News-Center

NVIDIA Maximus Technologie und Astrobotic zünden eine neue Ära der Mondforschung

Als 2010 der Google Lunar X PRIZE angekündigt wurde, waren Astrobotic Technology unter den ersten, die reagierten. Der Preis war verlockend: insgesamt 30 Millionen US-Dollar, der höchste internationale Motivationspreis aller Zeiten, sollte an privat finanzierte Teams vergeben werden. Entsprechend hoch war die Herausforderung: Als erstes Team einen Roboter sicher auf dem Mond landen, den Roboter 500 m weit über die Mondoberfläche steuern und hochauflösende HD-Videos, Bilder und Daten an die Erde senden.

„Astrobotic ist im Prinzip dasselbe wie UPS − nur auf dem Mond“, erklärt Jason Calaiaro, Director of Information Systems bei Astrobotic Technology. Der primäre Dienst, den das Unternehmen anbietet, ist der Transport von Nutzlasten wie wissenschaftlichen Instrumenten, Weltraum-Explorationsgeräten, Systemen zur Datenerhebung usw. auf die Mondoberfläche. Der Lunar X PRIZE entspricht genau den Zielen und dem Geschäftsmodell von Astrobotic und verspricht dem Unternehmen eine hochwertige Werbepräsenz.

Um die Konkurrenz abzuhängen, musste Astrobotic komplexe Aufgaben wie Roboterdesign, Struktur- und Vibrationsanalysen und Visualisierungen schneller und besser durchführen. Astrobotic führte ein umfassendes Upgrade seiner Hardware durch und verfügt jetzt über NVIDIA Maximus Technologie für maximale Leistung mit Dassault Systèmes SolidWorks, ANSYS und MathWorks MATLAB Software. Diese fortschrittliche Technologie unterstützt Astrobotic bei der optimalen Positionierung für Lunar X und bei den wichtigsten kommerziellen Projekten des Unternehmens.

DIE HERAUSFORDERUNG

astrobotic-1-thumb.jpg

Astrobotic wurde im Jahr 2008 als Spin-off des Robotics Institute der Carnegie Mellon University in Pittsburgh (PA) mit dem Ziel gegründet, Roboter zu entwickeln, die Nutzlasten zum Mond, zum Mars und darüber hinaus transportieren und bei der Erforschung der Planeten behilflich sein sollten. Trotz dieser hoch gesteckten Ziele ist Astrobotic ein kleines Unternehmen mit ca. 20 Mitarbeitern, die teilweise beim Unternehmen selbst und teilweise bei der Universität angestellt sind. Das Budget reicht nicht einmal für einen zentralen Server. Stattdessen entwerfen die Ingenieure ihre Produkte auf einem verteilten Netzwerk mit mehreren Workstations.

Die zwei Hauptprodukte des Unternehmens − ein Lander und ein angekoppelter Rover – sind dafür ausgelegt, gemeinsam zu ihrem Ziel zu gelangen, beispielsweise zum Mond. Anschließend wird der Rover abgekoppelt und bewegt sich frei auf der Oberfläche. Der Rover ist in der Lage, HD-Videos beinahe in Echtzeit zu übertragen.

„Die Erforschung des Mondes ist von immensem wissenschaftlichem Interesse“, sagt Calaiaro. „Wissenschaftler glauben zum Beispiel, dass das Mondgestein ausreichend seltene Materialien enthält − etwa seltene Metalle wie Platin, Sauerstoff oder Wasser − um damit alles zu bauen und mit Treibstoff zu versehen, was für die Weiterreise zum Mars und zu anderen Planeten nötig ist. Es könnten Roboter eingesetzt werden, um eine Mondbasis zu errichten, Materialien abzubauen und sogar neue Geräte zu bauen.“

Autonom arbeitende, ferngesteuerte Roboter erfordern extrem präzises Design und Steuerung. Vor dem Einsatz der NVIDIA Maximus Technologie dauert jeder einzelne Entwicklungsschritt bei Astrobotic zu lange. Und was noch schlimmer war − jeder datenintensive Schritt wie 3D-Design, Analysen oder Rendering blockierte das gesamte Computersystem.

„Die Berechnung technischer Aspekte, zum Beispiel die grundlegenden Berechnungen mit MATLAB oder die Ausarbeitung der endgültigen Form eines Teils mit ANSYS, hat den Rechner regelmäßig aus dem Verkehr gezogen“, erklärt Calaiaro. „Der Ingenieur ließ den Computer vor sich hin rechnen und konnte oft mehrere Stunden lang nur Kaffee trinken. In einem so kleinen Betrieb wie unserem macht es sich sofort bemerkbar, wenn ein Ingenieur für längere Zeit nicht arbeiten kann.“

Früher musste sich Astrobotic auf das gute Verhältnis zu seinem Sponsor ANSYS verlassen, der viele Berechnungen für das Unternehmen ausführte. „Wir schätzten natürlich die Hilfe von ANSYS, aber die Unfähigkeit, Berechnungen am eigenen System durchzuführen, führte unweigerlich zu Verzögerungen und zu Ineffizienz aufgrund von Kommunikationsproblemen“, erläutert Calaiaro. „Kleine Fehler, die unsere Ingenieure sofort bemerkt hätten, blieben manchmal wochen- oder monatelang unentdeckt. Diese Situation war einfach nicht ideal.“

DIE LÖSUNG

Astrobotic implementierte die NVIDIA Maximus Technologie, die die branchenführende 3D-Grafikfähigkeiten der professionellen NVIDIA Quadro Grafikprozessoren mit der parallelen Rechenleistung der neuen NVIDIA Tesla C2075 Companion-Prozessoren für simultanes 3D-Design, Simulationen und Visualisierung auf dem Desktop kombiniert. Auf dieser Hardware betreibt Astrobotic die SolidWorks 3D CAD-Software, MATLAB für Modellberechnungen und die ANSYS Analysesoftware.

„In unserem Geschäft ist es immer von Vorteil, Schwachstellen in einem Projekt früh zu bemerken, um sie möglichst bald analysieren und beheben zu können“, sagt Calaiaro. „Mit ANSYS können wir jetzt extrem nützliche und interessante Untersuchungen durchführen, die vorher nicht möglich gewesen wären.“

Ein Beispiel: Astrobotic muss ermitteln, aus welchem Material ein bestimmtes Teil idealerweise zu fertigen ist. Zur Auswahl stehen 10 Materialien, und die Analyse benötigt jeweils eine halbe Stunde. Mit der vorherigen Konfiguration hätte dies bedeutet, dass ein Computer 5 Stunden lang mit dieser einen Analyse beschäftigt gewesen wäre, und der Computer − und der dazugehörige Ingenieur − in dieser Zeit keine andere Arbeit hätte erledigen können.

„Jetzt können wir umfangreiche Analyseprofile erstellen und alle Fragen gleichzeitig stellen. Und während der Computer die Berechnung durchführt, kann der Ingenieur mit SolidWorks weiterhin CAD-Designs erstellen oder mit MATLAB andere Berechnungen durchführen“, erklärt Calaiaro.

DIE AUSWIRKUNGEN

„Mit dem NVIDIA Maximus System lässt sich die Arbeitsleistung pro Rechner verdreifachen“, sagt Calaiaro. „Dieses System ist eine echte Maschine. Bislang sind wir noch nicht an seine Grenzen gestoßen, selbst bei simultanen CAD-, Analyse- und Berechnungsanwendungen für Remote-Rendering.“

Bei Analysen mit ANSYS wird die Dateigröße in Freiheitsgraden ausgedrückt. „Bei unserem Lander-Modell mussten wir uns auf kleine Dateigrößen beschränken, um die Berechnungen in annehmbarer Zeit durchzuführen. Es waren nur etwa eine halbe Million Freiheitsgrade möglich“, so Calaiaro.

„Maximus hat uns mit mehr als 1,5 Millionen Freiheitsgraden überzeugt. Jetzt können wir umfassende Analysen an unserem Lander durchführen, die etwa 2 bis 3 Millionen Freiheitsgrade erfordern. Mit anderen Worten: Wir können unsere Produkte schneller und gründlicher testen und optimieren.“

Abb. mit freundlicher Genehmigung von Astrobotic Technology.

Die Maximus Technologie ermögliche parallele Verarbeitung rechenintensiver Aufgaben und ist damit ideal für die verteilte Umgebung bei Astrobotic.

„Wir können hochkomplexe Analysen oder Rendering-Aufgaben durchführen, ohne dafür andere Berechnungen unterbrechen zu müssen“, sagt Calaiaro. „Für ein kleines Unternehmen wie uns ist das von großer Bedeutung. Es heißt, dass alle Ingenieure jederzeit produktiv arbeiten können und nicht herum sitzen und warten müssen, während ihre Computer beschäftigt sind.“

Abgesehen davon, dass effizienter und somit schneller gearbeitet wird, nutzt Astrobotic jetzt weitere Möglichkeiten, für die in den bisherigen Arbeitsabläufen kein Platz gewesen war.

„Die NASA braucht immer wieder Rover und andere Roboter mit neuen Designs“, erklärt Calaiaro. „Das Maximus System ermöglicht uns, an mehr Projekten zu arbeiten und so unsere Umsätze zu steigern. So können wir auch den Mond schneller erreichen.“

„Nach den Sternen greifen“, das war früher unmöglich. Astrobotic verleihen dem alten Ausdruck eine neue Bedeutung und zeigen, dass selbst im Weltraum Grenzen existieren − und dass diese überwunden werden können.

„Wir wollen den Google Lunar X PRIZE gewinnen und arbeiten gleichzeitig an innovativen Forschungsmethoden und Verwendungsmöglichkeiten für alles, was der Mond und die anderen Planeten uns bieten“, sagt Calaiaro. „Ein Unternehmen sollte niemals von seinem Computersystem ausgebremst werden. Mit NVIDIA Maximus haben wir unsere Grenzen überwunden. Unsere gesamte Arbeitsumgebung ist jetzt angenehmer und produktiver.“

astrobotic-1-large.jpg