Wo geht's lang in geschlossenen Räumen?
Der sogenannte "Navi” fährt in den meisten Autos mit. Doch wer schon einmal in einen Tunnel gefahren ist, der weiß eben auch: Dort ist Schluss mit lustig! Weil sich GPS-Systeme an den Satellitensignalen organisieren, funktionieren sie nur im Freien. Dabei werden Navigationssysteme in geschlossenen Räumen immer wichtiger – beispielsweise in der automatisierten Fertigung, aber auch bei der Koordination von Rettungskräften im Katastrophenfall. An der Eidgenössisch-Technischen Hochschule Zürich beschäftigen sich die Wissenschaftler schwerpunktmäßig mit solchen 'Indoor-Navigationssystemen.'
Unterwegs mit einem Pkw zu einem wichtigen Termin. Der GPS-Empfänger sagt, wo's lang geht – ein kleines schwarzes Kästchen am Armaturenbrett. Das peilt mehrere spezielle Satelliten an, misst deren Einstrahlwinkel zueinander. Diese Daten gleicht der Navi in Sekundenschnelle mit den gespeicherten elektronischen Landkarten ab. In wenigen Augenblicken kennt das Gerät nicht nur die eigene Position, sondern errechnet auch den Weg zum gewünschten Ziel. Doch dieser mittlerweile unentbehrliche elektronische Helfer streikt immer dann, wenn's in geschlossene Räume geht, in Tunnels beispielsweise oder in große Hallen.
Und das hat nicht nur damit zu tun, dass die Satellitensignale kaum ins Innere dringen, erklärt Rainer Mautz, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Geodäsie an der Eidgenössisch-Technischen Hochschule Zürich:
"Das Signal wird nicht nur geschwächt im Innenraum. Es wird auch reflektiert. Es wird gebeugt. Es ist dann schwierig zu entscheiden, ob ein direktes oder ein indirektes Signal beim Empfänger ankommt. Es ist ein Rechenproblem, ein Korrelationsproblem letztendlich, aus diesem Wust von verschiedenen Wellen noch etwas Sinnvolles zu finden und die Position zu berechnen."
Doch gerade in geschossenen Räumen werden immer häufiger elektronische Systeme nachgefragt, die selbstständig die Position eines Objektes bestimmten. Beispiel: Der Roboter in einem Industriebetrieb, der selbstständig schweißt, lötet, schraubt. Er muss präzise gesteuert werden; im Idealfall schon mal quer durch eine Fabrikhalle. Dabei sollte der Roboter stets wissen, wo er sich gerade aufhält – und zwar unabhängig von klassischen Schienen oder Leitsystemen. Ist der Roboter in der gesamten Halle ohne räumliche Einschränkung einsetzbar, lässt sich der automatisierte Produktionsprozess entsprechend flexibler steuern.
Keine leichte Aufgabe für Experten wie Rainer Mautz von der ETH Zürich. Sie beschäftigen sich mit der Entwicklung sogenannter 'Indoor-Navigationssysteme'. Eines davon ist der 'Laser-Igel': Eine Kugel, aufgestellt in er Mitte eines Raumes. Sie wirft Lasterstrahlen in alle nur möglichen Richtungen, so wie ein Igel seine Stacheln trägt. Der Roboter, der seine Position bestimmen muss, wird mit winzigen Kameras ausgestattet.
"Und ich kann praktisch, wenn ich genügend Punkte sehe, mit der Kamera automatisch sozusagen über eine Software die Punkte detektieren und kann dann auch zurück schließen auf die Lage und die Orientierung der Kamera. Das ist sehr hochgenau. Es hat das Potenzial submillimetergenau eine Genauigkeit zu erreichen. Es ist von den ganzen Systemen eines der Genauesten für industrielle Anwendungen, für Roboterpositionierungen, für Automatisierungen, aber auch für die Geodäsie, für Messtechnik."
Eine Feuerwehr rückt aus, um einen Großbrand zu löschen. Ein Beispiel dafür, dass es Situationen gibt, in denen die Positionsbestimmung wichtig ist, in denen aber der entsprechende Raum nicht darauf vorbereitet werden kann, beispielsweise durch das Aufstellen eines 'Laser-Igels.' Wie aber trotzdem einen Feuerwehrmann orten, der nach einer Rauchgasvergiftung irgendwo im brennenden Gebäude bewusstlos zusammen bricht? Das ist das Ziel eines Systems, dass das Bundesamt für Materialprüfung in Zusammenarbeit mit der Freien Universität Berlin entwickelt.
Dreh- und Angelpunkt sind kleine Sensoren, die jeder Feuerwehrmann an seiner Einsatzkleidung trägt. Diese Sensoren analysieren den Bewegungsvorgang, erklärt Enrico Köppe von der Bundesanstalt für Materialforschung Berlin:
"Die Bewegungserkennung heißt: Es wurde ein Schritt vorgenommen. Es wurde eine Treppe bestiegen, herauf oder herunter. Oder es wurde mit dem Lift gefahren. Die Sensoren erkennen es so, weil die Sensoren die Informationen liefern, welche Kräfte, welche Beschleunigungen auf sie wirken. Aber der Mikrocontroller, der verwendet wird, wertet die entsprechenden Signale aus, schaut sich entsprechende Schnellwerte an, entsprechende Pegel und erkennt darin bestimmte Muster. Und diese Informationen werden ausgewertet und beispielsweise als ein Schritt interpretiert, der einen Meter Länge hatte."
Am Anfang des Einsatzes, also noch vor dem brennenden Gebäude, erfolgt die 'Nullstellung' der Sensoren. Die Position ist in diesem Augenblick bekannt. Dann setzen sich die Einsatzkräfte in Marsch. Die Sensoren messen jede Bewegung und melden die Daten über Funk an einen Zentralrechner in der mobilen Einsatzzentrale. Der weiß nun auf der Basis der Ausgangsposition und aller Bewegungsabläufe genau, wo sich wer innerhalb des Brandobjektes gerade befindet.
"Zusätzlich sind in solchen Systemen auch noch Vitalzeichen, also Sensoren, integriert, die sozusagen den Herzschlag beziehungsweise die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit unter der Jacke des Feuerwehrmanns erkennen und auch gleichzeitig mit übertragen. Also es werden Vitalzeichen mit aufgenommen, damit der Einsatzleiter auch jederzeit weiß: So geht's meinem Kollegen gerade im Einsatz."
In diesem Fall dient das 'Indoor-Positioning' der Rettung von Menschenleben. Die Anwendungspalette für Navigationssysteme scheint unendlich groß: Waren, versehen mit einem Mikro-Chip, deren Position im Supermarkt geortet werden können; kleine elektronische Führer, die den Kunden eines großen Einkaufscenters mitteilen, dass sich hinter der nächsten Ecke ein Blumenfachgeschäft befindet und nicht zuletzt Überwachungssysteme in Unternehmen, die dem Chef anzeigen, ob sich ein Mitarbeiter gerade am Arbeitsplatz aufhält. Hierbei wird klar: Nicht alles, was 'Indoor-Navigationssysteme' möglich machen, ist auch wünschenswert.
Professor Helmar Ingsandt ist an der ETH-Zürich Inhaber des Lehrstuhls für geodäsische Messtechnik. Er glaubt, dass solche Systeme auch in der Agrarproduktion der Zukunft immer häufiger zum Einsatz kommen:
"Also natürlich bei Indoor-Positioning-Farming, wie das so schön heißt, also in Gewächshäusern oder solchen Gegenden, wo GPS nicht oder nur sehr schlecht arbeiten. Dort brauchen wir zum Beispiel für diese Farming-Roboter Positioniermöglichkeiten, um die Position zum Beispiel der Pflanzen und mit Zusatzsensoren auch den Gesundheitszustand zu erkennen und daraus in einem Regelkreislauf vielleicht die Pflanzen zu düngen, besser zu bewässern und so weiter."
Und, man glaubt es kaum, auch im Schweinestall der Zukunft werden Laser-Igel oder ähnliche Systeme zur Navigation in geschlossenen Räumen aufgestellt werden.
"Man möchte zum Beispiel Bewegungsprofile erstellen in Ställen, wie sich die Tiere in biologischer Haltung von Tieren in den Ställen bewegen. Schweine haben zum Beispiel einen sehr großen Spieltrieb. Und man will dann sehen, wie sie sich dort gruppieren und so weiter. Das ist zu Forschungszwecken, aber natürlich auch zur Optimierung der Lebensmittelproduktion wichtig."
Angesichts solcher zukunftsweisender Anwendungen mutet der traditionelle Navi im Auto wie ein technologischer Dinosaurier an. Nach Ansicht der Experten steht fest: Den Indoor-Navigationssystemen gehört die Zukunft – ein Schritt auf dem Weg in eine automatisierte Welt.
Und das hat nicht nur damit zu tun, dass die Satellitensignale kaum ins Innere dringen, erklärt Rainer Mautz, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Geodäsie an der Eidgenössisch-Technischen Hochschule Zürich:
"Das Signal wird nicht nur geschwächt im Innenraum. Es wird auch reflektiert. Es wird gebeugt. Es ist dann schwierig zu entscheiden, ob ein direktes oder ein indirektes Signal beim Empfänger ankommt. Es ist ein Rechenproblem, ein Korrelationsproblem letztendlich, aus diesem Wust von verschiedenen Wellen noch etwas Sinnvolles zu finden und die Position zu berechnen."
Doch gerade in geschossenen Räumen werden immer häufiger elektronische Systeme nachgefragt, die selbstständig die Position eines Objektes bestimmten. Beispiel: Der Roboter in einem Industriebetrieb, der selbstständig schweißt, lötet, schraubt. Er muss präzise gesteuert werden; im Idealfall schon mal quer durch eine Fabrikhalle. Dabei sollte der Roboter stets wissen, wo er sich gerade aufhält – und zwar unabhängig von klassischen Schienen oder Leitsystemen. Ist der Roboter in der gesamten Halle ohne räumliche Einschränkung einsetzbar, lässt sich der automatisierte Produktionsprozess entsprechend flexibler steuern.
Keine leichte Aufgabe für Experten wie Rainer Mautz von der ETH Zürich. Sie beschäftigen sich mit der Entwicklung sogenannter 'Indoor-Navigationssysteme'. Eines davon ist der 'Laser-Igel': Eine Kugel, aufgestellt in er Mitte eines Raumes. Sie wirft Lasterstrahlen in alle nur möglichen Richtungen, so wie ein Igel seine Stacheln trägt. Der Roboter, der seine Position bestimmen muss, wird mit winzigen Kameras ausgestattet.
"Und ich kann praktisch, wenn ich genügend Punkte sehe, mit der Kamera automatisch sozusagen über eine Software die Punkte detektieren und kann dann auch zurück schließen auf die Lage und die Orientierung der Kamera. Das ist sehr hochgenau. Es hat das Potenzial submillimetergenau eine Genauigkeit zu erreichen. Es ist von den ganzen Systemen eines der Genauesten für industrielle Anwendungen, für Roboterpositionierungen, für Automatisierungen, aber auch für die Geodäsie, für Messtechnik."
Eine Feuerwehr rückt aus, um einen Großbrand zu löschen. Ein Beispiel dafür, dass es Situationen gibt, in denen die Positionsbestimmung wichtig ist, in denen aber der entsprechende Raum nicht darauf vorbereitet werden kann, beispielsweise durch das Aufstellen eines 'Laser-Igels.' Wie aber trotzdem einen Feuerwehrmann orten, der nach einer Rauchgasvergiftung irgendwo im brennenden Gebäude bewusstlos zusammen bricht? Das ist das Ziel eines Systems, dass das Bundesamt für Materialprüfung in Zusammenarbeit mit der Freien Universität Berlin entwickelt.
Dreh- und Angelpunkt sind kleine Sensoren, die jeder Feuerwehrmann an seiner Einsatzkleidung trägt. Diese Sensoren analysieren den Bewegungsvorgang, erklärt Enrico Köppe von der Bundesanstalt für Materialforschung Berlin:
"Die Bewegungserkennung heißt: Es wurde ein Schritt vorgenommen. Es wurde eine Treppe bestiegen, herauf oder herunter. Oder es wurde mit dem Lift gefahren. Die Sensoren erkennen es so, weil die Sensoren die Informationen liefern, welche Kräfte, welche Beschleunigungen auf sie wirken. Aber der Mikrocontroller, der verwendet wird, wertet die entsprechenden Signale aus, schaut sich entsprechende Schnellwerte an, entsprechende Pegel und erkennt darin bestimmte Muster. Und diese Informationen werden ausgewertet und beispielsweise als ein Schritt interpretiert, der einen Meter Länge hatte."
Am Anfang des Einsatzes, also noch vor dem brennenden Gebäude, erfolgt die 'Nullstellung' der Sensoren. Die Position ist in diesem Augenblick bekannt. Dann setzen sich die Einsatzkräfte in Marsch. Die Sensoren messen jede Bewegung und melden die Daten über Funk an einen Zentralrechner in der mobilen Einsatzzentrale. Der weiß nun auf der Basis der Ausgangsposition und aller Bewegungsabläufe genau, wo sich wer innerhalb des Brandobjektes gerade befindet.
"Zusätzlich sind in solchen Systemen auch noch Vitalzeichen, also Sensoren, integriert, die sozusagen den Herzschlag beziehungsweise die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit unter der Jacke des Feuerwehrmanns erkennen und auch gleichzeitig mit übertragen. Also es werden Vitalzeichen mit aufgenommen, damit der Einsatzleiter auch jederzeit weiß: So geht's meinem Kollegen gerade im Einsatz."
In diesem Fall dient das 'Indoor-Positioning' der Rettung von Menschenleben. Die Anwendungspalette für Navigationssysteme scheint unendlich groß: Waren, versehen mit einem Mikro-Chip, deren Position im Supermarkt geortet werden können; kleine elektronische Führer, die den Kunden eines großen Einkaufscenters mitteilen, dass sich hinter der nächsten Ecke ein Blumenfachgeschäft befindet und nicht zuletzt Überwachungssysteme in Unternehmen, die dem Chef anzeigen, ob sich ein Mitarbeiter gerade am Arbeitsplatz aufhält. Hierbei wird klar: Nicht alles, was 'Indoor-Navigationssysteme' möglich machen, ist auch wünschenswert.
Professor Helmar Ingsandt ist an der ETH-Zürich Inhaber des Lehrstuhls für geodäsische Messtechnik. Er glaubt, dass solche Systeme auch in der Agrarproduktion der Zukunft immer häufiger zum Einsatz kommen:
"Also natürlich bei Indoor-Positioning-Farming, wie das so schön heißt, also in Gewächshäusern oder solchen Gegenden, wo GPS nicht oder nur sehr schlecht arbeiten. Dort brauchen wir zum Beispiel für diese Farming-Roboter Positioniermöglichkeiten, um die Position zum Beispiel der Pflanzen und mit Zusatzsensoren auch den Gesundheitszustand zu erkennen und daraus in einem Regelkreislauf vielleicht die Pflanzen zu düngen, besser zu bewässern und so weiter."
Und, man glaubt es kaum, auch im Schweinestall der Zukunft werden Laser-Igel oder ähnliche Systeme zur Navigation in geschlossenen Räumen aufgestellt werden.
"Man möchte zum Beispiel Bewegungsprofile erstellen in Ställen, wie sich die Tiere in biologischer Haltung von Tieren in den Ställen bewegen. Schweine haben zum Beispiel einen sehr großen Spieltrieb. Und man will dann sehen, wie sie sich dort gruppieren und so weiter. Das ist zu Forschungszwecken, aber natürlich auch zur Optimierung der Lebensmittelproduktion wichtig."
Angesichts solcher zukunftsweisender Anwendungen mutet der traditionelle Navi im Auto wie ein technologischer Dinosaurier an. Nach Ansicht der Experten steht fest: Den Indoor-Navigationssystemen gehört die Zukunft – ein Schritt auf dem Weg in eine automatisierte Welt.