RadRob: 3D-Imaging-Sensoren
Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen 3D-Imaging-Sensors auf der Grundlage von MIMO-Radar-Technologie.
3D-MIMO-Radar-System
Das Radar kann zwischen metallischen Gegenständen und Personen unterscheiden und die Geschwindigkeit und Richtung ihrer Bewegung messen. Gleichzeitig überwacht es 360° der Umgebung.
Die Integration von Holografie und Sekundar-Radar-Prinzipien ermöglichen vielfältige Anwendungen: angefangen von der Dokumentation kritischer Abläufe bis hin zur Überwachung von Arbeitsbereichen autonom agierender Roboter, um diesen die Operation im mit Menschen geteilten Arbeitsbereich zu erlauben.
RadRob 3D-Imaging-Sensoren: Key Factors
- Exakte Erkennung von Position und Bewegung von Personen (Position besser als 5 mm, max. Geschwindigkeit 5 m/s, Latenzzeit kleiner 1 ms)
- Positionsbestimmung von „Smarten Gegenständen“ (Genauigkeit besser als 5 mm ohne Zeitversatz)
- Auflösung: < 1 mm
- Sichtfeld: 360° horizontal, ±45° vertikal
- Tagging durch Sekundär-Radar-Prinzip mit passiven Tags
Projektbeschreibung
Sensoren für die Umgebungsüberwachung von beweglichen und/oder autonomen Systemen werden in den nächsten Jahren immer wichtiger. Auf kommerzieller Ebene fahren bzw. bewegen sich solche Systeme nur in abgesperrten Bereichen. Innerhalb dieses Projekts liegt der Schwerpunkt auf mobilen Robotern für Indoor Anwendungen.
In der Forschungswelt werden einzelne solcher Roboter vor allem im Bereich der Home-Automatisierung bzw. der Pflege-Anwendung entwickelt, welche heute schon an Menschen evaluiert werden. Bei diesen Robotern handelt sich aber in der Regel um:
- a) Sehr kostenintensive Systeme, wobei die Sensorik sowie die Rechenleistung den Kostentreiber ausmachen
- b) Gleichzeitig zeichnen sich die Systeme durch eine geringe Kraftumsetzung aus. Das heißt im Störfall sollen die Personen nicht verletzt werden.
Vor allen in der Industrie-Robotik spielen aber vor allem die Kosten sowie eine hohe Kraftumsetzung eine entscheidende Rolle, weil mit der Kraft meistens auch die Genauigkeit des Systems bei großen Lasten einhergeht.
Der Fokus innerhalb dieses Projekts liegt genau auf der Industrie-Robotik.
Sensoren, welche für Industrie-Robotern benötigt werden und innerhalb dieses Projekt entwickelt werden sollen, sind sogenannte 3D-Imaging-Sensoren. Sie ermöglichen eine dauerhafte Überwachung der gesamten Umgebung.
RadRob 3D-Imaging-Sensoren: die Vorteile
Am Markt existieren heute drei verschiedene konkurrierende Sensortechnologien, welche auch schon bei Roboter-Systemen (Stereo-Kamera Systeme, LiDAR, Radar-Systeme) eingesetzt werden.
| Stereo-Kamera-System | LiDAR | Radar-Sensor | RadRob | |
|---|---|---|---|---|
| Beispielsystem:
Microsoft Kinect
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Beispielsystem:
MRS6000
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Beispielsystem:
LRR4
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Ziel des Projekts
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| Auflösung | ||||
| Auflösung | 2 mm @ 2 m | > 1 mm | > 10 mm | > 1 mm |
| Latenz | ||||
| Latenz | Kleiner 10 ms | Kleiner 100 ms | 10 ms | < 1 ms |
| Position Bestimmung von Gegenständen | ||||
| Position Bestimmung von Gegenständen | Nicht möglich | Nicht möglich | Nicht möglich | Möglich mit Genauigkeit von 5 mm |
| Field of view | ||||
| Field of view | 58° | 120° (horizontal) 15°(vertikal) |
120° | 360° (horizontal) 45°(vertikal) |
| Kosten | ||||
| Kosten | 50 € | 6.500 € | 120 € | < 1000 € |
| Quelle | ||||
| Quelle | [5] | [6] | [7] | |
[5] „researchgate,“ [Online]. Available: https://www.researchgate.net/figure/The-Microsoft-Kinect-3D-Camera-Sensor-System-an-IR-transmitter-3D-Depth-Sensors_fig15_309740491. [Zugriff am 05 03 2021].
[6] P. Boulay und A. Debray, „LiDAR for Automtive and Industrial Applications,“ Yole Developpement, France, 2020.
[7] „bosch,“ [Online]. Available: https://www.bosch-mobility-solutions.com/en/products-and-services/passenger-cars-and-light-commercial-vehicles/driver-assistance-systems/automatic-emergency-braking/long-range-radar-sensor/. [Zugriff am 11 03 2021].
Keines der bisherigen Sensorsysteme erfüllt aber die im vorherigen Abschnitt definierten Anforderungen; aus diesem Grund soll innerhalb dieses Projekts ein neuartiger Sensor entwickelt werden. Im Gegensatz zu optischen Sensoren (Kamera, Lidar), arbeiten Radar-Sensoren in der Regel auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen.
3D-Imaging-Sensoren für Industrie-Roboter erlauben eine 360° Überwachung der Umgebung und können sogar zwischen Personen und metallischen Gegenständen unterscheiden.
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Projektidee für ein autonomes Robotik System
Das Radarsystem wird mechanisch bzw. mittels Magneten direkt auf dem Roboter positioniert und mehrere Radar-Sensoren können durch eine Kalibrierung miteinander kombiniert werden. Über die Form eines Zylinders mit dreieckiger Grundform kann der Sensor die 360° erfassen, wobei jedes Radarsystem ca. 120° (Horizontale Achse) abdeckt.
Zur Berechnung der benötigten Winkeltrennfähigkeit wurde eine einfache Überlegung durchgeführt, welche in Abbildung 2 zu sehen ist:
Abbildung 2: Berechnung der Auflösung
RadRob 3D-Imaging-Sensoren: mögliche künftige Einsatzgebiete der Technologie
Das 3D-MIMO-Radar- System kann auch in vielen anderen Bereichen wirksam eingesetzt werden:
- Automobil
- smarter Bewegungsmelder
- Roboter mit gemeinsamem Arbeitsbereich von Mensch und Roboter
- Lawinen, Landwirtschaft Durchfeuchtung (MikroSens)
- Warnsystem in Pflegeheimen/ Krankenhäusern
- UAV Detektion (MIMO Radar)
- Positionierung von kritischen Bauteilen (Luftfahrt)
- Verkehrsüberwachung
- Robotaxis
- Klassische PKW (S-Klasse Mercedes- Drive Pilot, auch in Mittelklassefahrzeuge)
- Golfradarsensoren
