Validation methodology for sensor systems on autonomous machines for person detection in public outdoor areas under variable environmental conditions

Autor: Meltebrink, Christian
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2023
Předmět:
DOI: 10.14279/depositonce-17093
Popis: In the development of autonomous machines, the challenge of functional safety of these machines is the capability and robustness of non-contact sensor systems for protection of persons. The detection capability of the sensor systems is strongly influenced by the existing environmental conditions in the outdoor area. For a safe operation of an autonomous machine, beyond the classical consideration of functional safety, a verification of the detection capability of the sensor system in the intended application area is the next step towards safe machines. This thesis presents a concept and the realization of a novel test method with a conceptually new sensor test stand on an agricultural farm in the public outdoor area. The focus of the developed test methods is on the creation of detection areas measured under real environmental conditions (Real Environment Detection Areas - REDAs). This creates a verification of the detection capability for each sensor system under a specific environmental condition. As an application example of an agricultural machine an autonomous feeding mixer is used in cooperation with the TÜV. The sensor system is not only capable of measuring in different environmental conditions: It is furthermore capable of detecting persons in the defined area. In public areas it is not possible to exclude certain groups of people such as children. Currently, standard test targets exist either for the use in public outdoor areas or for use on autonomous systems, but not for the combination of both. For this reason criteria for such a test target are established and a test target is realized based on experience from both areas. It is the first proposal for a standardized humanoid test target for autonomous mobile machines in public outdoor environments. The newly developed REDA method identifies the strengths and weaknesses of sensor systems in an unprecedented level of detail, flexibility and variance. The comparison of the sensors' measurement results can be evaluated independently of the underlying detection principle. Furthermore different parameters of the sensor system or different evaluation algorithms such as artificial intelligence, become comparable. The newly developed test method REDA presents an important and necessary contribution for the validation of sensor systems in outdoor applications. It enables a structured and verifiable validation in complex and variable environmental conditions. This enables a safe use of non-contact sensor systems for the protection of persons on manual or autonomous machines, but also in driver assistance systems. Due to it's flexibility the presented method is useful for industry and for science. Based on this test method various further investigations of sensor systems can follow.
Bei der Entwicklung autonomer Maschinen ist die Herausforderung der funktionalen Sicherheit dieser Maschinen die Funktionalität und Robustheit von berührungslosen Sensorsystemen zum Schutz des Menschen. Die Detektionsfähigkeit der Sensorsysteme wird unter den vorhandenen Umgebungsbedingungen im Außenbereich aufgrund der variablen Störeinflüsse stark beeinflusst. Für einen sicheren Betrieb einer autonomer Maschine ist über der klassischen Betrachtung der funktionalen Sicherheit hinaus ein Nachweise der Detektionsfähigkeit des Sensorsystems in den geplanten Einsatzgebiet der nächste Schritt zu sicheren Maschinen. Diese Thesis präsentiert ein Konzept und die Realisierung eines neuartigen Testverfahrens mit einem konzeptionell neuen Sensorprüfstandes auf einem landwirtschaftlichen Betrieb im öffentlichen Außenbereich. Der Fokus der entwickelten Testmethoden liegt auf der Erstellung von Detektionsflächen, die unter realen Umgebungsbedingungen gemessen werden (Real Environment Detection Areas - REDAs). Dadurch entsteht ein Nachweis der Detektionsfähigkeit für jedes Sensorsystem unter einer bestimmten Umgebungsbedingung. Als Anwendungsbeispiel wird eine landwirtschaftliche Maschine in Form eines autonomen Futtermischwagens in Zusammenarbeit mit dem TÜV verwendet. Neben dem Einsatz in den schwierigen Umgebungsbedingungen ist die Detektionsfähigkeit von Personen ein wichtiger Nachweis. Im öffentlichen Bereich ist ein Ausschluss bestimmter Personengruppen, wie z.B. Kinder, nicht möglich. Aktuell existieren entweder Standard Prüfkörper für den Einsatz in öffentlichen Außenbereich oder für den Einsatz an autonomen Systemen, aber nicht für die Kombination von beidem. Aus diesem Grund werden Kriterien für einen solchen Prüfkörper aufgestellt und ein Prüfkörper realisiert, der auf Erfahrungen aus beiden Bereichen basiert. Es ist der erste Vorschlag für einen standardisierten humanoiden Prüfkörper für autonome mobile Maschinen im öffentlichen Außenbereich. Die neu entwickelte Methode REDA identifiziert die Stärken und Schwächen von Sensorsystemen in einer bisher nicht gekannten Detailliertheit, Flexibilität und Varianz. Der Vergleich ist unabhängig vom Messprinzip des verwendeten Sensorsystems möglich. Außerdem werden verschiedene Parameter des Sensorsystems oder verschiedene Auswertealgorithmen, z.B. künstliche Intelligenz, vergleichbar. Die neu entwickelte Prüfmethode REDA präsentiert einen wichtigen und notwendigen Beitrag für die Validierung von Sensorsystem im Außenbereich. Sie ermöglicht eine strukturierte und nachweisbare Validierung in komplexen und variablen Umgebungsbedingungen. Dadurch ist ein sicherer Einsatz von berührungslosen Sensorsystemen für den Personenschutz an manuellen oder autonomen Maschinen, aber auch in Fahrerassistenzsystemen möglich. Aufgrund ihrer Flexibilität ist sie für die Industrie und für die Wissenschaft von Nutzen. Basierend auf dieser Testmethode können verschiedene weitere Untersuchungen von Sensorsystemen folgen.
Databáze: OpenAIRE
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