Thermische Kalibrierung mit Waffeln

Das Software-Modul „Data Analytics” der ATR-Softwareplattform umfasst eine Vielzahl von Methoden und Lösungen zur Verarbeitung und Aufbereitung von Daten, die aus verschiedensten Bereichen erhoben werden. Zuletzt entwickelten wir in diesem Bereich eine Kalibrierungssoftware für eine Wärmebildkamera. Zur Unterstützung des Entwicklungsprozesses und Verifizierung der Ergebnisse wurde folgender auf den ersten Blick etwas ungewöhnliche Versuchsaufbau vorgenommen:

In manchen Produktionsschritten ist es nötig, die Temperaturen einer Oberfläche exakt zu bestimmen, um diese anschließend auswerten oder durch Heizen und Kühlen an gezielten Stellen anpassen zu können. Hierfür kann eine Infrarot(IR)-Kamera verwendet werden. Diese Kamera liefert ein Wärmebild, in dem die Temperaturen der aufgezeichneten Oberfläche angezeigt werden. IR-Kameras weißen jedoch Ungenauigkeiten auf, die dafür sorgen, dass die angezeigten Werte für manche Anforderungen nicht präzise genug sind.

Zur Kalibrierung und dem damit verbundenen Ausgleich von Ungenauigkeiten einer IR-Kamera kann ein Pyrometer verwendet werden. Denn ein Pyrometer ist ein Sensor, der für einen einzelnen Punkt die Temperatur extrem genau bestimmen kann.

Nahaufnahme der IR Kamera mit darüber befestigtem Pyrometer.
Nahaufnahme der IR Kamera mit darüber befestigtem Pyrometer

Das Pyrometer wird hierzu auf einen Punkt ausgerichtet, der im Bild der IR-Kamera ebenfalls zu sehen ist. Danach wird die Abweichung zwischen der an dieser Stelle gemessenen Temperatur im IR-Bild mit dem genaueren Wert des Pyrometers bestimmt. Diese Abweichung wird dann zur Berechnung einer Korrektur verwendet. Anhand dieser Berechnung kann anschließend die Genauigkeit des gesamten IR-Bildes optimiert werden.

Zur Bestimmung der Korrekturfunktion führten wir eine umfangreiche Versuchsreihe durch. Das Ziel dabei war es, die Größenordnung der Ungenauigkeiten zu bestimmen und herauszufinden, wie sie sich diese Ungenauigkeiten bei unterschiedlich hohen Temperaturen verhalten.

Das Waffeleisen diente uns hierbei als Oberfläche im Versuchsaufbau, weil damit verschiedene, teilweise sehr hohe Temperaturen von über 200 °C erreicht werden können. Dafür platzierten wir die Heizfläche des Gerätes vor der IR-Kamera und richteten anschließend das Pyrometer darauf aus.

Lokalisieren des Messpunktes des Pyrometers anhand der Temperaturunterschiede zwischen Finger und Waffeleisen
Lokalisieren des Messpunktes des Pyrometers anhand der Temperaturunterschiede zwischen Finger und Waffeleisen

Danach heizten wir das Waffeleisen maximal auf. Bei einer Temperatur von ca. 210 °C laut Pyrometer überprüften wir, wie hoch die gemessene Temperatur an dieser Stelle im IR-Bild ist. Anschließend schalteten wir das Waffeleisen ab und hielten beim Abkühlen in 10 °C Schritten jeweils die Abweichung zwischen Pyrometer und IR-Bild fest.

Angleichen einer Funktion an den Verlauf der Gemessenen Werte gezeigt mit Hilfe eines Graphen, der die Ergebnisse zeigt.
Angleichen einer Funktion an den Verlauf der Gemessenen Werte

Mittels dieser Messergebnisse bestimmten wir eine Funktion, die das Verhalten der Kamera in Relation zum Pyrometer bei unterschiedlichen Temperaturen beschreibt. Auf Basis dieser Erkenntnisse konnten wir dann einen exakten Kalibriervorgang für die IR-Kamera mithilfe des Pyrometers umsetzen und testen.

Als netter Nebeneffekt wurden bei dem Versuch noch Waffeln für die Kollegen produziert!

Gallerie

 

Resiliente Produktionsplanung und -steuerung durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI)

Leiterplatte eines Computers als Hintergrund. Mittig im Vordergrund ein stilisiertes Gehirn, das für das KI-Modul des Forschungsprojektes ProsKI steht.

Gemeinsam mit mehreren Forschungseinrichtungen und Industriepartnern ist ATR Software an dem Forschungsprojekt ProsKI – Resiliente Produktionsplanung und -steuerung durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) beteiligt. Initiiert wird das Projekt von dem Bayerischen Verbundforschungsprogramm (BayVFP) des Freistaates Bayern.

Das Forschungsprojekt hat folgendes Ziel: Für bestehende und zukünftige Produktionssysteme wird ein flexibel integrierbares KI-Modul für resiliente Produktionsplanungs- und -steuerungssysteme entwickelt. Dabei bildet das Modul durch KI-Methoden ein Assistenzsystem für das Störmanagement innovativer Fertigungen. Basierend auf realen Produktionsdaten wird eine Methodik entwickelt, die zum einen im Fehlerfall den Bediener in seiner Entscheidungsfindung im Umgang mit der aufgetretenen Störung unterstützt. Zum anderen mit Hilfe des entwickelten Moduls nicht nur auf Ereignisse reagieren kann, sondern anhand der vorliegenden Produktionsdaten auch zukünftige Störfälle durch Wissensaufbau prognostiziert und in der Produktionsprogrammplanung genutzt werden kann.

ATR Software entwickelt in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Organic Computing (OC) der Universität Augsburg die KI-Methodik für das Störmanagement und das Prognosemodell für zukünftige Produktionsprogramme. Hierzu zählt der Datenaustausch zwischen den Anlagen auf Produktionsebene und dem übergeordneten IT-System. Zudem wird die Datenvorbereitung für die KI-Methoden entwickelt und die Anbindung der daraus resultierenden Daten für das Planungssystem erforscht.

Das KI-Modul soll in Verbindung mit dem eigenen Produkt InnoMES getestet werden. InnoMES ist eine innovative MES-Lösung, die gemeinsam mit einem Leitsystem, dem IoT Gateway, dem Modul Data Analytics und dem Modul Computer Vision die ATR Software-Plattform für produzierende Unternehmen bildet.

Für weitere Informationen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.

Mensch und mobiler Roboter in einer Arbeitsumgebung

Arm eines Roboters und menschlicher Arm, die zweiZahnräder einanderhalten. Symbolisiert Mensch  und mobilen Roboter in einer Arbeitsumgebung.

Gemeinsam mit der FuE-Einrichtung Fraunhofer IGCV und mehreren Industriepartnern ist ATR Software an dem Forschungsprojekt MeMoRob – Mensch und mobiler Roboter in einer Arbeitsumgebung beteiligt. Das Forschungsprojekt wird vom FuE-Programm „Informations- und Kommunikationstechnik“ des Freistaates Bayern gefördert.

Mobile Robotersysteme bieten das Potenzial für eine flexible Automatisierung, finden bisher jedoch wenig Anwendung. Für den flexiblen Einsatz in der Produktion bedarf es an intelligenten Greifstrategien und Interaktionsfähigkeiten des Roboters, sodass Menschen mit ihm kommunizieren können. Beide Bereiche sind Ziele des Projekts MeMoRob.

Des Weiteren können Mensch und Roboter als Partner fungieren und sich im Rahmen einer Mensch-Roboter-Kooperation gegenseitig unterstützen. In diesem Fall werden die Interaktionsfähigkeiten dazu verwendet, dem Menschen Informationen über den Zustand des Robotersystems mitzuteilen. Zur Erreichung der übergeordneten Ziele werden als Teilziele die Mensch- und Objektdetektion betrachtet. Bei der Objektdetektion wird insbesondere die praktische Anwendbarkeit durch Verringerung des Trainingsaufwands fokussiert.

Die ATR Software beschäftigt sich bei diesem Projekt mit den Themen der Robot Vision und den Algorithmen zum Greifen. Damit soll es ermöglicht werden, die zu greifenden Objekte zu detektieren und an den richtigen Stellen zu greifen.

Für weitere Informationen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.

Gutes Holz, schlechtes Holz?

Klassifikation von Holzgüte mit künstlicher Intelligenz und Fluoreszenzlebensdauer

Hintergrund

Holz ist weltweit einer der wichtigsten nachwachsenden Rohstoffe. Durch Fotosynthese entzieht es der Atmosphäre das Treibhausgas CO2 und leistet einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz. Holz ist wesentlicher und wertvoller Bestandteil unseres Wertstoffreislaufs. In Recycling-Anlagen kann Holz entsprechend seiner Güte als Baustoff weiterverwertet oder falls keine weitere Nutzung sinnvoll erscheint – verbrannt werden.

Die Altholzverordnung kennt dabei vier Güteklassen:
  • AI         Unbehandeltes Holz
  • AII        Geringfügig oberflächlich behandeltes Holz
  • AIII       Oberflächlich behandeltes Holz
  • AIV       Schadstoffversetztes Holz

Stand heute werden die Holzmassen durch visuelle Inspektion erfahrener Mitarbeiter händisch sortiert. Die Sortierung erfolgt dabei konservativ, das heißt im Zweifel ordnen die Mitarbeiter das Holz in eine geringwertigere Klasse ein. Zudem können mit bloßem Auge Verunreinigungen und Kontaminationen im Holzinnern nicht erkannt werden. Weil sie zu divers und nicht eindeutig sind, bleiben dadurch große Massen im Materialstrom gänzlich unsortiert.

Die Idee der Sortierung mit KI und Fluoreszenz

Hier kommt die Fluoreszenzlebensdauer ins Spiel. Fluores…was? Die Fluoreszenslebensdauer wird auch Fluoreszenzabklingzeit genannt. Sie gibt die durchschnittliche Zeit an, die ein Molekül bei der Fluoreszenz im angeregten Zustand bleibt, bevor es in den Grundzustand zurückkehrt. Fluoreszenz bezeichnet dabei die Fähigkeit mancher Moleküle, Licht bei einer bestimmten Wellenlänge zu absorbieren. Fluoreszenzlebensdauern sind sehr kurz. Sie bewegen sich im Bereich vonanosekunden oder wissenschaftlich formuliert: Zwischen 10-9 und 10-7 Sekunden.

Nun wäre es schön, wenn eine Holzgüte immer die gleiche Fluoreszenzabklingzeit hat und man einen Schwellwert einfügt, im Sinne von: Wenn Abklingzeit größer Schwellwert, dann Holzgüte AI sonst nicht. Das ist aber in der Realität nicht der Fall. Ein Stück Holz hat verschiedene Abklingzeiten, die von vielen Parametern abhängen. Zum Beispiel von der Wellenlänge, die für die Anregung genommen wird, und der Stelle am Holz, an der gemessen wird. Außerdem von den verwendeten Filtern und dem Messabstand zum Holzstück. Diese Parameter könnte man nun fixieren, aber: Die Kamera liefert nicht eine Fluoreszenzlebensdauer pro Stück Holz und Messung, sondern über eine Million.

Dies ergibt eine Verteilung von Fluoreszenzlebensdauern, welche mit wissenschaftlichen Methoden und Tools aus der Data Science und künstlicher Intelligenz analysiert und klassifiziert werden kann. Wenn sich die Verteilungen der Fluoreszenzlebensdauern zwischen den Holzgüten unterscheiden, dann kann sie die KI erkennen und klassifizieren. Ob und wie gut das möglich ist, soll im Rahmen des Forschungsprojektes FrIDAh (Fluoreszenz-ID von Altholz) erforscht und erprobt werden.

Wir von ATR Software sind Teil des Forschungsprojektes und unterstützen die Projektpartner hierbei mit unserer Expertise in Software-Engineering, Data Science und Künstlicher Intelligenz. Das Endziel dieses Projekts ist der Bau eines Roboters, der mithilfe unserer KI das gute Holz vom Schlechten unterscheiden kann. Perspektivisch soll damit der Sortiervorgang automatisiert werden.