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04
'26
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Fraunhofer FKIE entwickelt Systeme zur Radiolokalisierung
Forschende des Fraunhofer FKIE kombinieren Drohnen, Bodenroboter und automatisierte Sensorfusion zur schnellen Ortung und Bergung radioaktiver Materialien in Gefahrenlagen.
www.fraunhofer.de
© Fraunhofer FKIE: Das hochautomatisierte UAS hat neben einem Gammadetektor elektrooptische und Infrarotkameras an Bord.
Zivilschutz, Einsatzkräfte und sicherheitskritische Anwendungen stehen vor der Herausforderung, radioaktive, chemische oder biologische Gefahrenstoffe zu erkennen, die für den Menschen nicht wahrnehmbar sind und sich nur schwer aus der Ferne detektieren lassen. Am Fraunhofer Institute for Communication, Information Processing and Ergonomics FKIE werden hierfür unbemannte Luft- und Bodensysteme entwickelt, die radioaktive Quellen schnell und präzise lokalisieren können.
Chemische, biologische, radiologische, nukleare und explosive Stoffe (CBRNE) stellen ein Risiko für die Öffentlichkeit und für Einsatzkräfte dar. Wie aufwendig die Suche nach kleinsten radioaktiven Objekten sein kann, zeigte ein Vorfall in Australien im Jahr 2023, bei dem eine nur wenige Millimeter große Cäsiumkapsel eine groß angelegte Suchaktion auslöste. Vor dem Hintergrund zunehmender hybrider Bedrohungsszenarien arbeiten zwei Forschungsabteilungen am Fraunhofer FKIE an der Frage, wie unbemannte Luftfahrzeuge (Unmanned Aerial Systems, UAS) und unbemannte Bodenfahrzeuge (Unmanned Ground Vehicles, UGV) Menschen in solchen Lagen wirksam unterstützen können.
Die Leistungsfähigkeit dieser Systeme wird seit mehreren Jahren unter realistischen Bedingungen getestet, unter anderem beim European Robotics Hackathon am Kernkraftwerk Zwentendorf sowie beim European Land Robot Trial. Diese Veranstaltungen dienen dazu, Drohnen und Roboter praxisnah zu erproben und ihre Sensorik, Automatisierung und Navigation auf Basis der Ergebnisse weiterzuentwickeln.
© Fraunhofer FKIE: Ein erster Technologiedemonstrator wurde bereits erfolgreich getestet: Er kann innerhalb weniger Minuten eine radioaktive Quelle bis auf wenige Meter genau aufspüren.
Automatisierte luftgestützte Detektion radioaktiver Quellen
Im Auftrag des Bundeswehrforschungsinstituts für Schutztechnologien und ABC-Schutz (WIS) entwickelt die Abteilung Sensor Data and Information Fusion ein hochautomatisiertes UAS zur Detektion und Lokalisierung radioaktiver Quellen. Ein Technologiedemonstrator wurde bereits in Feldversuchen auf dem WIS-Gelände in Munster getestet und konnte radioaktive Quellen innerhalb weniger Minuten auf wenige Meter genau lokalisieren.
Der Detektionsprozess gliedert sich in eine Erkundungsphase und eine gezielte Suchphase. In der Erkundungsphase überfliegt das UAS das Einsatzgebiet nach einem festen Muster und erfasst kontinuierlich Umgebungsdaten. Sobald Abweichungen von der natürlichen Hintergrundstrahlung erkannt werden, wechselt das System in den Suchmodus.
In dieser Phase passt das System die Flugroute dynamisch an die bereits gesammelten Informationen und aktuelle Sensordaten an. Mithilfe stochastischer Verfahren wird die Wahrscheinlichkeit möglicher Quellenpositionen berechnet. Räumliche Heatmaps visualisieren die Strahlungsintensität in den überflogenen Bereichen, ergänzt durch Wahrscheinlichkeitskarten, die den wahrscheinlichsten Fundort anzeigen.
Sensorfusion und bordeigene Datenverarbeitung
Das UAS ist mit einem Gammastrahlungsdetektor sowie elektro-optischen und Infrarotkameras ausgestattet. Ein bordeigener Rechner verarbeitet die Daten in Echtzeit, während eine LTE-Kommunikationsanbindung die Überwachung vom Boden aus ermöglicht. Eine inertiale Messeinheit (IMU) erfasst Position und Bewegung des Systems im dreidimensionalen Raum. Kamerabilder werden georeferenziert, sodass erkannte Objekte wie Gebäude, Fahrzeuge oder Personen lagegenau auf Karten dargestellt werden können.
Die Arbeiten entstanden im Rahmen des HUGIYN-Projekts (Highly Automated UAS for Detecting and Identifying γ-Emitting Nuclides). Im Folgeprojekt SLEIPNIR sollen unter anderem höhere Fluggeschwindigkeiten realisiert sowie mehrere und bewegliche radioaktive Quellen gleichzeitig lokalisiert werden.
© Fraunhofer FKIE/Fabian Vogl: Der experimentelle CBRNE-Roboter unterstützt bei der Erkennung und Bergung von radioaktiven Gefahrstoffen.
Bodenroboter für gefährliche Einsatzumgebungen
In Situationen, die für Menschen zu gefährlich sind, ergänzen unbemannte Bodenfahrzeuge die luftgestützte Erkundung. Die Abteilung Cognitive Mobile Systems erforscht den Einsatz von Robotern mit CBRNE-Sensorik, autonomen Navigationsstrategien und Geodatenverarbeitung zur Detektion und Absicherung von Gefahrenbereichen.
Die von den Robotern gemessene Strahlung wird mit Referenzwerten aus dem offiziellen deutschen Radioaktivitätsüberwachungssystem¹ verglichen. Durch Datenfusion entstehen Strahlungskarten, mit deren Hilfe sich beurteilen lässt, ob es sich um eine reale Gefährdung oder um natürliche Schwankungen der Hintergrundstrahlung handelt.
© Fraunhofer FKIE/Fabian Vogl: Das innovative »Click & Grasp«-System befähigt den Greifarm, komplexe Bewegungen auszuführen.
Assistierte Manipulation und intuitive Bedienkonzepte
Neben der Detektion entwickeln die Forschenden Assistenzfunktionen für die sichere Bergung kontaminierter Materialien. Ein Click-and-Grasp-System ermöglicht es, Objekte direkt im Live-Videobild auszuwählen und automatisiert zu greifen. In Praxistests konnten Roboter ausgelaufenes Material aufnehmen, auf Radioaktivität prüfen, abtransportieren und in speziellen Behältern ablegen. Auch komplexe Bewegungen wie das Öffnen von Fahrzeugtüren sind möglich, wodurch sich radioaktive Stoffe in geschlossenen Räumen erreichen lassen.
Weitere Forschungsschwerpunkte liegen auf neuen Bedienkonzepten. Aus Sensordaten werden fotorealistische 3D-Modelle und virtuelle Umgebungen erzeugt, die es Bedienern erlauben, Objekte aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten, ohne den Roboter zu bewegen. Zusätzlich können Sensoren an Arm und Hand des Bedieners dessen Bewegungen direkt auf den Roboter übertragen, was eine intuitive Steuerung auch durch nicht spezialisierte Einsatzkräfte ermöglicht.
¹Das Umgebungs-Gammastrahlungs-Messnetz des BfS umfasst rund 1.700 Messstellen in ganz Deutschland.
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Zivilschutz, Einsatzkräfte und sicherheitskritische Anwendungen stehen vor der Herausforderung, radioaktive, chemische oder biologische Gefahrenstoffe zu erkennen, die für den Menschen nicht wahrnehmbar sind und sich nur schwer aus der Ferne detektieren lassen. Am Fraunhofer Institute for Communication, Information Processing and Ergonomics FKIE werden hierfür unbemannte Luft- und Bodensysteme entwickelt, die radioaktive Quellen schnell und präzise lokalisieren können.
Chemische, biologische, radiologische, nukleare und explosive Stoffe (CBRNE) stellen ein Risiko für die Öffentlichkeit und für Einsatzkräfte dar. Wie aufwendig die Suche nach kleinsten radioaktiven Objekten sein kann, zeigte ein Vorfall in Australien im Jahr 2023, bei dem eine nur wenige Millimeter große Cäsiumkapsel eine groß angelegte Suchaktion auslöste. Vor dem Hintergrund zunehmender hybrider Bedrohungsszenarien arbeiten zwei Forschungsabteilungen am Fraunhofer FKIE an der Frage, wie unbemannte Luftfahrzeuge (Unmanned Aerial Systems, UAS) und unbemannte Bodenfahrzeuge (Unmanned Ground Vehicles, UGV) Menschen in solchen Lagen wirksam unterstützen können.
Die Leistungsfähigkeit dieser Systeme wird seit mehreren Jahren unter realistischen Bedingungen getestet, unter anderem beim European Robotics Hackathon am Kernkraftwerk Zwentendorf sowie beim European Land Robot Trial. Diese Veranstaltungen dienen dazu, Drohnen und Roboter praxisnah zu erproben und ihre Sensorik, Automatisierung und Navigation auf Basis der Ergebnisse weiterzuentwickeln.
© Fraunhofer FKIE: Ein erster Technologiedemonstrator wurde bereits erfolgreich getestet: Er kann innerhalb weniger Minuten eine radioaktive Quelle bis auf wenige Meter genau aufspüren.
Automatisierte luftgestützte Detektion radioaktiver Quellen
Im Auftrag des Bundeswehrforschungsinstituts für Schutztechnologien und ABC-Schutz (WIS) entwickelt die Abteilung Sensor Data and Information Fusion ein hochautomatisiertes UAS zur Detektion und Lokalisierung radioaktiver Quellen. Ein Technologiedemonstrator wurde bereits in Feldversuchen auf dem WIS-Gelände in Munster getestet und konnte radioaktive Quellen innerhalb weniger Minuten auf wenige Meter genau lokalisieren.
Der Detektionsprozess gliedert sich in eine Erkundungsphase und eine gezielte Suchphase. In der Erkundungsphase überfliegt das UAS das Einsatzgebiet nach einem festen Muster und erfasst kontinuierlich Umgebungsdaten. Sobald Abweichungen von der natürlichen Hintergrundstrahlung erkannt werden, wechselt das System in den Suchmodus.
In dieser Phase passt das System die Flugroute dynamisch an die bereits gesammelten Informationen und aktuelle Sensordaten an. Mithilfe stochastischer Verfahren wird die Wahrscheinlichkeit möglicher Quellenpositionen berechnet. Räumliche Heatmaps visualisieren die Strahlungsintensität in den überflogenen Bereichen, ergänzt durch Wahrscheinlichkeitskarten, die den wahrscheinlichsten Fundort anzeigen.
Sensorfusion und bordeigene Datenverarbeitung
Das UAS ist mit einem Gammastrahlungsdetektor sowie elektro-optischen und Infrarotkameras ausgestattet. Ein bordeigener Rechner verarbeitet die Daten in Echtzeit, während eine LTE-Kommunikationsanbindung die Überwachung vom Boden aus ermöglicht. Eine inertiale Messeinheit (IMU) erfasst Position und Bewegung des Systems im dreidimensionalen Raum. Kamerabilder werden georeferenziert, sodass erkannte Objekte wie Gebäude, Fahrzeuge oder Personen lagegenau auf Karten dargestellt werden können.
Die Arbeiten entstanden im Rahmen des HUGIYN-Projekts (Highly Automated UAS for Detecting and Identifying γ-Emitting Nuclides). Im Folgeprojekt SLEIPNIR sollen unter anderem höhere Fluggeschwindigkeiten realisiert sowie mehrere und bewegliche radioaktive Quellen gleichzeitig lokalisiert werden.
© Fraunhofer FKIE/Fabian Vogl: Der experimentelle CBRNE-Roboter unterstützt bei der Erkennung und Bergung von radioaktiven Gefahrstoffen.
Bodenroboter für gefährliche Einsatzumgebungen
In Situationen, die für Menschen zu gefährlich sind, ergänzen unbemannte Bodenfahrzeuge die luftgestützte Erkundung. Die Abteilung Cognitive Mobile Systems erforscht den Einsatz von Robotern mit CBRNE-Sensorik, autonomen Navigationsstrategien und Geodatenverarbeitung zur Detektion und Absicherung von Gefahrenbereichen.
Die von den Robotern gemessene Strahlung wird mit Referenzwerten aus dem offiziellen deutschen Radioaktivitätsüberwachungssystem¹ verglichen. Durch Datenfusion entstehen Strahlungskarten, mit deren Hilfe sich beurteilen lässt, ob es sich um eine reale Gefährdung oder um natürliche Schwankungen der Hintergrundstrahlung handelt.
© Fraunhofer FKIE/Fabian Vogl: Das innovative »Click & Grasp«-System befähigt den Greifarm, komplexe Bewegungen auszuführen.
Assistierte Manipulation und intuitive Bedienkonzepte
Neben der Detektion entwickeln die Forschenden Assistenzfunktionen für die sichere Bergung kontaminierter Materialien. Ein Click-and-Grasp-System ermöglicht es, Objekte direkt im Live-Videobild auszuwählen und automatisiert zu greifen. In Praxistests konnten Roboter ausgelaufenes Material aufnehmen, auf Radioaktivität prüfen, abtransportieren und in speziellen Behältern ablegen. Auch komplexe Bewegungen wie das Öffnen von Fahrzeugtüren sind möglich, wodurch sich radioaktive Stoffe in geschlossenen Räumen erreichen lassen.
Weitere Forschungsschwerpunkte liegen auf neuen Bedienkonzepten. Aus Sensordaten werden fotorealistische 3D-Modelle und virtuelle Umgebungen erzeugt, die es Bedienern erlauben, Objekte aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten, ohne den Roboter zu bewegen. Zusätzlich können Sensoren an Arm und Hand des Bedieners dessen Bewegungen direkt auf den Roboter übertragen, was eine intuitive Steuerung auch durch nicht spezialisierte Einsatzkräfte ermöglicht.
¹Das Umgebungs-Gammastrahlungs-Messnetz des BfS umfasst rund 1.700 Messstellen in ganz Deutschland.
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