6 Achs-Roboter bewegt Radarsensor-Testsystem bei NOFFZ
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In unseren Autos werden sind heute immer mehr Radarsensoren integriert. Damit sie zuverlässige Ergebnisse liefern, müssen die zunehmend komplexer werdenden Sensoren in der Produktion getestet und kalibriert werden. Die NOFFZ Technologies GmbH bietet für diese Aufgaben Test- und Automatisierungssysteme. Darin werden 6-Achs-Roboter von Mitsubishi Electric zum ungewöhnlichen Messmittel, welches die hohe Präzision in der Bewegung ermöglicht.
Inhalt
- Sensorik entscheidend beim autonomen Fahren
- Komplexe Radarsensor Testsysteme von NOFFZ
- Der integrierte 6-Achs-Roboter
- Neue Applikationen für Radarsensoren
Sensorik entscheidend beim autonomen Fahren
Autonomes Fahren, das in verschiedenen Stufen realisiert wird, gehört neben der Elektromobilität zu den zentralen Themen der heutigen Automobilindustrie. Wie bei allen automatisierten Prozessen spielt die Sensorik eine wesentliche Rolle. Eine der Schlüsseltechnologien ist das Radar, das auf der Reflexion von elektromagnetischen Wellen im GHz-Bereich basiert. Radarsensoren erfassen zusammen mit Kameras und anderen Sensortypen die Umgebung des Fahrzeugs. Diese Daten werden genutzt, um Fahrerassistenzsysteme und Systeme für teilautonomes oder autonomes Fahren zu unterstützen und so die Sicherheit und Effizienz im Straßenverkehr zu erhöhen.
Die Anzahl der in einem modernen Pkw verbauten Sensoren steigt stetig. Gegenwärtig detektieren oft schon zehn Radarsensoren Objekte in verschiedenen Distanzen und Richtungen. Diese kompletten Sensor-Systeme haben teils Dutzende Radarantennen und die Signalverarbeitung integreiert. Weil sie so komplex sind, müssen die Radarsensoren in der Qualitätssicherung getestet und kalibriert werden.
Komplexe Radarsensor Testsysteme von NOFFZ
Die mittelständische NOFFZ Technologies GmbH entwickelt in Tönisvorst Testsysteme für verschiedenste Einsatzfälle und vertreibt diese weltweit. Im 2023 bzeogenen neuen Firmengebäude arbeiten etwa 145 der über 240 Beschäftigten.
„Wir betreiben überwiegend Projektgeschäfte, da die Testsysteme und Anlagen sehr individuell sind und dementsprechend viel Beratung notwendig ist“, sagt Markus Solbach, Geschäftsführender Gesellschafter bei NOFFZ: „Mit unserer Universal Tester Plattform (UTP) haben wir ein modulares System mit hohem Standardisierungsgrad geschaffen, auf dessen Basis wir unseren Kunden eine optimal angepasste Lösung bieten können.“
Im Bereich der Radar-Testsysteme sieht der Hersteller einen wachsenden Zukunftsmarkt, da die Nachfrage nach Radarsensoren kontinuierlich steigt. Die Flexibilität der benötigten Testsysteme wird durch die Sechsachsroboter von Mitsubishi Electric gewährleistet, die eine Standardisierung von individuellen Lösungen ermöglichen.
Radar-Testsysteme: die Herausforderungen
Die Entwicklung von Testsystemen für Radarsensoren stellt gleich mehrere Herausforderungen dar: Die Sensoren müssen Objekte in Entfernungen von über 100 m erkennen, doch Testsysteme sollen kompakt bleiben. Daher wird ein Radar Target Simulator (RTS) verwendet, der das Radarsignal des Sensors aufnimmt und mit einer Zeitverzögerung ein passendes Signal zurücksendet.
Dies ermöglicht den Bau kompakter Testsysteme. NOFFZ arbeitet bei den RTS mit verschiedenen Partnern und Herstellern zusammen, die diese Komponenten liefern.
Eine weitere Herausforderung stellen die ungewünschten Reflexionen des Radarsignals an den Wänden und Komponenten des Testsystems. Um dies zu vermeiden, werden die Innenwände des Systems mit einer pyramidenförmigen Struktur aus radarabsorbierendem Material ausgekleidet. NOFFZ nutzt hier sein umfangreiches Know-how in der Hochfrequenz-Technik, die aus zahlreichen Projekten der Telekommunikations-Welt stammt.
Auch die exakte Positionierung und Bewegung der Radarsensoren in der Testkammer stellt eine Hürde dar. In den ersten Versionen hat man die Prüflinge in zwei Richtungen gekippt. So wurde die horizontale und vertikale Position eines zu detektierenden Objekts simuliert.
„Azimut und Elevation getrennt zu verstellen, reicht aber bei den gestiegenen Anforderungen an die modernen Radarsensoren nicht mehr aus“, erläutert Martin Nieskens. Er hat als Team Leader vom ADAS System Design Team bei NOFFZ die Testsysteme wesentlich mitentwickelt. Der Prüfling muss sich also gleichzeitig um beide Achsen bewegen können. So wird simuliert, dass das ganze Blickfeld abgedeckt ist. Nach der Kalibrierung kann der Sensor Objekte in verschiedenen Höhen und unterschiedlichen Winkeln detektieren.
Der integrierte 6-Achs-Roboter
Bei dem Mittelständler entschied man sich schließlich dafür, die Bewegung des Prüflings mit einem Knickarmroboter umzusetzen. Schon in der Vergangenheit hat Industrierobotik Handlingsaufgaben in verschiedenen Projekten übernommen. Der Roboter belädt die Testsysteme mit den Prüflingen und entnimmt sie nachdem Test.
Allerdings stellt die Bewegung des Prüflings innerhalb des Systems deutlich höhere Anforderungen an die Industrieroboter. „Wir haben uns für einen 6-Achs-Roboter aus der Melfa-FR-Serie von Mitsubishi Electric entschieden“, erzählt Herr Nieskens. Ausschlaggebend dafür war die Möglichkeit, die Leitungen im Innern des Roboterarms zu installieren. So treten weniger störende Reflexionen der Radarstrahlung auf. Aber auch die hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit waren ausschlaggebend bei der Wahl.
„Die Anforderungen, die wir an den Roboter stellen, sind wesentlich höher als bei reinen Handlingsaufgaben oder auch bei Schweiß- oder Klebeanwendungen, denn wir verwenden den Knickarmroboter als Messmittel“, verdeutlicht Markus Solbach.
Jeder Radarsensor hat mit dem sogenannten Center of Rotation einen rechnerischen Mittelpunkt. Dieser muss allerdings nicht mit dem geometrischen Mittelpunkt des Prüflings übereinstimmen. Er muss bei der Kalibrierfahrt vom Prüfling im Testsystem stets im Mittelpunkt der Rotations-Bewegungen liegen. Diese Anforderung gibt es bei anderen Roboter-Anwendungen nicht.
Roboterbewegung in Echtzeit
Eine weitere Schwierigkeit besteht in der Synchronisation zwischen Roboterbewegung und Kalibrierprogramm. Während die Geschwindigkeit der Roboterbewegungen präzise definiert werden kann, führt eine herkömmliche Robotersteuerung zu unvorhersehbaren Verzögerungen zwischen dem Start des Programms und dem tatsächlichen Beginn der Bewegung. Das ist für die Kalibrierung inakzeptabel.
„Deswegen haben wir uns dazu entschlossen, die Robotersteuerung direkt aus einem Echtzeitsystem heraus zu übernehmen. Die Software von Mitsubishi Electric setzen wir in diesem Fall für die Handlingsaufgaben beim Wechsel des Prüflings und für die Kommunikation mit einer SPS ein“, erklärt Nieskens das Vorgehen. „Hier kommt ein Vorteil der Roboter von Mitsubishi Electric zum Tragen: Die offene Unterstützung einer Echtzeitansteuerung mit der parallelen Verarbeitung der Standardkommunikation über ein einfaches Roboterprogramm“, ergänzt Michael Finke, Produktmanager bei Mitsubishi Electric.
Aus den geforderten Bewegungen des Radarsensors in der Messkammer berechnet ein Embedded-System die Bahnbewegungen für den Roboterarm. Dieses Echtzeitsystem sorgt dafür, dass die Kalibrierfahrt des Roboters mit dem Test und Kalibrierprogramm synchronisiert wird.
„Mit diesem Vorgehen können wir die Kalibrierfahrt viel besser, präziser und in Echtzeit steuern“, erläutert Herr Nieskens den wesentlichen Vorteil. So ist sichergestellt, dass die Kalibrierfahrt in der Kammer und das Kalibrierprogramm des Sensors perfekt synchron laufen. „Eine der Grundvoraussetzungen, damit wir den Roboter auf diese Weise verwenden konnten, war die Tatsache, dass Mitsubishi Electric dem Projekt offen gegenüberstand und uns in jeder Phase unterstützt hat.“
Die Zusammenarbeit zwischen NOFFZ und Mitsubishi Electric war von Beginn an partnerschaftlich. Zum Beispiel hat Mitsubishi Electric während der Entwicklungsphase einen Roboter zur Verfügung gestellt. Selbst die Robotik-Entwickler in Japan haben an der Entwicklung mitgewirkt. „Eine solche Unterstützung ist im Robotikmarkt keine Selbstverständlichkeit“, lobt Nieskens die Kooperation.
Offene Schnittstelle zur Ansteuerung
Die Kalibrierung des Radarsensors erfolgt direkt während des Testvorgangs. Hierbei werden die Parameter in das Sensormodul geschrieben, das bei komplexeren Radarsensoren einen DSP enthält. Nach der Kalibrierung wird der Sensor erneut getestet, was je nach Umfang der Tests, wie beispielsweise zusätzlicher Tests der elektrischen Steckverbinder, zwischen wenigen Sekunden und einer Minute dauern kann.
„Für unsere Universelle Tester Plattform setzen wir nach Möglichkeit auf offene Systeme, weswegen wir auch auf die Roboter von Mitsubishi Electric setzen, die eine offene Schnittstelle zur Ansteuerung bieten“, betont Herr Solbach. NOFFZ passt die Steuerungstechnik des Systems gemäß den Kundenvorgaben an. Die Software der UTP ist so gestaltet, dass Messaufgaben durch einfache Parametrierung erstellt werden können, wodurch der Kunde nach der Inbetriebnahme des Systems keine Programmierungen mehr vornehmen muss.
Neue Applikationen für Radarsensoren
In Zukunft werden laut NOFFZ immer mehr Radarsensoren zum Einsatz kommen. Neben dem Straßenverkehr werden sie auch in mobilen Arbeitsmaschinen oder in der Industrieelektronik zu finden sein. Der Trend geht hier zu intelligenten Sensoren, welche die Daten direkt im Sensor bearbeiten. „Wir sind deswegen optimistisch, in Zukunft weitere Kunden für unsere Testsysteme zu gewinnen“, fasst Herr Solbach zusammen: „Und diese werden dann sicher mit den Industrierobotern von Mitsubishi Electric ausgestattet.“
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Dr. Jörg Lantzsch ist Fachjournalist und Inhaber der Angentur Dr. Lantzsch in Wiesbaden.