Satellitenbasierte Navigationssysteme und standortbezogene Dienste sind aus dem Alltag kaum wegzudenken. GPS-basierte Anwendungen stoßen jedoch in Straßenschluchten oder innerhalb von Gebäuden an ihre Grenzen. Und ihre Entwicklung ist für kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) meist zu komplex. Experten am Fraunhofer ESK haben deshalb ein modulares System zur Sensordatenfusion entwickelt. Es ermöglicht die rasche Entwicklung von Produkten zur Lokalisierung und Navigation in Innenräumen.

Waren Sie heute schon an einem anderen Ort als Zuhause oder am Arbeitsplatz? Womöglich mit dem Auto unterwegs in eine andere Stadt? Oder Sie haben eine Fahrradtour unternommen? Oder Sie sind zu Fuß unterwegs gewesen zu dem neuen Restaurant, das »da irgendwo« sein soll? Dann haben Sie mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Navigationssystem oder zumindest eine entsprechende App benutzt. Für viele Menschen ist der elektronische Wegführer selbstverständlicher Teil ihrer Mobilität geworden. Zwischen 2010 und 2015 hat sich die Nutzung ortsabhängiger Dienste zur Lokalisierung und Navigation verdreifacht. Überall, wo ein oder eher mehrere Satellitensignale zur Verfügung stehen, legen sie den Menschen zuverlässig die Spur zum Wunschort.

Aber genau in dem »zur Verfügung stehen« liegt der Haken. Denn natürlich finden wir jetzt problemlos den Weg zum Museum oder in eine Behörde. Dann aber machen uns Beton und Stahl einen Strich durch die Rechnung: Zur Lokalisierung und Navigation in Innenräumen sind satellitenbasierte Anwendungen nicht geeignet. Und zur Entwicklung dieser Anwendungen stehen den wenigsten Unternehmen die Mittel zur Verfügung.

Im Projekt »FIONA« werden unterschiedliche Hardware und -Softwarekomponenten modular kombiniert. Bild: Fraunhofer ESK

Navigieren ohne Satelliten

Um navigieren zu können, muss das navigierende Objekt genau lokalisiert werden. Dazu nutzt man im Freien GPS-Satellitensignale, welche aber nicht in Innenräume gelangen. Doch es gibt auch andere Möglichkeiten, sich den richtigen Weg zeigen zu lassen: So kann man sich auch mit der Hilfe von Sensoren orientieren. Smartphones beispielsweise haben eine Reihe Sensoren eingebaut, die man für die Navigation nutzen kann. Dazu gehören vor allem Kompass, Beschleunigungssensor oder Gyroskop. Ist ein Ausgangspunkt bestimmt, lässt sich beispielweise über Kompass und Beschleunigungssensor ermitteln, wohin ein Fußgänger wie schnell gegangen ist. Das allerdings ist leichter gesagt als getan. Denn die Sensoren arbeiten nicht zwangsläufig zusammen und jeder für sich bietet nicht ausreichend Daten an, um sie für die Navigation nutzen zu können. Ali Golestani, Forscher am Fraunhofer-Institut für Eingebettete Systeme und Kommunikationstechnik ESK drückt es so aus: »Mit den Daten eines einzelnen Sensors haben wir ein Problem.« So kann man mit dem Kompass nicht bestimmen, ob sich das Objekt bewegt. Und ein Beschleunigungssensor kann keine Drehbewegungen feststellen, diese Information bietet nur das Gyroskop, was aber sonst keine Informationen liefert. Insgesamt würden die drei Sensoren ausreichend Information bieten, um für die Navigation nutzbar zu sein. Aber eben nur, wenn die Informationen aus den Sensoren vereint verarbeitet werden können. Golestani hat deshalb gemeinsam mit Partnern im Rahmen des EU-geförderten Projektes »Framework for Indoor and Outdoor Navigation Assistance – FIONA« eine Plattform entwickelt, die es ermöglicht, Daten aus vielfältigen Sensoren zu einem Datensatz zu fusionieren.

»So erhalten wir sehr genaue Information über die Lage eines Objekts oder einer Person.« Um eine Person verlässlich durch enge Flure oder vorbei an Hindernissen wie Türen zu navigieren, können nun mit Hilfe der Plattform auch Daten weiterer Sensoren genutzt werden. Beispielsweise die von Knotenpunkten, die sich mit geringem Aufwand in Gebäuden verbauen lassen. Sie empfangen die Signale von mobilen Objekten und senden diese zurück. Auf Basis der Signallaufzeiten zwischen Sender und Empfänger lässt sich die Position von Menschen oder beweglichen Objekten bestimmen, um ihnen satellitenunabhängig die Richtung zu weisen. Dank »FIONA« verbessert sich die Robustheit und Genauigkeit der Lokalisierung so weit, dass Objekte auf weniger als 20 Zentimeter Entfernung lokalisiert werden können. Hinzu kommt, dass im Gegensatz zu bisherigen Lösungen, bei denen eine vergleichbare Fusion der Daten von unterschiedlichen Sensoren umgesetzt wurde, »FIONA« seinen Nutzern eine Opensource-Plattform bietet. »Wegen der Komplexität derartiger Methoden war die Entwicklung von Navigationshilfen für den Innenraumbereich bislang großen Firmen vorbehalten. Nun aber werden auch bei kleinen und mittelständischen Betrieben innovative Entwicklungen auf Basis der Sensordatenfusion möglich«, resümiert Golestani.  

Die die verschiedenen Komponenten von »FIONA« werden Navigation und Lokalisierung in Gebäuden viel effizienter. Bild: Fraunhofer ESK

Fusion ist die Lösung

Die Open Source-Plattform ermöglicht es zudem, Lokalisierungssysteme um weitere Funktionen zu erweitern. Beispielsweise um eine Navigation für Sehbehinderte. Dass das System auch in diesem Anwendungsbeispiel funktioniert, konnten die Forscher durch Testreihen bestätigen. Sie integrierten Lokalisierung und Navigationshilfe in einen Gürtel, der seinem Träger durch Vibrationssignale die Richtung weist. Doch die Entwicklung eines Produkts war nie Ziel des Projekts. Entscheidend für die Forscher ist die Plattform zur Sensordatenfusion, die niedrigschwelligen Zugang zur Entwicklung technischer Lösungen in den Bereichen Lokalisierung, Umfelderkennung, Navigation und Sicherheit bietet. »Damit ist die Grundlage für die Industrie geschaffen, marktfähige Navigatoren zu entwickeln.«

Das Projekt, das von der EU gefördert wurde, ist mittlerweile abgeschlossen. Die Ergebnisse sind Open Source, also unter freier Lizenz und für jeden erhältlich. Für Golestani hört die Weiterentwicklung der Systeme damit jedoch nicht auf. Geplant ist, das System in einen Roboter zu integrieren. (jmu)

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