Faszination Technik Mitdenkende Räder erahnen, wohin die Reise geht

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie intelligente Räder das Manövrieren erleichtern.

Jede noch so kleine Bewegung, jeder winzige Impuls beim Schieben, Ziehen oder Drücken verrät den intelligenten Rädern, was und wohin der Mensch will. Die Räder verstehen diese Signale und legen sich entsprechend ins Zeug. So fahren mit ihnen ausgestattete Vehikel aller Art leichter an, gleiten sanfter um die Kurve und stoppen schneller. „Das Fahren fühlt sich wesentlich leichter an, ein Großteil der Masse wird beschleunigt durch die unterstützenden Elektromotoren in den Rädern“, erklärt Professor Matthias Nienhaus. Widerspenstige Einkaufswagen oder das sperrige Krankenhausbett lassen sich mit sanften Berührungen statt dem üblichen Hin-und-her-Gezerre lotsen. Fahrradanhänger sind nicht mehr nur passiv im Schlepptau und auch Rollator oder Rollstuhl unterstützen ihre Nutzer aktiv.

Über Jahre an Technologie geforscht

An der neuen Technologie haben Nienhaus und sein Team an der Universität des Saarlandes über Jahre geforscht, entwickelt und gefeilt. 2018 zeigten die Antriebstechniker auf der Hannover Messe, dass Räder allein aus den Messdaten der Elektromotoren in ihrem Inneren erkennen können, wann und wie sie die Fahrt unterstützen müssen – ohne dass zusätzliche Sensoren nötig wären. 2023 demonstrierten sie, wie die Räder hierdurch in Kombination mit einem Sensorgriff in der Lage sind, Lasten leicht zu bewegen: Sie beschleunigen oder bremsen, drehen langsam oder schneller je nach Bedarf – jedes Rad für sich oder im Verbund. „Mit der Kombination aus Sensorgriff und Rädern bewegen wir heute mehr als vier Tonnen Gewicht“, sagt Nienhaus. Bislang war der Sensorgriff notwendig als Schnittstelle zum Menschen, der die gewünschte Richtung vorgibt. Hier saß bisher die Schaltzentrale des Systems, der Microcontroller.

Die Steuerung funktioniert durch ein Zusammenspiel von Methoden Künstlicher Intelligenz, leistungsfähigen Algorithmen und der Identifikation der richtigen Parameter aus den Daten der Elektromotoren in den Rädern.

Professor Matthias Nienhaus, Universität des Saarlandes

Neu: Unterstützung ohne Sensorgriff

Neu ist nun: Dieser Sensorgriff kann in vielen Fällen sogar wegfallen. „Das macht die Technik einfacher, intuitiver und günstiger“, sagt Matthias Nienhaus. Minimale Berührungen oder sonstige Impulse reichen aus, damit die Antriebe in den Rädern verstehen, ob sie sanft oder kräftig Anschub leisten sollen. Möglich wird dies, weil sich die Antriebe mit der passenden Regelungstechnik selbst ansteuern und die Befehle geben können. „Die Steuerung funktioniert durch ein Zusammenspiel von Methoden Künstlicher Intelligenz, leistungsfähigen Algorithmen und der Identifikation der richtigen Parameter aus den Daten der Elektromotoren in den Rädern“, fasst Matthias Nienhaus zusammen.

Ohne Griff funktioniert die Technologie bislang für Vehikel bis zu 100 Kilogramm Gewicht, je nach Anwendungsart und Ladung. Auf der Hannover Messe werden die Forscher unter anderem mit einem Fahrradanhänger zeigen, wie leichtläufig er durch die intelligenten Räder wird. Um auch deutlich schwerere Fälle ohne Sensorgriff zu transportieren, forscht das Team weiter. Für sehr schwere Wagen bleiben Räder plus Sensorgriff die Lösung.

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Die Elektromotoren der Räder liefern selbst sämtliche Messdaten, die wir brauchen, um sie anzusteuern. Kosten für den Einbau zusätzlicher Sensoren fallen also nicht an.

Professor Matthias Nienhaus, Universität des Saarlandes

Künstliche Intelligenz im Rad

Die Elektromotoren im Radinneren sind zugleich Messfühler, sie übernehmen die Funktion von Sinnesorganen. Wenn sich ein Rad bewegt, verändern sich die Messwerte seines Elektroantriebs. Winzige Änderungen dieser Zahlen verraten genau, was mit dem Rad passiert. „Die Elektromotoren der Räder liefern selbst sämtliche Messdaten, die wir brauchen, um sie anzusteuern. Kosten für den Einbau zusätzlicher Sensoren fallen also nicht an“, sagt Matthias Nienhaus. In mehreren Forschungsprojekten ging seine Arbeitsgruppe der Frage nach, wie sie aus den Antrieben so viele Informationen wie möglich herausbekommen anhand der Messdaten, die in den Rädern sowieso anfallen, wenn sie sich drehen: so zum Beispiel, wie das elektromagnetische Feld an bestimmten Stellen im Motor verteilt ist und wie sich dies beim Rollen ändert.

Die Forscher sammelten zahllose solcher Messwerte aus den Antrieben und ordneten sie bestimmten Motorzuständen und Radstellungen zu. Aus der Datenmasse identifizierten sie Signalmuster, die sie typischen Abläufen zuordneten. Nienhaus und sein Team meldeten auch ein Verfahren zum Patent an, mit dem Störeffekte herausgerechnet und so die Daten aussagekräftiger werden. An den Messdaten lässt sich genau erkennen, mit welcher Kraft ein Antrieb läuft, wie sich die Position der Räder ändert oder ob diese auf einer Seite mehr belastet werden als auf der anderen.

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Mit mathematischen Modellen und intelligenten Algorithmen lassen sich die Antriebe wiederum ansteuern, um passend zu reagieren. Auch lässt sich überwachen, ob sie einwandfrei funktionieren. Die Motoren in den Rädern liefern hierzu die Daten, ein Microcontroller verarbeitet die Signale. Die Räder sind feinfühlig, sie „spüren“ permanent ihre Stellung, ihre Geschwindigkeit und ihre Last: Kleinste Bewegungen des Fuhrwerks, an dem sie montiert sind, ausgelöst etwa durch eine Berührung der Hand, und der Antrieb zieht Rückschlüsse, was gewollt ist: Die Elektronik liest die Motorsignale aus, vergleicht sie, und steuert den passenden Anschub bei – alle Informationen laufen sämtlich über die normalen, ohnehin vorhandenen Kabel.