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Umgebungsintelligenz durch IT-Netzwerke

Automatisierte Flurförderzeuge

Umgebungsintelligenz durch IT-Netzwerke

Fahrerlose Transportsysteme bieten für den Außeneinsatz erhebliches wirtschaftliches Potenzial. Allerdings muss dazu die Fahrgeschwindigkeit hoch sein, damit lange Strecken realisierbar sind. Zudem müssen die Sicherheitssensoren bei allen Wetterbedingungen einsetzbar sein. Das Forschungsprojekt Salsa widmet sich der sicheren und schnellen Anwendung von automatischen Fahrzeugen im Außeneinsatz. Dabei stehen vernetzte Umgebungssensoren und künstliche Intelligenz im Mittelpunkt.

Bild: Salsa

Der innerbetriebliche Materialfluss gehört nicht zu den klassischen wertschöpfenden Tätigkeiten. Dennoch ist er so wichtig für ein produktives Arbeitsumfeld, dass viele Firmen stetig an seiner Optimierung arbeiten. Ein Baustein dabei ist die Teil- oder Vollautomatisierung, dabei kommen auch fahrerloser Transportfahrzeuge (FTF) zum Einsatz. Vorrangig zählen dabei die Kosten. Aber auch sekundäre Faktoren wie zum Beispiel eine hohe Transportqualität, Termintreue, Rückverfolgbarkeit spielen beim Einsatz der automatisierten Transportsysteme eine Rolle.

Die technischen Voraussetzungen dazu sind bereits heute gegeben: Bei Bedarf rangiert ein vollautomatischer Sattelzug auch rückwärts mit einer Andockgenauigkeit von einem Zentimeter. Auch das automatische Handling von Anhängern, Wechselbrücken und Abrollcontainern stellt längst keine technische Hürde mehr dar. So nutzt eine neue Generation automatischer LKW einen hydrostatischen Fahrantrieb, der den Anhänger ohne Zugkraftunterbrechung mit sinnvoller Antriebsleistung ziehen kann.

Spagat zwischen Planung und Hallengeschehen

Um das volle Potenzial der automatischen Transporte für möglichst viele Anwender nutzbar zu machen, setzt das Projekt ‚Sichere autonome Logistik- und Transportfahrzeuge im Außenbereich‘ (Salsa) – ein Teil des Technologieprogramms ‚Autonomik‘ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie – auf Betriebsflächen, die gleichzeitig personengeführte Fahrzeuge und Fußgänger nutzen. Aus Sicht des automatischen Systems sind diese Verkehrsteilnehmer ’nicht kooperativ‘, denn ihre Position und geplante Wegestrecke sind an sich nicht bekannt und daher, wie man sagt, nicht verhandelbar. Aus diesem Grund müssen zusätzliche Sensoren diese Wissenslücken möglichst gut füllen.

Kooperative Teilnehmer, das heißt von dem System selbst gesteuerte Fahrzeuge, können hingegen von Anfang an gut in die Ablaufplanung einbezogen werden. Konkret bedeutet diese neue Entwicklung für einen Anwender, dass auf einem Betriebshof kein abgesperrter Bereich für die automatischen Fahrzeuge vorhanden sein muss. Stattdessen arbeitet das System mit einer für alle betrieblichen Verkehrsteilnehmer offenen Fläche – das gestaltet den Materialfluss unkompliziert. Die Streckenplanung für die automatischen Fahrzeuge wird auf Grundlage einer aktuellen Datenbank durchgeführt.

Das System berücksichtigt dabei verschiedenste Informationen, zum Beispiel hinsichtlich der Priorität des Auftrags, dem gewünschten Zeitpunkt der Fertigstellung, blockierter Bereiche oder kürzesten Strecke über mehrere Aufträge. Dabei steuert eine zentrale Leitstelle die Optimierung der globalen Bahn aus und übermittelt die Informationen an die Fahrzeuge im System. Als Basis dient die Open Source Software ‚Open TCS‘, erweitert für die Salsa-Aufgabenstellung. Als teilautomatisierte Alternative bietet die Leitsteuerung außerdem eine Funktion zur Teleoperation.

Dabei werden die Daten der Fahrzeugsensoren an einen Leitstand übertragen und dort einem Bediener zur Verfügung gestellt. Üblicherweise sind das mehrere Videobilder, zusätzlich unterfüttert mit Informationen der Hindernissensoren. Der Bediener kann von einer zentralen Position per Fernsteuerung auf ein Fahrzeug im System zugreifen, um Fahr- und Steuerbefehle zu erteilen.

Erst die Fusion von Fahrzeug- und Umgebungssensoren schafft die nötige Sicherheit für den FTS-Einsatz auf Freiflächen.

Umgebungswahrnehmung mittels Sensornetzwerk

Für automatische Nutzfahrzeuge sind Sensoren zum Personenschutz obligatorisch, sobald das System in gemeinsamen Bereichen mit Personen unterwegs ist. Als einzige sichere Lösung für Außenanwendungen gelten bislang berührende Sensoren oder ‚Bumper‘. Aufgrund der geringen Detektionsreichweite kann mit dieser Technologie aber nur eine maximale Fahrgeschwindigkeit von sechs Kilomentern pro Stunde realisiert werden. Daher setzt das Projekt zusätzlich auf den redundanten Einsatz berührungsloser Sensoren am Fahrzeug.

Der Einsatz unterschiedlicher Messprinzipien und die mehrfache Überwachung der Umgebung erhöhen zusätzlich die Sicherheit – darunter outdoortaugliche Laserscanner sowie eine eigens entwickelte ‚time of flight‘-Kamera (TOF). Durch die hohe Detektionsreichweite kann ein sanfter Halt des FTF realisiert werden, bevor Kontakt mit einem Hindernis stattfindet. Ein neu entwickelter Sensor in Form eines aktiv angetriebenen Reibrads ermittelt darüber hinaus die Haftung der Fahrbahnoberfläche. Auf glatter Fahrabschnitten kann das Fahrzeug so stoppen oder langsamer fahren und zusätzlich eine Ortsmeldung auf einen mobilen Funkrufempfänger an einen Verantwortlichen absetzen.

Hinter statischen Hindernissen wie Gebäuden entstehen allerdings Sichtschatten und damit ein generelles Sicherheitsrisiko. Soll die Fahrgeschwindigkeit auch in der Nähe solcher Bereiche erhöht werden, muss das fahrerlose Transportsystem (FTS) daher zusätzlich auf stationäre Sensoren zurückgreifen. Dazu wird ein Netzwerk aus Einzelsensoren flächendeckend oder an kritischen Punkten aufgebaut. Zur Erweiterung der ‚Wahrnehmung‘ des Fahrzeugs führt eine Datenfusion der Fahrzeugsensoren mit der externen, stationären Sensorik. Die Datenbank der Umgebungssensorik schickt die relevanten Informationen an das Fahrzeug, das daraufhin seine Geschwindigkeit anpasst.

Wenn keine Hindernisse im relevanten Bereich des Fahrwegs vorliegen, erfolgt die Freigabe für eine schnellere Fahrt. Die Bahnplanung geht noch einen Schritt weiter: Stellt das System fest, dass eine Strecke unsicher oder blockiert ist, verlässt das FTS die geplante Bahn, um einem weniger risikobehafteten Fahrweg zu folgen. Zusätzlich zur Sicherheit für Personen und Sachwerte bedeutet das für den Anwender, dass ungeplante, statische Hindernisse umfahren werden können. Als Technologie zur Spurführung für den Außeneinsatz bietet sich das globale Positionssystem GPS an.

Für industrielle Zwecke verbessern technische Modifikationen die Genauigkeit des Systems: Stationäre Referenzstationen vergleichen die tatsächliche Position mit dem gemessenen GPS-Signal. Dafür werden lokale Korrekturdaten berechnet und per Funk an die Fahrzeuge übertragen. Zum anderen wird mit Differentialsignal zusätzlich die Trägerphase des GPS-Signals ausgewertet. Somit ist letztlich Genauigkeit von einem Zentimeter errichbar.

Erster Prototyp bereits im Einsatz

Für das Verfahren gibt es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, die von Umschlagsplätzen für Wechselbrücken bis zum Transport zwischen verteilten Hallen reichen. Das Salsa-Verfahren lässt sich auch in Gebäuden einsetzen, um etwa die Sicherheit in Kreuzungsbereichen zu erhöhen. Eine Erprobung erfolgt zurzeit mit einem Fahrzeugprototyp und verschiedenen Sensoren. Aktuell konnte die maximale Geschwindigkeit des Fahrzeugs mit zehn Kilometern pro Stunde im Vergleich zu herkömmlichen Systemen deutlich gesteigert werden. Zurzeit werden allerdings Objekte als statisch behandelt; die intelligente Reaktion auf dynamische Hindernisse muss noch integriert werden. Zukünftig soll der Prototyp Geschwindigkeiten von 15 Kilometer pro Stunde sicher realisieren, um noch größeres wirtschaftliches Potenzial bieten zu können.