Der lange Weg zum Roboter

In Industrie und Forschung werden vermehrt Roboter eingesetzt. Die Verwendung von Robotern spart dabei nicht nur die Lohnkosten von Arbeitern, sie können auch Arbeiten ausführen, die eine höhere Präzision oder Schnelligkeit erfordern, oder an Orten agieren, die für Menschen nicht zumutbar sind. Besonders autonome Systeme stehen zur Zeit im Blickpunkt der Forschung. Dabei entscheidet der Roboter anhand von Sensoren wie Kamera, GPS oder Mikrophon, welches Verhaltensmuster er zum aktuellen oder späteren Zeitpunkt an den Tag legt. Anwendungen für solche autonome Roboter findet man in einem weit gefächerten Gebiet, das vom simplen Rasenmäher bis zur autonomen High-End-Drohne reicht.

Als Systemtechniker ist man oft mit solchen Systemen konfrontiert. Aus diesem Grund (und auch weil in diesem Sommer ja die Weltmeisterschaft war) bekamen wir Erstsemestrigen letzten Herbst vom Institut für Automation den Auftrag, in den kommenden zwei Semestern einen autonomen Fussballroboter zu entwickeln. Schon von Anfang an wurden uns die Ziele ziemlich hoch gesteckt. Unser Roboter musste sowohl alleine Tore schiessen, als auch gegen den Roboter einer anderen Gruppe spielen können. Er sollte aber nicht wie ein echter Fussballspieler auf zwei Beinen stehen, sondern sich mit elektrisch angetriebenen Rädern fortbewegen. Auch die Spielregen wurden vereinfacht: Bei einem Spiel geht es nur darum, den Ball ins Tor zu schubsen ohne den Gegner dabei zu beschädigen.

Für dieses Projekt mussten wir uns selbstständig in fünf Gruppen aufteilen, was eine Gruppengrösse von rund sieben Studierenden ergab. Die freie Gruppenwahl brachte nicht wirklich Vorteile mit sich, denn da unser Systemtechnik-Studium eben erst begonnen hatte, waren wir uns noch völlig unbekannt.

Ein Projekt von dieser Komplexität benötigt ein fundiertes Konzept um zu gelingen. Während dem ganzen ersten Semester beschäftigten wir uns in der Gruppe mit dem Aufbau und den Konzepten von ähnlichen Robotern und überlegten uns, über welche Grundfunktionen unser Roboter verfügen muss, um ein Fussballturnier gemäss Aufgabenstellung spielen zu können: Fortbewegung – damit der Roboter den Ball verfolgen kann; Orientierung – damit der Roboter weiss, wo auf dem Spielfeld er sich gerade befindet; Ball- und Gegnererkennung – um zu wissen, wohin er fahren oder eben nicht fahren muss. Bei letzterem ist es für den Roboter insbesondere von Vorteil, wenn er den Ball vom Gegner unterscheiden kann. Für jede dieser Grundfunktionen könnte man eine Vielzahl von Geräten oder Sensoren verwenden, doch in den meisten Fällen sind diese entweder zu wenig genau, zu teuer oder für uns zu anspruchsvoll. Den Ball könnte man beispielsweise mit einem rotierenden Laser-Distanzmesser (LIDAR) oder einer kleinen Kamera zu erkennen versuchen. Doch das LIDAR neigt bei sehr kleinen und sehr grossen Abständen zum Ball zu ungenauen Messungen, während das Bild einer Kamera für den Roboter nur mit grossem Aufwand auswertbar ist und ohnehin nur einen begrenzten Ausschnitt der Umgebung zeigt. In diesem Fall haben wir uns für eine Kombination beider Systeme entschieden, in der Hoffnung, damit die Genauigkeit der Ballerkennung auf ein bestmögliches Mass zu bringen.

Nachdem wir uns gegen Ende des ersten Semesters auf ein Konzept geeinigt hatten (tatsächlich wurde aber immer wieder ein klein wenig daran geändert), konnten wir im zweiten Semester mit dem eigentlichen Bau des Roboters, dem „FootBot“, wie wir ihn tauften, beginnen. Der Bau wurde jedoch sogleich verzögert, denn wir hatten zwar die Art der Einzelkomponenten festgelegt, jedoch in den meisten Fällen kein konkretes Produkt ausgewählt. Manchmal stellte sich auch heraus, dass ein Produkt im Handel nicht mehr verfügbar war, worauf wir erneut über die Bücher gehen mussten. Fast noch umfangreicher als der Hardwareaufbau gestaltete sich die Softwareentwicklung. Einerseits müssen die Signale der verschiedenen Sensoren ausgelesen und interpretiert werden; andererseits muss dem Roboter auch eine Spieltaktik beigebracht werden – keine leichte Aufgabe, besonders wenn man unser eigenes Verständnis einer Spielweise zuerst auf ein für einen Computer verständliches Niveau herunterbrechen muss.

Mit dem Zeitdruck und den vielen anderen wichtigen Arbeiten, die gegen Semesterende noch erledigt werden mussten, hatten sowohl wir, als auch die vier anderen Gruppen, zunehmend weniger Hoffnung, den eigenen Roboter termingerecht zum Laufen zu bringen. Immerhin konnte sich unser „FootBot“ auf seinen vier Rädern selbst fortbewegen, auch wenn er dazu noch auf eine Fernsteuerung per WLAN angewiesen war. Auch die Roboter der anderen Gruppen waren soweit mechanisch ausgereift – nur die Software bescherte immer wieder Probleme oder war noch gar nicht geschrieben.

Obwohl durchaus ein gewisses Konkurenzempfinden zwischen den einzelnen Gruppen vorhanden war, fand dennoch ein reger Austausch an Wissen und Hilfe statt. Es war zu dieser Zeit nicht unüblich ein Teammitglied am Projektarbeitsplatz einer konkurrierenden Gruppe anzutreffen. Dabei wurde nicht nur nach Lösungen für Probleme gesucht; auch ganze Softwarekonzepte wurden ausgetauscht. Tatsächlich fand auf diese Weise unsere selbstgeschriebene Treibersoftware für den Orientierungssensor praktisch unverändert auch im Roboter einer anderen Gruppe seine Anwendung.

Am 14. Juni, also ziemlich genau neun Monate nach Beginn des Projekts, konnten wir einen praktisch fertigen „FootBot“ präsentieren. Seine Position konnte er nur stehend bestimmen und ebenso nur einen stehenden Ball anvisieren. Doch dafür konnte er schöne Kurven fahren und den Ball, wenn man ihn auf das Spielfeld legte, auch mit überzeugender Treffsicherheit ins Tor befördern. Für ein richtiges Fussballspiel hätten wir sicher noch einen zusätzlichen Monat Entwicklungszeit gebraucht, aber das Resultat war dennoch überzeugend, denn es zeigte sich schnell, dass beim anschliessenden Wettbewerb der „FootBot“ den anderen Robotern deutlich überlegen war. Die vom Sponsor, der Villmerger Firma Autexis, aufgestellte Jury bewertete anschliessend die fünf Roboter. Wir waren sehr froh, und trotz des guten Gelingens beim Wettbewerb auch etwas überrascht, dass unsere Gruppe mit dem „FootBot“ den ersten Rang einnehmen konnte.

Durch das Projekt konnten wir in unseren ersten zwei Semestern wertvolle Erfahrungen sammeln. Wir konnten uns selbstständig in Themenbereiche einarbeiten, denen wir erst in höheren Semestern begegnen werden. Und natürlich hat man im Projekt auch immer dieses eine Ziel, das man erreichen möchte, und die Freude, wenn ein Lernerfolg dieses Ziel wieder ein Stück näher kommen lässt.