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Hochfrequenz-Radarscanner

Fabrik 4.0: Sicherheit auch bei schlechten Sichtbedingungen

| Redakteur: Linda Kuhn

In Fabriken sichern meist Laserscanner die Gefahrenbereiche ab und schützen Menschen vor Kollisionen. Doch bei Sicht-Hindernissen wie Staub oder Rauch stoßen die optischen Sensoren an ihre Grenzen. Ein neuer Hochfrequenz-Radarscanner von Fraunhofer-Forschern soll Abhilfe schaffen: Er durchdringt diese Hindernisse und erfasst die Umgebung im 360°-Radius.

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Klein aber oho: Das Radarmodul des Hochfrequenz-Radarscanners des Fraunhofer-IAF ist nicht größer als eine Zigarettenschachtel und schafft für Durchblick und Sicherhiet auch bei Sichtbeeinträchtigungen.
Klein aber oho: Das Radarmodul des Hochfrequenz-Radarscanners des Fraunhofer-IAF ist nicht größer als eine Zigarettenschachtel und schafft für Durchblick und Sicherhiet auch bei Sichtbeeinträchtigungen.
( Bild: Fraunhofer-IAF )

In intelligent organisierten Industrie-4.0-Betrieben ist der Einsatz von Robotern nicht mehr wegzudenken. Der Trend geht hin zu Industrierobotern, die ohne Schutzabsperrung betrieben werden. Voraussetzung für die Zusammenarbeit: Der Mensch darf zu keinem Zeitpunkt gefährdet sein. Deshalb überwachen Laserscanner den Gefahrenbereich und stoppen die Maschine, sobald ein Mensch diesen betritt. Probleme bereiten den optischen Sensoren jedoch wechselnde Lichtbedingungen, Rauch, Staub oder Nebel.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF haben einen kompakten, modular aufgebauten 360°-Radarscanner entwickelt, der optischen Sensoren in diesen Aspekten überlegen ist. Das Radar arbeitet mit Millimeterwellen, die von den beobachteten Objekten, also etwa von Personen, reflektiert werden. Sende- und Empfangssignal werden mithilfe numerischer Algorithmen verarbeitet und ausgewertet. Anhand der Berechnung lassen sich sowohl Entfernung und Position als auch die Geschwindigkeit der Objekte ermitteln.

Radar durchstrahlt Kisten und Pappwände

Setzt man mehrere Radare ein, lässt sich sogar die Lage im Raum bestimmen und die Richtung, in der sie sich bewegen. „Unser Radar fokussiert nicht auf einen Punkt, sondern sendet die Millimeterwellen keulenförmig aus. Anders als beim Laserscanner werden die Signale selbst dann reflektiert, wenn optische Sichtbehinderungen bestehen“, erklärt Christian Zech, Wissenschaftler am IAF. Der Laserscanner misst Abstände und Positionen nur dann korrekt, wenn das Ziel – also der Mensch – unverdeckt arbeitet. Da das 360°-Radar des IAF auch optisch nicht transparente Materialien durchstrahlt, erkennt es sogar Mitarbeiter, die sich hinter Kisten, Pappwänden oder anderen Hindernissen befinden.

Bisherige Millimeterwellen-Radarsysteme – basierend auf Hohlleitern – sind teuer, groß und schwer. Der Scanner des IAF hat einen Durchmesser von nur 20 cm und ist 70 cm hoch. Im Sockel des Geräts befindet sich das Hochfrequenzmodul mit Indiumgalliumarsenid-Halbleitertechnik, das nicht größer als eine Zigarettenschachtel ist. „Heutzutage werden Millimeteranwendungen von Hohlleitern dominiert, die in der Herstellung teuer sind.

Spiegel lenkt die Millimeterwellen ab

Durch eine günstige Aufbau- und Verbindungstechnik und eigens entwickelte Leiterplatten konnten wir die Hohlleiter ersetzen und das Hochfrequenzmodul auf einer 78 mm x 42 mm x 28 mm großen Platine integrieren“, sagt Zech. Das Hochfrequenzmodul, Herzstück des Radarscanners, haben die IAF-Forscher in Zusammenarbeit mit den Fraunhofer-Instituten für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM und für Produktionstechnik und Automatisierung IPA entwickelt.

Das komplette System umfasst neben einem Signalprozessor eine Sende-und-Empfangsantenne mit einer dielektrischen, also elektrisch nicht leitenden Linse. Ein im 45°-Winkel angebrachter, sich drehender Spiegel lenkt die Millimeterwellen ab, leitet sie weiter und erfasst den kompletten Raum. Durch den Einsatz der dielektrischen Antenne ist der Öffnungswinkel frei einstellbar, sodass sowohl kleine, zentimetergroße Objekte im Nahbereich als auch große, weit entfernte Flächen erfasst werden können. Die Reichweite des Systems ist abhängig von der Anwendung und kann bis zu mehreren Hundert Metern betragen. Der Scanner besitzt eine Ethernet-Schnittstelle und ist daher für Industrie-4.0-Netzwerke vorbereitet.

Um die Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit des 360°-Radars zu testen, führten die Forscher Hunderte Messungen im Labor durch. Die maximale Abweichung vom Mittelwert liegt bei unter 1 µm, die Standardabweichung bei 0,3 µm. Einen Demonstrator des Systems präsentieren die Forscher vom 25. bis 29. April auf der Hannover-Messe (Halle 2, Stand C16/C22) und vom 10. bis 12. Mai auf der Sensor + Test in Nürnberg (Halle 5, Stand 5-248).

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