Autonomes Fahren in verschiedenen Leveln ist neben der Elektromobilität aktuell eines der wichtigsten Themen in der Automobilindustrie. Wie bei allen automatisierten Prozessen kommt der Sensorik hierbei eine entscheidende Rolle zu. Eine der eingesetzten Sensortechnologien ist das Radar, das auf der Reflexion von elektromagnetischer Strahlung im GHz-Bereich basiert. Zusammen mit Kameras und weiteren Sensortypen erfassen die Radarsensoren die Umgebung des Fahrzeugs und unterstützen den Fahrer mit Assistenzsystemen und Systemen zum teilautonomen oder autonomen Fahren.
Bis zu zehn Radarsensoren pro PKW
Die Anzahl der Sensoren, die einem modernen PKW verbaut werden, wächst stetig an. Heute sind es oft schon unglaubliche zehn Radarsensoren, die Objekte in verschiedenen Distanzen und Richtungen detektieren. Moderne Radarsensoren sind komplette Systeme aus teilweise Dutzenden Radarantennen und einer integrierten Signalverarbeitung. Aufgrund dieser Komplexität müssen sie im Rahmen der Qualitätssicherung getestet und kalibriert werden.
Die mittelständische Noffz Technologies mit Sitz in Tönisvorst entwickelt für diese Aufgabe Testsysteme, die das Unternehmen weltweit vertreibt. Von den über 240 Beschäftigten arbeiten rund 145 in dem neuen Firmengebäude, das 2023 bezogen wurde. „Wir betreiben überwiegend Projektgeschäfte, da die Testsysteme und Anlagen sehr individuell sind und dementsprechend viel Beratung notwendig ist“, sagt Markus Solbach, Geschäftsführender Gesellschafter des Mittelständlers.
„Mit unserer Universal Tester Plattform (UTP) haben wir aber ein modulares System mit hohem Standardisierungsgrad geschaffen, auf dessen Basis wir unseren Kunden dennoch eine optimal angepasste Lösung bieten können.“ In den Radar-Testsystemen hat Noffz einen stark wachsenden Zukunftsmarkt identifiziert, da Radarsensoren in Millionen-Stückzahlen benötigt werden und das Volumen weiter steigt. Die Industrieroboter von Mitsubishi Electric sind Basis für die nötige Flexibilität, die eine Standardisierung von Individuallösungen beinhaltet.
Der Roboter wird zum Messmittel
Bei der Entwicklung von Testsystemen für Radarsensoren sind gleich mehrere Herausforderungen zu meistern. Die Sensoren sollen im Betrieb Objekte in teilweise über hundert Meter Entfernung erkennen. Da die Testsysteme nicht in entsprechender Größe gebaut werden sollen, kommt ein sogenannter Radar Target Simulator (RTS) zum Einsatz. Diese aktive Komponente fängt das Radarsignal des Radarsensors auf und sendet mit einer Zeitverzögerung ein passendes Signal zurück. Dadurch können die Testsysteme sehr kompakt gebaut werden.
Bei den RTS arbeitet Noffz mit verschiedenen Partnern und Instrumentenhersteller zusammen, die diese zuliefern. Eine weitere Herausforderung ist es, ungewünschte Reflexionen des Radarsignals an den Wänden und Komponenten des Testsystems zu verhindern. Deswegen sind die Innenwände des Systems mit einer pyramidenförmigen Struktur aus einem Material ausgekleidet, das Radarstrahlung weitgehend absorbiert. Hier kann Noffz auf seine langjährigen Erfahrungen in der Hochfrequenz-Technik zurückgreifen, die aus zahlreichen Projekten in der Telekommunikationsbranche resultieren.
Besonders herausfordernd ist die exakte Positionierung und Bewegung der Radarsensoren im der Testkammer. In den ersten Versionen wurden die Prüflinge in zwei Richtungen gekippt, um so eine horizontale und vertikale Position eines zu detektierenden Objekts zu simulieren. „Azimut und Elevation getrennt zu verstellen, reicht aber bei den gestiegenen Anforderungen an die modernen Radarsensoren nicht mehr aus“, erklärt Martin Nieskens, der als Team Leader des ADAS System Design Teams bei Noffz die Testsysteme wesentlich mitentwickelt. Der Prüfling muss sich also gleichzeitig um beide Achsen bewegen können, um so zu simulieren, dass das gesamte Blickfeld abgedeckt wird. Nach der Kalibrierung kann der Sensor dann Objekte in verschiedenen Höhen und unterschiedlichen Winkeln detektieren.
Integrierter Industrieroboter
Bei Noffz entschied man sich dafür, die Bewegung des Prüflings mit einem Industrieroboter zu realisieren. In der Vergangenheit wurden bereits Roboter für Handlingsaufgaben in verschiedenen Projekten verwendet. Dabei belädt der Roboter die Testsysteme mit den Prüflingen und entnimmt sie wieder, nachdem der Test abgeschlossen ist. Die Aufgabe, den Prüfling wie gewünscht innerhalb des Systems zu bewegen, stellt allerdings deutlich höhere Anforderungen an den verwendeten Roboter.
„Wir haben uns für einen Sechsachs-Industrieroboter aus der MELFA-FR-Serie von Mitsubishi entschieden“, erzählt Nieskens. Dafür waren verschiedene Gründe maßgeblich. Damit sorgt die Möglichkeit, die Leitungen im Innern des Roboterarms zu installieren, dafür, dass weniger störende Reflexionen der Radarstrahlung auftreten. Besonders wichtig waren aber die absolute Genauigkeit sowie die Wiederholgenauigkeit.
„Die Anforderungen, die wir an den Roboter stellen, sind wesentlich höher als bei reinen Handlingsaufgaben oder auch bei Schweiß- oder Klebeanwendungen“, macht Solbach deutlich: „Denn wir verwenden den Roboter als Messmittel.“ Dadurch hat beispielsweise jeder Radarsensor einen rechnerischen Mittelpunkt – den sogenannten Center of Rotation –, der allerdings nicht mit dem geometrischen Mittelpunkt des Prüflings übereinstimmen muss. Dieser muss bei der Kalibrierfahrt des Prüflings im Testsystem stets im Mittelpunkt der Rotationsbewegungen liegen. Das ist eine Anforderung, die es bei anderen Roboteranwendungen so nicht gibt.
Echtzeitsysteme steuern die Roboterbewegung
Eine weitere Herausforderung ist die Synchronisation zwischen Roboterbewegung und Kalibrierprogramm. Die Geschwindigkeiten der Roboterbewegungen können zwar exakt definiert werden. Bei einer herkömmlichen Robotersteuerung gibt aber eine nicht genau vorauszusagende Verzögerung zwischen Start des Programms und tatsächlichem Start der Bewegung, was für die Kalibrierung nicht akzeptabel ist.
„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 Roboter. 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“, nennt Nieskens den wesentlichen Vorteil. Auf diese Weise ist dann sichergestellt, dass die Kalibrierfahrt in der Kammer und das Kalibrierprogramm des Sensors perfekt synchron ablaufen.
„Eine der Grundvoraussetzungen, damit wir den Roboter auf diese Weise verwenden konnten“, zeigt sich Nieskens überzeugt, „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 und offen. Damit hat Mitsubishi Electric etwa während der Entwicklungsphase einen Roboter zur Verfügung gestellt. Der technische Support schloss sogar die Robotik-Entwicklungsabteilung in Japan mit ein, die an der Lösungsentwicklung mitgewirkt haben. „Eine solche Unterstützung ist im Robotikmarkt keine Selbstverständlichkeit“, lobt Nieskens die erfolgreiche Kooperation.
Universelles System – neue Anwendungen für Radarsensoren
Die Kalibrierung des Radarsensors wird direkt während des Tests durchgeführt. Dabei werden die Kalibrierungs-Parameter in das Sensormodul geschrieben, in dem bei den komplexeren Radarsensoren ein DSP verbaut ist. Anschließend wird der Sensor in der Regel nochmals getestet. Der gesamte Vorgang dauert zwischen wenigen Sekunden und gut einer Minute. Dies hängt auch davon ab, ob weitere Tests etwa der elektrischen Steckverbinder durchgeführt werden.
„Für unsere Universelle Tester Plattform setzen wir nach Möglichkeit auf offene Systeme“, betont Solbach: „weswegen wir auch auf die Roboter von Mitsubishi Electric setzen, die eine offene Schnittstelle zur Ansteuerung bieten.“ Dazu gehört auch, dass Noffz die Steuerungstechnik des Systems nach Vorgaben des Kunden ausführt. Die Software des UTP ist so aufgebaut, dass die Messaufgabe nur durch Parametrieren erstellt werden kann. Der Kunde muss nach der Inbetriebnahme des Systems nicht mehr programmieren.
Für die Zukunft rechnet Noffz damit, dass in immer mehr Anwendungen Radarsensoren zum Einsatz kommen werden. Neben dem Straßenverkehr sind dies auch mobile Arbeitsmaschinen oder die Industrieelektronik. Dabei geht der Trend hin zu intelligenten Sensoren, die viel Datenverarbeitung direkt im Sensor vornehmen. „Wir sind deswegen optimistisch, in Zukunft weitere Kunden für unsere Testsysteme zu gewinnen“, fasst Solbach zusammen: „Und diese werden dann sicher mit den Industrierobotern von Mitsubishi Electric ausgestattet.“
