Materialflusssystemen

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2 Topographieerfassung und Berechnung von Bewegungsbahnen für Instandhaltungseinheiten auf Materialflusssystemen Dipl.-Ing. Matthias Bücker Dipl.-Ing. Tobias Brutscheck Teilprojektleiter: Prof. Dr. Bernd Kuhlenkötter Seite 2 / 21

3 Gliederung Einleitung Aufbau der Instandhaltungseinheit Automatische Fahrsteuerung Topographieerfassung Lokale Bahnplanung Bewegungssteuerung Zusammenfassung und Ausblick Seite 3 / 21

4 Automatisierte Instandhaltung Automatisierte Instandhaltung mit mobilem Roboter: Mobile Einheit i fährt zur Instandhaltungsstelle ll Durchführung der Instandhaltung Mechanische Fixierung Programmadaption Programmausführung Bewegung zur nächsten Einsatzstelle Seite 4 / 21

5 Systembeschreibung Hauptkomponenten der Instandhaltungseinheit MIRO Mobile Plattform mit Raupenfahrwerk Roboterarm zur Führung von Sensoren /Aktoren Steuerungskomponenten Seite 5 / 21

6 Steuerungsstruktur Instandhaltungsvorgang wird gestartet Auftragsliste wird gelesen Bewegung g zum Ziel erforderlich Positionsbestimmung und Berechnung des Weges im Programmteil Navigation Automatische Fahrsteuerung Fahrbahnerkennung Lokale Bahnplanung Bewegungssteuerung Seite 6 / 21

7 Automatische Fahrsteuerung Aufgaben der automatischen Fahrsteuerung Erkennung der Fahrbahn Berechnung eines lokalen Bewegungspfades Steuerung der Bewegung g Herausforderungen Untergrund uneben und löcherig Unterschiedliche Farben und Reflexionseigenschaften Bewegungsbahn muss in enger Toleranz berechnet werden Keine seitliche Bewegung mit der Plattform möglich Seite 7 / 21

8 Wichtige Sensoren Systembeschreibung Laserscanner: Bahnerkennung, Lokalisierung Gyroskop: Bewegungserfassung, Stabilisierung PMD: Bahnerkennung, Hinderniserkennung Seite 8 / 21

9 Fahrbahnerkennung Aufgaben der Fahrbahnerkennung Erfassung der befahrbaren Bereiche Erfassung von Hindernissen Erfassung von Vertiefungen Bereitstellung einer Datenbasis für die lokale Bahnplanung Herausforderungen 3D-Erfassung notwendig Erfassungsbereich der Sensoren beschränkt Berücksichtigung Messfehlern Reflexionen Geometrische Fehler Rauschen Seite 9 / 21

10 Fahrbahnerkennung g Fahrbahnerkennung durch Topographieerfassung Unebene und löchrige Bahnstruktur Glänzende Oberflächen Geringer g Abstand zwischen min. Objekthöhe j und Rauschen Seite 10 / 21

11 Funktionsweise Kartenerstellung Messwerte werden höhenbasiert klassifiziert Ergebnisse werden in Belegungskarte eingetragen Seite 11 / 21

12 Ergebnis der Kartenerstellung Belegungskarte Fahrbahn h Hindernissen Vertiefungen Mögliche Fehler Lücken Falsch erkannte Hindernisse Berücksichtigung bei lokaler l Bahnplanung möglich Seite 12 / 21

13 Lokale Bahnplanung Lokale Bahnplanung Generierung von Bahnen für die Bewegungssteuerung Definition von lokalen Zielpunkten (Nahziel) Anweisungsliste für Zielauswahl von Navigation vorgegeben g Bahn folgen (+ Länge) Links/ Rechts halten (+ Länge) Geradeaus fahren (+ Länge) Drehen (+ Winkel) Herausforderungen Ermittlung der Fahrspur aus der Karte Erkennung von Verzweigungssituationen Seite 13 / 21

14 Berechnung der Nahziele Lokale Bahnplanung Kartenabtastung in definierten Suchbereichen Gefundene Kantenpunkte werden in Segmenten gemittelt Berechnung der Randvektoren Situationsermittlung Strategieauswahl nach Anweisungsliste Berechnung des nächsten Nahziels auf Basis der Randvektoren Seite 14 / 21

15 Plausibilitätsprüfung Plausibilitätsprüfung der Bereichssuche Suchbereiche werden linear abgetastet Ergebnis wird pro Tastlinie gespeichert Bei Hindernissen/Vertiefungen erfolgt Plausibilitätsprüfung Betrachtung von Nachbarzellen und Messhäufigkeiten???????? Seite 15 / 21

16 Kollisionsprüfung Sicherheitsüberprüfungen Prüfung auf Basis der Außengeometrie Stabilitätsprüfung Überschneidungen der Außengeometrie zulässig Prüfung auf Basis einer Sicherheitszone um den Schwerpunkt Zulässige Zustände Unzulässige Zustände Seite 16 / 21

17 Bewegungssteuerung Bewegungssteuerung g g Bewegung zum Nahziel mit definiertem Pfad Ausführung von Rangierbewegungen Feininterpolation notwendig Herausforderungen Lineare Bewegung zum Ziel ungeeignet Schlupfausgleich notwendig (insbesondere Drehfehler) Lineare Bewegung zum Zielpunkt Seite 17 / 21

18 Bewegungssteuerung g g Bewegungssteuerung auf Basis von Bezier-Kurven Kreisbögen lassen sich gut approximieren Graden und S-Kurven möglich Teilbarkeit der Bahn erlaubt Berechnung von Korrekturen Seite 18 / 21

19 Evaluierung Evaluierung Verfahren zur Bewegungsplanung am Demonstrator erprobt: Bahn wird zuverlässig erkannt Abzweigungen werden zuverlässig erkannt Strategie an Verzweigungen g kann durch Anweisungsliste bestimmt werden Geschwindigkeit der Kartengenerierung durch Sensorik begrenzt (bis 100 mm/s) Schnellere Scanner, 2D Sensoren Sichere automatische Behandlung von Kollisionssituationen erfordert zusätzliche Sensorik Größere Erfassungswinkel Sensoren für beide Fahrtrichtungen Seite 19 / 21

20 Kartenerstellung und Bahnplanung Seite 20 / 21

21 Kartenerstellung und Bahnplanung Seite 21 / 21

22 Zusammenfassung Zusammenfassung und Ausblick Die automatische Fahrsteuerung ist für den Einsatz der mobilen Instandhaltungseinheit notwendig Verfahren für folgende Teilprobleme wurden vorgesellt: Bahnerfassung und Erstellung einer lokalen Karte Bahnplanung Bewegungssteuerung Die Verfahren wurden evaluiert Ausblick Kopplung von Navigation und Fahrsteuerung Zusammenführung des Gesamtsystems aus mobiler Plattform und sensorisch geführtem Roboterarm Seite 22 / 21

23 Topographieerfassung und Berechnung von Bewegungsbahnen für Instandhaltungseinheiten auf Materialflusssystemen Dipl.-Ing. Matthias Bücker Dipl.-Ing. Tobias Brutscheck Teilprojektleiter: Prof. Dr. Bernd Kuhlenkötter Seite 23 / 21

24 Funktionsweise Kartenerstellung Seite 24 / 21