiteren stellt diese Arbeit ein neu entwickeltes Konzept der Missionsplanung für Fahrzeugverbände vor, welches dem Anwender die Möglichkeit bietet ohne tiefgreifende Vorkenntnisse komplexe Teammissionen planen zu können. In diesem Zusammenhang wird ein neuartiges Konzept zum formationstreuen Ausweichen bekannter Hindernisse vorgestellt, welches in einem zusätzlichen Planungsschritt durchgeführt werden kann.Ein neuartiges parametrisierbares Fahrzeugmodell, welches auf einem geregelten Fahrzeugverhalten basiert, bildet den Kernpunkt der entwickelten Simulationsumgebung, die einen einfachen Test des vorgestellten Managementsystems gestattet. Somit lassen sich im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen mit physikalischen Fahrzeugmodellen realitätsnahe Simulationen auf der Grundlage weniger Parameter durchführen.Das entwickelte Gesamtkonzept wurde sowohl in simulativen Tests als auch in realen Seeversuchen validiert und bestätigt.

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Schneider, Matthias: Entwicklung eines generischen Planungs- und Managementsystems für Verbände heterogener autonomer maritimer Fahrzeuge. Ilmenau 2011. Universitätsverlag Ilmenau.

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