Die DARPA Grand Challenge und das Red Team der Carnegie Mellon University Inhalt
● Was ist die DARPA? ● Die Grand Challenge ● Das Red Team der CMU ● Sandstorm – der Veteran ● H1ghlander – der Herausforderer Was ist die DARPA?
● 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
● 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
● 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
● 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
● 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
● 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
● 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
● 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
● 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
● 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
● Erkennung und Analyse möglicher Hindernisse in Echtzeit => im Zweifelsfall wird ein Hindernis lieber umfahren
● 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
● 15 Starter im Finale ● keiner hat das Ziel erreicht, nur ca. die Hälfte hat die erste Meile geschafft ● 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 ● 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 Dual- Xeons ● Drive-By-Wire ● Stereo-Video-Kameras, Scanning Radars, Scanning Laser Ranging Sensoren und Global Positioning System (GPS)-Receiver
Ebenso wie der Nachfolger H1ghlander verfügt der Sandstorm über sieben Laserscanner, von denen sich einer neben den beiden Stereo- Kameras 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
● Höchstgeschwindigkeit bei der DARPA Grand Challenge 2004: fast 60km/h ● bereits knapp 2000 km autonom gefahrene Kilometer
● Kostenpunkt: ~ 3 Mio. Dollar Sandstorm – Speichermedien
● 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 • Basiert auf einem Hummer H1, Baujahr 1999 (mehr Drive-By-Wire-Komponenten): - 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 Dual- Xeon-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 ● # 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
● http://www.darpa.mil/grandchallenge ● http://www.redteamracing.org ● http://www.frc.ri.cmu.edu/users/red/ ● http://www.frc.ri.cmu.edu/users/curmson/ ● http://www.post-gazette.com/ ● http://www.heise.de ● http://home.arcor.de/maus_andreas/Vortraege/andrea 76/andrea76_1.html
● Links zu den Teilnehmern: http://www.darpa.mil/grandchallenge04/teams.htm DANKE