Roboterregatta: ... und Klaas und Pitt, die haben Roboter, die fahren mit!
"Hardwarefehler" , ruft ein Mitglied von Team Green. "Wir bekommen keine Daten mehr vom Boot." Hektik bricht aus an diesem Freitagmorgen an der Wakenitz, einem Flüsschen in Lübeck. Auf dem Sportgelände der Lübecker Universität findet die World Robotic Sailing Championship 2011(öffnet im neuen Fenster) (WRSC) statt; es ist der vorletzte Tag der Weltmeisterschaft im Robotersegeln.
Der inoffiziellen Weltmeisterschaft, präzisiert Alexander Schlaefer, Robotiker an der Universität in Lübeck und einer der Organisatoren des Wettbewerbs. Inoffiziell deshalb, weil die Veranstaltung nicht von der International Sailing Federation(öffnet im neuen Fenster) (ISAF), dem Weltverband der Segler, anerkannt ist. Doch immerhin sind 15 Teams aus sechs Ländern - Deutschland, Österreich, Frankreich, Großbritannien, Israel und den USA - in die Hansestadt gekommen. Drei Bootsklassen treten in mehreren Wettbewerben gegeneinander an. Am Ende wird ein Sieger in jeder Klasse sowie ein Gesamtsieger ermittelt.
Am Kommandostand ist inzwischen klar, dass nicht das Boot das Problem war, sondern die Datenübertragung. Die muss aber funktionieren, sonst fahren die Boote der Micro-Magic-Klasse nicht. Das sind nämlich nur etwa einen halben Meter lange Modellboote, die keinen Steuerungsrechner, sondern nur einige Sensoren an Bord haben. Die Daten werden auf einem Standardlaptop verarbeitet und dann per Bluetooth übertragen. Doch jetzt ist das Gateway ausgefallen. Es wird nicht das letzte Mal an diesem Tag sein.
Zu viel Wind
Die Bedingungen seien ohnehin nicht besonders gut heute, hadert Schlaefer. Dicke Wolken hängen über Lübeck. Immer wieder jagen Böen mit einer Geschwindigkeit von über 20 Knoten, etwa 37 km/h, über die Wakenitz. Solche Windstöße fürchten schon menschliche Segler. Den kleinen Roboterbooten setzen sie arg zu. Schwer kämpfen sie gegen die Windstöße, kippen um, richten sich wieder auf.
Inzwischen ist das Gate neu gestartet, die Verbindung zu den Booten steht wieder. Der Server ist sozusagen das Herzstück der ganzen Veranstaltung - ohne ihn seien die Boote orientierungslos, erklärt Schlaefer. Da es schwierig ist, auf so kleinen Booten Sensoren für die Hinderniserkennung zu implementieren, haben die Veranstalter diese wie die Datenverarbeitung aufs Land verlegt: Ein Server wurde aufgesetzt, an dem sich alle Boote anmelden.
Vorbild für das System sei das Automatische Identifikationssystem(öffnet im neuen Fenster) (Automatic Identification System, AIS) gewesen, das in der kommerziellen Schifffahrt genutzt wird, sagt Schlaefer. Bei AIS melden sich die Schiffe gegenseitig per Funk ihre Position. Hier funken die Roboterboote jeweils ihre aktuelle Position, die sie mit dem Satellitennavigationssystem GPS bestimmen, an den Server. Gleichzeitig erhalten sie von dort die Position des Hindernisbootes oder in einem sogenannten Fleet Race(öffnet im neuen Fenster) die der anderen Boote. Ohne das System sind die Boote blind. Sie können zwar noch autonom segeln, aber sie wissen nicht mehr, welchen Kurs sie zur Tonne und zur Ziellinie steuern müssen. Auch zum Ausgangspunkt finden sie nicht zurück und müssen deshalb von einem Schlauchboot geborgen werden.
Dreiklassengesellschaft
Gestartet wird in drei verschiedenen Klassen. Micro Magic(öffnet im neuen Fenster) ist die kleinste, günstigste und deshalb auch die mit dem größten Starterfeld. Wie bei manchen Roboterfußballligen handelt es sich um eine Einheitsklasse. Namensgeber ist das 53 Zentimeter lange Modellboot des Herstellers Graupner(öffnet im neuen Fenster) . Es wird noch mit zusätzlicher Hardware und anderem ausgestattet, dann ist es an den Studenten, die Steuerungssoftware zu entwickeln.
Das habe einige Vorteile, erzählt Schlaefer: Die etwa 1 Kilogramm schweren Boote ließen sich problemlos transportieren. Die Kosten - so ein Micro-Magic-Segelroboter kostet rund 1.000 Euro - stellten kein großes Hindernis dar, weshalb die finanzielle Hürde für Eintritt und Erfolg in dieser Liga recht niedrig ist.
Ganz anders sehe das bei den beiden anderen Klassen aus - dort müssten recht hohe Etats eingeworben werden. Die älteste und größte Klasse der autonomen Segelboote ist die Microtransat(öffnet im neuen Fenster) . Deren Ziel ist es - der Name deutet es bereits an -, autonom den Atlantik zu überqueren(öffnet im neuen Fenster) . Entsprechend müssen die Boote auch größer sein: Bis zu 4 Meter lang ist der Rumpf. An diesem Tag ist ASV Roboat(öffnet im neuen Fenster) als einziges Boot aus dieser Klasse auf dem Wasser. Der Segelroboter aus Österreich konnte schon mehrere Regatten für sich entscheiden. Auch in Lübeck wird er am Ende wieder ganz vorn liegen.
US-Klasse Sailbot
Etwas kleiner ist die an US-Universitäten entwickelte Sailbot-Klasse(öffnet im neuen Fenster) . Diese Boote sind bis zu 2 Meter lang und 5 Meter hoch - und damit immer noch recht unhandlich: Das Team der US-Marineakademie(öffnet im neuen Fenster) (United States Naval Academy, USNA) tut sich reichlich schwer mit seinem Boot, das den Namen Gill The Boat(öffnet im neuen Fenster) trägt. Mindestens zwei Mann sind nötig, um das Boot durch die Tür der Sporthalle der Lübecker Universität zu bugsieren und dann zur Wakenitz zu tragen.
Das erste Boot ist auf dem Wasser. Collision Avoidance, Kollisionsverhütung, heißt die Aufgabe. Der Kurs selbst ist relativ einfach: Das Boot muss zwischen zwei roten Bojen, die die Start- und Ziellinie bilden, hindurch zu einer gelben Boje fahren. An der Boje wird gewendet, dann geht es wieder zurück zur Startlinie. Der Haken: Auf der Strecke dümpelt ein Schlauchboot als Hindernis. An Bord befinden sich ein weiteres Boot, das Daten aussendet und sich so als Hindernis zu erkennen gibt, und ein Student. Der signalisiert mit einer roten Flagge, wenn eines der Roboterboote das Hindernis berührt.
Inzwischen macht Roland Stelzer, Projektleiter des Teams aus Österreich, Roboat klar. Das gut 3,70 Meter lange und rund 300 Kilogramm Boot liegt ohnehin schon im Wasser. Um starten zu können, muss es jedoch von einem der Schlauchboote auf die Wakenitz hinausgeschleppt werden, die fast ein bisschen zu klein ist für das Weltmeisterboot.
Segeln für Roboter
Anders als die Boote der Micro-Magic-Klasse hat dieses Boot alles an Bord, was es braucht: Die Steuerelektronik ist in einer Kajüte untergebracht. Deren Dach ist mit Solarzellen ausgelegt, die die elektrische Energie für die Bordsysteme liefert. Viel sei ohnehin nicht nötig, erzählt Stelzer. Das Boot verfügt über zwei Motoren als Antrieb für Ruder und für Schoten, um die Segel anzustellen. Als Hardware verfügt das Boot über einen PC mit einem Mini-ATX-Board, einem 800-MHz-Prozessor und 500 MByte Arbeitsspeicher. Als Betriebssystem kommt Debian Linux zum Einsatz.
Hinzu kommen ein GPS zur Positionsbestimmung, ein Windsensor, der Informationen über Windrichtung und -geschwindigkeit liefert, sowie ein Sensor, der die Krängung(öffnet im neuen Fenster) des Bootes misst. Das ist schon alles, was zum Segeln gebraucht wird: Anhand der Windrichtung wird der Kurs bestimmt und mit dem Ruder gesteuert. Es gebe einige einfache Grundregeln, die in jedem Handbuch für Segelanfänger stehen, sagt Stelzer. "Damit kann man sicher keine Regatta gewinnen, aber man kommt zu jedem Ziel."
Auf Basis dieser Regeln haben die Österreicher eine Steuersoftware entwickelt. Dabei haben sie Fuzzy Logic, da diese sich gut dazu eignen, um natürlichsprachliche Regeln in ein Computerprogramm zu übertragen und unscharfe Begriffe nachzubilden. "Wir wurden anfangs belächelt, vor allem von erfahrenen Seglern. Sie sagten, das könne gar nicht gehen" , erzählt Stelzer. Segeln habe viel mit Gefühl und mit Erfahrung zu tun, so das Argument. Das könne ein Computer nicht. "Aber man hat auch vor ein paar Jahren nicht geglaubt, dass ein Computer den amtierenden Schachweltmeister schlagen wird."
Länge läuft
Zwar weiß jeder Segler, dass Länge läuft(öffnet im neuen Fenster) - also ein langes Boot - schneller segeln kann als ein kurzes. Doch beim Segeln unterscheide sich eine Micro-Magic nur wenig von einer Microtransat, erklärt Stelzer. Die Algorithmen, die das Segeln am Computer nachbilden, seien bei kleinen und großen Booten gleich.
Unterschiedlich seien die Anwendungen: Während die kleinen Boote zu Studienzwecken dienten, suche das Roboat in einem Projekt der Universität des US-Bundesstaates Oregon nach Walen: Das Boot segelt autonom und zieht Hydrofone hinterher, die Töne der großen Meeeressäuger auffangen. Vorteil des Seglers gegenüber einem motorisierten Unterwasserroboter sei, dass er kaum Energie benötige und keine Geräusche mache, die die Tonaufnahmen oder die Wale selbst stören könnten, sagt Stelzer. Andere mögliche Einsatzgebiete für unbemannte Boote sind die Markierung von Hindernissen oder die Kartierung von Gewässern, die zu flach für normale Boote sind.
Die verschiedenen Anwendungen spiegelten sich auch in den Rennen wider, die während der WRSC gefahren werden, erzählt Schlaefer. Zunächst mussten die Boote unter Beweis stellen, dass sie überhaupt einen vorgegebenen Kurs abfahren und eine Tonne umrunden können. Daneben standen die Kollisionsverhütung sowie das Halten einer bestimmten Position auf dem Programm.
Navigation, Hinderniserkennung, Ausdauer
"Ein Vorteil dieser Boote ist, dass sie durch die Windenergie weitgehend unabhängig sind und über eine lange Zeit an einer bestimmten Position verbleiben können" , erklärt Schlaefer. Beherrscht es ein autonomes Boot, länger an einer Position zu bleiben, kann es beispielsweise in der Umweltüberwachung eingesetzt werden und melden, wie sich ein Ölteppich langsam ausbreitet. Für Langzeiteinsätze wie eine Atlantiküberquerung müssen die Boote zudem recht robust sein. Im Langstreckenrennen, dem sogenannten Endurance Race, fahren die Boote so lange den abgesteckten Kurs ab wie sie können. Schließlich werden - es ist ja trotz aller Robotik eine Segelregatta - ganz normale Rennen gefahren, "Boot gegen Boot" .
Dafür ist einiges seglerisches Können gefragt. Das aber ist nicht bei allen Teilnehmern vorhanden. Von seinen 17 Kursteilnehmern hätten 16 am Anfang Luv und Lee nicht auseinanderhalten können, erzählt Schlaefer schmunzelnd. Es helfe aber auch beim Robotersegeln schon "zu verstehen, wie eigentlich der Wind dafür sorgt, dass ein Boot durchs Wasser fährt."
Entsprechend mussten sich die Informatiker, bevor es ans Programmieren ging, einem ungewohnte Thema stellen: "In unserem Team konnte keiner segeln. Die ersten drei Wochen ging es also nur ums Segelnlernen" , erzählt Felix Stahl, Informatikstudent an der Universität in Lübeck und Mitglied von Team Germany Green. Wie werden die Segel bei welchem Wird gestellt, wie wird gewendet, wie gehalst? "Das mussten wir alles erst mal lernen."
Daten in Einklang bringen
Erst dann konnten sie sich der vertrauteren Aufgabe widmen: die Steuerung zu programmieren, damit das Boot autonom segelt. Konkret muss das Boot aus den GPS-Daten die Ruderstellung berechnen, aus den Winddaten die Segelstellung und diese Daten miteinander in Einklang bringen, um den vorgegebenen Punkt anzusteuern.
Auf der Wakenitz ist für die Lokalmatadore jetzt Daumendrücken angesagt. "Team Germany Green ist auf dem Wasser" , meldet Schlaefer, der gleichzeitig einer der Schiedsrichter ist, über das Megafon. Das Boot eines der Heimteams trotzt dem Wind und nähert sich der Startlinie. Noch wird es ferngesteuert. Im Zelt, am Kommandostand der Lübecker, herrscht höchste Konzentration. Das Boot wird auf autonomen Betrieb umgeschaltet. "Team Germany Green ist jetzt autonom unterwegs" , verkündet Schlaefer.
Das Boot kämpft sich tapfer gegen Wind und Wellen zur Tonne, umrundet erst sie, dann das Hindernis und überquert schließlich die Ziellinie: Team Germany Green ist das erste, das den Kurs an diesem Tag erfolgreich absolviert. Andere Boote machen es ihm später nach. Viel hänge einfach vom Glück mit dem gerade wehenden Wind ab, sagt Stahl.
Gill ärgert sein Team
Das ist auch den Profis von der USNA nicht immer gewogen. Die beiden Ultraschallsensoren zur Hinderniserkennung auf dem Bug von Gill The Boat sind von der Kaimauer an der Wakenitz verwirrt worden. Deshalb weigert sich Gill zunächst, den Kurs abzufahren und hält stattdessen auf die Mauer zu. Eine kleinere Korrektur bringt es auf den rechten Kurs zurück. "Diese Geräte haben die Angewohnheit, Wege zu finden, um einen zu ärgern" , resümiert Matthew Harmon, Mitglied des Teams, das eigens für die WRSC aus Annapolis im US-Bundesstaat Maryland angereist ist.
Wie das österreichische Roboat hat auch Gill The Boat die gesamte Datenverarbeitung an Bord. Dazu verfügt der Segelroboter über einen Rabbit-3000-Mikroprozessor. Der bekommt Daten von einem GPS, einem Kompass und einem Windsensor, der auf der Mastspitze sitzt, und errechnet aus diesen Daten die richtige Segelstellung, um einen bestimmten Punkt zu erreichen. So weit unterscheidet sich Gill The Boat nicht von den anderen Regattateilnehmern.
Anders als die Micro-Magic-Boote ist Gill aber eine Eigenkonstruktion. Das USNA-Team bestehe zum Teil aus angehenden Systemtechnikern, die sich um die Digitaltechnik kümmerten, zum anderen aus Schiffsbaustudenten, erzählt Harmon, der selbst angehender Schiffsbauer ist. Dadurch habe das Team mehr Spielraum, etwa beim Bau des Kiels und der Kielbombe oder bei der Besegelung. So kann das US-Team die Segel des Bootes austauschen und je nach Windbedingungen die besten Segel setzen. Das mache das Boot zum schnellsten im Starterfeld.
Navigation auf See und im OP
Schlaefer selbst ist zwar Segler. Sein Fachgebiet ist aber die Medizinrobotik. Eine direkte Verbindung zum Segeln gebe es auf den ersten Blick nicht, gibt er zu. Eine Gemeinsamkeit gebe es dennoch: Beim Segeln müsse der Roboter wissen, wo er selbst sich gerade befindet und wo es Hindernisse gibt, die vermieden werden müssen. "Wenn man einen Patienten behandelt, zum Beispiel von außen bei einem minimalinvasiven Eingriff, möchte man die Instrumente möglichst genau dorthin bringen, wo ein Tumor sitzt" , erklärt Schlaefer. "In diesem Zusammenhang spricht man auch von medizinischer Navigation."
Auch wenn andere Methoden zur Positionsbestimmung genutzt werden - in der Medizin wird mit magnetischen oder optischen Systemen gearbeitet -, ähnele sich doch die Fragestellung. "Aber natürlich ist es für unsere Studenten im Moment noch viel spannender, mit kleinen Robotersegelbooten zu spielen."
Am Ende belegt das Team aus Lübeck den ersten Platz in der Micro-Magic-Klasse. Selbst in der Gesamtwertung über alle Klassen erreicht das kleine Boot mit nur einem Punkt Rückstand auf die siegreichen Österreicher den zweiten Platz. Selber segeln sind die Lübecker Studenten aber nicht gegangen. "In der Theorie können wir segeln" , sagt Stahl und lacht.