Sicher dank 3D-Ultraschallsensor

Folgendes Szenarium: In einem modernen, dynamischen Logistiklager navigiert ein autonomer mobiler Roboter (AMR) durch enge Gänge, beladen mit empfindlicher Ware. Plötzlich lässt ein Mitarbeiter ein Paket fallen und bückt sich, um es aufzuheben. Ein umkippender Kartonstapel verengt zusätzlich den Durchgang, während eine beleuchtete Glaswand störende Reflexe erzeugt. Für den Roboter entsteht eine hochkomplexe Situation: Er muss bodennahe Hindernisse erkennen, unmittelbar reagieren, sich von reflektierenden Oberflächen nicht irritieren lassen und alle Informationen in Echtzeit verarbeiten. Solche Szenarien sind im heutigen Lageralltag keine Ausnahme und sie stellen herkömmliche Sensorlösungen oft vor Herausforderungen.

Grenzen klassischer Sensorik

Optische Systeme wie Kameras liefern detailreiche Bilder, sind jedoch stark lichtabhängig und benötigen hohe Rechenleistung, insbesondere bei Blendlicht oder Dunkelheit. LiDAR-Systeme erfassen Entfernungen präzise, reagieren jedoch empfindlich auf transparente oder spiegelnde Oberflächen und verursachen hohe Hardware- und Verarbeitungskosten. Klassische Ultraschallsensoren sind zwar günstig und robust, messen jedoch meist nur eindimensional und bieten keine umfassende Raumwahrnehmung. Um diese Schwächen zu kompensieren, setzen viele Hersteller auf Sensorfusion, beispielsweise aus Kamera und LiDAR, was zwar die Zuverlässigkeit erhöht, aber Integrationsaufwand, Latenz und Kosten steigert.

Die Limitationen der verschiedenen Systeme führen dazu, dass viele Robotersysteme bei der Erkennung komplexer, dynamischer Umgebungen Schwierigkeiten haben, insbesondere wenn mehrere Faktoren wie Reflexionen, variable Beleuchtung und unvorhergesehene Hindernisse zusammenkommen.

Das norwegische Start-up Sonair hat daher mit ‚Adar‘ (Acoustic Detection and Ranging) einen 3D-Ultraschallsensor entwickelt, der diese Schwächen adressiert.

Die technische Basis

Der 3D-Ultraschallsensor basiert auf miniaturisierten MEMS-Ultraschallwandlern, die am norwegischen Forschungs- institut SINTEF entwickelt wurden. Diese Bauelemente senden Schallwellen aus, die sich durch die Luft ausbreiten, an Objekten reflektiert werden und anschließend vom Sensor registriert werden. Mithilfe von Beamforming lässt sich der Schall gezielt in verschiedene Richtungen lenken, sodass sich die genaue Position eines Objekts in drei Dimensionen bestimmen lässt. Die eingesetzte Signalverarbeitung stammt ursprünglich aus der medizinischen 3D-Ultraschallbildgebung, die für hochauflösende Darstellungen komplexer Strukturen entwickelt wurde. Übertragen auf technische Anwendungen ermöglicht sie eine exakte, räumliche Objekterkennung in Echtzeit auch bei beweglichen Hindernissen.

Der Sonair-Sensor arbeitet unabhängig von Lichtbedingungen, ist unempfindlich gegenüber Dunkelheit, grellem Gegenlicht oder wechselnder Beleuchtung und erkennt Hindernisse auf reflektierenden oder transparenten Oberflächen wie Glas, polierten Böden oder Metallflächen. Mit einem Sichtfeld von 180° × 180° und einer Reichweite von bis zu 5 m kann er Hindernisse vor, neben, über und unter dem Roboter erkennen, einschließlich sehr niedriger oder hängender Objekte, die von herkömmlichen 2D-LiDAR-Systemen oft übersehen werden.

Reduzierte Datenmenge

Verglichen mit LiDAR-basierten Sicherheitssystemen lassen sich die Hardware- und Betriebsausgaben mit dem 3D-Ultraschallsensor um bis zu 50 Prozent reduzieren. Da der Sensor nur für die Umfelderkennung relevante Messpunkte generiert, sinkt die Datenmenge erheblich, was den Rechenaufwand minimiert und die Reaktionszeiten beschleunigt. Die kompakte Bauweise, der geringe Energiebedarf und die kostengünstige MEMS-Fertigung erleichtern Integration und Nachrüstung in bestehende Robotersysteme. Dies macht den Sensor auch für mittelständische Unternehmen attraktiv, die bislang aus Kostengründen auf hochwertige Sicherheitslösungen verzichtet haben.

Sicherheit im Fokus

Knut Sandven ist CEO und Gründungsmitglied von Sonair, Oslo. © Sonair

In Produktions- und Logistikumgebungen ist die sichere Interaktion von Mensch und Maschine entscheidend. ‚Adar‘ erkennt sicherheitsrelevante Situationen im Umkreis von bis zu 5 m und ermöglicht ein frühzeitiges Anhalten, Ausweichen oder Verlangsamen des Roboters. Um die hohen Sicherheitsanforderungen in der Industrie zu erfüllen, arbeitet Sonair mit der deutschen Prüfstelle exida an einer Zertifizierung nach SIL2 beziehungsweise Performance Level d. Diese würde die Eignung für sicherheitskritische Anwendungen belegen. Die Markteinführung der zertifizierten Version ist noch für 2025 geplant.

Mögliche Einsatzszenarien

Ursprünglich für autonome mobile Roboter entwickelt, eignet sich ‚Adar‘ für zahlreiche weitere Anwendungsfelder: In der industriellen Automatisierung kann der Sensor Industrie- roboter sicherer machen, indem er potenzielle Kollisionen frühzeitig erkennt. In der Servicerobotik ermöglicht er die zuverlässige Navigation in Pflegeheimen, Krankenhäusern oder öffentlichen Einrichtungen, auch bei wechselnden Lichtverhältnissen und komplexen Raumstrukturen. Zusätzliche Sicherheit könnte der Sensor auch in Fahrerassistenzsystemen, Smart-City-Anwendungen oder humanoiden Robotern bieten.

Perspektivisch lassen sich Reichweite und Auflösung durch höhere Ultraschallfrequenzen weiter steigern, und hybride Systeme in Kombination mit anderen Sensortechnologien eröffnen zusätzliche Einsatzmöglichkeiten.