Störfeste Lokalisierung durch harmonisches Radar

Das Forschungsprojekt SHIELD entwickelt ein harmonisches Radar im ISM-Band bei 61 und 122 GHz für die millimetergenaue Lokalisierung in der Intralogistik. Sieben Partner aus Forschung, Industrie sowie Anwendung erforschen, wie sich Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit erstmals in einem einzigen Sensorsystem vereinen lassen. Die Lösung basiert auf aktiven, frequenzverdoppelnden Tags, deren Echosignale sich klar von Umgebungsreflexionen abheben. Fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) und Kleinladungsträger (KLT) lassen sich so selbst in metallreichen, dynamischen Lagerumgebungen präzise orten.

SHIELD erforscht ein neuartiges Lokalisierungssystem auf Basis harmonischer Radartechnologie im Radar Frequenzbereich von 61/122 GHz. Das Ziel: eine Grundlage für Produkte schaffen, die millimetergenaue Ortung mit hoher Zuverlässigkeit verbinden - bei gleichzeitiger Wirtschaftlichkeit.

Die Intralogistik steht vor konkreten Herausforderungen. Dynamische Lagerumgebungen verändern sich permanent durch wechselnde Regalpositionen, bewegte Roboter sowie menschliche Arbeitskräfte. Bestehende Technologien erzwingen einen Kompromiss: SLAM-Verfahren (Simultaneous Localization and Mapping) liefern nicht die nötige Zuverlässigkeit, RF-basierte Systeme wie Ultrabreitband-Technologie (UWB) erreichen keine ausreichende Genauigkeit, optische Systeme wie Motion Capturing erfordern hohe Investitionen samt täglicher Kalibrierung.

Das SHIELD-Projekt adressiert dieses Trilemma. Durch den Einsatz aktiver Tags mit nichtlinearen Bauelementen erzeugt das System Antwortsignale bei der doppelten Sendefrequenz. Diese harmonischen Echos heben sich klar von Umgebungsreflexionen ab - eine physikalische Eigenschaft, die Störfestigkeit auf Systemebene verankert.

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Leistungsangebot:

• Anforderungsanalyse für hochdynamische Intralogistik-Lokalisierung
• Entwicklung kompakter Radarsensoren samt Tags bei 61/122 GHz
• Systemarchitektur mit ganzheitlichen Schnittstellen (REST, WebSocket, MQTT)
• Validierung in realen Produktionsumgebungen bei Industriepartnern
• Softwarebasierte Lokalisierungsberechnung mit Datenanalyse-Tools

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»Die zentrale Herausforderung besteht darin, die im Labor nachgewiesene Genauigkeit des harmonischen ISM-Radars in industrielle Umgebungen zu überführen - mit metallischen Störern, Mehrwegeausbreitungen und dynamischen Veränderungen. Das harmonische Radar löst dieses Problem auf physikalischer Ebene, indem die Antwortsignale der Tags sich frequenzmäßig von sämtlichen Umgebungsechos unterscheiden.«
Sönke Kauffmann M. Sc. forscht am Fraunhofer IML zu harmonischem Radar

Das SHIELD-System nutzt das FMCW-Radarprinzip (Frequency-Modulated Continuous Wave) in den lizenzfreien ISM-Bändern bei 61 und 122 GHz. Aktive Tags - bestehend aus Antennen mit nichtlinearen Bauelementen - empfangen das Sendesignal bei 61 GHz, antworten bei 122 GHz. Dieser Frequenzsprung trennt Nutzsignal von Störreflexion.

Die methodischen Kernansätze:

• Multilateration durch ein Netzwerk verteilter Sensoren ermöglicht dreidimensionale Ortung
• MIMO-Radar-Ansätze steigern die räumliche Auflösung bei der Tag-Lokalisierung
• Joint Communication and Sensing (JCS) verbindet Kommunikation mit Positionsbestimmung
• Sensorfusion mit IMU, UWB oder GPS erhöht die Robustheit bei verdeckter Sichtverbindung
• Built-in Self-Tests gewährleisten kontinuierliche Selbstüberwachung im laufenden Betrieb

Ein applikationsspezifisches Adresscodierungsverfahren unterscheidet mehrere Tags im selben Sensorfeld. Die Software verarbeitet Rohdaten, berechnet Positionen per Multilaterations-Algorithmus, stellt Ergebnisse über REST (Representational State Transfer), WebSocket oder Message Queueing Telemetry Transport (MQTT) bereit.

Erfahren Sie mehr über Kooperationsmöglichkeiten oder den projektbegleitenden Industrieausschuss.

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• Informationen zum projektbegleitenden Ausschuss
• Zugang zu wissenschaftlichen Veröffentlichungen aus dem Projekt

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In der Intralogistik gehen KLT regelmäßig verloren. Sortierboxregale - etwa für Montagearbeiten - werden falsch zurückgestellt oder verschwinden in komplexen Regalsystemen. Die manuelle Suche kostet Zeit, verursacht Stillstände, belastet den Materialfluss.

Das SHIELD-System löst dieses Problem. Jeder KLT wird mit einem kompakten harmonischen Tag markiert. Ein Netzwerk aus Radarsensoren lokalisiert diese Tags kontinuierlich - selbst wenn sie in metallischen Regalen eingeordnet sind. Die Frequenzverdopplung auf 122 GHz trennt das Tag-Signal zuverlässig von Reflexionen der Metallumgebung.

Vorgehen im Projekt:

• Markierung ausgewählter KLT mit harmonischen Tags
• Installation des Sensornetzwerks in Testumgebungen (PACE Lab, SDFS Würth)
• Wiederholte Lokalisierung zur Verfolgung von Behälterbewegungen
• Vergleichsmessungen mit dem Motion-Capturing-Referenzsystem

Die Validierung erfolgt stufenweise: vom Labortestfeld über das Reallabor der SDFS bis zur Produktivumgebung bei Würth Industrie Service. Dort dienen reale Kanban-Systeme als Anwendungskontext.

Der vom Fraunhofer IML entwickelte LoadRunner® erreicht Geschwindigkeiten über 10 m/s. Im Schwarm muss diese Geschwindigkeit gedrosselt werden, da bestehende Lokalisierungstechnologien nicht die nötige Genauigkeit für eine kollisionsfreie Navigation liefern. Hohe Aktualisierungsraten fehlen.

Im zweiten Use Case dient das ISM-Radar als echtzeitfähige Logistik-Lösung für die Navigation mobiler Roboter. Der Ansatz invertiert das Messprinzip: Ein Radarsensor sitzt auf dem FTF, während Tags als feste Referenzpunkte im Raum verteilt sind. Das Fahrzeug bestimmt seine Position relativ zu diesen Knotenpunkten - in Echtzeit, mit Millimeter-Genauigkeit.

Kernaspekte dieses Szenarios:

• Radarsensor auf dem LoadRunner® misst Entfernungen zu verteilten Tags
• Multilaterationsprinzip berechnet 3D-Position aus mehreren Distanzmessungen
• Hohe Update-Raten unterstützen dynamische Schwarmkoordination
• Kommunikationskanal der Tags ermöglicht zusätzliche Datenübertragung

Das Echtzeit-Lokalisierungssystem soll die Dynamik schwarmbasierter Roboterflotten steigern, Kollisionsrisiken senken, den Durchsatz im Lager erhöhen.

Das SHIELD-Konsortium bündelt komplementäre Kompetenzen entlang der gesamten Wertschöpfungskette: vom integrierten Schaltungsentwurf (RUB, Fraunhofer FHR) über die Systemintegration (Localino) bis zur logistischen Anwendungsforschung (Fraunhofer IML, TU Dortmund FLW) und industriellen Validierung (SDFS, Würth).

Die Vorteile des harmonischen Radars gegenüber bestehenden Lösungen:

• Millimeter-Genauigkeit durch breitbandiges FMCW-Prinzip im ISM-Band 
• Störfestigkeit durch physikalische Trennung von Nutz- und Störsignalen
• Kompakte Bauform dank kurzer Wellenlängen bei 61/122 GHz
• Minimalinvasive Installation ohne aufwendige Infrastruktur
• Drahtloser Betrieb ohne tägliche Kalibrierung
• Skalierbarkeit durch integrierte Chip-Technologie mit sinkenden Stückkosten

Das Lokalisierungssystem eignet sich über die Intralogistik hinaus für weitere Bereiche: autonome Schwarmrobotik, Drohnennavigation in geschlossenen Räumen, Gelenkwinkelmessung in der Rehabilitation oder positionsbasierte Steuerung in der Kreativwirtschaft. Joint Communication and Sensing gehört zudem als Schlüsselkonzept zur nächsten Mobilfunkgeneration 6G.

Das Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML bringt als weltweit größtes Forschungsinstitut für Logistikanwendungen umfassende Expertise in Automatisierungstechnologien ein. Im Projekt übernimmt das Fraunhofer IML zentrale Aufgaben in der Lokalisierungs- und Anwendungserprobung, im Softwareentwurf sowie in der Evaluation unter Realbedingungen.

Mit dem PACE Lab (Positioning Accuracy Communication Evaluation) stellt unsere Forschungseinrichtung eine weltweit einzigartige Testinfrastruktur bereit. Zwei Versuchshallen mit rund 1.500 m² bieten Raum für verschiedene Szenarien. Ein Motion-Capturing-System lokalisiert Objekte sub-millimetergenau als Referenz. Ergänzend ermöglicht ein Seilroboter drei-dimensionale Messungen.

Das Institut entwickelt schwarmbasierte FTF wie den LoadRunner® - ein System, das von der SHIELD-Technologie unmittelbar profitiert. Bestehende Erfahrungen mit laser- und kamerabasiertem SLAM, feature-basierter Bodenkamera-Lokalisierung sowie DGNSS-Evaluierung fließen in die Bewertung des harmonischen Radars ein. Gemeinsam mit dem TU Dortmund FLW verantwortet unser Institut die Überführung der Grundlagenforschung in industriell nutzbare Systemlösungen.

Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)

Just Transition Fund (JTF)