Sensor- und Steuerungssystem für die leitlinienlose Führung automatischer Flurförderzeuge

Die gegenwärtige Situation der Produktion ist gekennzeichnet durch eine in vielen Bereichen an Wachstumsgrenzen stoßende Nachfrage, die mit immer weniger Aufwand zu befriedigen ist. Speziell für die Bundesrepublik Deutschland führen hohe Lohn- und Lohnnebenkosten bei gleichzeitiger Globalisierung der Produktion zu einem verstärkten Wettbewerbsdruck. Parallel dazu verlangt die schwindende Konstanz und Vorhersagbarkeit der Entwicklungen in der Produktionsumwelt von den Unternehmen kurze Reaktionszeiten auf eingetretene oder erwartete Änderungen /1/. Hieraus läßt sich direkt die Notwendigkeit von Automatisierung einerseits und Flexibilisierung andererseits ableiten.

Sowohl frei verfahrbare Flurförderzeuge als auch mobile autonome Roboter sind Gegenstand aktueller Forschungs- und Entwicklungsgebiete, zu denen kaum allgemeingültige Begriffsdefinitionen vorliegen. Viele der nachfolgenden Einordnungen und Begriffsbildungen sind daher neu aufgestellt und dienen als Definitions-Vorschläge sowie als Arbeitsbegriffe für die weiteren Ausführungen.

Technologische Schlüsselkomponenten für die leitlinienlose Führung automatischer Flurförderzeuge sind, gemessen an den zugrundeliegenden Lastenheftanforderungen, die Teilsysteme Sensorik und Steuerung. Für die Entwicklung der benötigten Sensor- und Steuerungsstruktur scheidet angesichts technisch ungelöster Teilaufgaben eine Variantenauswahl zwischen bekannten Lösungsblökken aus. Unter Berücksichtigung dieser Ausgangssituation erfolgt die Lösungsfindung nach der Methode von Analyse und Synthese. In der Analyse wird die komplexe Aufgabenstellung soweit in ihre funktionalen Bestandteile zerlegt, daß die resultierenden Elementarfunktionen vom Umfang überschaubar und hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Elementarlösungen technisch bewertbar werden. Die Synthese generiert dann, auf Basis dieser Bestandteile, durch entsprechende Zusammensetzung ein optimal auf die Aufgabenstellung angepaßtes neues Systemkonzept.

Aufgrund der Neuheit des Arbeitsgebietes existiert bis auf sehr allgemein bleibende Übersichten /60/ keine durchgängige Systematik zur Beschreibung von Steuerungen für mobile autonome Roboter. Bisher im Rahmen von Forschungsprojekten konzipierte und ganz oder teilweise realisierte Steuerungssysteme weisen entsprechend Anwendungsbereich und Forschungsschwerpunkt erhebliche Unterschiede in Struktur, Funktionsumfang, Leistungsfähigkeit und zugrundeliegendem Prinzip auf.

In den beiden vorausgehenden Kapiteln der Analyse wurden die Teilsysteme Sensorik und Steuerung in ihre elementaren Funktionen zerlegt sowie die möglichen Lösungsansätze für die Einzelfunktionen zusammengestellt. Auf Basis der Anforderungen des Lastenheftes generiert die Synthese aus diesen Bausteinen eine neue Sensor- und Steuerungsstruktur für die leitlinienlose Führung automatischer Flurförderzeuge. Dabei wird in den folgenden Schritten vorgegangen:

Die in der Bewertungsmatrix in Kapitel 5 unter der Rubrik Algorithmen-Entwicklung eingestuften Funktionen sind in ihrer Realisierung abhängig von der Fahrwerks-Kinematik des mobilen autonomen Roboters. Nachfolgend werden die Algorithmen beispielhaft für eine Dreirad-Kinematik mit angetriebenem und gelenktem Vorderrad entwickelt. Diese Kinematik soll in einem Versuchsträgerfahrzeug realisiert werden. Die Dreirad-Kinematik wird neben der Vierrad-Rautenanordnung sowie der Vierwege-Anordnung mit zwei gelenkten Rädern am häufigsten für automatische Flurförderzeuge verwendet /88/ und ist insbesondere für kleine Fahrzeuge Standard. Eine systematische Übersicht zu weiteren Fahrwerksvarianten, deren Vor- und Nachteile sowie Kriterien zu deren Auswahl enthält /98/. Der nachstehende Entwicklungsweg ist im Ansatz auf andere Kinematiken übertragbar, da er die grundsätzlichen Problemstellungen vollständig enthält.

Zum Nachweis von Funktionsfähigkeit und Realisierbarkeit für die entwickelte Sensor- und Steuerungsstruktur sowie zur Erprobung der Leistungsfähigkeit unterschiedlicher Sensorkonzepte wurde das Versuchsträgerfahrzeug IPAMAR (IPA Mobiler Autonomer Roboter) konzipiert und gebaut. Die Auslegung und Dimensionierung erfolgte exemplarisch als Transportfahrzeug für die Leiterplattenfertigung und -montage, da die dort vorherrschenden hohen Flexibilitätsanforderungen und einschränkenden Bodenverhältnisse für ein leitlinienloses Führungsprinzip sprechen.

Bestehende Automatisierungslösungen für die Führung von Flurförderzeugen gewährleisten bei häufigem Änderungsbedarf keine ausreichende Flexibilität der Fahrkursgestaltung. Flexibilitätseinschränkungen resultieren im wesentlichen aus den zu installierenden linien- oder punktförmigen Navigationshilfen und anlagenspezifischen Software-Entwicklungsarbeiten. Der Lösungsansatz einer freien Navigation von Flurförderzeugen mittels gespeicherter Umgebungsplaninformation und Sensoren zur Umgebungserkennung führt auf die Forschungsthematik der mobilen autonomen Roboter. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Sensor- und Steuerungskonzept für die leitlinienlose Führung automatischer Flurförderzeuge entwickelt. Zentrale, erstmals gelöste Kernanforderungen sind die technische Funktionsfähigkeit in Echtzeit, die Bewältigung realer Fertigungsumgebungen und die wirtschaftliche Realisierbarkeit.