Das Living Lab im Detail

Details des DRZ Living Lab

Herzstück des DRZ ist das Living Lab und dort gibt es viele einzelne Highlights. Was unsere Versuchshalle mit angeschlossenem Außengelände so besonders macht, stellen wir hier im Detail vor.

  • Die Absorberwände
  • Die Kräne
  • Die Hausfassade

Funklöcher gehören in manchen Einsatzgebieten noch zum Alltag. Da im Living Lab jede denkbare Situation nachgestellt werden soll, haben wir für die Simulation von Funkunterbrechungen Spezial-Wände angefertigt. Die genaue Bezeichnung lautet: MT65 Absorber.

MT-Mikrowellenabsorber sind hochleistungsfähige, breitbandige, kohlenstoffbeladene Polystyrolabsorber mit einer Betriebsfrequenz von 70 MHz bis 110 GHz. Aufgrund der hervorragenden Leistung bei Mikrowellenfrequenzen eignet sich die MT-Serie für Antenna Pattern Measurement (APM), Compact Antenna Test Range (CATR), Radar Cross Section (RCS) und Electronic Warfare (EW) anechoic chamber kammer-Anwendungen.

Wir verwenden Comtest Absorber, diese sind nachhaltig, umweltfreundlich und konform mit REACH und ROHS. Die Vorteile der Comtest-Mikrowellenabsorber sind:
Einzigartiges und verbessertes Produktdesign
Wechselnde Verjüngung (vertikal - horizontal)
Entspricht der Reinraumklasse 10.000 / ISO14644-1 Klasse 4
Gleichmäßige Belastung der Kohlenstoffzellen
Feuerhemmend nach ISO 11925-2 Klasse E / DIN 4102 Klasse B2
Steifigkeit und hohe Zugfestigkeit
Hervorragende Produktlebensdauer (>40 Jahre)
Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit
Außerdem haben sie ein sehr leichtes Gewicht

Durch die ISO 9001:2008 und ISO 14001:2004 ist eine hohe Qualitätssicherheit gegeben. 

Das Living Lab soll so umfangreich und vielseitig ausgestattet sein wie nur möglich.

Damit jedoch nicht nur die verschiedenen Aufbauten flexibel verschoben werden können, sondern auch die Roboter mit minimalem Aufwand angehoben werden, ist die Testhalle mit verschiedenen Kränen ausgestattet.

An den Außenwänden sind mehrere kleinere Kräne montiert. Diese können bis zu 1 Tonne heben und bewegen. Um einen dieser kleinen Kräne ist die Werkstatt herum gebaut.

So ist zum Beispiel das Anheben des D2 mit seinen fast 100 Kg kein Problem und für die Mitarbeiter und Forscher möglich.

An der Decke ist ein 12,5 Tonnen Laufkran Bestandteil der DRZ Living Lab Infrastruktur. Dieser kann flexibel über die gesamte länge und breite der Testhalle eingesetzt werden. Somit unterstützt dieser Kran vor allem bei der Aufrichtung der Aufbauten und beim Abladen der meist schweren Materialien.

Da im DRZ generell ein Augenmerk auf eine sichere und körperschonende Arbeitsumgebung gelegt wird, haben Teile der DRZ-Belegschaft an einer speziellen Schulung teilgenommen. Diese hat mit theoretischen und praktischen Lehreinheiten den sicheren Einsatz der Kräne vermittelt.

Im Living Lab sollen so viele verschiedene Szenarien nachgestellt werden wie möglich. Hierzu baut unser Hallenmeister möglichste vielseitige Teststationen.

Eine dieser Aufbauten ist die Hausfassade, diese ist ein Nachbau eines zweistöckigen Wohnhauses. An diesem Aufbau soll mit Drohnen die praxisnahe Erkundung von Hauswänden geübt werden. Mögliche Szenarien sind beispielsweise das autonome Auskundschaften, die Erkennung von Wärmesignatur oder auch die Erkennung von Lebenszeichen.

Der Bau besteht aus Trockenbauelementen sowie handelsüblichen Fenstern und Türen. Die Tür im Erdgeschoss dient ferner der Übung mit Bodenrobotern. Hier kann das präzise Öffnen von Türen geübt werden, so sollen die Abläufe im Ernstfall routiniert und zügig ablaufen, ohne die Einsatzkräfte zu gefährden.

  • Der Leitstand
  • Die Werkstatt
  • Der 3D-Drucker

Im Grunde handelt es sich bei unserem Leitstand um zwei Bildschirmarbeitsplätze, die mit Dockingstationen ausgestattet sind. Zwei Monitore stehen zur Verfügung, an denen die Bediener ihre Laptops anschließen können. Die Dockingstationen sind mit jeweils zwei der Monitore verbunden, gleichzeitig werden die Bildsignale abgegriffen und an einen zentralen PC geschickt.

Der Leitstand ist ein spezifischer Bereich im Living Lab, welcher nicht nur dazu dient, mittels kontrollierbarer Umgebungsbedingungen (z.B. ruhig oder einsatztypische Hintergrundgeräusche, die sich einspielen lassen), die Einsatzkräfte an typische Einsatzszenarien zu gewöhnen. Darüber hinaus wird er genutzt, um die Trainierenden während der Schulungen isoliert beobachten zu können.

Hierzu wurden mehrere Kameras im Leitstand verbaut: Pro Arbeitsplatz jeweils eine Webcam, um Gestik und Mimik der Leute zu beobachten und eine Weitwinkelkamera mit integriertem Mikrofon, um den kompletten Tisch zu überwachen und die Gespräche aufzuzeichnen.

Für diese Anforderungen wurde eine Alukonstruktion gebaut, die auf Rollen steht und daher auch flexibel durch die Halle gerollt werden kann. Der Vorteil: die zugehörige Technik wie Dockingstationen, Monitore, HDMI-Splitter zum Aufteilen der Bildsignale, oder das Bauteil, um die vier Signale wieder zu bündeln und an den zentralen PC zu schicken, kann direkt mit in den Tisch integriert werden. Auch die Signale der Trainingsüberwachung (Gestik und Mimik) werden an den zentralen PC weitergeleitet. Außerdem stehen in dem Raum, der für den der Leitstand vorgesehen ist, Lautsprecher, um Geräusche einzuspielen.

Im alltäglichen Betrieb bietet dieser Tisch jedoch auch den Vorteil, dass er einen flexiblen PC-Arbeitsplatz in der Halle ermöglicht.

Starten möchten wir mit dem Ort, an dem auch so einiges für das Living Lab entstanden ist: Die Werkstatt.

Grundsätzlich sagt der Titel schon, wofür dieser Bereich dient. In der Werkstatt gibt es die Möglichkeit, diverse Arbeiten durchzuführen - angefangen bei der Realisation neuer Aufbauten bis hin zu Arbeiten an den Robotern.

Ausgestattet ist die Werkstatt mit Werkzeugen von KS Tools, Metabo oder Kraftwerk. Weiterhin wurden dem DRZ auch Maschinen geliehen oder gespendet, wie z.B. das Schweißgerät, die Standbohrmaschine oder unser massiver Schweißtisch. Durch diese Gerätschaften können wir Material genau auf Maß sägen oder mit unserer Säulenbohrmaschine Aussparungen bohren und auch Metallbauteile zusammenschweißen. Es wird zwar vieles aus Metall gebaut, aber gerade Aufbauten wie die DRZ Challenge, werden von unserem Hallenmeister bevorzugt aus Holz geschaffen. Aufgrund dessen ist das Living Lab auch für Holzarbeiten bestens ausgestattet. So bietet die Werkstatt von einer Kappsäge mit verstellbarem Winkel über eine klassische Fuchsschwanzsäge bis hin zum Stechbeitel alles, was für solche Arbeiten nötig ist.

Da aber gerade während der Durchführung von Experimenten manchmal noch schnell etwas gelötet werden muss, hat die Werkstatt auch eine Lötstation. An dem Lötarbeitstisch können so jederzeit Platinen gelötet werden oder andere Lötarbeiten professionell durchgeführt werden.

Ihr seht also, dass wir im DRZ Living Lab nichts dem Zufall überlassen und so ausgestattet sind, dass jegliche Arbeiten mit höchster Präzision durchgeführt werden können.

Der 3D-Drucker, der zum Equipment des DRZ zählt, heißt Ultimaker S5. Er druckt die Bauteile durch einen schichtweisen Aufbau des Kunststoffs. Die Art des Druckens wird Fused Layer Modeling genannt. Die so übereinandergelegten Schichten sind üblicherweise zwischen 0,1 und 0,2 mm dick. Das für uns so mögliche Bauvolumen ist 330 x 240 x 300 mm. Die Druckebene kalibriert sich automatisch vor jedem Druck. Dadurch ist gewährleistet, dass die erste Schicht auf dem Druckbett gut haftet. Die Druckebene besteht aus einer Glasplatte, auf der direkt gedruckt wird. Das Glas wird dazu auf ca. 60 Grad aufgewärmt. Der Kunststoff, der aus der Düse extrudiert wird, hat ca. 210 Grad.

Der verwendete Kunststoff (PLA) ist relativ robust und auch für mechanische Anwendungen geeignet. Er ist jedoch sehr temperaturanfällig. In warmen Umgebungen wird der Kunststoff weich und verformt sich dadurch leicht. Ohne diese temperaturbedingte Verformbarkeit wäre das Drucken aber auch nicht so leicht möglich. Je nach geplantem Bauteil wird zusätzlich noch ein wasserlösliches, stützendes Material mitgedruckt. So wird die Konstruktion während des Druckvorgangs gestützt. Abschließend wird das Bauteil nur noch unter Wasser gehalten und das Stütz-Material löst sich auf.

Die Preise für den verwendeten Kunststoff beginnen schon bei 20€/Kg und sind damit vergleichsweise günstig. Dies und die vielen „Open-Source“-Bauteile, die im Internet heruntergeladen werden kann, machen das 3D-Drucken einfach und vergleichsweise kostengünstig.

Der Druck ist so zwar relativ günstig und eignet sich insbesondere für die Herstellung von Prototypen. Jedoch dauert der Druck sehr lange und ist abhängig von einigen Variablen wie z.B. der Schichtdicke, die wiederum die Genauigkeit und die Optik beeinflusst. Andere Parameter beeinflussen die Robustheit der Bauteile.

Die im DRZ produzierten Bauteile werden dann eingesetzt, wenn sie weder eine besonders starke Robustheit erfordern, noch in besonders warmen Umgebungen zum Einsatz kommen z.B. als Halterung für Sensoren. Jeder unserer Roboter hat irgendwo mehr oder weniger 3D-gedruckte Bauteile.
Momentan wird ein Dosimeter (für Radioaktivität) beschafft, sobald dies angekommen ist und wir die genauen Abmessungen kennen, werden wir mit unserem 3D-Drucker so zum Beispiel eine genau passende Halterung konstruieren und drucken. Diese wird auf dem D2 zum Einsatz kommen.

Bei einer individuellen Fertigung muss zunächst das Modell in einem CAD-Programm (z.B. Solidworks oder Solid Edge) erstellt werden. Das fertige, digitale Modell wird dann abgespeichert und durch die Software des 3D-Druckers geschickt. In dieser Software werden die Druckparameter (Geschwindigkeit, Schichtdicke, Füllungsgrad des Bauteils, Dicke der äußeren Wände ) eingestellt. Erst dann setzen sich die Druckdüsen in Bewegung und kreieren das Bauteil. Ein langer Prozess für ein kleines Bauteil aus Kunststoff.

  • Die DRZ-Challenge
  • UAV-Pilot-Skills-Parcours
  • Motion Capture-System

Die DRZ-Challenge ist ein Testfeld für Bodenroboter. In diesem realitätsnahem Nachbau von drei aufeinander folgenden Räumen (z.B. einem Labor) können verschiedene Szenarien getestet werden. Die erste Hürde ist das Öffnen einer Tür. Im nachfolgenden Raum können verschiedene Hindernisse eingebaut werden, die der Bodenroboter überwinden muss. Im zweiten Raum kann eine Nebelmaschine angeschlossen werden, die die Sichtbarkeit des Roboters einschränkt. Der Ausfall von Strom oder das Flackern von Licht kann hier ebenfalls simuliert werden. Dabei muss der Roboter in S-Form den Raum durchqueren. Im letzten Raum befinden sich verschiedenen Ventilarten. Hier kann der Roboter Manipulationsaufgaben durchführen. Zudem gibt es noch ausreichend Platz, um weitere Hindernisse einzubauen. Die Abmaße der DRZ Challenge betragen 10 (L) x 2 (B) Meter.

Nicht nur der Ausbau des Außengeländes schreitet voran, auch der Aufbau unseres Schulungzentrums nimmt Form an. Unser Hallenmeister hat hierfür in Zusammenarbeit mit dem Leiter des Schulungzentrums einen vielseitig einsetzbaren UAV-Pilot-Skills-Parcours gebaut.

Mit dem nagelneuen UAV-Pilot-Skills-Parcours ist im DRZ nun ein Amerikanischer Teststandard adaptiert, der für die Ausbildung und das Training von Drohnenpiloten entwickelt wurde. In einem Parcours aus Ständerwerk in Kombination mit Gegenständen oder zum Beispiel auch mit Fahrzeugen, werden fliegerische Fähigkeiten trainiert und Routinen verfestigt. Der Schwierigkeitsgrad der Trainingsprogramme kann unter einsatznahen Bedingungen beispielsweise durch Zeitlimits oder besondere Aufgabenstellungen, wie Objektsuche, Identifikation von Gegenständen und zielgenauer Abwurf oder Ablage von Gegenständen, an den Leistungsstand der Teilnehmer angepasst werden. Das Trainingsdesign ist skalierbar und bietet so die Möglichkeit abwechslungsreicher Trainingsvarianten in Bezug auf VLOS- und BVLOS-Flüge auch unter Einbindung weiterer Funktionen eines Drohnentrupps.

Die ersten Testflüge wurden bereits vom DRZ Drohnen-Pilot, im Rahmen der vfdb Jahresversammlung 2021, absolviert. Der Pilot hat feststellen können, dass es je nach Hindernis auf hohe Präzision ankommt und dass die Flugbahn immer wieder nachjustiert werden muss. Im Zusammenhang mit den weiteren vielseitigen Testumgebungen, wie beispielsweise das nachgebaute Regallager, bietet das DRZ Living Lab eine einzigartige Kombination an Trainingsmöglichkeiten für Roboter und Drohnen.

Unser Motion Capture-System besteht aus 40 einzelnen Spezialkameras und einem leistungsstarken Computer. Die Kameras sind alle untereinander vernetzt und liefern ihre Informationen zu diesem Computer. Verwendet wird das System, um Roboter (UAV’s und UGV’s) zu tracken und deren genaue Position in der Halle zu ermitteln. Diese Information können die Anwender dann direkt aus der Software erhalten. Alternativ bzw. zusätzlich wird es Schnittstellen geben, um die ermittelten Positionen in Echtzeit zum Roboter zu übertragen, damit dieser sich im Raum orientieren kann. Das System wird in dieser Rolle eine Art virtuelles GPS-System darstellen, welches beispielsweise benötigt wird wenn Indoor kein stabiler GPS-Empfang möglich ist. Außerdem können Tests (z.B. Geschwindigkeitsmessungen) präzise durchgeführt werden.

Das funktioniert in etwa wie folgt: Auf dem Roboter werden drei „Marker“ befestigt (verschieden große Kugeln), die mindestens von zwei Kameras gesehen werden müssen. Je mehr Kameras freie Sicht auf die Marker haben, umso genauer wird das Tracking. Es können Genauigkeiten von bis zu ca. 0,03 mm im Raum gemessen werden. Dabei kann nicht nur die Position, sondern auch die Orientierung (z.B. Neigung eines Roboters bei bestimmten Aktionen) bestimmt werden. 40 Kameras klingt vielleicht erstmal viel, wenn zwei eigentlich ausreichen. Da in den Aufbauten jedoch oft Hindernisse zu erwarten sind, werden immer nur wenige Kameras gleichzeitig die drei Marker sehen können. Und: Je mehr Kameras verwendet werden, umso größer wird natürlich auch der Bereich, der getrackt werden kann – zudem steigt die Genauigkeit.