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Auf dem Lai da Marmorera war die erfolgreiche Jungfernfahrt eines autonomen Segelbootes. Das Boot von etwa einem Meter Länge ist in der Lage völlig autonom zu navigieren und kommt gänzlich ohne externe Energieversorgung aus. Bezüglich der Länge des zurücklegbaren Weges sind damit keine Grenzen gesetzt, auch eine Atlantiküberquerung wäre eines Tages möglich. Autonome Boote wie dieses werden heute schon eingesetzt, um Meeres- und Klimadaten zu erfassen und so bessere Vorhersagen für Unwetter und das Klima zu erlauben.
Das von Studierenden konstruierte Boot besteht aus einem Auftriebskörper aus Styropor und hat einen Mast mit einem feststehenden Segel. Zur Steuerung verfügt es über ein Ruder, welches mechanisch mit einer Windfahne an der Mastspitze verbunden ist. Stellt man die Windfahne mittels eines Servos auf eine Position ein, legt man damit den Sollkurs des Boots fest: Weicht es vom Kurs relativ zum Wind ab, ändert sich der Winkel der Windfahne und damit der des Ruders und das Boot wird zurück auf seinen Kurs gelenkt. Dieses Prinzip der Steuerung nennt sich «Windsteueranlage». Ein kleiner Computer an Bord ist mit einem GPS zur Positionsbestimmung und mit einem Modul zur Satellitenkommunikation verbunden. Die Stromversorgung übernimmt eine Solarzelle. Der Computer übernimmt die autonome Steuerung des Bootes und kann zum Beispiel eine Serie von vorgegebenen Wegpunkten abfahren: Aus dem nächsten Wegpunkt und der aktuellen Position kann der Computer den Zielkurs bestimmen. Zusammen mit der Windrichtung im Verhältnis zum Zielkurs kann er entscheiden, ob das Ziel direkt angefahren werden kann, oder ob gekreuzt werden muss.
Der Bau eines solchen Bootes fordert alle wichtigen Fähigkeiten, welche ein Team von Ingenieurinnen und Ingenieuren auszeichnet. Sie arbeiten sich zunächst in ein oft fachfremdes Arbeitsgebiet – hier das Segeln – ein. Dann wird ein erster Prototyp erstellt, wobei verschiedene Disziplinen ihren Beitrag leisten: Die Konstruktion und Herstellung des Boots und seines Antriebs, die Entwicklung der Steuerelektronik und das Erstellen der Software zur autonomen Navigation des Bootes. Der erste Prototyp wird dann möglichst bald einem Praxistest unterzogen, bei dem versucht wird, möglichst viele Schwächen zu identifizieren und diese in einem nächsten Prototyp zu verbessern. Die heute breite Verfügbarkeit von 3D-Druck und kurzen Zykluszeiten in der Elektronikentwicklung unterstützt dieses schrittweise «Rapid-Prototyping» zusätzlich. Um die Abstimmung und Planung eines solchen multidisziplinären Projektes zu gewährleisten, sind zudem von den Teammitgliedern Kommunikations- und Planungsfähigkeiten gefordert.
Mobile Roboter, wie das beschriebene Segelboot, sind schwimmende, fliegende oder fahrende Systeme, die autonom bestimmte Aufgaben erfüllen. Interessant sind solche Systeme besonders dort, wo der Einsatz für Menschen zu gefährlich wäre oder wo Roboter effizienter und ressourcenschonender arbeiten. Die FH Graubünden bildet ab dem Herbst zukünftige Ingenieurinnen und Ingenieure im schweizweit einzigartigen Studiengang Mobile Robotics aus. Die Fachkräfte von morgen erwerben Kompetenzen in den Bereichen Elektronik, Software-Entwicklung, Regelungstechnik und Konstruktion.
Philipp Roebrock
Philipp Roebrock ist Dozent am Institut für Photonics und ICT (IPI). Die FH Graubünden teilt alle drei Wochen Wissen für die «Studierecke» der Schweiz. Mehr zum neuen Studiengang Mobile Robotics: fhgr.ch/mr