Grenzen und Möglicheiten des autonomen Scannens mit Robotern

Sowohl NavVis als auch mobiles Mapping sind aus KI- und Robotikforschung hervorgegangen. Der nächste Evolutionsschritt: autonomes Scannen.

Unsere Vision, GPS und 3D-Karten ins Gebäude zu bringen, nahm ihren Anfang im Jahr 2009: In den Robotik- und KI-Forschungslabors der Technischen Universität München arbeitete ein interdisziplinäres Team junger Wissenschaftler und Ingenieure an den Technologien, die heute unsere Produkte ausmachen.

Wir bündelten unser Wissen aus verschiedenen Bereichen wie Robotik, maschinelles Lernen und Informatik, um Antworten auf die Frage zu finden, wie man reale Räume am besten erfassen und kartieren kann, und wie man diese Daten stets auf dem neuesten Stand halten kann.

Im Gegensatz zu den damaligen Trends und Produkten waren wir uns sicher, dass sich Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) - ein grundlegendes Navigationsverfahren in der Robotik - als Schlüsseltechnologie herauskristallisieren würde. Damit, so unsere Ansicht, könnte die Kartierung und Modellierung von realen Räumen erheblich vereinfacht und beschleunigt werden.

Ich selbst hatte mich bereits im Jahr 2007 während meiner Zeit im GPS-Labor der Stanford University in den USA von dem Potenzial von SLAM überzeugen können. Das Racing Team der Universität hatte damals bei der DARPA Urban Challenge mit dem autonomen Auto „Junior“ einen enormen Erfolg einfahren können, der ohne SLAM nicht denkbar gewesen wäre und richtungsweisend für die weitere Entwicklung autonomer Fahrzeuge war.

Ein Wendepunkt für SLAM-basiertes Mapping und autonome Roboter

Wie ist also der aktuelle Stand? Die Reality-Capture-Branche steht vor einer weiteren großen Veränderung, und auch hier wird SLAM-basiertes Mapping eine wichtige Rolle spielen.

Schon seit geraumer Zeit sind mobile Scanlösungen viel schneller bei der Erfassung von Gebäuden und anderen menschengemachten Strukturen. Zur Wahrheit gehört aber auch, dass jahrelange Forschungs- und Entwicklungsarbeit nötig war, um eine Genauigkeit im Millimeterbereich zu erreichen und die Fachleute von den Geräten zu überzeugen. Mittlerweile können der Zeit- und Arbeitsaufwand bei der Erfassung der 3D-Daten eines Bereiches oder Gebäudes um den Faktor 10 reduziert werden, wenn man statt eines traditionellen Scanners ein SLAM-basiertes Gerät verwendet. Einige unserer größten Kunden konnten da sogar noch weiter gehen, wobei die Anwendungen von der Baustellenkontrolle bis hin zur Verwaltung einiger der weltweit größten Fabriken reichen.

Um ideal planen, verwalten und entscheiden zu können, benötigen unsere Kunden eine digitale Kopie ihrer Standorte, die auf den aktuellsten Daten basiert. Zeit ist bekanntlich Geld, so auch in der Industrie: Je älter die Information, desto weniger wertvoll ist sie.

Dank unserem mobilen Laserscanner NavVis VLX ist auch endlich Schluss mit uneinheitlichen Dokumentationen, veralteten 2D-Zeichnungen und individuellen Werks- oder Standortbesuchen für die Erfassung relevanter Daten. Gerade während der Corona-Pandemie kann auf diese Weise viel Zeit und Geld gespart werden.

Wenn die virtuelle Kopie des Gebäudes so aktuell wie möglich sein soll, reicht es jedoch zumeist nicht mehr aus, das Scannen durch Menschen erledigen zu lassen - der Prozess muss vollständig automatisiert werden. Sind autonome Roboter also die Lösung?

Es scheint kaum eine Woche zu vergehen, in der nicht ein Video oder eine Pressemitteilung erscheint, in der ein Laserscanner, eine Kamera oder ein Sensor an einem vierbeinigen Roboter montiert wird (meist ist es der hundeähnliche Roboter Spot von Boston Dynamics). Man muss schon zugeben, dass das ganz cool aussieht.

Es drängen sich aber auch unweigerlich Gedanken auf, ob es einen echten Mehrwert für das eigene Unternehmen bringen kann. Das Ganze als bloßen PR-Gag abzutun, wäre jedoch zu schnell geurteilt, gerade wenn man sich einmal vor Augen führt, wozu autonome Roboter mittlerweile fähig sind. Während in der Vergangenheit Treppen, Stufen, Türen, Lichtschalter oder andere bewegliche Objekte eine große Herausforderung für diese Systeme darstellten, hat sich vieles geändert. Schritt für Schritt lernen diese Roboter, diese Herausforderungen zu bewältigen und sind immer besser in der Lage, repetitive oder für Menschen zu gefährliche Aufgaben zu erledigen.

Aktuell müssen wir jedoch akzeptieren, dass die heutigen Roboter noch nicht schneller scannen können als Menschen. Sie bewegen sich in der Regel langsamer, zum einen aus Sicherheitsgründen und zum anderen wegen ihres begrenzten Wahrnehmungsbereichs, durch den sie blockierte Bereiche möglicherweise nicht früh genug erkennen können. Durch die Mehrkosten für die Behebung gelegentlicher Fehler sowie den Erwerb, die Installation und die Wartung des Roboters ist diese Methode, auf den einzelnen Scan gerechnet, sicherlich teurer.

Wie robotergestütztes Mapping funktionieren kann

Die Investition rentiert sich jedoch, wenn sehr häufig Scans durchgeführt werden sollen. Denn je öfter ein Bereich erfasst wird, desto günstiger ist der einzelne Scan. Und je aktueller die Daten sind, desto wertvoller sind sie.

In diesem Sinne ist diese Art des autonomen Scannens besonders für Unternehmen interessant, die für ihr Geschäft (fast) wöchentlich aktuelle Scandaten benötigen oder Bereiche erfassen wollen, die für Menschen unzugänglich oder zu gefährlich sind.

Zusammen mit Forschungspartnern, einschließlich der Technischen Universität München und unseren Kunden, haben wir bei NavVis dieses Konzept zu einer kompletten Lösung weiterentwickelt, die über die bloße Montage eines Scanners an einem autonomen Roboter oder einer Drohne hinausgeht.

Unsere Herangehensweise besteht in einer Einbindung einer kompatiblen Lösung in die bestehende Flotte autonom fahrender Fahrzeuge und die Infrastruktur des Kunden. Dabei ist ein erster Scan nötig, um weitere Einsätze planen und neue Scans registrieren zu können. Damit eine möglichst hohe Datenqualität erreicht werden kann, müssen der SLAM-basierte Scanner und der Roboter genau aufeinander abgestimmt - etwas, mit dem wir uns bei NavVis aufgrund jahrelanger praktischer Erfahrung sehr gut auskennen.

Nicht zuletzt müssen die Scandaten innerhalb weniger Stunden so vielen Beteiligten wie möglich zur Verfügung gestellt werden, und das möglichst über ein einfaches und benutzerfreundliches Tool. Dazu müssen die einzelnen Scans vollständig automatisiert zu einer abrufbaren digitalen Kopie der Anlage bzw. des Standorts zusammengeführt werden.

Wir bei NavVis sind der Meinung, dass eine Kombination aus mobilen und robotergestützten Mappingsystemen der nächste logische Schritt auf dem Weg zu unserer Vision ist: stets aktuelle Raumdaten, mit denen sich besser planen und entscheiden lässt.

Wenn Ihnen bereits ein möglicher Anwendungsfall vorschwebt, nehmen Sie gerne Kontakt mit uns auf und wir besprechen Ihr Vorhaben im Detail.

Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel erschien zuerst am 16. Februar 2021 auf Englisch in der Geo Week News.