Ralf Gutsche. Fahrerlose Transportsysteme

Transkript

1 Ralf Gutsche Fahrerlose Transportsysteme

2 Fortschritte der Robotik Herausgegeben von Walter Ameling und Manfred Weck Band 7 Ralph Föhr Photogrammetrische Erfassung räumlicher Informationen aus Videobildern Band 8 Bernhard Bundschuh Laseroptische 3D-Konturerfassung Band 9 Hans-Georg Lauffs Bediengeräte zur 3D-Bewegungsführung Band 10 Meinolf Osterwinter Steuernngsorientierte Robotersimulation Band 11 Markus a Campo KoIlisionsvermeidung in einem Robotersimulationssystem Band 12 Jürgen Cordes Robuste Regelung eines elastischen Teleskoparmroboters Band 13 Guido Seeger Selbsteinstellende, modellgestützte Regelung eines Industrieroboters Band 14 Ralph Gruber Handsteuersystem für die Bewegungsführung Band 15 WeiLi Grafische Simulation und KoIlisionsvermeidung von Robotern Band 16 Harald Rieseier Roboterkinematik - Grundlagen, Invertierung und symbolische Berechnung Band 17 Angelika Höfer Steuerung der Konfiguration eines redundanten Manipulators Band 18 Peter Kovacs Rechnergestützte symbolische Roboterkinematik Band 19 Andreas Zabel Werkstattorientierte Programmierung von Industrierobotern für automatisiertes Lichtbogenschweißen Band 20 Matthias Müller Roboter mit Tastsinn Band 21 Andreas Meisel 3D-Bildverarbeitung für feste und bewegte Kameras Band 22 Ralf Gutsche Fahrerlose Transportsysteme Band 23 Ralph Sasse Bestimmung von Entfernungsbildern durch aktive stereoskopische Verfahren

3 Ralf Gutsche Fahrerlose Transportsysteme Automatische Bahnplanung in dynamischen Umgebungen ~ Vleweg

4 Fortschritte der Robotik Exposes oder Manuskripte zu dieser Reihe werden zur Beratung erbeten an: Prof. Dr.-Ing. Walter Ameling, Rogowski-Institut für Elektrotechnik der RWTH Aachen, Schinkelstr. 2, D Aachen oder Prof. Dr.-Ing. Manfred Weck, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre der RWTH Aachen, Steinbachstr. 53, D Aachen oder an den Verlag Vieweg, Postfach 5829, D Wiesbaden. D 84 (Diss. TU Braunschweig) Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/Wiesbaden, 1994 Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1994 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Bertelsmann Fachinformation GmbH. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Gedruckt auf säurefreiem Papier ISBN-13: e-1sbn-13: DOI: /

5 Vorwort Die vorliegende Dissertation ist im Rahmen meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Robotik und Prozeßinformatik der Technischen Universität Braunschweig entstanden. Bei Herrn Prof. Wahl möchte ich mich für die vertrauensvolle Zusammenarbeit und die großzügige Unterstützung während der Erstellung meiner Arbeit herzlich bedanken. Herrn Prof. Hesselbach danke ich für die Übernahme des Koreferats. Am Institut für Robotik und Prozeßinformatik wird in Kooperation mit der Firma MIAG Fahrzeugbau GmbH das Forschungsprojekt MONAMOVE 1 bearbeitet. Die beiden Säulen von MONAMOVE werden von dem globalen Überwachungssystem und dem Navigator gebildet, der in Verbindung mit dem Piloten für die Bahnplanung verantwortlich ist. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Konzepte für den Navigator und den Piloten vorgestellt. Bei Herrn Claudio Laloni, der für das globale Überwachungssystem verantwortlich ist, möchte ich mich für die sehr gute Zusammenarbeit und die anregenden Diskussionen bedanken. Der Firma MIAG danke ich für die Unterstützung und die Bereitstellung eines Fahrzeuges. Mein Dank gilt ebenfalls meinen Kollegen für die wertvollen fachlichen Diskussionen und allen Studenten, die im Rahmen ihrer Studien- und Diplomarbeiten bzw. als studentische Hilfskräfte zum Entstehen meiner Arbeit beigetragen haben. Bei allen Mitarbeitern des Instituts möchte ich mich für die ausgezeichnete Arbeitsatmosphäre bedanken, die ich stets in guter Erinnerung behalten werde. Meiner Freundin Maren, meiner Cousine Petra Guske und meinem Freund Goy Korn danke ich für das sorgfältige Korrekturlesen meiner Arbeit. Meinen Eltern, meiner Freundin Maren und allen Freunden möchte ich besonders für ihre persönliche Unterstützung und für ihr Verständnis danken. Braunschweig, im August 1993 Ralf Gutsche IMOnitoring and NAvigation system for MObile VEhicles

6 Vorwort 1 Einleitung 1.1 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit 2 Das Transportsystem MONAMOVE 2.1 Konzept von MONAMOVE Überwachungssystem Navigator Pilot Fahrzeuge Welt modell Ergänzende Bemerkungen 2.2 Fahrerlose Transportsysteme Vergleich: MONAMOVE - Fahrerlose Transportsysteme. 2.4 Autonome mobile Roboter Vergleich: MONAMOVE - Autonome mobile Roboter 2.6 Diskussion Navigator und Pilot - Grundlegende Betrachtungen 3.1 Grenze zwischen Voraus- und Lallfzeitplanung Strikte hierarchische Planung Überlappende hierarchische Planung 3.2 Forderungen an die Gesamtplanung Navigator und Pilot in MONAMOVE iii iii

7 VII Grundlegende Betrachtung zur Einsatzumgebung Konzepte für Navigatoren Informationsfluß im Navigator Konzepte für Piloten Informationsfluß im Piloten Bahnplanung des Navigators auf Basis eines geometrischen Modells Literaturüberblick Grundlegende Betrachtungen Der Konfigurationsraum.. Verschiedene Planungsansätze Wegenetz Zerlegung Potentialfeld Bahnplanung im W- und im C-Raum Planen im W-Raum Planen im C-Raum Integration der zusätzlichen Forderungen in die Bahnplanung Konzept des Navigators Weltmodell Zerlegung mit einem Hindernis Zerlegung mit mehreren Hindernissen Hinzufügen und Löschen von Hindernissen Fahrschlauchsuche Aufbau des initialen Suchgraphen Verwendetes Suchverfahren Erweiterung des Graphen Ergänzende Bemerkungen Rechtsorientierung Wege in überlappungsfreien Fahrschläuchen Konstruktion der rechtsorientierten Punkte Berechnung des rechtsorientierten Weges Erweiterung des Fahrschlauchs... 68

8 VIII Bestimmung von blockierten Teilfahrschläuchen Wege in sich überlappenden Fahrschläuchen Berechnung des äußeren Fahrschlauchrandes Konstruktion der rechtsorientierten Punkte Berechnung des rechtsorientierten Weges Ergänzende Bemerkungen 4.6 Stetige Krümmungsänderung Basiskurve Kombination der Basiskurven Auswahl einer Kurve... Kurven beim Start und beim Ziel Kollisionstest für die Kurven Tangentiale Fahrweise Gestaucht tangentiale Fahrweise Sperrung von Teilfahrschläuchen Ergänzende Bemerkungen 4.7 Maximales Geschwindigkeitsprofil 4.8 Diskussion Bahnplanung des Navigators auf Basis eines statistischen Modells Literaturüberblick Integration der Belegungsstatistik in die Bahnplanung Weltmodell Erzeugung des Weltmodells Berechnung der Potentialfelder Beispiel für ein Potentialfeld Integration des statistischen Flusses in die Bahnplanung Weltmodell Erzeugung des Weltmodells Berechnung der Potentialfelder Beispiel für ein Potentialfeld Beispiel für die auf statistischen Daten basierende Bahnplanung llo Welt modell ohne statische und dynamische Hindernisse. llo

9 IX Weltmodell mit statischen und dynamischen Hindernisse Beschreibung des Weltmodells Berechnete Potentialfelder Wege innerhalb der berechnete Potentialfelder 5.5 Nachbearbeitung des gefundenen Weges. 5.6 Diskussion ~ehrfahrzeugnavigatoren Literaturüberblick Integration der Nebenbedingungen in den Mehrfahrzeugnavigator Koordination auf Basis von geometrischen Kreuzungen Weltmodell Repräsentation einer Bahn Berechnung der Kreuzungsbereiche Verwaltungszonen und Synchronisationspunkte Vereinigung von Kreuzungen Beispiel für das Hinzufügen mehrerer Bahnen Integration von stehenden Fahrzeugen in das Welt modell Grenzen der Mehrfahrzeugkoordination Koordination durch zusätzliche Nebenbedingungen Koordination durch Heuristiken Schnittstelle zum Piloten Diskussion Mehrfahrzeugnavigator ohne Koordination Konzepte für verschiedene Piloten Literaturüberblick Basismerkmale für alle Piloten Weltmodell Schnittstelle zum Navigator Schnittstelle zum Fahrzeug Bahntreuer Pilot Pilot mit eigenständiger Wegplanung 163

10 x Umplanen mit teilweise dynamischen Hindernissen Umplanen mit vollständig dynamischen Hindernissen Erweiterungen. 7.5 Mehrfahrzeugpilot auf Basis vorgegebener Kreuzungen Lokale Piloten Globaler Pilot Mehrfahrzeugpilot mit eigenständiger Mehrfahrzeugkoordination Mehrfahrzeugkoordination mit teilweise dynamischen Hindernissen Mehrfahrzeugkoordination mit vollständig dynamischen Hindernissen Ergänzende Bemerkungen Zusammenfassung und Ausblick 175 A Algorithmen A.l Zerlegung eines einfachen Polygons in konvexe Teilpolygone A.2 A*-Algorithmus A.2.1 Anwendungsbeispiel für den A*-Algorithmus 185 A.3 Floyd Algorithmus A.3.1 Anwendungsbeispiel für den Floyd Algorithmus 189 A.3.2 Erzeugung von rechtorientierten Wegen mit dem Floyd Algorithmus 189 Literaturverzeichnis Eigene Veröffentlichungen Stichwortverzeichnis