Forschung : So will das MIT verlorene Waren im Lager finden

RFID (radio-frequency identification) galt einmal als hoffnungsvolle Zukunftstechnologie in der Logistik, Drohnen gelten heute als eine solche. Warum nicht beide zu einer Lösung vereinen? Dies ungefähr könnte der Grundgedanke von Fadel Adib vom Media Lab des Massachusetts Institute of Technology (MIT) gewesen sein, bevor er sich daran machte, RFly zu entwickeln.

RFly ist ein System, das es kleinen, leichten Drohnen erlaubt, RFID-Tags aus bis zu zehn Meter Entfernung auszulesen. Der Clou dabei: Die Drohnen können außerdem den Standort des Tags (und damit des Artikels) mit einer Genauigkeit von bis zu 19 Zentimeter bestimmen.

Damit adressieren Adib und sein Team ein Problem, das vor allem große (Online-)Handelshäuser nur zu gut kennen: Fehlmengenkosten aufgrund von Diskrepanzen zwischen elektronischer Bestandsführung und realem Bestand. Dem US-Riesen Walmart beispielsweise entging dadurch nach eigenen Angaben im Jahr 2013 ein Umsatz von drei Milliarden Dollar. Sogar mit RFID-Technologie kann eine komplette Inventur ein paar Monate dauern, so die Wissenschaftler.

Das neue System kann einerseits zum kontinuierlichen Monitoring großer Lager eingesetzt werden und so Abweichungen von theoretischem und tatsächlichen Bestand verhindern. Zum anderen erleichtert es das Auffinden einzelner Artikel und hilft dem Unternehmen dadurch, seine Prozesse zu beschleunigen.

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung war es, dass nur kleine, leichte Drohnen mit Kunststoffrotoren die nötige Sicherheit bieten und bei Kollisionen keine Verletzungen verursachen. Leider sind diese zu klein, um RFID-Lesegeräte (Reader) zu befördern, die mehr als nur ein paar Zentimeter Reichweite aufweisen. Das mussten die Forscher auf schmerzliche Weise herausfinden - die erste, knapp 500 Dollar teure Testdrohne stürzte wegen des zu hohen Gewichts ab und ging dabei irreparabel kaputt.

Deshalb haben die Forscher ein kleines, nur 35 Gramm schweres RFID-Relais an der (nächsten) Drohne angebracht, das wie ein Verstärker funktioniert und Signale von Standard-RFID-Lesegeräten weiterleitet. Das Relais wird von der Batterie der Drohne mitversorgt.

Diese Lösung hat den zusätzlichen Vorteil, dass vorhandene RFID-Infratsruktur weiter benutzt werden kann. Es ist für Lagerbetreiber nicht nötig, in neue Tags, Lesegeräte oder Software zu investieren.

Aus dem Ansatz ergeben sich allerdings weitere Probleme bei der Signalverarbeitung. Da zum Beispiel passive RFID-Tags ihre Energie kabellos vom Lesegerät beziehen, übertragen Reader und Tag zeitgleich auf derselben Frequenz. Zwei weitere Signale, natürlich ebenfalls auf derselben Frequenz, werden zwischen Relais und Tag, bzw. zwischen Relais und Reader übertragen. Diese vier Signale interferieren miteinander.

Erschwerend kommt hinzu, dass die Lokalisierung von Waren optimalerweise mittels eines Arrays aus mehreren einzelnen Antennen erfolgen würde. Aufgrund der Cluster-Anordnung erhält jede Antenne das Signal minimal zeitversetzt und damit phasenverschoben. Aus den Unterschieden der Phase errechnet eine Software den Winkel der Signalübertragung und damit Ort der Signalquelle.

Die Drohne ist allerdings zu klein, um darauf ein Antennen-Array zu installieren. Aber weil sie sich kontinuierlich bewegt und so Signale leicht zeitversetzt erhält, kann sie ein Antennen-Array gewissermaßen "simulieren".

Normalerweise müsste das Signal der Tags vom Relais digital decodiert und für die Übertragung zum Reader recodiert werden, um die Interferenzen zu reduzieren. Leider funktioniert das beim RFly-System nicht. Denn der De- und Recodierungs-Prozess würde die relativen Phasen der Signale verändern und so eine präzise Lokalisierung unmöglich machen.

Alle Systeme, die mit Radio-Frequenz arbeiten, codieren Signale durch eine leichte Auf- und Abwärts-Modulation einer Basisfrequenz. Da ein passiver RFID-Tag aber keine eigene Energiequelle besitzt, sind seine Modulationen geringer als jene des Readers. Die Lösung des Problems besteht nun darin, dass die MIT-Wissenschaftler einen analogen Filter entwickelt haben, der die Basis-Frequenz vom Signal, das die Redaer erreicht abzieht und dann die hohen und niedrigen Frequenzen voneinander trennt. Die niderige Frequenzkomponente (jene vom Tag) wird dann wieder zur Basisfrequenz hinzugefügt.

https://youtu.be/fvPR09noiL8

Ein RFID-Reader und das Relais können bis zu 100 Tags pro Sekunde verarbeiten, so die Entwickler. Aktuell wird die Drohne noch manuell gesteuert. Doch das Team um Adib arbeitet bereits an einer Software, die künftig autonome Flüge im Lager zulässt.