Analysis of Minimal MIMO-SAR Techniques for Human-Maschine Collaboration in Industrial Environments

Abstract

Der Bedarf nach sicherer Zusammenarbeit von Menschen und Roboter, sowie die Verbesserung von robotischer Wahrnehmung durch Nutzung aller möglichen Sensorschnittstellen im Allgemeinen, steigt durch die zunehmendeAutomatisierung von Logistikzentren und Fabrikationshallenweltweit. In diesem Kontext ist Multiple Input Multiple Output Synthetic Aperture Radar (MIMO-SAR) ein wenig beachtetes Forschungsfeld. MIMO SAR hat gerade durch die Verfügbarkeit von preisgünstigen und hochintegrierten Sensoren Popularität in Nahbereichsanwendungen gewonnen - vor allem im Sicherheits- und Medizinsektor. Eine große Vielfalt von bildgebenden Algorithmen sowie deren Limitierungen wurden durch bisherige Forschung evaluiert. Diese Thesis untersucht die Anwendbarkeit von bildgebenden MIMO-SAR Verfahren für robotische Wahrnehmung in industriellen Umgebungen und präsentiert eine praktische Herangehensweise sowie Implementierung. Der Range-Migration Algorithmus wird in Kombination mit zwei modernen Radar-systemen mit unterschiedlichen Antennenanordnungen verwendet. Die Abbildungsergebnisse lösen die untersuchten Objekte räumlich korrekt auf, zeigen dabei jedoch sehr begrenzte Auflösung orthogonal zur Bewegungsrichtung. Das demonstriert eine prinzipielle Verwendbarkeit von MIMO-SAR als zusätzliche Möglichkeit der Umgebungserfassung, trotz begrenztem Nutzen für die Verbesserung der Zusammenarbeit von Mensch und Roboter. Alternative Anwendungsgebiete beinhalten die Erfassung von verdeckten Objekten inWarenlagern oder in für optische Sensoren nicht erschließbaren Umgebungen. Die durch nicht lineare Bewegungen entstehende Komlpexität kann durch die Anwendung von aktuellen Fortschritten in dem Forschungsbereich gelöst werden.

The need to make robot-human collaboration safer and to extend robot perception in general with all possible sensory interfaces available on the market is rising due to the increased automation of logistic centers and fabrication halls worldwide. Multiple Input Multiple Output Synthetic Aperture Radar (MIMO-SAR) in that context presents a sparsely regarded field of research. It has gained popularity in close range applications due to the availability of low cost highly integrated sensors - especially in the security and medical sector. Previous research evaluated a variety of imaging algorithms and outlined clear limitations. This thesis studies the applicability of MIMO-SAR imaging to robot perception in industrial areas and presents a practical approach and implementation. The range-migration algorithm is used in combination with two radar systems, featuring a state of the art sensor and varying antenna layouts. The imaging results show the correct spatial location of objects with very limited resolution orthogonal to the robots movement direction. This demonstrates that in principle MIMO-SAR may be used as an additional perception vector, even though it has limited usability for close range human-robot collaboration safety. Alternative applications include imaging hidden objects in warehouses or areas not scannable by optical sensors. Complexity arising from non-linear movements of robots may be solved by applying latest advancements in the field.