Millimeterwellen-Technologie Radarsensoren für die Robotik

Bild 2: IWR1443BOOST – auf einem Turtlebot 2 angebrachtes EVM

Roboter revolutionieren die Gegenwart. Sie sind jedoch angewiesen auf die Informationen, die ihnen ihre »Sinnesorgane«, die Sensoren, liefern. Doch welche Sensortechnologien eignen sich eigentlich für Robotikanwendungen?

Die Experten von Texas Instruments setzen auf monolithische CMOS-Radarsensoren, die im Millimeterwellenbereich (mmWave) arbeiten. Sie sind überzeugt: Diese Technologie wird die schnelle Akzeptanz von Robotersystemen weiter beschleunigen.

Von Dennis Barrett, Produkt Marketing Manager, und Adrian Alvarez, Applikationsingenieur, beide Texas Instruments

Beim Gedanken an arbeitende Roboter stellt man sich häufig Werkshallen vor, in denen massive Maschinenarme mit sichtbaren Spulen und Kabelbäumen mit sprühenden Funken an Bauteilen schweißen. Diese Maschinen sind völlig anders als das Roboterbild, das in populären Medien und Zukunftsromanen gezeichnet wird: Dort sind Roboter allgegenwärtige Diener im Alltag. Heute befeuern revolutionäre Fortschritte im Bereich der künstlichen Intelligenz
die Weiterentwicklung der Robotik hin zu Dienstleistungsrobotern, unbemannten Luftfahrzeugen und selbstfahrenden Autos. Das Marktvolumen in diesem Bereich wird laut Prognosen der Marktforscher von Tractica geradezu explodieren: von 31 Milliarden US-Dollar im Jahr 2016 auf 237 Milliarden im Jahr 2020. 
 
Parallel zum Fortschritt der Robotertechnologie entwickeln sich auch die dazugehörigen Sensortechnologien weiter. Wenn Roboter in sich ändernden und unkontrollierten Umgebungen agieren sollen, dann liefert eine Kombination unterschiedlicher Sensortechnologien die besten Ergebnisse – vergleichbar mit den fünf Sinnen des Menschen. 

Sensortechnologien in der Robotik

Die Sensortechnologien in der Robotertechnik sind vielfältig. Dazu zählen neben Kraft- und Drehmomentsensoren auch Berührungssensoren, Entfernungsmesser in 1 D/2 D mit Infrarot (IR), LIDAR-Sensoren zur 3D-Laufzeitmessung (Time-of-Flight), Kameras, Trägheitsmesseinheiten (IMUs), GPS-Sensoren und andere. Eine relativ junge Technologie in der Robotersensorik sind Radarsensoren aus komplementären Metalloxid-Halbleitern (CMOS), die im Millimeter-Wellenbereich (mmWave) arbeiten. CMOS-mmWave-Radarsensoren ermöglichen die genaue Messung nicht nur des Abstands von Objekten in ihrem Sichtbereich, sondern auch der relativen Geschwindigkeit etwaiger Hindernisse. Alle Sensortechnologien haben ihre Vor- und Nachteile.

Ein wichtiger Vorteil von mmWave-Sensoren gegenüber sicht- und LIDAR-basierten Sensoren liegt in ihrer Unempfindlichkeit gegen Umgebungsbedingungen wie etwa Regen, Rauch, Nebel oder Frost. Außerdem können mmWave-Sensoren auch in völliger Dunkelheit oder bei direkter Sonneneinstrahlung arbeiten. Die Sensoren lassen sich ohne externe Linsen, Blenden oder Sensorflächen direkt hinter Kunststoffgehäusen anbringen. Sie sind extrem widerstandsfähig und können die Anforderungen der Schutzklasse IP 69K erfüllen. Die mmWave-Sensoren von TI sind außerdem klein und leicht. 

Monolithischer CMOS-Baustein

mmWave-Radarsensoren wandeln analoge HF-Frontend-Daten mithilfe eines Analog-Digital-Wandlers in digitale Signale um. Diese digital umgewandelten Daten erfordern sehr schnelle externe Datenbusse, um den Datenstrom in die Verarbeitungskette einzubringen, wo eine Reihe mathematischer Operationen die Reichweiten-, Geschwindigkeits- und Winkeldaten für die im Sichtfeld des Sensors erkannten Punkte erzeugen. Weil diese Systeme traditionell groß und teuer sind, hat TI alle ihre Funktionen in einem einzelnen monolithischen CMOS-Halbleiterbaustein zusammengefasst. Dies verringert die Größe, senkt die Kosten und reduziert den Stromverbrauch.
Die weiteren digitalen Verarbeitungsressourcen übernehmen jetzt die Nachverarbeitung der Daten für verschiedene Aufgaben, beispielsweise für das Clustering, Tracking oder Klassifizierung.