PanoRadar: Radiowellen verschaffen Robotern übermenschliche Sicht

Ein Forschungsteam der School of Engineering and Applied Science der University of Pennsylvania (Penn Engineering) hat mit dem auf Radiowellen basierenden PanoRadar eine Möglichkeit geschaffen, Robotern übermenschliches Sehvermögen zu geben. Roboter können damit ihre Umgebung auch unter schwierigen Bedingungen wahrnehmen, wie etwa bei Nebel und Rauch.

Bei schlechten Witterungsbedingungen versagen lichtbasierte Sichtsensoren wie Kameras oder Lidar (Light Detection and Ranging). Das muss aber nicht sein. Ein Blick in die Natur offenbart, dass viele Lebewesen in der Lage sind, ihre Umgebung auch unter widrigen Bedingungen wahrzunehmen, wie Fledermäuse durch Echos von Schallwellen und Haifische, die Beutetiere über elektrische Felder erkennen.

Roboter verwenden meist Kameras und setzen Lidar ein, um sich in ihrer Umgebung zu orientieren. Beides funktioniert gut, solange genügend Licht vorhanden ist. Falls nicht, nutzen einige Roboter herkömmliches Radar, um die Umgebungswahrnehmung zu verbessern. Der Nachteil davon: Die Radarbilder sind bei einer geringen Auflösung recht grob.

Die Umgebungswahrnehmung per Radiowellen ist nach Ansicht des Wissenschaftsteams die universelle Lösung, wie sie in der Studie "Enabling Visual Recognition at Radio Frequency" beschreiben, die in Proceedings of the 30th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking erschienen ist. Demnach ist es den Forschern gelungen, mittels einfacher Radiowellen und einer Künstlichen Intelligenz (KI) 3D-Ansichten von Umgebungen nahezu in Echtzeit zu erstellen.

"Unsere anfängliche Frage war, ob wir das Beste aus beiden Erfassungsmodalitäten kombinieren können", sagt Mingmin Zhao, Professor für Computer- und Informationswissenschaften. "Die Robustheit von Funksignalen, die auch bei Nebel und unter anderen schwierigen Bedingungen funktionieren, und die hohe Auflösung von visuellen Sensoren."

Langwellige Radiowellen und KI

Der von den Wissenschaftlern entwickelte Sensor funktioniert wie eine Art Leuchtturm. Dabei rotiert eine vertikale Antennengruppe im Kreis und gibt dabei langwellige Radiowellen ab. Die Reflexionen davon werden wieder aufgenommen und interpretiert. Dabei helfen KI-Algorithmen, die Messungen aus allen Rotationswinkeln kombinieren, um mehr Messpunkte zu erhalten und die Bildauflösung zu erhöhen.

"Um eine mit Lidar vergleichbare Auflösung mit Funksignalen zu erreichen, mussten wir Messungen von vielen verschiedenen Positionen mit einer Genauigkeit im Submillimeterbereich kombinieren", erklärt Haowen Lai, der Hauptautor der Studie. "Dies wird besonders schwierig, wenn sich der Roboter bewegt, da selbst kleine Bewegungsfehler die Bildqualität erheblich beeinträchtigen können."

Die Forscher entwickelten eine Methode, dem System beizubringen, was es gerade sieht. Dazu trainierten sie ein KI-Modell mit Lidar-Daten unterschiedlicher Umgebungen und glichen sie mit den Mustern und Geometrien der erfassten Räume ab. Mithilfe des Modells kann das PanoRadar exakt seine Umgebung erkennen.

Genaue Umgebungserkennung möglich

Das System kann dabei auch durch Nebel und Rauch sehen und Objekte präzise orten. Selbst die Erfassung von Glaswänden sei im Gegensatz zu Lidar möglich, wie die Forscher in Tests herausgefunden haben. Das funktioniere deshalb, weil Funkwellen nicht so leicht von Luftpartikeln blockiert werden können.

Dank der hohen Auflösung können Menschen genau erkannt werden. So kann das PanoRadar auch in autonomen Fahrzeugen bei allen Wetterbedingungen eingesetzt werden. Teuer ist das System nicht, schreiben die Wissenschaftler der Penn Engineering: Der Preis betrage lediglich einen Bruchteil von dem eines typischerweise teuren Lidar-Systems. Allein sollte das PanoRadar allerdings vorzugsweise nicht eingesetzt werden. Erst im Zusammenspiel mit anderen Umgebungserkennungssystemen, die ebenfalls ihre Vorteile haben, können Roboter ihre Umgebung optimal wahrnehmen.

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(olb)