Je nach Anwendung funktioniert ihre Technologie nun mit oder ohne den Sensorgriff, der in früheren Versionen enthalten war. Schon die leichteste Berührung an einer Sackkarre oder einem Kinderwagen und die minimalen Abweichungen in den gemessenen Fahrdaten genügen, damit das System – fast intuitiv – beim Beschleunigen, Bremsen und Lenken unterstützt. Die in den Rädern integrierten Elektromotoren liefern alle notwendigen Informationen, ohne dass zusätzliche Sensoren erforderlich sind.
Ob Eltern mit Kinderwagen oder Lagerarbeiter mit Sackkarre: Beide steuern ihr Fahrzeug durch kleine Veränderungen der ausgeübten Schub-, Zug- oder Druckkräfte. Jede dieser subtilen Veränderungen, so gering sie auch sein mag, signalisiert den intelligenten Rädern die Absicht des Nutzers und sein Ziel. Die Räder interpretieren diese Signale und reagieren entsprechend. Fahrzeuge mit dieser Technologie lassen sich leichter anfahren, gleiten sanfter um Kurven und bremsen schneller. „Mit unseren intelligenten Rädern ist das Bewegen der Last deutlich einfacher, da die Elektromotoren in den Rädern einen Großteil der Beschleunigung übernehmen“, erklärt Professor Nienhaus. Unhandliche Einkaufswagen oder sperrige Krankenhausbetten lassen sich nun durch sanfte Berührungen lenken, anstatt wie bisher durch Schieben und Ziehen gerade gehalten werden zu müssen. Fahrradanhänger werden nicht länger passiv gezogen, und Rollatoren, Gehhilfen und Rollstühle können ihre Nutzer aktiv unterstützen. Matthias
Nienhaus und sein Team an der Universität des Saarlandes haben diese Technologie über viele Jahre erforscht, entwickelt und verfeinert. 2018 demonstrierte das Team die Selbstsensorik dieser Räder auf der Hannover Messe. Sie zeigten, dass das Radsystem durch die Auswertung von Messdaten von in den Rädern integrierten Elektromotoren bestimmen kann, wann und wie es die Bewegung unterstützt – ganz ohne zusätzliche Sensoren. 2023 demonstrierten sie, dass die Räder durch die Einführung eines Sensorgriffs Lasten mühelos bewegen können: Sie beschleunigen oder bremsen, drehen sich je nach Bedarf langsamer oder schneller, wobei jedes Rad unabhängig oder synchron mit den anderen agiert. „Durch die Kombination des Sensorgriffs mit unserer intelligenten Radtechnologie können wir nun mehr als vier Tonnen bewegen“, so Matthias Nienhaus. Bislang war der Sensorgriff als Benutzerschnittstelle notwendig, um die Bewegungsrichtung festzulegen; er beherbergte außerdem die Steuereinheit des Systems: den Mikrocontroller.
Selbstdenkende Räder: Unterstützte Bewegung ohne Sensorgriff
In der neuesten Version ihrer Smart-Wheel-Technologie haben Nienhaus und sein Team eine Möglichkeit gefunden, den Sensorgriff komplett zu eliminieren. „Dadurch wird die Technologie einfacher, intuitiver und kostengünstiger“, so Nienhaus. Eine geringe Änderung der vom Nutzer ausgeübten Schub- oder Zugkraft genügt, damit die Radantriebe erkennen, ob sie sanfte Unterstützung oder einen stärkeren Schub geben sollen. Dies ist möglich, da die Antriebe mit der richtigen Bewegungssteuerungsstrategie im Wesentlichen selbstregulierend arbeiten und die notwendigen Steuerbefehle selbstständig generieren können. „Eine präzise Fahrzeugsteuerung wird durch eine Kombination aus KI-Methoden, Hochleistungsalgorithmen und der Identifizierung relevanter Parameter aus den Daten des Elektromotors in den Rädern erreicht“, erklärt Nienhaus.
Die neue lenkerlose Technologie hat sich bei Fahrzeugen bis zu 100 Kilogramm bewährt, abhängig von der jeweiligen Anwendung und Nutzlast. Auf der diesjährigen Hannover Messe demonstrieren die Forscher, wie reibungslos ein Fahrradanhänger mit den Smart Wheels fährt. Das Team untersucht weiterhin, wie sich deutlich schwerere Lasten ohne sensorbestückten Lenker transportieren lassen. Für sehr schwere Fahrzeuge sind intelligente Räder in Kombination mit einem sensorbestückten Lenker weiterhin die beste Lösung.
Künstliche Intelligenz im Rad: Daten statt zusätzlicher Sensoren
Die Elektromotoren in den Rädern fungieren gleichzeitig als Sensoren und somit als deren eigene Sinnesorgane. Dreht sich ein Rad, verändern sich die Messwerte des Antriebsmotors. Die minimalen Abweichungen dieser Werte geben präzise Aufschluss über den Zustand des Rades. „Die Elektromotoren in den Rädern liefern alle Messdaten, die wir zur Steuerung benötigen. Daher entstehen keine zusätzlichen Kosten für die Installation weiterer Sensoren“, erklärt Matthias Nienhaus. In mehreren vorangegangenen Forschungsprojekten untersuchte seine Gruppe, wie sich durch die Analyse der während der Radrotation generierten Messdaten möglichst viele Informationen aus den Antrieben gewinnen lassen. Ein Datensatz könnte beispielsweise zeigen, wie das elektromagnetische Feld an bestimmten Punkten des Motors verteilt ist und wie sich diese Verteilung mit der Raddrehung verändert.
Die Forscher sammelten unzählige solcher Messungen an den Antriebssystemen und korrelierten sie mit spezifischen Motorzuständen und Radpositionen. Aus der enormen Datenmenge konnten sie Signalmuster identifizieren, die typischen mechanischen Prozessen entsprechen. Nienhaus und sein Team haben zudem eine Patentanmeldung für ein Verfahren eingereicht, das die Motordaten durch die Eliminierung von Störeffekten noch aussagekräftiger macht. Die Messdaten können beispielsweise Aufschluss über die vom Antrieb ausgeübte Kraft, die Veränderung der Radpositionen oder eine ungleichmäßige Belastung der Räder geben.
Bereits geringfügige Änderungen der aufgebrachten Kräfte genügen, um die Räder auf ihrer Bahn zu halten.
Mathematische Modelle und intelligente Algorithmen steuern die Motorantriebe präzise, sodass diese angemessen reagieren und ihre korrekte Funktion überwacht wird. Die Radmotoren liefern die Daten, die von einem Mikrocontroller verarbeitet werden. Die Räder sind äußerst empfindlich und erfassen kontinuierlich Position, Geschwindigkeit und Belastung. Schon die geringste Bewegung des Fahrzeugs – beispielsweise durch eine Berührung der Hand – genügt, damit das Antriebssystem die beabsichtigte Aktion ableitet. Der Mikrocontroller liest diese Signale von den Motoren, vergleicht sie und stellt den entsprechenden Schub bereit. Alle Informationen werden über die bereits vorhandene Standardverkabelung übertragen.
Die Forschung wurde teilweise im Rahmen von Kooperationsprojekten durchgeführt, die vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) und dem Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) gefördert wurden.
Professor Matthias Nienhaus möchte die Ergebnisse der angewandten Forschung seines Teams in kommerzielle und industrielle Anwendungen überführen. Zu diesem Zweck gründete er die WELLGO Systems GmbH als Ausgründung seines universitären Forschungsinstituts.
