Praxistests mit Drohnen und Industrierobotern 20.02.2019, 06:48 Uhr

Roboter lokalisieren Gegenstände über RFID-Tags

Amerikanische Wissenschaftler haben die optische Wahrnehmung von Robotern durch das Scannen von RFID-Tags ersetzt. Diese Entwicklung könnte auch die Kommunikation von Drohnenschwärmen erleichtern.

Ein Testlauf am MIT: Flasche und Deckel sind mit RFID-Tags versehen und können so von den Robotern lokalisiert werden – bei jeder Bewegung.
Foto: MIT

Ein Testlauf am MIT: Flasche und Deckel sind mit RFID-Tags versehen und können so von den Robotern lokalisiert werden – bei jeder Bewegung.

Foto: MIT

In manchen Situationen hat ein Roboter ein ähnliches Problem wie der Mensch. Muss er zum Beispiel für komplexe Aufgaben Gegenstände erkennen, reicht seine optische Wahrnehmung – das maschinelle Sehen – oft nicht aus. Denn bei einer großen Zahl an Gegenständen, die einander eventuell verdecken, ist es für Roboter schwer, in einem ausreichenden Maße visuelle Ansatzpunkte zu finden. Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben dafür jetzt eine Lösung entwickelt. Für die Identifizierung von Gegenständen verwendeten sie Radiofrequenzsignale.

Der Vorteil an der Radio Frequency Identification (RFID) ist ihre Unabhängigkeit von der visuellen Wahrnehmung. Roboter können mit RFID individuelle Ziele in einer großen Masse identifizieren, sogar durch Wände hindurch. Die Forscher setzen dafür ein System ein, das TurboTrack genannt wird. Dabei sendet ein Lesegerät zunächst ein drahtloses Signal aus, das vom RFID-Tag und anderen Objekten in der Nähe reflektiert und vom Lesegerät wieder empfangen wird. Ein Algorithmus durchsucht alle reflektierten Signale, um die Antwort des RFID-Tags herauszufiltern – jedes Tag reflektiert das Signal in einem individuellen Muster. Das permanente Aussenden des Signals führt dazu, dass der Roboter die Bewegung des Gegenstandes nachvollziehen kann. Bei Testläufen fanden die Roboter die markierten Objekte im Durchschnitt innerhalb von 7,5 Millisekunden. In Bezug auf die Ortsbestimmung wich die Genauigkeit um maximal einen Zentimeter ab.

Bildgebungstechnik als Vorbild für die Berechnung der RFID-Signale

Die Idee, RFID-Tags für die Lokalisierung von Gegenständen zu verwenden, ist nicht neu. Bei bisherigen Versuchen mussten die Wissenschaftler jedoch Abstriche machen, weil die Ergebnisse zu ungenau waren oder die Suche zu lange dauerte. Das Team am MIT hat sich für sein System daher von einer Bildgebungstechnik inspirieren lassen: Für hochauflösende Bilder werden einzelne Aufnahmen, die aus verschiedenen Perspektiven erstellt wurden, zu einem einzigen Bild zusammengesetzt. Dieses Prinzip haben die Forscher auf Funksignale angewendet. Wenn sich etwas bewegt, kann man es verfolgen, seine Position mehrfach ermitteln und die Ergebnisse abgleichen, sodass die Bewegung zu einer exakteren Lokalisierung beiträgt.

Alle Signale werden dabei mit Lichtgeschwindigkeit übertragen. Das System kann also die Zeit messen, die das Signal braucht, um wieder beim Sender anzukommen und so die Entfernung berechnen. Wenn sich das RFID-Tag bewegt, ändert sich auch der Signalwinkel geringfügig. Das kann der Algorithmus ebenfalls nutzen, um die Bewegung des Objektes nachzuvollziehen. Zusätzlich bezieht er alle übrigen Signale in seine Berechnungen ein, die von anderen Objekten in der Umgebung zurückgeworfen werden, inklusive ihrer Veränderungen. Durch dieses ständige Vergleichen der Abstandsmessungen aller Signale kann das Tag in einem dreidimensionalen Raum gefunden werden. Dies alles geschieht im Bruchteil einer Sekunde.

Bessere Kommunikation für Drohnen-Schwärme

Die möglichst genaue Lokalisierung von Objekten soll Roboter dazu befähigen, komplexe Aufgaben zu übernehmen. In der Fertigung könnten sie beispielsweise entlang einer Montagelinie Produkte aufnehmen, zusammenbauen und schließlich verpacken. Die Wissenschaftler haben ihre Entwicklung daher in einem Anwendungsszenario überprüft: Sie befestigten ein RFID-Tag an einer Flasche und ein zweites an dem dazugehörigem Deckel. Dann ließen sie einen Roboter – der den Gegenstand ohne maschinelles Sehen lokalisierte – die Flasche halten, ein zweiter verschloss sie mit dem Deckel. Das funktionierte genauso schnell wie bei herkömmlichen Versuchen, in denen die Roboter über maschinelles Sehen ihre Handlungen steuerten.

Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet ist die Drohnen-Technologie. Beispielsweise werden für Such- und Rettungsaufgaben Drohnen-Schwärme eingesetzt, um größere Gebiete abdecken zu können. Das bringt viele Herausforderungen mit sich. Unter anderem müssen die Drohnen in der Lage sein, miteinander zu kommunizieren und ihre Bewegungen exakt aufeinander abzustimmen. Das wird häufig durch unwegsames Gelände und Hindernisse wie Mauern und Bäume erschwert. Das neue RFID-System könnte dazu beitragen, dass sich Drohnen besser erkennen und die Position der jeweils anderen orten können. In einem Testlauf konnten die Forscher Drohnen mit RFID-Tag bereits erfolgreich dabei verfolgen, wie sie flogen und manövrierten.

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