Bionische Ultraschalltechnologie für die nächste Stufe der Robotersicherheit

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Wie sich die von der Natur inspirierte Ultraschallsensorik weiterentwickelt hat, damit wir in der heutigen Industrie 4.0 sicherere autonome Fahrzeuge bauen können!

Lesedauer: ca. 4 Minuten. – 20/01/2022

Mit mehr als 3,8 Milliarden Jahren rigoroser Forschung und Entwicklung ist die Natur der bei weitem raffinierteste und leistungsfähigste Innovator, den es gibt. Durch sorgfältiges Beobachten und Studieren der Wunder der Natur ist es uns Menschen gelungen, innovative Technologien zu entwickeln, wie z. B. die Nutzung der Form von Vögeln bei der Konstruktion von Flugzeugen, um sie zum Fliegen zu bringen, oder die Verwendung von Injektionsnadeln, die von Mücken inspiriert wurden. Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz der Ultraschallecholottechnik, bei der untersucht wird, wie Fledermäuse mit Hilfe der Echoortung nach Beute jagen. Wir bei Toposens heben die Echoortung auf eine neue Stufe und bauen den weltweit ersten 3D-Ultraschall-Echoortungssensor. Mit seiner firmeneigenen Sensor- und Erkennungstechnologie ermöglicht es Sicherheit auf höchstem Niveau für Industrieroboter- und Automobilanwendungen.

Dieser Artikel bietet faszinierende Einblicke in die Entwicklung der Ultraschalltechnologie hin zur heutigen hochmodernen 3D-Sensortechnologie. Die Hinzufügung einer dritten Dimension zur Ultraschallsensorik ist besonders wichtig, da 3D-Ultraschallsensoren die komplexesten Objekte im 3D-Raum unabhängig von ungünstigen Lichtverhältnissen erkennen können. Dies verbessert die betriebliche Gesamteffizienz, senkt die Unfallkosten und ermöglicht den sicheren Einsatz von AGVs unter allen Arbeitsbedingungen.

Ultraschall in der Natur

Ob es sich um einen gigantischen Blauwal oder das kleinste Insekt auf dem Planeten handelt, die Natur hat eine innovative Lösung gefunden, um das Überleben aller Lebensformen zu sichern. Wie bereits erwähnt, hat der Mensch längst damit begonnen, sich die erstaunlichen biologischen Prinzipien der Natur zu eigen zu machen, um alle Bereiche des Lebens zu verbessern. Dies wird gemeinhin als „Bionik“ bezeichnet – eine Kombination aus den Wörtern „bios“ (griechisch für „Leben“) und „Elektronik“, die das Studium elektronischer Systeme umfasst, die nach denselben Prinzipien funktionieren wie organische Systeme. Das macht uns Menschen zu einer einzigartigen Spezies, die beobachten, lernen und einzigartige Technologien entwickeln kann.

In ähnlicher Weise haben wir festgestellt, dass Ultraschallwellen, die sich bei Frequenzen oberhalb des für den Menschen hörbaren Spektrums (etwa 20 Kilohertz oder kHz) bewegen, von vielen Arten in der Natur wie Fledermäusen, Delfinen und Walen bei ihren täglichen Aktivitäten effektiv genutzt werden.

Der erste Beweis dafür, dass Tiere Geräusche nutzen, wurde vom italienischen Biologen Lazzaro Spallanzani 1794 erbracht, als er Studien an Fledermäusen durchführte, die zu dem Schluss kamen, dass Fledermäuse mit Hilfe von Geräuschen navigieren können. Sie senden Schallwellen aus ihrer Nase oder ihrem Mund aus, und wenn die Wellen auf ein Objekt treffen, wird ein Echo erzeugt. Dieses Echo wird an die Ohren der Fledermäuse reflektiert. Fledermäuse können dann die Echos interpretieren, um die Größe, den Standort und die Form des Objekts zu bestimmen. Dies wird als Echoortung bezeichnet. Die Echoortungslaute von Fledermäusen reichen von 9 kHz bis 200 kHz. Wie Fledermäuse nutzen auch Delfine und Wale die Echoortung, um in den tiefen, dunklen und trüben Gewässern zu navigieren, zu kommunizieren und zu jagen.

Echolot in der Natur
Echolot in der Natur

Entwicklung der Ultraschalltechnologie

In den vergangenen mehr als 225 Jahren haben wir die Entwicklung und Evolution von Technologien in jeder Art von Industrie erlebt – wann also hat die Ultraschallsensorik ihr Debüt gegeben? Im Jahr 1914 baute Reginald A. Fessenden das erste funktionierende System in den Vereinigten Staaten, das beispielsweise Eisberge in einer Entfernung von zwei Meilen erkennen konnte. Heute wird die Ultraschalltechnologie in verschiedenen Anwendungen in anderen Bereichen wie Militär, Medizin und Fertigung eingesetzt. Mit der Technik der Echo-Reflexion wurden bereits in den 1960er Jahren viele fortschrittliche medizinische Geräte gebaut, um Tumore zu erkennen, aber auch um den gesamten Körper zu scannen und Herzerkrankungen zu diagnostizieren.

In der heutigen Zeit wird die Ultraschalltechnologie in vielen verschiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt, z. B. bei der Abstandsmessung, der Einparkhilfe, der Durchflussmessung, der Füllstandserkennung und der Analyse der Zusammensetzung.

Die jüngsten technologischen Fortschritte wie intelligente Maschinen und das Internet der Dinge (IoT) haben den Weg für die jüngsten Anwendungen von Ultraschallsensoren geebnet: als Gerät zur Objekterkennung und Entfernungsmessung, das in automatisierte Fahrzeuge zu Lenkzwecken eingebaut wird. Im Zuge der Automatisierung der Industrie 4.0 und insbesondere der Intralogistik 4.0 kommen unbemannte Fahrzeuge, sogenannte Automated Guided Vehicles (kurz AGVs), zum Einsatz. Heute, da der E-Commerce-Markt boomt, wird erwartet, dass der globale FTS-Markt von 5,21 Milliarden (im Jahr 2019) auf 13,52 Milliarden (bis 2027) mit einer prognostizierten CAGR von 16,6% von 2020 bis 2027 wachsen wird. Dies zeigt, dass FTS nicht nur heute, sondern auch in absehbarer Zeit eine wichtige Rolle spielen werden.

Ultraschallsensoren sind eine Schlüsselkomponente bei der Automatisierung dieser selbstfahrenden Roboter, zumal sie für die Sicherheit im Lager von entscheidender Bedeutung sind: Sie tragen dazu bei, die Effizienz von FTS zu verbessern und die Gesamtbetriebskosten zu senken, wie wir weiter unten beschreiben werden.

Hochmoderne 3D-Ultraschallsensoren bei Toposens

Heute gibt es verschiedene Sensortechnologien für die Objekterkennung, wie Kameras, RADAR, LiDAR und 1D-Ultraschallsensoren (SONAR). LiDAR- und Kamerasensoren erkennen und messen mit Hilfe von Licht, während Ultraschallsensoren Schallwellen und RADAR-Sensoren Radiowellen verwenden. Die Leistung dieser Technologien hängt stark von den physikalischen Eigenschaften ab, auf denen sie beruhen. Ungünstige Lichtverhältnisse, Reflexionen und Witterungseinflüsse können sich negativ auf die Erfassung auswirken und die Gesamteffizienz optischer Sensoren wie LiDAR und Kameras einschränken. Aufgrund dieser Leistungshindernisse belaufen sich die durch AGV verursachten Unfälle auf mehr als 100.000 USD pro Fabrik und Jahr. Daher sind die Sicherheit und die Automatisierung von Lagern von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Effizienz und die Senkung der Betriebskosten.

Zurück zu unseren Meistern des natürlichen Nachtsichtvermögens: Bisher ist es noch niemandem gelungen, die Echoortungsfähigkeiten der Fledermaus zu kopieren, die mehrere Hindernisse in Echtzeit und im 3D-Raum erkennt. In jahrelanger Forschungsarbeit ist es Toposens gelungen, mit der Entwicklung des weltweit ersten 3D-Ultraschallsensors, der auf dem Prinzip der Bionik basiert und die besagten Echoortungstechniken nachahmt, einen noch nie dagewesenen technologischen Durchbruch zu erzielen.

Genau wie Fledermäuse können die 3D-Ultraschallsensoren von Toposens mehrere Objekte in Echtzeit mit Hilfe einer ausgeklügelten Software erkennen, die anschließend eine robuste, lichttolerante, kostengünstige und präzise Datenausgabe im Nahbereich in einer Punktwolke auf x-, y- und z-Koordinaten (3D) liefert. Dies ermöglicht die zuverlässige Erkennung selbst komplexer Objekte wie Gabelstaplergabeln. Diese werden z.B. von 2D-LiDARS, die zwar x- und y-Koordinaten, aber keine z-Koordinate (= vertikale Position) liefern, oft nicht zuverlässig genug erkannt. Das folgende Bild zeigt, wie erkannte Echos in einem 3D-Koordinatensystem in einer kondensierten Punktwolke dargestellt werden.

3D-visualisierte Punktwolke
Toposens 3D-Ultraschall-Punktwolke

Wie wir wissen, sind Fledermäuse wilde Tiere, die in der freien Natur leben und bei allen möglichen (un-) günstigen Wetter- und Lichtverhältnissen mit Hilfe der Echoortung auf Beutefang gehen. Bei Toposens haben wir diese Technologie in einem elektronischen Sensorsystem, dem „ECHO ONE System“, nachgeahmt, das bei allen möglichen Wetter- und Lichtverhältnissen in echter Fledermausmanier detektieren kann (außer bei der Jagd). Dies ist auf das patentierte, IP67-zertifizierte Design und die Sensorfunktionen zurückzuführen.

ECHO ONE System: Toposens 3D-Ultraschall-Echolokationssensor
ECHO ONE System: Toposens 3D-Ultraschall-Echolokationssensor

Außerdem werden die Gesamtbetriebskosten gesenkt, da einer unserer Sensoren ausreicht, um ein großes Sichtfeld abzudecken. Dies ist auf den extrem weiten Öffnungswinkel von bis zu 180 Grad im ultrakurzen Bereich zurückzuführen, der ein viel größeres Sichtfeld (FoV) als andere Sensoren bietet. Dies wiederum erhöht die Produktivität, verringert die Zahl der Unfälle und erhöht vor allem die Sicherheit.

So wie Fledermäuse ihre Echoortungstechniken perfektioniert haben, so hat sich auch unsere Sensortechnologie im Laufe der Zeit weiterentwickelt und ist nun so weit, dass sie die nächste Stufe der Robotersicherheit für FTS und ähnliche Roboter bietet, indem sie deren sichere und zuverlässige Führung um ein weiteres Element der Sicht ergänzt.

Weitere Informationen zu den verschiedenen Sensortypen, die heute in der autonomen Industrie eingesetzt werden, finden Sie in unserem früheren Blogartikel zum Thema Sensorfusion für eine zuverlässige Kollisionsvermeidung.

Weitere Informationen finden Sie unter www.toposens.com.
Für spezifische Anfragen zu unserem einzigartigen 3D-Ultraschallsensorsystem und seinen Anwendungen wenden Sie sich bitte an unsere Experten.


Über Toposens

Die Toposens GmbH wurde 2015 in München gegründet und besteht aus Experten für Embedded Systems, Hardwareentwicklung, 3D-Sensorik, digitale Signalverarbeitung und Machine Vision. Gemeinsam haben sie erfolgreich den weltweit ersten 3D-Ultraschallsensor entwickelt, der auf dem Prinzip der Bionik basiert und die Echoortungstechniken einer Fledermaus nachahmt, um robuste, kostengünstige und präzise 3D-Datenpunkte aus der Nähe zu liefern. Im Gegensatz zu bestehenden Sensortechnologien, die durch Lichtverhältnisse, Reflexionen und Witterungseinflüsse beeinträchtigt werden können, hat Toposens ein System entwickelt, das 3D-Daten in Echtzeit kartiert und eine Objekterkennungssoftware einsetzt, um autonome Systeme wie FTS selbst in den schwierigsten Umgebungen zu steuern. Zu den Kunden von Toposens gehören einige der weltweit führenden Unternehmen in den Bereichen Robotik und Automotive. Das Unternehmen ist ein aktiver Beschleuniger in der Entwicklung von sicherheitskritischer Autonomie und hat seinen Sitz in München, Deutschland, und eine Niederlassung in Sunnyvale, Kalifornien. Um mehr zu erfahren, besuchen Sie www.toposens.com. Wenn Sie mehr über unseren einzigartigen 3D-Ultraschallsensor und seine Anwendungen erfahren möchten, wenden Sie sich bitte an unsere Experten.

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