Den Wald vor lauter Bäumen sehen

Metirionic Advanced Ranging Stack MARS ermöglicht die beste Sensortechnologie für die Navigationsunterstützung von Forst-Harvester-Systemen. Diese Systeme arbeiten als Zusatzlösung für die Erntemaschine, um die Arbeitsproduktivität zu steigern und die Sicherheit der Arbeitenden zu erhöhen, indem sie zum Beispiel die Positionen bestimmen, zu denen ein Mindestsicherheitsabstand eingehalten werden muss.

Harvester-Navi ist ein innovatives Forschungsprojekt, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert wurde. Ziel war die Entwicklung eines Navigations- und Sicherheitssystems für ein Holzerntefahrzeug  (Holzvollernter oder Harvester) basierend auf drahtlosen Sensornetzwerken. Die Verfügbarkeit von satellitenbasierter Navigation kann unter einem dichten Blätterdach im Wald stark eingeschränkt sein. Der Harvester-Navigator kommt als zusätzliches Assistenzsystem in einem Harvester (Holzvollernter) zur Anwendung, um zum einen die Produktivität beim Arbeitsprozess zu steigern als auch den Harvesterfahrer zu entlasten. Dazu wird eine Sicherheitszone um den Harvester definiert, welches mit einem drahtlosen Sensornetzwerk die Positionen von Waldarbeitenden erfasst und so erkennt, wenn sich ein Arbeitender in den Sicherheitsbereich des Harvesters bewegt.

Die Echtzeit-Positionierungstechnologie MARS (Metirionic Advanced Ranging Stack) bietet bedeutende Vorteile im Vergleich zu GNSS- und ToF-basierten Messverfahren. Das Verfahren nutzt den Frequenzraum, was Vorteile in extrem kurzen Rechenzeiten und der effektiven Unterdrückung von Reflexionen bringt. Darüber hinaus beeinflussen zusätzliche Störungen z.B. durch Bäume, Vordächer oder Schnee nur die Amplituden, nicht aber die Phasenverschiebungen der einzelnen Sinussignale, die bei MARS für die Entfernungsmessung berücksichtigt werden. Auf diese Weise ermittelt MARS zuverlässig die Entfernungen in komplexen Umgebungen.

Das Evaluierungssystem von Metirionic basiert auf der AT86RF215 Plattform von Microchip mit einem IP-basierten Netzwerkstack. Die Vernetzung für den Datenaustausch wird über WiFi mit dem MQTT-Protokoll implementiert. Das System wird von einem nanoPi Neo2 gesteuert, einem einfachen Arm-Computer, und es werden 2,4-GHz-Antennen verwendet. Die AT86RF215-Plattform von Microchip liefert die Bereitstellung von Entfernungsinformationen zwischen Ankern und Tags. Bei dem System kommen mindestens 3 Ankerknoten auf dem Harvester und 4 Tags zum Einsatz, die auf dem Helm des Waldarbeiters und der Waldumgebung im Arbeitsbereich verteilt werden. Mit allen Entfernungs- und Winkelinformationen und Referenzpositionen kann die Position aller Anker und Tags ermittelt werden.

• Mehr Sicherheit: Das Risiko menschlicher Fehler wird durch Echtzeitwarnungen verringert, wenn sich die Arbeiter gefährlichen Bereichen nähern.
• Verbesserte Effizienz: Die automatisierten Erntesysteme werden so programmiert, dass sie alle verfügbaren Ressourcen nutzen.
• Geringere Kosten: Weniger manuelle Arbeit sowie die Kosten für physische Barrieren, Zäune und andere Infrastrukturen werden reduziert.
• Verbesserte Nachhaltigkeit: Es trägt zum Umweltschutz bei, indem es den unbefugten Zugang zu sensiblen Gebieten verhindert und das Risiko von Schäden an Bäumen, Pflanzen und Wildtieren verringert.

Funktionsprinzip der MARS-Technologie

Das patentierte Ranging Messverfahren MARS arbeitet nach dem Sekundärradarprinzip. Der Initiator sendet mehrere CW-Signale auf dem 2,4-GHz-Frequenzband aus. Der Reflektor misst die empfangenen Signale und sendet als Antwort die gleiche Frequenzfolge zurück. Aus den Amplituden- und Phasenveränderungen ermittelt MARS (Metirionic Advanced Ranging Stack) den Abstand zwischen den beiden Funkknoten. Wenn mehr als eine Antenne eingesetzt wird, lässt sich zusätzlich der einfallende (AoA) und abgehende (AoD) Winkel errechnen. Besonders in industriellen Anwendungen mit reflektierenden, metallischen Oberflächen und Trennwänden ohne direkte Sichtverbindungen zwischen den Funkknoten, können Betreibende damit jederzeit eine zuverlässige Abstandsbestimmung durchführen. Die Besonderheit in der MARS Technologie liegt in der flexiblen Gestaltung der Frequenzfolge, die man auch als Melodie verstehen kann. Dadurch können, je nach Anforderungen und erforderlichem Messbereich, die Tonfolge und die Frequenzabstände optimiert werden, da sich je nach Umgebungsbedingungen und potenzieller Störungen die Töne unterschiedlich verhalten. Jeder einzelne Ton verändert über die Distanz seine Phase und Magnitude unterschiedlich und durch mathematische Auswertungen werden so präzise Positionsbestimmung möglich.

Vergleich von alternativen Technologien

UWB: Ultrabreitband basiert auf der Funkübertragung pulsförmiger Signale im 2ns-Intervall über breitbandige Kanäle von bis zu 500 MHz und mit sehr hohen Frequenzen von 3 GHz bis zu 10,6 GHz. Die Distanz wird über die Laufzeit des Pulses zwischen zwei Messpunkten (ToF= Time of Flight) ermittelt. Damit können zwar ebenfalls stabile Lokalisierungssysteme aufgebaut werden, allerdings sind die Pulsübertragungen in industriellen Umgebungen mit vielen metallischen Oberflächen, Reflexionen und ohne direkte Sichtverbindung zwischen zwei Punkten schwieriger zu realisieren.

RSSI: Misst die empfangene Signalstärke des Kommunikationssignals und schätzt daraus die Entfernung. Über mehrere Antennen (Antennenarray) kann auch der Winkel des empfangenen Signals erkannt werden. Das Verfahren ist relativ kostengünstig und kann in die meisten Funkstandards integriert werden, hat allerdings Limitierungen in der Genauigkeit und ist stark von den Umgebungsbedingungen abhängig. Eine Umsetzung in industriellen Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit ist selten möglich.

Bluetooth: Seit Bluetooth 5.1 ist es möglich, zusätzlich zu RSSI auch die Richtung von gesendeten Signalen (z.B. von sogenannte Tags mit einer einzigen Antenne) am Empfänger mit einem Antennenarray zu bestimmen (AoA). Im Bluetooth Protokoll ist zusätzlich ein Sinussignal (einzelner Ton) enthalten. Mit dieser Peilungsmethode und einer Triangulation, können Tags mit Hilfe von festen Ankerpunkten, sogenannten Beacons eine relativ gute Genauigkeit erreichen. Allerdings müssen die Beacons oder Ankerpunkte sorgfältig installiert werden und eine ständige Kommunikation zwischen Ankerpunkten und Tags gewährleistet sein. Aus diesen Gründen ist ein erhöhter Aufwand bei der Installation notwendig. Außerdem können Umgebungsreflexionen das Messergebnis erheblich stören.

Die MARS-Technologie von Metirionic bietet wesentliche Vorteile durch die Transformationen und Umrechnungen im Zeit- und Frequenzbereich. Die Vorteile dieser Rangingmethode sind unter anderem, extrem kurze Rechenzeiten und die gute Unterdrückung von Reflexionen, da MARS grundsätzlich den kürzesten Signalweg für die Kalkulation verwendet. Zusätzliche Störungen zwischen den Messpunkten durch Gegenstände, Trennwände oder sogar meterhohe Schneelawinen beeinflussen nur die Amplituden, nicht aber die Phasenverschiebungen der einzelnen Sinussignale, die für die Entfernungsmessung betrachtet werden. So erkennt MARS zuverlässig auch Abstände und Bewegungen hinter Trennwänden und komplexen Umgebungen, wie im Projekt Harvester-Navi*) zur Modernisierung von Wäldern zu sehen. Ebenso benötigen Betreiber von komplexen Lagerhallen bei RTLS (Echtzeitlokalisierungssysteme) Anwendungen weniger Ankerpunkte und die einfachere sowie einfacher skalierbare Infrastruktur reduziert so die gesamten Installations- und Wartungskosten.

Die MARS Technologie ist sowohl in Bluetooth Schaltkreisen (BLE Bluetooth Low Energy) als auch innerhalb des 2,4 GHz Bands IEEE 802.15.4, wie ZigBee und WirelessHart erprobt. Dank der hohen Robustheit, der hohen Zuverlässigkeit und der guten Sicherheit können im Einsatz bei kabellosen Maschinenbedieneinheiten hohe Eigensicherheiten erzielt werden, die nach der Maschinenrichtlinie ISO13849 zertifizierbar sind.

Insbesondere die Integration in Bluetooth-Geräte ermöglicht neue Funktionen für bestehende Designs, wie Bluetooth-Headsets, Sicherheitshelme, Sensoren oder andere intelligente Geräte ("smart devices").

Autor: Rainer Ihra, Head of Sales