SafeTom - Sicherheit durch Elektrische Kapazitätstomographie

Allein in den USA werden alljährlich tausende Kinder beim Rücksetzen von Fahrzeugen überrollt, mehr als 100 erleiden tödliche Verletzungen. Ca. 36.000 Personen werden nach Verletzungen infolge der Verwendung von Kettensägen im Krankenhaus behandelt. Die Zahlen für Europa sind ähnlich. Es gibt eine Vielzahl weiterer Beispiele, wo Menschen verletzt werden, weil sie sich im gefährlichen Bereich um Geräte oder Maschinen aufhalten. Überwachungssysteme zur Erkennung von Personen können hier die Sicherheit erhöhen; die Industrie ist daher sehr an derartigen Systemen interessiert. Allerdings existieren zurzeit für eine Vielzahl von Problemstellungen keine zufriedenstellenden technischen Lösungen, welche die Anforderungen hinsichtlich Kosten, Einfachheit der Anwendung, einfacher Integrierbarkeit und geringer Fehlerrate erfüllen könnten. Kapazitive Sensorik ist eine Technologie, die für derartige Problemstellungen ein überaus hohes Potential aufweist. Am Institut für elektrische Messtechnik und Messsignalverarbeitung wurden in den letzten Jahren aufbauend auf kapazitiver Sensorik mehrere Sensorsysteme für Sicherheitsanwendungen entwickelt. Während mit diesen Sensorsystemen für einige Anwendungsfälle bereits sehr gute Ergebnisse erzielt wurden, zeigten die Untersuchungen, dass das Potential der Technologie aufgrund eines Mangels an Algorithmik und entsprechender Hardware nicht voll ausgeschöpft werden kann. In SafeTom sollen diese Lücken aufbauend auf Methoden aus der elektrischen Kapazitätstomographie (ECT) geschlossen werden. Die speziellen Anforderungen für Sicherheitsanwendungen bringen jedoch eine Reihe von neuen Herausforderungen mit sich. Mehrere Lösungsansätze werden in SafeTom vorgeschlagen, deren Anwendbarkeit im Laufe des Projektes untersucht werden sollen: Die Rekonstruktion muss in Echtzeit erfolgen, da Sicherheitsmechanismen (z.B. Abschaltung) oft innerhalb von 1 ms ausgelöst werden müssen. Ein innovatives 2.5D ECT Verfahren soll hier ausreichende Geschwindigkeit und Genauigkeit bringen. Der für Elektroden zur Verfügung stehende Raum ist zumeist äußerst limitiert. Dadurch wird das ohnedies schon schlecht gestellte Rekonstruktionsproblem in der ECT noch schwieriger. Durch experimentelle Untersuchungen und Modellbildung der Umgebung soll ausreichendes Vorwissen in die Rekonstruktion eingebracht werden, sodass auch unter den erschwerten Rahmenbedingungen eine zuverlässige Funktion gewährleistet werden kann. In Sicherheitsanwendungen sind die Elektroden der ECT voll der Umgebung ausgesetzt. Dadurch können elektromagnetische Störungen ungehindert auf das Messsystem einwirken. Es sind daher im Messsystem selbst Methoden erforderlich, um diese Störeinflüsse zu unterdrücken. In SafeTom werden dazu Frequenzspreizverfahren untersucht.

Die elektrische Kapazitätstomographie ist eine Technologie, die es ermöglicht, die räumliche Verteilung von Materialien basierend auf deren elektrischen Eigenschaften graphisch darzustellen. Anhand der so erzeugten Bilder können Objekte in der Umgebung des Sensors detektiert und auch klassifiziert werden. Die dazu erforderlichen Sensoren werden aus leitfähigen Flächen gebildet, die sich nahezu ohne Platzbedarf auf verschiedensten Oberflächen anbringen lassen. Neben dem geringen Platzbedarf bieten diese Sensoren den zusätzlichen Vorteil, dass sie keine direkte Sichtverbindung zu den Objekten benötigen, wie dies bei optischen oder akustischen Verfahren erforderlich ist. Im vorliegenden Projekt konnte gezeigt werden, dass die elektrische Kapazitätstomographie eine ausreichende Genauigkeit bei gleichzeitig ausreichend hoher Messrate erzielen kann, sodass eine Echtzeit-Anwendung in verschiedenen Bereichen beispielsweise in der Robotik oder im automotiven Bereich möglich ist. Auch für andere als der ursprünglich angedachten Bereiche, wie der Eiserkennung auf Windkraftanlagen oder auf Flugzeugen konnten die Methoden erfolgreich angewendet werden. Die Projektergebnisse können somit tatsächlich einen Beitrag leisten, um die Welt sicherer zu machen.