Autonome Instrumentierung von Altbergbau durch einen mobilen Manipulator

Im Fokus dieser Arbeit steht die Konzeption, Entwicklung und Erprobung eines autonomen Roboters zur Instrumentierung eines untertägigen Bergwerks. Der exemplarische Anwendungsfall umfasst das selbstständige Absetzen intelligenter Sensorstationen durch einen Roboterarm. Der Roboter ist einer der ersten mobilen Manipulatoren für den langfristigen Einsatz unter Tage. Ziel ist es, die Sicherheit für den Bergmann zu erhöhen, indem in gefährlichen Situationen der mobile Manipulator als echte Alternative zur Verfügung steht. Das fordert von dem Roboter selbstständiges und adaptives Handeln in einer Komplexität, die mobile Manipulatoren bisher lediglich in strukturierten Umgebungen leisten. Exemplarisch dafür ist das Platzieren von Technik im Altbergbau - Dunkelheit, Nässe und enge Querschnitte gestalten dies sehr herausfordernd. Der Roboter nutzt seine anthropomorphe Hand, um verschiedene Objekte abzusetzen. Das sind im konkreten Fall Sensorboxen, die diese Arbeit für die Instrumentierung des Bergwerks vorschlägt. Wichtig ist, dass das Absetzen autonom geschieht. Der Roboter trifft die Entscheidungen, wo er etwas platziert, welche Trajektorie sein Arm wählt und welchen Planungsalgorithmus er nutzt, vollkommen selbstständig. In dem Zusammenhang entwirft diese Dissertation eine variable Absetzroutine. Der mobile Manipulator baut dafür ein Kollisionsmodell der Umgebung auf, sucht eine geeignete Absetzposition, greift ein vordefiniertes Objekt und platziert dies im Bergwerk. Sicherheit und Robustheit stehen dabei an vorderster Stelle. Entsprechend schließt die Absetzroutine nach dem Absetzen nicht ab, sondern führt eine unabhängige Überprüfung durch. Dabei vergleicht der mobile Manipulator über Sensoren die wahrgenommene mit der angestrebten Objektposition. Hier kommen auf Deep Learning basierende Methoden zum Einsatz, die eine Überprüfung auch in vollkommener Dunkelheit erlauben. In insgesamt 60 Experimenten gelingt das Absetzen in 97% der Fälle mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich. Dabei beschränkt sich diese Evaluierung nicht auf das untertägige Bergwerk, sondern wertet auch Experimente in strukturierten und offenen Umgebungen aus. Diese Breite erlaubt eine qualitative Diskussion von Aspekten wie: Autonomie, Sicherheit und Einfluss der Umgebung auf das Verfahren. Das Ergebnis ist die Erkenntnis, dass der hier vorgestellte Roboter die Lücke zwischen Untertagerobotern und den mobilen Manipulatoren aus Industrieanwendungen schließt. Er steht in gefährlichen Situationen als Alternative zur Verfügung.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Notation Variablenverzeichnis 1. Einleitung 1.1. Motivation 1.2. Forschungsfrage und Beitrag der Arbeit 1.3. Aufbau der Arbeit 2. Forschungstrends bei mobilen Manipulatoren und Untertagerobotern 2.1. Mobile Manipulatoren in verschiedenen Einsatzszenarien 2.2. Wettbewerbe mobiler Manipulatoren und Trends im Forschungsgebiet 2.3. Hard- und Software Komponenten für mobile Manipulatoren 2.4. Zusammenfassung 3. Aufbau von Julius - dem Roboter für den Einsatz im Altbergbau 3.1. Umgebungsbedingungen im untertägigen Altbergbau 3.2. Physischer Aufbau des Roboters 3.3. Softwaretechnische Grundlagen für ein autonomes Handeln 3.4. Zusammenfassung 4. Entwurf der autonomen Absetzroutine für Julius 4.1. Planen von Armbewegungen 4.2. Umgebungsmodell detaillieren 4.3. Bodenfläche identifizieren 4.4. Absetzposition berechnen 4.5. SSB greifen 4.6. Absetzrotation festlegen 4.7. SSB absetzen 4.8. Absetzpose überprüfen 4.9. Zusammenfassung 5. Experimentelle Validierung von Julius und der Absetzroutine 5.1. Beschreibung des Experiments und der generellen Rahmenbedingungen 5.2. Referenzexperimente im Innenbereich 5.3. Experimente im Außenbereich 5.4. Experimente im Forschungs- und Lehrbergwerk 5.5. Diskussion 5.6. Zusammenfassung 6. Zusammenfassung 6.1. Erkenntnisse dieser Arbeit 6.2. Fazit 6.3. Ausblick Literatur Anhang A. Berechnung der Absetzrotation B. Übersicht technischer Daten C. Weiterführende Abbildungen D. Messdate

ARIDuA – Autonome Roboter und Internet der Dinge in untertägigen Anlagen

Die interdisziplinäre ESF Nachwuchsforschergruppe ARIDuA forscht seit dem 01. Juli 2017 institutsübergreifend an der TU Bergakademie Freiberg im Themenkomplex Autonome Roboter und Internet der Dinge in untertägigen Anlagen. Gegenstand der Forschung ist es, Schlüsseltechnologien für den entstehenden „Bergbau 4.0“ zu entwickeln. Hierzu zählen Roboternavigation, Sensorintegration und Langzeitmessungen, Big Data im bergbaulichen Kontext und automatisierte geologische Kartierung. Der Beitrag gibt einen Überblick über ARIDuA und die „automatisierte geologische Kartierung“. Es werden Anforderungen an eine automatisierte geologische Kartierung dargestellt und das darauf basierende Messfahrzeug, das u.a. mit einer Hyperspektralkamera ausgestattet ist. Es wird ein Auswertungsschema beschrieben, das die Klassifizierung der Messdaten mit einem geostatistischen Ansatz kombiniert und pixelgenau die Auftrittswahrscheinlichkeit der Gesteinsklassen angibt.The interdisciplinary ESF Junior Research Group ARIDuA is investigating the topic “Autonomous Robots and Internet of Things in Underground Mining”. Therefore it implements key technologies for the new sector of “Mining 4.0”. Focusing on the application of mobile robots in underground, a wireless sensor network is implemented and synergies are identified. This also results in significant benefits for the mining sector. In this context, an outline of a geological analysis system capable of pixel-wise mineral classification is presented. A hyper-spectral-camera mounted on a mobile vehicle is used inside an underground mine in combination with multiple state-of-the-art RGB cameras. The reason why this is necessary, the requirements, and the concept of data analysis is described. The automated mine survey generates an occurrence probability of each mineral class for each pixel. Therefore, it combines classification with geostatic methods

Autonome Instrumentierung von Altbergbau durch einen mobilen Manipulator

Im Fokus dieser Arbeit steht die Konzeption, Entwicklung und Erprobung eines autonomen Roboters zur Instrumentierung eines untertägigen Bergwerks. Der exemplarische Anwendungsfall umfasst das selbstständige Absetzen intelligenter Sensorstationen durch einen Roboterarm. Der Roboter ist einer der ersten mobilen Manipulatoren für den langfristigen Einsatz unter Tage. Ziel ist es, die Sicherheit für den Bergmann zu erhöhen, indem in gefährlichen Situationen der mobile Manipulator als echte Alternative zur Verfügung steht. Das fordert von dem Roboter selbstständiges und adaptives Handeln in einer Komplexität, die mobile Manipulatoren bisher lediglich in strukturierten Umgebungen leisten. Exemplarisch dafür ist das Platzieren von Technik im Altbergbau - Dunkelheit, Nässe und enge Querschnitte gestalten dies sehr herausfordernd. Der Roboter nutzt seine anthropomorphe Hand, um verschiedene Objekte abzusetzen. Das sind im konkreten Fall Sensorboxen, die diese Arbeit für die Instrumentierung des Bergwerks vorschlägt. Wichtig ist, dass das Absetzen autonom geschieht. Der Roboter trifft die Entscheidungen, wo er etwas platziert, welche Trajektorie sein Arm wählt und welchen Planungsalgorithmus er nutzt, vollkommen selbstständig. In dem Zusammenhang entwirft diese Dissertation eine variable Absetzroutine. Der mobile Manipulator baut dafür ein Kollisionsmodell der Umgebung auf, sucht eine geeignete Absetzposition, greift ein vordefiniertes Objekt und platziert dies im Bergwerk. Sicherheit und Robustheit stehen dabei an vorderster Stelle. Entsprechend schließt die Absetzroutine nach dem Absetzen nicht ab, sondern führt eine unabhängige Überprüfung durch. Dabei vergleicht der mobile Manipulator über Sensoren die wahrgenommene mit der angestrebten Objektposition. Hier kommen auf Deep Learning basierende Methoden zum Einsatz, die eine Überprüfung auch in vollkommener Dunkelheit erlauben. In insgesamt 60 Experimenten gelingt das Absetzen in 97% der Fälle mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich. Dabei beschränkt sich diese Evaluierung nicht auf das untertägige Bergwerk, sondern wertet auch Experimente in strukturierten und offenen Umgebungen aus. Diese Breite erlaubt eine qualitative Diskussion von Aspekten wie: Autonomie, Sicherheit und Einfluss der Umgebung auf das Verfahren. Das Ergebnis ist die Erkenntnis, dass der hier vorgestellte Roboter die Lücke zwischen Untertagerobotern und den mobilen Manipulatoren aus Industrieanwendungen schließt. Er steht in gefährlichen Situationen als Alternative zur Verfügung.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Notation Variablenverzeichnis 1. Einleitung 1.1. Motivation 1.2. Forschungsfrage und Beitrag der Arbeit 1.3. Aufbau der Arbeit 2. Forschungstrends bei mobilen Manipulatoren und Untertagerobotern 2.1. Mobile Manipulatoren in verschiedenen Einsatzszenarien 2.2. Wettbewerbe mobiler Manipulatoren und Trends im Forschungsgebiet 2.3. Hard- und Software Komponenten für mobile Manipulatoren 2.4. Zusammenfassung 3. Aufbau von Julius - dem Roboter für den Einsatz im Altbergbau 3.1. Umgebungsbedingungen im untertägigen Altbergbau 3.2. Physischer Aufbau des Roboters 3.3. Softwaretechnische Grundlagen für ein autonomes Handeln 3.4. Zusammenfassung 4. Entwurf der autonomen Absetzroutine für Julius 4.1. Planen von Armbewegungen 4.2. Umgebungsmodell detaillieren 4.3. Bodenfläche identifizieren 4.4. Absetzposition berechnen 4.5. SSB greifen 4.6. Absetzrotation festlegen 4.7. SSB absetzen 4.8. Absetzpose überprüfen 4.9. Zusammenfassung 5. Experimentelle Validierung von Julius und der Absetzroutine 5.1. Beschreibung des Experiments und der generellen Rahmenbedingungen 5.2. Referenzexperimente im Innenbereich 5.3. Experimente im Außenbereich 5.4. Experimente im Forschungs- und Lehrbergwerk 5.5. Diskussion 5.6. Zusammenfassung 6. Zusammenfassung 6.1. Erkenntnisse dieser Arbeit 6.2. Fazit 6.3. Ausblick Literatur Anhang A. Berechnung der Absetzrotation B. Übersicht technischer Daten C. Weiterführende Abbildungen D. Messdate

ARIDuA – Autonome Roboter und Internet der Dinge in untertägigen Anlagen

Die interdisziplinäre ESF Nachwuchsforschergruppe ARIDuA forscht seit dem 01. Juli 2017 institutsübergreifend an der TU Bergakademie Freiberg im Themenkomplex Autonome Roboter und Internet der Dinge in untertägigen Anlagen. Gegenstand der Forschung ist es, Schlüsseltechnologien für den entstehenden „Bergbau 4.0“ zu entwickeln. Hierzu zählen Roboternavigation, Sensorintegration und Langzeitmessungen, Big Data im bergbaulichen Kontext und automatisierte geologische Kartierung. Der Beitrag gibt einen Überblick über ARIDuA und die „automatisierte geologische Kartierung“. Es werden Anforderungen an eine automatisierte geologische Kartierung dargestellt und das darauf basierende Messfahrzeug, das u.a. mit einer Hyperspektralkamera ausgestattet ist. Es wird ein Auswertungsschema beschrieben, das die Klassifizierung der Messdaten mit einem geostatistischen Ansatz kombiniert und pixelgenau die Auftrittswahrscheinlichkeit der Gesteinsklassen angibt.The interdisciplinary ESF Junior Research Group ARIDuA is investigating the topic “Autonomous Robots and Internet of Things in Underground Mining”. Therefore it implements key technologies for the new sector of “Mining 4.0”. Focusing on the application of mobile robots in underground, a wireless sensor network is implemented and synergies are identified. This also results in significant benefits for the mining sector. In this context, an outline of a geological analysis system capable of pixel-wise mineral classification is presented. A hyper-spectral-camera mounted on a mobile vehicle is used inside an underground mine in combination with multiple state-of-the-art RGB cameras. The reason why this is necessary, the requirements, and the concept of data analysis is described. The automated mine survey generates an occurrence probability of each mineral class for each pixel. Therefore, it combines classification with geostatic methods

ARIDuA – Autonome Roboter und Internet der Dinge in untertägigen Anlagen

Die interdisziplinäre ESF Nachwuchsforschergruppe ARIDuA forscht seit dem 01. Juli 2017 institutsübergreifend an der TU Bergakademie Freiberg im Themenkomplex Autonome Roboter und Internet der Dinge in untertägigen Anlagen. Gegenstand der Forschung ist es, Schlüsseltechnologien für den entstehenden „Bergbau 4.0“ zu entwickeln. Hierzu zählen Roboternavigation, Sensorintegration und Langzeitmessungen, Big Data im bergbaulichen Kontext und automatisierte geologische Kartierung. Der Beitrag gibt einen Überblick über ARIDuA und die „automatisierte geologische Kartierung“. Es werden Anforderungen an eine automatisierte geologische Kartierung dargestellt und das darauf basierende Messfahrzeug, das u.a. mit einer Hyperspektralkamera ausgestattet ist. Es wird ein Auswertungsschema beschrieben, das die Klassifizierung der Messdaten mit einem geostatistischen Ansatz kombiniert und pixelgenau die Auftrittswahrscheinlichkeit der Gesteinsklassen angibt.The interdisciplinary ESF Junior Research Group ARIDuA is investigating the topic “Autonomous Robots and Internet of Things in Underground Mining”. Therefore it implements key technologies for the new sector of “Mining 4.0”. Focusing on the application of mobile robots in underground, a wireless sensor network is implemented and synergies are identified. This also results in significant benefits for the mining sector. In this context, an outline of a geological analysis system capable of pixel-wise mineral classification is presented. A hyper-spectral-camera mounted on a mobile vehicle is used inside an underground mine in combination with multiple state-of-the-art RGB cameras. The reason why this is necessary, the requirements, and the concept of data analysis is described. The automated mine survey generates an occurrence probability of each mineral class for each pixel. Therefore, it combines classification with geostatic methods

XLUM:An open data format for exchange and long-term preservation of luminescence data

Abstract. The concept of open data has become the modern science meme, and major funding bodies and publishers support open data. On a daily basis, however, the open data mandate frequently encounters technical obstacles, such as a lack of a suitable data format for data sharing and long-term data preservation. Such issues are often community-specific and best addressed through community-tailored solutions. In Quaternary sciences, luminescence dating is widely used for constraining the timing of event-based processes (e.g. sediment transport). Every luminescence dating study produces a vast body of primary data that usually remains inaccessible and incompatible with future studies or adjacent scientific disciplines. To facilitate data exchange and long-term data preservation (in short, open data) in luminescence dating studies, we propose a new XML-based structured data format called XLUM. The format applies a hierarchical data storage concept consisting of a root node (node 0), a sample (node 1), a sequence (node 2), a record (node 3), and a curve (node 4). The curve level holds information on the technical component (e.g. photomultiplier, thermocouple). A finite number of curves represent a record (e.g. an optically stimulated luminescence curve). Records are part of a sequence measured for a particular sample. This design concept allows the user to retain information on a technical component level from the measurement process. The additional storage of related metadata fosters future data mining projects on large datasets. The XML-based format is less memory-efficient than binary formats; however, its focus is data exchange, preservation, and hence XLUM long-term format stability by design. XLUM is inherently stable to future updates and backwards-compatible. We support XLUM through a new R package xlum, facilitating the conversion of different formats into the new XLUM format. XLUM is licensed under the MIT licence and hence available for free to be used in open- and closed-source commercial and non-commercial software and research projects.CREDit - Chronological REference Datasets and Sites (CREDit) towards improved accuracy and precision in luminescence-based chronologie