Sicherheit

Assistenzsensoren für die Robotik

Roboter der Firma Taurob erkundet brennende Werkstatt.
© Foto Fraunhofer FHR

Roboter der Firma Taurob erkundet brennende Werkstatt.

360° abbildender
© Foto Fraunhofer FHR

360° abbildender Rundumsichtsensor.

Erkundung eines mit Möbeln gefüllten Raumes.
© Foto Fraunhofer FHR

Erkundung eines mit Möbeln gefüllten Raumes.

Oftmals treffen Einsatzkräfte auf unbekannte Unglücksorte und haben keine Informationen über die aktuelle Lage. Abhilfe schaffen hier radarbasierte Assistenzsensoren für Roboter. Sie versorgen die Einsatzkräfte mit vielfältigen Informationen und erzeugen so ein komplexes Lagebild des Unglücks.

Welche Anwendungsfelder gibt es für Radar in der Robotik?

Wenn Einsatz- und Rettungskräfte am Unglücksort eintreffen, müssen sie so schnell wie möglich eine Vielzahl an Informationen gewinnen, um sich ein vollständiges Lagebild der Situation zu erarbeiten. Doch jeder Schadensfall erfordert unterschiedliche Sensoren zur Einschätzung der Lage. Es gibt einen eigenen Forschungsbereich für Roboter, der sich mit solchen Fragestellungen auseinandersetzt. Das Fraunhofer FHR steuert hierzu radarbasierte Assistenzsensoren mit einem breiten Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten bei.

Nimmt man beispielsweise ein brennendes Labor an, so ist dieser Ort schnell durch die Verbrennungsvorgänge mit Rauch gefüllt und die Situation lässt sich auf Distanz nicht mehr erfassen. Die Einschätzung mit Hilfe von Robotern ist hier ein adäquates Mittel der Wahl. Die robotischen Helfer sollen neben der manuellen Fahrt auf Sicht in Zukunft auch autonom unterwegs sein und sich selbst mit den dazu notwendigen Informationen versorgen. Dabei stößt ein Roboter bei Wahrnehmung seiner Umgebung mit herkömmlicher optischer Technik an seine Grenzen, da verrußte Rauchschwaden die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen im optischen Spektrum stark beeinträchtigen. Die radarbasierten Sensoren können hierbei unterschiedlichste Informationen generieren wie beispielsweise eine 360°-Rundumsicht oder eine 3D-Abbildung der Szene vor dem Roboter. Diese beiden Themen adressieren wir aktuell in dem EU-geförderten Projekt SmokeBot (Horizont 2020, Fördernr. 645101).

Warum kompliziert, wenn es auch einfach geht?

Wenn ein Kunde sich mit einer spezifischen Problemstellung an uns wendet, stellen wir uns am Fraunhofer FHR im Analyseprozess immer zuerst die Frage, wie die einfachste Lösung für diese Problemstellung aussieht. Dabei vernachlässigen wir jedoch nie den Fokus auf hervorragende Ergebnisqualität in Hardware und Bildqualität und finden immer die optimale und ökonomi-sche Technologielösung. Dadurch erzeugen wir einen hohen Mehrwert für unsere Kunden, die sich dadurch mit ihren durch uns erarbeiteten Lösungen neu im Markt positionieren können. Dieses Vorgehen gilt für alle unsere Geschäftsfelder und Kernkompetenzen und dazu gehören auch die Assistenzsensoren für Roboter.

Ein schönes Beispiel hierfür ist die 360°-Rundumsicht der robotischen Helfer, die in einer unbekannten Umgebung navigieren sollen. Kommt es zu der oben beschriebenen Nullsicht mit Optik, dann kann eine einfache, radarbasierte Sensorlösung die Navigation wieder möglich machen. Im konkreten Fall handelt es sich um ein Realapertur-basiertes FMCW-Radar bei 80 GHz, welches kontinuierlich mit 2.5 Umdrehungen pro Sekunde rotiert: Dabei wird ein 360°-Schnittbild um den Roboter erzeugt, welches die ihn umgebenden Objekte wie Möbel und Wände auch bei optisch eingeschränkter Sicht erfasst. Die enorme Bandbreite des FMCW-Radars von 25 GHz hilft hier ebenfalls dabei, die Konturen von Objekten hochgenau im Schnittbild zu vermessen. Durch dieses relativ einfache Konzept wird der Roboter in die Lage versetzt, selbstständig und mit einer hohen Updaterate Informationen über seine direkte Umgebung zu generieren – und das bei nahezu jeglichen Umgebungsbedingungen wie Rauch, Nebel oder Regen und tageslichtunabhängig. Die einfache Lösung steht hier im Vordergrund und ermöglicht so den Aufbau von kostengünstigen 360°-Rundumsichtsensoren.

3D-MIMO mit kompaktem Sensor!

Denken wir nun über eine dreidimensionale Abbildung nach, um neben der Navigation auch eine Aufklärung der Objekte am Unglücksort und eine Inspektion des Unglücksortes selbst zu ermöglichen, so ist eine komplexere Lösung gefordert. Hier steht eine schnelle Gewinnung des Bildes im Vordergrund, so dass auf mechanischen Konzepten beruhende Abbildungsverfahren wie Realapertur Radar (RAR) und Synthetisches Apertur Radar (SAR) nicht mehr angewendet werden können. In der logischen Schlussfolgerung bedeutet dies die Generierung einer neuen Technologie, die genau dieses Anwendungsfeld erschließt.

Derzeit erforscht das Fraunhofer FHR einen FMCW-MIMO-Array basierten Sensor bei 120 GHz, der die schnelle und dreidimensionale Einschätzung der Situation möglich macht. Aktuell befin-den wir uns hier in der Evaluierungsphase der Array-Topologie. Dieser Art von Assistenzsensoren gehört eindeutig die Zukunft auf Grund ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. Neben dem Einsatz auf bodengebundenen Robotern können diese auch mit unbemannten Flugrobotern genutzt werden und so Unglücksorte erkunden, die vorher nur äußerst beschwerlich oder gar nicht zugänglich waren.