DE102022126387A1

DE102022126387A1 - Method for testing a radio connection between a mobile robotic system and an external control unit

Info

Publication number: DE102022126387A1
Application number: DE102022126387.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Wietfeld; Janis Tiemann; Manuel Steve Mbankeu Patchou; Christian Arendt; Stefan Böcker
Original assignee: Technische Univ Dortmund Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Dortmund Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Technische Univ Dortmund Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Dortmund Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2022-10-11
Filing date: 2022-10-11
Publication date: 2024-04-11
Also published as: WO2024079154A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen einer Funkverbindung (1) zwischen einem mobilen Robotiksystem (2) und einer externen Steuereinheit (3), mit folgenden Verfahrensschritten:S1) Erfassen der realen Umgebung (4) und Erstellen einer virtuellen Umgebung (4'),S2) Modellieren der virtuellen Umgebung (4') durch Emulieren der Materialeigenschaften des Gebildes (5') und/oder Hinzufügen von weiteren dreidimensionalen Gebilden (9) mit vorbestimmten Materialeigenschaften,S3) Erfassen einer Position des mobilen Robotiksystems (2) in der realen Umgebung (4),S4) Übertragen der Position des mobilen Robotiksystems (2) auf die virtuelle Umgebung (4'),S5) Modellieren einer Funkausbreitung eines Testsignals (8') in der virtuellen Umgebung (4') abhängig von der Position des mobilen Robotiksystems (2),S6) Ermitteln von Änderungsparametern zum Anpassen eines Funksignals (8) der Funkverbindung (1) in der realen Umgebung (4) entsprechend des modellierten Testsignals (8'), undS7) Anpassen des Funksignals (8) entsprechend der Änderungsparameter und Senden des angepassten Funksignals (8) an das mobile Robotiksystem (2) oder die externe Steuereinheit (3).Auf diese Weise wird ein Verfahren zum Testen einer Funkverbindung eines mobilen Robotiksystems (2) in einer realen Umgebung (4) bereitgestellt, mit dem ein Testen der Funkverbindung (1) in einer beliebig modellierten Testumgebung ermöglicht wird, sodass auch komplexe Störszenarien kostengünstig nachgebildet werden können.The invention relates to a method for testing a radio connection (1) between a mobile robotic system (2) and an external control unit (3), with the following method steps:S1) detecting the real environment (4) and creating a virtual environment (4'),S2) modeling the virtual environment (4') by emulating the material properties of the structure (5') and/or adding further three-dimensional structures (9) with predetermined material properties,S3) detecting a position of the mobile robotic system (2) in the real environment (4),S4) transferring the position of the mobile robotic system (2) to the virtual environment (4'),S5) modeling a radio propagation of a test signal (8') in the virtual environment (4') depending on the position of the mobile robotic system (2),S6) determining change parameters for adapting a radio signal (8) of the radio connection (1) in the real environment (4) according to the modeled test signal (8'), andS7) adapting the radio signal (8) according to the change parameters and sending the adapted radio signal (8) to the mobile robotic system (2) or the external control unit (3). In this way, a method for testing a radio connection of a mobile robotic system (2) in a real environment (4) is provided, which enables testing of the radio connection (1) in an arbitrarily modeled test environment, so that even complex interference scenarios can be simulated cost-effectively.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen einer Funkverbindung zwischen einem mobilen Robotiksystem und einer externen Steuereinheit in einer realen Umgebung.The invention relates to a method for testing a radio connection between a mobile robotic system and an external control unit in a real environment.

Mobile Robotiksysteme, wie insbesondere fahrerlose Transportsysteme für die Logistik, Roboter für Rettungs- oder Forschungseinsätze, teil- oder vollautomatisierte Kraftfahrzeuge, müssen für ihre Zulassung bzw. Zertifizierung umfangreich getestet werden. Bisher lag der Fokus der Testverfahren insbesondere für fahrerlose Transportsysteme bzw. Roboter primär auf den mechanischen und sensorischen Eigenschaften der Robotiksysteme. Das bedeutet, dass ein mobiles Robotiksystem innerhalb eines vorgegebenen Szenarios bestimmte Aufgaben, wie beispielsweise sich in einem Parcours mit Rampen und Treppen bewegen oder eine Tür öffnen und ein Ventil schließen, erledigen muss. Typischerweise werden diese Aufgaben dabei nicht vollständig autark durch das mobile Robotiksystem bewältigt. Vielmehr findet eine Steuerung durch einen sogenannten Operator statt, der die Aufgaben vorgibt und auch bestimmte Operationen direkt fernsteuern kann. Insofern muss ein mobiles Robotiksystem nicht nur mechanische und sensorische Fähigkeiten besitzen, sondern auch eine ausreichend stabile Funkverbindung zu dem Operator bzw. einer externen Steuereinheit aufweisen. Auch bei der Zertifizierung von teil- oder vollautomatisierten Kraftfahrzeugen spielt die Überprüfung der Funkverbindung unter herausfordernden Bedingungen eine zunehmende Rolle.Mobile robotic systems, such as driverless transport systems for logistics, robots for rescue or research missions, and partially or fully automated motor vehicles, must be extensively tested for their approval or certification. To date, the focus of the test procedures, especially for driverless transport systems or robots, has been primarily on the mechanical and sensory properties of the robotic systems. This means that a mobile robotic system must perform certain tasks within a given scenario, such as moving around a course with ramps and stairs or opening a door and closing a valve. Typically, these tasks are not handled completely autonomously by the mobile robotic system. Rather, they are controlled by a so-called operator who specifies the tasks and can also control certain operations directly remotely. In this respect, a mobile robotic system must not only have mechanical and sensory capabilities, but also have a sufficiently stable radio connection to the operator or an external control unit. Checking the radio connection under challenging conditions is also playing an increasing role in the certification of partially or fully automated motor vehicles.

Herkömmlicherweise werden in derartigen Testverfahren jedoch lediglich einfache Störszenarien betrachtet. Dazu gehören beispielsweise ein Komplettausfall der Kommunikation, eine erhöhte Paketfehlerrate oder diverse Abschattungshindernisse, die weit entfernt von realistisch modellierten Szenarien sind, wie sie beispielsweise im Falle eines Erdbebens oder Hochwassers durch die Zerstörung der Infrastruktur erfolgen. In solchen Fällen ergeben sich vollkommen veränderte Kommunikationsbedingungen, mit denen die mobilen Robotiksysteme umgehen müssen.However, such test procedures usually only consider simple disruption scenarios. These include, for example, a complete failure of communication, an increased packet error rate or various shadowing obstacles, which are far removed from realistically modelled scenarios such as those that occur in the event of an earthquake or flood due to the destruction of the infrastructure. In such cases, completely different communication conditions arise that the mobile robotic systems must deal with.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Testen einer Funkverbindung eines mobilen Robotiksystems erlauben es bisher noch nicht, auch komplexe Störszenarien zu berücksichtigen und gleichzeitig eine realitätsnahe Testumgebung zu schaffen.The methods known from the state of the art for testing a radio connection of a mobile robotic system do not yet allow complex interference scenarios to be taken into account and at the same time a realistic test environment to be created.

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Testen einer Funkverbindung eines mobilen Robotiksystems in einer realen Umgebung bereitzustellen, mit dem ein Testen der Funkverbindung in einer beliebig modellierten Testumgebung ermöglicht wird, sodass auch komplexe Störszenarien kostengünstig nachgebildet werden können.Based on this, the object of the invention is to provide a method for testing a radio connection of a mobile robotic system in a real environment, which enables testing of the radio connection in an arbitrarily modeled test environment, so that even complex interference scenarios can be simulated cost-effectively.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.This object is solved by the subject matter of patent claim 1. Preferred developments can be found in the subclaims.

Erfindungsgemäß ist somit ein Verfahren zum Testen einer Funkverbindung zwischen einem mobilen Robotiksystem und einer externen Steuereinheit in einer realen Umgebung vorgesehen, wobei die reale Umgebung wenigstens ein dreidimensionales Gebilde mit vorbestimmten Materialeigenschaften aufweist, das mobile Robotiksystem und die externe Steuereinheit jeweils eine Kommunikationseinheit mit wenigstens einer Antenne zum Senden und/oder Empfangen eines Funksignals aufweisen, mit folgenden Verfahrensschritten:

S1) Erfassen der realen Umgebung und Erstellen einer virtuellen Umgebung, wobei die virtuelle Umgebung ein digitaler Zwilling der realen Umgebung ist,
S2) Modellieren der virtuellen Umgebung mittels eines Planungssystems durch Emulieren der Materialeigenschaften des Gebildes der virtuellen Umgebung und/oder Hinzufügen von weiteren dreidimensionalen Gebilden mit vorbestimmten Materialeigenschaften zu der virtuellen Umgebung,
S3) Erfassen einer Position des mobilen Robotiksystems in der realen Umgebung mittels eines externen Positionsbestimmungssystems,
S4) Übertragen der Position des mobilen Robotiksystems in der realen Umgebung auf die virtuelle Umgebung,
S5) Modellieren einer Funkausbreitung eines Testsignals in der modellierten virtuellen Umgebung abhängig von der Position des mobilen Robotiksystems in der virtuellen Umgebung,
S6) Ermitteln von Änderungsparametern zum Anpassen eines Funksignals der Funkverbindung in der realen Umgebung entsprechend des modellierten Testsignals in der virtuellen Umgebung, und
S7) Anpassen des Funksignals entsprechend der Änderungsparameter und Senden des angepassten Funksignals an das mobile Robotiksystem oder die externe Steuereinheit.

According to the invention, a method is thus provided for testing a radio connection between a mobile robotic system and an external control unit in a real environment, wherein the real environment has at least one three-dimensional structure with predetermined material properties, the mobile robotic system and the external control unit each have a communication unit with at least one antenna for transmitting and/or receiving a radio signal, with the following method steps:

S1) Capturing the real environment and creating a virtual environment, where the virtual environment is a digital twin of the real environment,
S2) modelling the virtual environment using a planning system by emulating the material properties of the structure of the virtual environment and/or adding further three-dimensional structures with predetermined material properties to the virtual environment,
S3) Determining a position of the mobile robotic system in the real environment using an external positioning system,
S4) Transferring the position of the mobile robotic system in the real environment to the virtual environment,
S5) Modelling a radio propagation of a test signal in the modelled virtual environment depending on the position of the mobile robotic system in the virtual environment,
S6) Determining change parameters for adapting a radio signal of the radio link in the real environment according to the modeled test signal in the virtual environment, and
S7) Adjust the radio signal according to the change parameters and send the adjusted radio signal to the mobile robot system or the external control unit.

Ist vorliegend die Rede von einer realen Umgebung, ist damit ein Testgelände gemeint, auf dem ein oder mehrere dreidimensionale Gebilde angeordnet werden können. Dazu zählen insbesondere unterschiedlich hohe oder breite Gebäude, Treppen, Rampen oder einfache Wände. Diese dreidimensionalen Gebilde weisen physikalische Materialeigenschaften auf, wie beispielsweise eine Dichte oder eine Oberflächeneigenschaft. Abhängig vom Material können sie ein Funksignal unterschiedlich abschirmen oder reflektieren. Eine Wand aus Holz ist beispielsweise für die Funkverbindung weniger problematisch als eine Wand aus Beton.When we talk about a real environment, we mean a test area on which one or more three-dimensional structures can be arranged. These include, in particular, buildings of different heights or widths, stairs, ramps or simple walls. These three dimensional structures have physical material properties, such as density or surface properties. Depending on the material, they can shield or reflect a radio signal in different ways. For example, a wall made of wood is less problematic for the radio connection than a wall made of concrete.

Unter digitalem Zwilling wird vorliegend eine digitale Repräsentanz einer materiellen oder immateriellen Umgebung aus der realen Welt in der digitalen Welt verstanden. Dabei ist es unerheblich, ob das Gegenstück in der realen Welt bereits existiert oder zukünftig erst existieren wird. Der digitale Zwilling ermöglicht einen übergreifenden Datenaustausch. Er besteht aus einem Modell der repräsentierten Umgebung und kann daneben Simulationen, Algorithmen und Services enthalten, die Eigenschaften oder Verhalten der repräsentierten Umgebung beschreiben oder beeinflussen.In this context, a digital twin is understood to be a digital representation of a material or immaterial environment from the real world in the digital world. It is irrelevant whether the counterpart already exists in the real world or will only exist in the future. The digital twin enables comprehensive data exchange. It consists of a model of the represented environment and can also contain simulations, algorithms and services that describe or influence the properties or behavior of the represented environment.

Ist vorliegend die Rede von der Position des mobilen Robotiksystems in der realen Umgebung, ist damit der Standort des mobilen Robotiksystems innerhalb der realen Umgebung gemeint. Die Position wird mittels eines externen Positionsbestimmungssystems erfasst. Damit ist vorliegend ein unabhängiges Positionsbestimmungssystem gemeint. Das bedeutet, dass die Position unabhängig von der vom mobilen Robotiksystem selbst bestimmten Position ermittelt wird. Das unabhängige Positionsbestimmungssystem kann beispielsweise ein satellitenbasiertes System oder eine Kamera, in dessen Sichtfeld die Testumgebung angeordnet ist, sein. Das externe und unabhängige Positionsbestimmungssystem ermöglicht eine angemessene Reproduzierbarkeit der präzisen Positionsbestimmung des mobilen Robotiksystems als Eingabeparameter für den digitalen Zwilling, die für ein reproduzierbares Testen einer Funkverbindung mit hoher Genauigkeit in sehr komplexen und differenzierten Abbildungen realer Umgebungen zwingend notwendig ist.When we talk about the position of the mobile robotic system in the real environment, we mean the location of the mobile robotic system within the real environment. The position is recorded using an external positioning system. In this case, this means an independent positioning system. This means that the position is determined independently of the position determined by the mobile robotic system itself. The independent positioning system can, for example, be a satellite-based system or a camera in whose field of view the test environment is located. The external and independent positioning system enables appropriate reproducibility of the precise position determination of the mobile robotic system as an input parameter for the digital twin, which is absolutely necessary for reproducible testing of a radio connection with high accuracy in very complex and differentiated representations of real environments.

Das Modellieren der Funkausbreitung umfasst insbesondere das Nachverfolgen von ausgesendeten Funkwellen ausgehend von einer bestimmten Position innerhalb der virtuellen Umgebung. Dabei werden Abschattungen und Reflexionen der Funkwellen an dreidimensionalen Gebilden berücksichtigt und auch nach dem Auftreffen auf unterschiedlichen Oberflächen weiterverfolgt.Modelling radio propagation involves tracking radio waves emitted from a specific position within the virtual environment. Shadowing and reflections of the radio waves on three-dimensional structures are taken into account and are also tracked after they hit different surfaces.

Ist vorliegend die Rede vom Anpassen des Funksignals, ist damit insbesondere ein Dämpfen des Funksignals gemeint. Das bedeutet, dass das vorhandene reale Funksignal physikalisch gedämpft wird, sodass die Signalstärke reduziert und dem Testsignal in der virtuellen Umgebung angepasst wird. Eine Dämpfung des Signals kann dabei auch so weit erfolgen, dass das Signal vollständig unterdrückt wird und somit nicht mehr zur Verfügung steht.When we talk about adapting the radio signal, we mean dampening the radio signal in particular. This means that the existing real radio signal is physically dampened so that the signal strength is reduced and adapted to the test signal in the virtual environment. The signal can also be dampened to such an extent that the signal is completely suppressed and is therefore no longer available.

Es ist somit ein maßgeblicher Punkt der Erfindung, dass die modellhaft realisierten mechanischen Umgebungen eines Testgeländes mit einer hochrealistischen Modellierung der funktechnischen Eigenschaften unterschiedlicher Materialeigenschaften der Umgebung zu überlagert werden können. Auch wenn die für das mobile Robotiksystem zu Testzwecken bereitgestellte mechanische Umgebung mit funktechnisch wenig störenden Materialen, wie beispielsweise Holz und Kunststoff realisiert wurde, kann eine aus beispielsweise Stein, Beton und/oder Metall bestehende Umgebung funktechnisch emuliert und/oder ergänzt werden und damit realitätsnah wie auch kostengünstig in das Testszenario integriert werden.It is therefore a key point of the invention that the modeled mechanical environments of a test site can be overlaid with a highly realistic model of the radio properties of different material properties of the environment. Even if the mechanical environment provided for the mobile robot system for test purposes was made of materials that have little radio interference, such as wood and plastic, an environment consisting of stone, concrete and/or metal, for example, can be emulated and/or supplemented using radio technology and thus integrated into the test scenario in a realistic and cost-effective manner.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren folgende weitere Verfahrensschritte:

S8) Bewegen des mobilen Robotiksystems in der realen Umgebung, und
S9) Wiederholen der Schritte S3) bis S7) in Echtzeit.

According to a preferred development of the invention, the method comprises the following further method steps:

S8) Moving the mobile robotic system in the real environment, and
S9) Repeat steps S3) to S7) in real time.

Vorliegend ist mit „Bewegen“ das Verändern der Position bzw. des Standortes des mobilen Robotiksystems innerhalb der realen Umgebung gemeint. Dies geschieht vor Allem durch Verfahren des mobilen Robotiksystems, sodass das mobile Robotiksystem einen neuen Standort aufweist und von dort aus ausgehend eine neue Modellierung und Anpassung des Funksignals erfolgt.In this case, "moving" means changing the position or location of the mobile robotic system within the real environment. This is done primarily by moving the mobile robotic system so that the mobile robotic system has a new location and, from there, a new modeling and adaptation of the radio signal takes place.

Vorzugsweise erfolgt das Modellieren der Funkausbreitung mittels Raytracing. Raytracing ist ein auf der Aussendung von Strahlen basierender Algorithmus zur Verdeckungsberechnung, also zur Ermittlung der Sichtbarkeit von dreidimensionalen Objekten von einem bestimmten Punkt im Raum aus. Ebenfalls mit Raytracing bezeichnet man mehrere Erweiterungen dieses grundlegenden Verfahrens, die den weiteren Weg von Strahlen nach dem Auftreffen auf Oberflächen berechnen.The radio propagation is preferably modelled using ray tracing. Ray tracing is an algorithm based on the emission of rays for calculating occlusion, i.e. for determining the visibility of three-dimensional objects from a specific point in space. Ray tracing also refers to several extensions of this basic method that calculate the further path of rays after they hit surfaces.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Erfassen der Position des mobilen Robotiksystems in der realen Umgebung mittels GNSS, UWB-Funk und/oder mittels externer optischer Sensoren. Dabei ist GNSS ein globales Navigationssatellitensystem zur Positionsbestimmung und Navigation auf der Erde und in der Luft durch den Empfang der Signale von Navigationssatelliten und Pseudoliten. Dieses System eignet sich insbesondere für den Einsatz im Außenbereich. Im Innenbereich erfolgt die Positionsbestimmung insbesondere mittels UWB-Funks oder optischer Sensoren. UWB-Funk ist eine Möglichkeit zur Nahbereichsfunkkommunikation mit Ultra-Breitband-Technologie. Ein wichtiges Merkmal ist dabei die Nutzung sehr großer Frequenzbereiche mit einer Bandbreite von mindestens 500 MHz oder mindestens 20% des arithmetischen Mittelwertes von unterer und oberer Grenzfrequenz des genutzten Frequenzbereichs.According to a preferred development of the invention, the position of the mobile robotic system in the real environment is recorded using GNSS, UWB radio and/or external optical sensors. GNSS is a global navigation satellite system for determining positions and navigation on earth and in the air by receiving signals from navigation satellites and pseudolites. This system is particularly suitable for use outdoors. Indoors, the position is determined in particular using UWB radio or optical sensors. UWB radio is a possibility for short-range radio communication using ultra-wideband technology. An important feature is the use of very large frequency ranges with a bandwidth of at least 500 MHz or at least 20% of the arithmetic mean of the lower and upper limit frequencies of the frequency range used.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist wenigstens eine Kommunikationseinheit elektronisch steuerbare Dämpfungsglieder zum Dämpfen des Funksignals auf. Der Eingangspegel des Funksignals kann dann entsprechend der Änderungsparameter angepasst und das Signal mittels entsprechender elektronisch steuerbarer Dämpfungsglieder entsprechend physikalisch gedämpft an die Kommunikationseinheit übergeben werden.According to a preferred development of the invention, at least one communication unit has electronically controllable attenuation elements for attenuating the radio signal. The input level of the radio signal can then be adjusted according to the change parameters and the signal can be passed on to the communication unit in a physically attenuated manner by means of corresponding electronically controllable attenuation elements.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Funkverbindung einem ersten Funksystem zugehörig. Das Verfahren umfasst dann folgende weitere Verfahrensschritte:

S2a) Emulieren des ersten Funksystems der Funkverbindung mittels des Planungssystems, und
S5a) Bestimmen von Signaleigenschaften des Testsignals, wobei das Testsignal einem zweiten zu dem ersten Funksystem unterschiedlichem Funksystem zugehörig ist, und S6a) Anpassen der Signaleigenschaften des Funksignals des ersten Funksystems in der realen Umgebung entsprechend der Signaleigenschaften des Testsignals des zweiten Funksystems.

According to a preferred development of the invention, the radio connection belongs to a first radio system. The method then comprises the following further method steps:

S2a) emulating the first radio system of the radio link by means of the planning system, and
S5a) determining signal properties of the test signal, wherein the test signal is associated with a second radio system different from the first radio system, and S6a) adapting the signal properties of the radio signal of the first radio system in the real environment according to the signal properties of the test signal of the second radio system.

Die bestimmten physikalischen Signaleigenschaften des Funksignals werden in Abhängigkeit eines vorgegebenen Funksystems mittels entsprechender Simulationsmodelle in kommunikationstechnische Leistungsindikatoren wie vorzugsweise Datenrate, Paketfehlerrate und/oder Latenz abgeleitet und mittels einer entsprechenden Software auf Betriebssystemebene für ein anderes Funksystem umgesetzt. Weiter bevorzugt sind die unterschiedlichen Funksysteme wählbar aus WLAN, LTE, 5G oder 6G. Mit diesen Weiterbildungen ist es folglich möglich, das Verhalten bzw. den Einfluss von Funkkanaleigenschaften reproduzierbar auf andere Funksysteme, wie LTE oder 5G-Mobilfunk zu übertragen und/oder zu testen.The specific physical signal properties of the radio signal are derived as a function of a given radio system using appropriate simulation models into communication performance indicators such as preferably data rate, packet error rate and/or latency and implemented for another radio system using appropriate software at the operating system level. The different radio systems can also preferably be selected from WLAN, LTE, 5G or 6G. With these further developments, it is therefore possible to transfer and/or test the behavior or influence of radio channel properties reproducibly to other radio systems, such as LTE or 5G mobile communications.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren folgenden weiteren Verfahrensschritt:

S5') Modellieren eines Störsignals und Hinzufügen des Störsignals zu dem Testsignal.

According to a preferred development of the invention, the method comprises the following further method step:

S5') Modelling a disturbance signal and adding the disturbance signal to the test signal.

Auf diese Weise können zusätzlich potenzielle Interferenzsignale, die durch andere funktechnische Einrichtungen im Szenario, wie beispielsweise öffentliche Funksysteme oder auch bewusste Störer bzw. sogenannte Jammer, berücksichtigt und deren Auswirkungen, wie beispielsweise eine erhöhte Paketfehlerrate, über die an die Kommunikationseinheiten übermittelten Änderungsparameter integriert werden.In this way, potential interference signals generated by other radio equipment in the scenario, such as public radio systems or deliberate jammers, can also be taken into account and their effects, such as an increased packet error rate, can be integrated via the change parameters transmitted to the communication units.

Erfindungsgemäß ist weiterhin eine Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens zum Testen und/oder Zertifizieren von mobilen Robotiksystemen vorgesehen. Vorzugsweise handelt es sich bei den mobilen Robotiksystemen um teilautonome oder autonome Rettungsrobotik. Unter „Rettungsrobotik“ werden vorliegend Robotersysteme zur Entlastung von Rettungs- und Einsatzkräften in gefährlichen Situationen oder menschenfeindlichen Umgebungen verstanden. An diese Rettungsrobotik werden für einen zuverlässigen Betrieb hohe Anforderungen an die Funkverbindung zwischen der Rettungsrobotik und der Steuereinheit bzw. dem Operator gestellt, da vor allem in menschenfeindlichen Umgebungen eine Vielzahl an abschirmenden Hindernissen erwartet werden kann.According to the invention, the method described above is also used to test and/or certify mobile robotic systems. The mobile robotic systems are preferably semi-autonomous or autonomous rescue robotics. In the present case, “rescue robotics” refers to robot systems for relieving the burden on rescue and emergency personnel in dangerous situations or hostile environments. In order to ensure reliable operation, these rescue robotics are subject to high requirements for the radio connection between the rescue robotics and the control unit or operator, since a large number of shielding obstacles can be expected, particularly in hostile environments.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter im Detail erläutert.The invention is explained in more detail below using a preferred embodiment with reference to the drawings.

In den Zeichnungen zeigen

1 schematisch ein erstes Testszenario für ein Verfahren gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2a, 2b schematisch ein zweites Testszenario für ein Verfahren gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
3 schematisch den Ablauf eines Verfahrens gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In the drawings show

1 schematically shows a first test scenario for a method according to a preferred embodiment of the invention,
2a , 2 B schematically shows a second test scenario for a method according to a preferred embodiment of the invention and
3 schematically shows the sequence of a method according to a preferred embodiment of the invention.

Aus 1 ist schematisch ein Testszenario im Innenbereich ersichtlich. Gezeigt ist die reale Umgebung 4. Zwischen dem mobilen Robotiksystem 2 und der Steuereinheit 3 ist ein dreidimensionales Gebilde 5 in Form einer Wand angeordnet. Sowohl das mobile Robotiksystem 2 als auch die Steuereinheit 3 verfügen über eine Kommunikationseinheit 6 mit einer Antenne 7, über die das Funksignal 8 gesendet bzw. empfangen werden kann, sodass zwischen dem mobilen Robotiksystem 2 und der Steuereinheit 3 eine Funkverbindung 1 entsteht. Bei dem in 1 dargestellten mobilen Robotiksystem 2 handelt es sich um einen Rettungsroboter, der von einem Operator 12 teilweise ferngesteuert wird. Die Position des mobilen Robotiksystems 2 wird anhand eines Positionsbestimmungssystems 11, hier in Form einer Kamera dargestellt, ermittelt.Out of 1 A test scenario in the interior is shown schematically. The real environment 4 is shown. A three-dimensional structure 5 in the form of a wall is arranged between the mobile robot system 2 and the control unit 3. Both the mobile robot system 2 and the control unit 3 have a communication unit 6 with an antenna 7, via which the radio signal 8 can be sent or received, so that a radio connection 1 is created between the mobile robot system 2 and the control unit 3. In the 1 The mobile robotic system 2 shown is a rescue robot that is partially remotely controlled by an operator 12. The position of the mobile robotic system 2 is determined using a positioning system 11, shown here in the form of a camera.

Die Steuereinheit 3 ist mit einem Planungssystem 10 verbunden. Über das Planungssystem 10 kann der Operator 12 die virtuelle Umgebung 4' modellieren bzw. emulieren und die Funkausbreitung in der virtuellen Umgebung 4' modellieren. Ist die Funkausbreitung für ein Testsignal 8 ‚in der virtuellen Umgebung 4‘ bestimmt, kann das reale Funksignal 8 über die Kommunikationseinheit 6 derart gedämpft werden, dass das reale Funksignal 8 dem modellierten Testsignal 8' entspricht.The control unit 3 is connected to a planning system 10. The operator 12 can use the planning system 10 to model or emulate the virtual environment 4' and model the radio propagation in the virtual environment 4'. If the radio propagation is determined for a test signal 8 'in the virtual environment 4', the real radio signal 8 can be attenuated via the communication unit 6 in such a way that the real radio signal 8 corresponds to the modeled test signal 8'.

In der gezeigten Szene ist es daher möglich, einen Hindernisparcours mit kostengünstigen Styropor- oder Holzwänden als reale Umgebung 4 aufzubauen und die Materialeigenschaften nachträglich in der emulierten virtuellen Umgebung 4' zu verändern, sodass die Funkausbreitung für Beton- oder Metallwände modelliert wird. Das reale Funksignal 8, das durch eine Holzwand verläuft, wird dann derart gedämpft, dass es sich genauso verhält wie ein Funksignal, das durch eine Betonwand verlaufen würde. Ebenfalls ist es möglich, dass das Funksignal 8 und das Testsignal 8' unterschiedlichen Funksystemen zugeordnet werden. Auf diese Weise kann der Einfluss emulierter Funkumgebungen technologieneutral untersucht werden, indem beispielsweise ein reales WLAN-Funksignal mit einem 5G-Testsignal emuliert wird. Die Funkausbreitung kann demnach nicht nur für unterschiedliche virtuelle Umgebungen 4', sondern auch für verschiedene Funksysteme modelliert werden.In the scene shown, it is therefore possible to set up an obstacle course with inexpensive Styrofoam or wooden walls as a real environment 4 and subsequently change the material properties in the emulated virtual environment 4' so that the radio propagation is modeled for concrete or metal walls. The real radio signal 8, which runs through a wooden wall, is then attenuated in such a way that it behaves in the same way as a radio signal that would run through a concrete wall. It is also possible for the radio signal 8 and the test signal 8' to be assigned to different radio systems. In this way, the influence of emulated radio environments can be investigated in a technology-neutral way, for example by emulating a real WLAN radio signal with a 5G test signal. The radio propagation can therefore be modeled not only for different virtual environments 4', but also for different radio systems.

2a und 2b zeigen ein Testszenario im Außenbereich. In 2a befindet sich das mobile Robotiksystem 2 auf einem realen Testgelände in der realen Umgebung 4. Die Funkverbindung 1 zur Steuereinheit 3 wird nicht gestört. Die Position des mobilen Robotiksystems 2 wird mittels eines externen Positionsbestimmungssytems 11 ermittelt, welches in 2a als Satellit für die Positionsbestimmung über ein globales Navigationssatellitensystem gezeigt ist. Die Position des mobilen Robotiksystems 2 wird in die virtuelle Umgebung 4' übertragen. 2b zeigt die virtuelle Umgebung 4', in der weitere Gebilde 9 hinzugefügt wurden und das bereits vorhandene Gebilde 5' emuliert wurde. Das Testsignal 8' verläuft in der virtuellen Umgebung 4' nun durch eines der hinzugefügten Gebilde 9, sodass die Funkverbindung 1 nicht ohne Abschwächung des Testsignals 8' gegeben ist. Die Funkausbreitung wird modelliert und der Verlauf des Testsignals 8` in der virtuellen Umgebung 4' weiterverfolgt. Daraus lassen sich Änderungsparameter für das reale Funksignal 8 ableiten. Diese Änderungsparameter geben beispielsweise eine reduzierte Signalstärke an, sodass das reale Funksignal 8 entsprechend der modellierten Abschirmung des Testsignals 8` in der virtuellen Umgebung 4' gedämpft wird. Auf diese Weise kann das reale Funksignal 8 einer beliebig konfigurierten und komplexen virtuellen Umgebung 4' nachempfunden werden, ohne diese komplexe virtuelle Umgebung 4' real nachbilden zu müssen. Neben der Abschirmung des Testsignals 8' können auch Reflexionen an verschiedenen Oberflächen oder Interferenzen mit hinzugefügten und modellierten Störsignalen realisiert werden. Dies ist jedoch nicht in den 2a und 2b gezeigt. Durch Einfügen einer Störquelle in die virtuelle Umgebung 4' kann die Nachbildung eines komplexen realen Szenarios noch realistischer erfolgen. 2a and 2 B show a test scenario outdoors. In 2a the mobile robotic system 2 is located on a real test site in the real environment 4. The radio connection 1 to the control unit 3 is not disturbed. The position of the mobile robotic system 2 is determined by means of an external positioning system 11, which is in 2a as a satellite for determining position via a global navigation satellite system. The position of the mobile robotic system 2 is transmitted to the virtual environment 4'. 2 B shows the virtual environment 4', in which further structures 9 have been added and the existing structure 5' has been emulated. The test signal 8' now runs through one of the added structures 9 in the virtual environment 4', so that the radio connection 1 is not given without attenuation of the test signal 8'. The radio propagation is modeled and the course of the test signal 8` in the virtual environment 4' is followed further. From this, change parameters for the real radio signal 8 can be derived. These change parameters indicate, for example, a reduced signal strength, so that the real radio signal 8 is attenuated in accordance with the modeled shielding of the test signal 8` in the virtual environment 4'. In this way, the real radio signal 8 can be modeled on an arbitrarily configured and complex virtual environment 4' without having to actually recreate this complex virtual environment 4'. In addition to shielding the test signal 8', reflections on different surfaces or interference with added and modelled noise signals can also be realised. However, this is not included in the 2a and 2 B By inserting a source of interference into the virtual environment 4', the simulation of a complex real-world scenario can be made even more realistic.

3 zeigt den Ablauf eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der erste Abschnitt I umfasst den Schritt S1, wonach die reale Umgebung 4 als digitaler Zwilling in einer virtuellen Umgebung 4' nachgebildet wird. Dieser erste Abschnitt wird einmal pro Testgelände bzw. -umgebung durchgeführt. 3 shows the sequence of a method according to an embodiment of the invention. The first section I comprises step S1, after which the real environment 4 is reproduced as a digital twin in a virtual environment 4'. This first section is carried out once per test site or environment.

Der zweite Abschnitt II umfasst die Schritte S2 und S2a. Dieser Abschnitt II wird einmal pro Testszenario durchgeführt. Der Schritt S2 beinhaltet die Modellierung der virtuellen Umgebung 4'. Dies erfolgt durch Emulieren vorhandener Gebilde 5 und deren Materialeigenschaften oder durch Hinzufügen von weiteren Gebilden 9 oder Störsendern. Ebenso kann in Schritt S2a bei Bedarf das zu untersuchende Funksystem emuliert werden. Das bedeutet, dass das reale Funksignal 8 das Verhalten und die Ausbreitung eines Testsignals 8' eines unterschiedlichen Funksystems annimmt.The second section II comprises steps S2 and S2a. This section II is carried out once per test scenario. Step S2 involves modeling the virtual environment 4'. This is done by emulating existing structures 5 and their material properties or by adding further structures 9 or jammers. Likewise, in step S2a, the radio system to be examined can be emulated if necessary. This means that the real radio signal 8 assumes the behavior and propagation of a test signal 8' of a different radio system.

Der dritte Abschnitt III umfasst die Schritte S3 bis S9. Diese werden laufend wiederholt, sodass für jede Positions- bzw. Standortänderung des mobilen Robotiksystems 2 innerhalb der realen Umgebung 4 die Funkausbreitung stets in Echtzeit neu ermittelt wird und derart das Verhalten des Funksignals 8 in einem dynamischen Szenario getestet werden kann.The third section III comprises steps S3 to S9. These are continuously repeated so that for each change in position or location of the mobile robotic system 2 within the real environment 4, the radio propagation is always re-determined in real time and the behavior of the radio signal 8 can thus be tested in a dynamic scenario.

Im dritten Abschnitt III wird zuerst die Position des mobilen Robotiksystems 2 innerhalb der realen Umgebung 4 bestimmt S3 und auf die virtuelle Umgebung 4' übertragen S4. Anschließend wird die Funkausbreitung in der virtuellen Umgebung 4' modelliert S5. Das Testsignal 8` wird analysiert und es werden Signaleigenschaften wie Latenz oder Paketfehlerrate ermittelt. Danach werden Änderungsparameter für das reale Funksignal 8 bestimmt, die das reale Funksignal 8 in der realen Umgebung 4 entsprechend dem modellierten Testsignal 8' in der virtuellen Umgebung 4' und seinen Signaleigenschaften anpassen S6, S6a. Zum Schluss wird das reale Funksignal 8 mithilfe der Änderungsparameter angepasst S7 und der Kommunikationseinheit 6 zum Senden des Funksignals 8 an die Steuereinheit 3 oder von der Steuereinheit 3 an das mobile Robotiksystem 2 zur Verfügung gestellt. Die vorgenannten Schritte laufen in Echtzeit ab. Anschließend wird das mobile Robotiksystem 2 bewegt, sodass es seine Position bzw. seinen Standort ändert S8. Daraufhin wird die Funkausbreitung neu modelliert und das reale Funksignal 8 erneut angepasst S9.In the third section III, the position of the mobile robotic system 2 within the real environment 4 is first determined S3 and transferred to the virtual environment 4' S4. The radio propagation in the virtual environment 4' is then modeled S5. The test signal 8' is analyzed and signal properties such as latency or packet error rate are determined. After that, change parameters for the real radio signal 8 are determined, which adapt the real radio signal 8 in the real environment 4 according to the modeled test signal 8' in the virtual environment 4' and its signal properties S6, S6a. Finally, the real radio signal 8 is adapted using the change parameters S7 and made available to the communication unit 6 for sending the radio signal 8 to the control unit 3 or from the control unit 3 to the mobile robotic system 2. The aforementioned steps take place in real time. The mobile robotic system 2 is then moved so that it changes its position or location S8. The radio propagation is then remodeled and the real radio signal 8 is adjusted again S9.

Die dieser Patentanmeldung zu Grunde liegende Erfindung entstand im Rahmen des Projekts „Aufbau des Deutschen Rettungsrobotik-Zentrums (DRZ)“ mit dem Förderkennzeichen 13N14857 und im Rahmen des Projekts „6G-Forschungs-Hub für offene, effiziente und sichere Mobilfunksysteme - 6GEM“, mit dem Förderkennzeichen 16KISK038, welche vom BMBF gefördert wurden.The invention underlying this patent application was created within the framework of the project “Establishment of the German Rescue Robotics Center (DRZ)” with the funding code 13N14857 and within the framework of the project “6G Research Hub for Open, Efficient and Secure Mobile Communications Systems - 6GEM”, with the funding code 16KISK038, which were funded by the BMBF.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: FunkverbindungRadio connection
22: mobiles Robotiksystemmobile robotics system
33: SteuereinheitControl unit
44: reale Umgebungreal environment
4'4': virtuelle Umgebungvirtual environment
55: GebildeStructure
5'5': emuliertes Gebildeemulated structure
66: KommunikationseinheitCommunication unit
77: Antenneantenna
88th: FunksignalRadio signal
8'8th': TestsignalTest signal
99: GebildeStructure
1010: PlanungssystemPlanning system
1111: PositionsbestimmungssystemPositioning system
1212: Operatoroperator
II: erster Abschnittfirst section
IIII: zweiter Abschnittsecond part
IIIIII: dritter Abschnittthird section
S1S1: Erfassen der realen Umgebung und Erstellen einer virtuellen UmgebungCapturing the real environment and creating a virtual environment
S2S2: Modellieren der virtuellen UmgebungModeling the virtual environment
S2aS2a: Emulieren des ersten Funksystems der FunkverbindungEmulating the first radio system of the radio link
S3S3: Erfassen einer Position des mobilen Robotiksystems in der realen UmgebungDetecting a position of the mobile robotic system in the real environment
S4S4: Übertragen der Position des mobilen Robotiksystems in der realen Umgebung auf die virtuelle UmgebungTransferring the position of the mobile robotic system in the real environment to the virtual environment
S5S5: Modellieren einer Funkausbreitung eines TestsignalsModeling radio propagation of a test signal
S5aS5a: Bestimmen von Signaleigenschaften des TestsignalsDetermining signal properties of the test signal
S5'S5': Modellieren eines Störsignals und Hinzufügen des Störsignals zu dem TestsignalModeling a noise signal and adding the noise signal to the test signal
S6S6: Ermitteln von Änderungsparametern zum Anpassen eines FunksignalsDetermining change parameters to adjust a radio signal
S6aS6a: Anpassen der Signaleigenschaften des FunksignalsAdjusting the signal properties of the radio signal
S7S7: Anpassen des Funksignals entsprechend der Änderungsparameter und Senden des angepassten FunksignalsAdjusting the radio signal according to the change parameters and sending the adjusted radio signal
S8S8: Bewegen des mobilen RobotiksystemsMoving the mobile robotic system
S9S9: Wiederholen der Schritte S3) bis S7) in EchtzeitRepeat steps S3) to S7) in real time

Claims

Method for testing a radio connection (1) between a mobile robotic system (2) and an external control unit (3) in a real environment (4), wherein the real environment (4) has at least one three-dimensional structure (5) with predetermined material properties, the mobile robotic system (2) and the external control unit (3) each have a communication unit (6) with at least one antenna (7) for sending and/or receiving a radio signal (8), with the following method steps: S1) detecting the real environment (4) and creating a virtual environment (4'), wherein the virtual environment (4') is a digital twin of the real environment (4), S2) modeling the virtual environment (4') by means of a planning system (10) by emulating the material properties of the structure (5') of the virtual environment (4') and/or adding further three-dimensional structures (9) with predetermined material properties to the virtual environment (4'), S3) detecting a position of the mobile robotic system (2) in the real environment (4) by means of an external positioning system (11), S4) transferring the position of the mobile robotic system (2) in the real environment (4) to the virtual environment (4'), S5) modelling a radio propagation of a test signal (8') in the modelled virtual environment (4') depending on the position of the mobile robotic system (2) in the virtual environment (4'), S6) determining change parameters for adapting a radio signal (8) of the radio connection (1) in the real environment (4) according to the modelled test signal (8') in the virtual environment (4') and S7) adapting the radio signal (8) according to the change parameters and sending the adapted radio signal (8) to the mobile robotic system (2) or the external control unit (3).

Procedure according to Claim 1 , with the following further process steps: S8) moving the mobile robotic system (2) in the real environment (4), and S9) repeating steps S3) to S7) in real time.

Procedure according to Claim 1 or 2 , where the radio propagation is modelled using ray tracing.

Method according to one of the preceding claims, wherein the detection of the position of the mobile robotic system (2) in the real environment (4) is carried out by means of GNSS, UWB radio and/or by means of external optical sensors.

Method according to one of the preceding claims, wherein at least one communication unit (6) has electronically controllable attenuation elements for attenuating the radio signal (8).

Method according to one of the preceding claims, wherein the radio connection (1) is associated with a first radio system, with the following further method steps: S2a) emulating the first radio system of the radio connection (1) by means of the planning system (3), S5a) determining signal properties of the test signal (8'), wherein the test signal (8') is associated with a second radio system different from the first radio system, and S6a) adapting the signal properties of the radio signal (8) of the first radio system in the real environment (4) according to the signal properties of the test signal (8') of the second radio system.

Procedure according to Claim 6 , wherein the signal characteristics comprise a data rate and/or a packet error rate and/or a latency.

Procedure according to Claim 6 or 7 , whereby the radio systems can be selected from the following radio systems: WLAN, LTE, 5G, 6G.

Method according to one of the preceding claims, with the following further method step: S5') modeling an interference signal and adding the interference signal to the test signal (8').

Use of a method according to one of the Claims 1 until 9 for testing and/or certifying mobile robotic systems (2), in particular autonomous rescue robotics.