Die DARPA Grand Challenge und das Red Team der Carnegie

Die DARPA Grand Challenge
und
das Red Team
der Carnegie Mellon University
Inhalt
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Was ist die DARPA?
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Die Grand Challenge
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Das Red Team der CMU
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Sandstorm – der Veteran
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H1ghlander – der Herausforderer
Was ist die DARPA?
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Defense Advanced Research Projects Agency
Agentur des Pentagons für Hightech-Projekte
bekanntestes Projekt: Arpanet, aus dem das Internet
hervorging
Seit 2002 Austragung der DARPA Grand Challenge
Die DARPA existiert seit Ende der 1950er Jahre
und widmet sich derzeit hauptsächlich der
Terrorismusbekämpfung.
Außerdem wurde von der DARPA das Total
Information Awareness System entwickelt,
welches um Terrorismus Awareness System
umbenannt wurde
DARPA GRAND CHALLENGE
2005
Ziel der GRAND CHALLENGE
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Entwicklung von autonomen Militär- /
Transportfahrzeugen
Die Fahrzeuge sollen in realistischen Terrain getestet
werden, wobei besondere Anforderungen an die
Geschwindigkeit und Distanz gestellt werden
Bis 2015, so das Mandat des US-Gesetzgebers,
müssen ein Drittel aller Militärfahrzeuge unbemannt
einsetzbar sein
Termin
8. Oktober 2005
Aufgrund der hohen Interessentenanzahl wird
es in diesem Jahr zwei Vorausscheidungen
geben. Die vierzig für das vom 28. September
bis 06. Oktober stattfindende Halbfinale
(National Qualification Event) zugelassenen
Teams werden am 01. Juni bekannt gegeben,
die zwanzig Finalteilnehmer zwei Tage vor der
Grand Challenge.
Ort/Strecke I
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Der Ort wird im Sommer 2005 bekannt gegeben
Ein vorheriges Befahren der Strecke ist jedoch
verboten
Die Strecke wird nicht länger als 175 Meilen sein
Sie besteht aus befestigten und unbefestigten
Straßen, Wegen und Wüstenabschnitten
Hindernisse sind z.B.: Flüsse / Bäche, Böschungen,
stehende Gewässer, Felsen, Brücken, Geröll, Zäune...
Hiermit sollen möglichst realistische Szenarien
für den zukünftigen Einsatz dieser Fahrzeuge
simuliert werden.
Ort / Strecke II
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Die gesamte Strecke ist so ausgewählt, dass man sie
mit einem normalen Allrad-Fahrzeug abfahren kann
Allerdings ist die Strecke so anspruchsvoll,
dass sie auch einen menschlichen Piloten
stark fordern würde.
Der Preis
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Das Team, dessen Fahrzeug die Strecke zuerst schafft
bekommt 2 Millionen Dollar
Ein Anrecht auf weitere Verträge z.B. mit dem Militär
oder Ähnlichem bekommt man durch einen Sieg nicht
Dennoch ist das Preisgeld für kaum einen der
Teilnehmer der Hauptanreiz, da die
Entwicklung der Fahrzeuge diese Summe
schon deutlich übersteigt.
Viel größere Einnahmen versprechen Verträge
mit dem Militär oder Industrie.
Zukünftige Wettbewerbe
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Sollte im Jahr 2005 kein Team das Ziel in der
vorgeschriebenen Zeit von 10 Stunden erreichen,
werden weitere Wettbewerbe stattfinden bis das Ziel
erreicht wird
Nach dem Jahr 2007 wird es vermutlich keine
weiteren Wettbewerbe geben, da der Kongress dann
keine Erlaubnis mehr erteilen wird
Bei der Bekanntgabe der Richtlinien für die
diesjährige Challenge waren mehr als 500
Interessenten aus der ganzen Welt anwesend
und es werden fast eben so viele
Anmeldungen erwartet.
Anforderungen an das
Fahrzeug
Anforderungen an das
Fahrzeug
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Die Fahrzeuge müssen autonom, also unbemannt
sein
Die Fortbewegungsart des Fahrzeuges ist beliebig,
solange es sich auf dem Boden bewegt
Das Maximalgewicht liegt bei 20 Tonnen
Beim Bauen des Fahrzeugs muss auf bestimmte
Sicherheitsvorkehrungen, wie z.B. eine
Notabschaltung geachtet werden
Standards für die Lasersicherheit, Akustik und
radioaktive Strahlung müssen beachtet werden
Nur US-Bürger oder Ausländer mit einem
Teamleader der US-Bürger ist dürfen
teilnehmen.
Falls der Treibstoff eines teilnehmendes
Fahrzeuges verbraucht ist, darf eine
Betankung auch nur durch ein weiteres
autonomes Fahrzeug erfolgen.
Ziel der Grand Challenge ist es neue
Techniken zu entwickeln. Deshalb sind die
Regeln flexibel und werden angepasst,
wenn sie die Entwicklung neuer Techniken
behindern
Qualifikation
Qualifikation
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Die Teams müssen nachweisen, dass die Fahrzeuge
den Regeln entsprechen
Funktion der Sensoren und Navigation muss
nachgewiesen werden
Zur Qualifikation muss eine kleine Teststrecke
befahren werden, die ähnliche Hindernisse beinhaltet
wie die Strecke der Grand Challenge
Die Qualifikation findet am 27. September auf dem
California Speedway statt
Die GPS-Wegpunkte werden absichtlich
blockiert, um so die Fähigkeit des Fahrzeuges
zu testen auf unerwartete Hindernisse zu
reagieren.
Grand Challenge
Der Konstrukteur des Motorrades Ghostrider
Anthony Levandowski ist der Überzeugung,
dass ein Zweirad Vorteile in der Wüste
gegenüber vierrädrigen Fahrzeugen habe.
Grand Challenge I
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Start am 8. Oktober
Gestartet wir in der Reihenfolge des
Qualifikationsergebnisses
Die zu fahrende Strecke wird den Teams in Form
eines „route definition data files“ (RDDF) mitgeteilt
Inhalt des RDDF: Wegpunkte, Korridorbreite und
Höchstgeschwindigkeit
Grand Challenge II
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Hindernisse müssen ohne dessen Beschädigung
umfahren werden
Eine Behinderung anderer Fahrzeuge ist nicht erlaubt
Falls nötig wird das Rennen auch über Nacht
fortgesetzt, wobei die Fahrzeuge dann abgeschaltet
werden und am nächsten Tag weiterfahren
Um den Preis zu gewinnen muss die Strecke in unter
10 Stunden absolviert werden
Es kann auch eine Fortsetzung der
Veranstaltung über die Zehn-Stunden-Grenze
hinaus geben, wenn bis dahin keiner der
Teilnehmer das Ziel erreicht hat, es aber noch
aktive Fahrzeuge gibt.
Hauptproblem aller Teilnehmer
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Erkennung und Analyse möglicher Hindernisse in
Echtzeit
=> im Zweifelsfall wird ein Hindernis lieber umfahren
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Die Bilderkennungssysteme arbeiten noch nicht
schnell genug, um bei voller Fahrt alle Hindernisse
richtig einordnen zu können („Busch oder Felsen?“)
=> Entweder Schlangenlinien und Stop-And-Go oder
Kollision
Die Probleme führten dazu, dass bei der
DARPA Grand Challenge 2004 keins der
gestarteten Fahrzeuge ins Ziel kam. Einige
Teilnehmer, die die Qualifikation noch relativ
problemlos gemeistert hatten, schieden schon
nach kurzer Zeit aus dem Rennen aus.
Grand Challenge 2004
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15 Starter im Finale
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keiner hat das Ziel erreicht, nur ca. die Hälfte hat die
erste Meile geschafft
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das beste Fahrzeug (CMU) kam 7,4 Meilen (ca. 12 Km)
weit, andere nicht einmal aus dem Startbereich
Red Team Racing
William L. "Red" Whittaker I
Ausbildung:
1973: BS in Civil Engineering, Princeton University
1975: MS in Civil Engineering, Carnegie Mellon
University
1979: Ph. D. in Civil Engineering, Carnegie Mellon
University
Beschäftigung:
Fredkin Professor der Robotik und
Direktor des Field Robotics Center
am Robotik Institut der Carnegie
Mellon University
Chefwissenschaftler des Robotics
Engineering Consortium
der Carnegie Mellon University
Chefwissenschaftler
von RedZone Robotics
William L. "Red" Whittaker II
Weitere Projekte:
●Erforschung der Atacama-Wüste (Chile) durch einen
Mond-Roboter
●Dante: Unbemannte Roboter zur Erforschung von
Vulkanen
●Demeter: Unbemannte Erntemaschinen
●Pioneer: Roboter zur Kartographierung, Erkundung und
Beurteilung Tschernobyls
●Autonome Roboter zum Aufspüren und Untersuchen von
Meteoreinschlägen in der Antarktis
Sandstorm
Auf dem Foto gut zu sehen ist die Aufhängung
und Federung der Sensoren sowie die Kugel
mit dem Laser und den Stereokameras.
Sandstorm – Auf dem Weg
zur DARPA Grand Challenge
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Ausbauen nicht benötigter Teile, um Gewicht zu
sparen
Sammeln von Bewegungsdaten während der Fahrt,
um die Stoßfederung zu entwickeln, die das
Überleben der Elektronik garantieren soll
Mehrere Konstruktionen der Federung für die
electronic box und die Kameras
Auftretende Probleme:
● Noch nicht ausgereifte Steuerung durch die KI
belastet die Federung des Fahrzeuges auf das
Äußerste
● Widrige Umweltbedingungen wie Schneefall oder
schlammige Strecken beeinträchtigen die Sensoren
Alle Angaben über den Sandstorm und
H1ghlander sind ohne Gewähr, da sich selbst
im Informationsmaterial der CMU oft
widersprüchliche Angaben fanden.
Es gelangte oft Luft in die Benzinleitung bei
starker Schräglage des Autos.
Im Verlauf der Tests wurde die Software so
weiterentwickelt, dass die schwenkbaren
Sensoren sich in die erwartete Fahrtrichtung
ausrichten.
Sandstorm – Daten I
Technische Daten:
Ein umgebauter Hummer I (Baujahr 1986) seit 03/05
mit neuem Motor (6,5l Turbodiesel, 195 PS bei 3400
U/min), Automatikgetriebe und neuer Federung
● 4-Wege-Itanium-2-Rechner unterstützt von drei DualXeons
● Drive-By-Wire
● Stereo-Video-Kameras, Scanning Radars, Scanning
Laser Ranging Sensoren und Global Positioning
System (GPS)-Receiver
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Ebenso wie der Nachfolger H1ghlander verfügt
der Sandstorm über sieben Laserscanner, von
denen sich einer neben den beiden StereoKameras in der drei-achsig gelagerten Kugel
auf dem Dach.
Der geplante Weg wird während der Fahrt
permanent verbessert an Hand der über die
Sensoren wahrgenommenen aktuellen
Verhältnisse. 6000 mögliche Routen pro
Sekunde werden berechnet, um auf plötzlich
auftauchende Hindernisse reagieren zu
können.
Sandstorm – Daten II
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Höchstgeschwindigkeit bei der DARPA Grand
Challenge 2004: fast 60km/h
bereits knapp 2000 km autonom gefahrene
Kilometer
Kostenpunkt: ~ 3 Mio. Dollar
Sandstorm – Speichermedien
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Zur Routenberechnung muss aus einigen Terabytes
an Landschaftsdaten innerhalb kurzer Zeit die
optimale Route gesucht werden
Karten und geographische Daten auf Seagates
Momentus-Festplatte
Anforderungen:
● Höchste Robustheit -> trotz starker Erschütterungen
noch voll funktionsfähig bleiben)
● Hohe I/O-Leistung
Mögliche Alternative in der Zukunft:
Flashspeicher
Die Landschaftsdaten enthalten u.a.
topographische Informationen, Luft- und
Satellitenbilder, die Karten sind bis auf über
einen Meter genau.
Bereits bei der Routenberechnung werden so
Geschwindigkeiten und Fahrtzeit berechnet.
Die Festplatten aus der Momentus-Serie sind
normale Notebookfestplatten.
Whittaker über Seagate:
„Seagate baut die robustesten Festplatten der
Industrie und berät unsere Ingenieure, wie sie
die Festplatten besser und stabiler montieren
können.“
Besonderheiten des
H1ghlanders
Links der Sandstorm, daneben der
H1ghlander vor dem Umbau.
Besonderheiten des
H1ghlanders
• Sieben
Pentium Ms und ein 64-Bit Itanium-2
auf einem Hummer H1, Baujahr 1999
(mehr Drive-By-Wire-Komponenten):
• Basiert
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Traktionskontrolle
automatische Bremse
elektronische Motorenkontrolle
Sperrdifferentiale
CAN-Bus
Aktive Federung
Neu entwickelte Aufhängung für die Sensoren
auf dem Dach (aber noch nicht fertiggestellt)
Die Sensoren und Software wurden
aus dem Sandstorm übernommen.
Zur Erinnerung: Der Sandstorm
hatte ein 4-Wege-Itanium-System
mit Unterstützung durch drei DualXeon-Prozessoren.
CAN-Bus
(ISO11898-1/2/3/4)
CAN = Controller Area Network
● ein von Bosch entwickeltes und von Bosch und Intel
1985 vorgestelltes asynchrones, serielles Bus-System,
um die Kabelbäume in Automobilen zu reduzieren
● Verwendete Verfahren: CSMA, NRZ-L, Bit-Stuffing
● Daten: bis zu 1MBit/s bei 40m, Twisted-Pair- oder
Glasfaserkabel möglich
http://de.wikipedia.org/wiki/Controller_Area_Network
Sponsoren des Red Teams
Gruppenfoto des Red Teams
Weit über hundert Ingenieure und
Studenten arbeiten zusammen im
Red Team, angeführt von William
L. "Red" Whittaker und Chris
Urmson.
Teilnehmer 2004
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# Team Red, Carnegie Mellon University, Hummer Military
Vehicle
# SciAutonics II, Sciautonics LLC, Tomcar Strandbuggy
# Team CalTech, California Institute of Technology, Chevrolet
Tahoe Allrad
# DAD, Digital Auto Drive, Dogde Pickup
# Virginia Tech, Virginia Tech, Ingersoll-Rand Club Car
# Axion Racing, Axion LLC, Jeep Grand Cherokee
# Team CajunBot, University of Louisiana, Eigenbau
# Team Ensco, Ensco Inc., ATV Strandbuggy
# Team Cimar, University of Florida, Eigenbau
# Road Warrior, Palos Verdes High School, Honda Acura MDX
# SciAutonics I, Sciautonics LLC., ATV Prowler Strandbuggy
# Terramax, Oshkosh Truck Corp., Terramax 3-Achs-Lkw
# Terrahawk, Terra Engineering LLC, Eigenbau
# Golem Group, Amateurteam aus Santa Monica, CA, Pickup
Truck
# Blue Team, Robotic Infantry Inc., Dexterit Ghostrider Motorrad
ein paar Bilder
Quellen
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http://www.darpa.mil/grandchallenge
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http://www.redteamracing.org
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http://www.frc.ri.cmu.edu/users/red/
●
http://www.frc.ri.cmu.edu/users/curmson/
●
http://www.post-gazette.com/
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http://www.heise.de
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http://home.arcor.de/maus_andreas/Vortraege/andrea
76/andrea76_1.html
●
Links zu den Teilnehmern:
http://www.darpa.mil/grandchallenge04/teams.htm
DANKE