So wird die Navigation für fahrerlose Fahrzeuge einfacher

Industrie 4.0 sowie das industrielle Internet der Dinge (IIoT) verändern Produktions- und Logistikprozesse auf eine Art, die vor einigen Jahren noch als Zukunftsfantasien galten. Schon bald werden in allen Bereichen „Dinge“ miteinander vernetzt sein und automatisch interagieren können. Fahrerlose Transportsysteme (FTS) können das jetzt schon. Doch für das reibungslose Funktionieren der Maschinen und Fahrzeuge werden detaillierte Positions- und Statusdaten benötigt, die ohne hochentwickelte Elektronik und maßgeschneiderte Anwendungen nicht erfasst und verarbeitet werden können.

Fahrerlose Transport Systeme (FTS) werden heute in vielen Fertigungs- und Logistikunternehmen eingesetzt. Sie transportieren die Produkte, Teile oder Materialien vom Lager zu einem vorab bestimmten Ziel in der Produktionsstätte, im Lager oder auf dem Gelände. Damit das Fahrzeug den Weg eigenständig ohne Fahrer bewältigen kann, muss es irgendwie navigiert werden.

Bis dato nutzten Navigationssysteme dafür Bodenmarker wie Linien oder Magnetstreifen. Diese Art der Navigation existiert schon seit den späten 50er Jahren des 20. Jahrhunderts. Ein optischer Sensor im FTF liest die Bodenmarker aus und fährt hinter diesen her. Doch diese Navigationsarten sind unflexibel, teuer und aufgrund des robusten Umfelds häufig sehr wartungsintensiv. Denn die Umweltbedingungen sind in den meisten Betriebsstätten im Gegensatz zu Reinraumproduktionen eher schwierig.

Bodenverschmutzungen, störende Lichteinstrahlung, Staub oder Dämpfe erschweren es dem FTF, seinen Weg zu erkennen. Bisher verwendete Navigationssysteme erforderten im Vorfeld oft aufwendige Messfahrten zur Aufzeichnung interner Karten. Auch laserbasierte Systeme wie SLAM-Algorithmen („Simultaneous Localization and Mapping“, deutsch „Simultane Positionsbestimmung und Kartenerstellung“), welche neben der Navigation gleichzeitig die Umgebung erfassen, stoßen im industriellen Umfeld an ihre Grenzen.

Maßgeschneiderte Lösungen

Bei dem 2015 in München gegründeten Unternehmen Kinexon Industries entstehen Lösungen, mit denen sich die Anforderungen des Industrial Internet of Things (IIoT) gut umsetzen lassen. Kerngeschäft der Münchner Technologieschmiede ist die Entwicklung von Präzisionsortungs- und Bewegungssensoren. Die maßgeschneiderten Lösungen orientieren sich an den Anforderungen der Kunden und bestehen aus Hardware, Firmware und Software sowie den entsprechenden Services.

Die FTF-Navigationssoftware Kinexon Brain bietet eine sensorbasierte Ortung. Sie fusioniert mehrere Positionssensoren, wodurch eine deutlich genauere Eigenortung ermöglicht wird. Die Sensor-Netzwerk-Technologie ermöglicht die zentimetergenaue Positionierung und Bewegungserkennung von Objekten.

Schnelle Lokalisierung und Steuerung

Kinexon Brain als Integrationsschicht auf Fahrzeugebene. Kinexon

In schwierigen Umgebungen ermöglicht die Navigationssensorik die schnelle Lokalisierung und Steuerung fahrerloser Transportsysteme und autonomer Service-Roboter. Daten, die für die Lokalisierung und Navigation notwendig sind, werden über ein engmaschiges Netzwerk erfasst. Es basiert auf der Fusion von INS (Inertial Navigation System), Laserdaten und den Positionsinformationen des drahtlosen Lokalisierungssystems (Kinexon Sensornetzwerk). Die Software wählt automatisch in jeder Situation die jeweils besten Lokalisierungsinformationen aus und kombiniert diese für eine genaue Positionsschätzung. Die funkbasierte Lokalisierungstechnologie liefert auch in sehr schwierigen Umgebungen präzise Positionsdaten. Bei Bedarf werden so die lokalen und relativen Positionsschätzungen der fahrzeuggebundenen Sensorik korrigiert. Damit ist in beinahe allen industriellen Umgebungen eine Positionierungsgenauigkeit von 5 cm und eine Kursabweichung von unter 2° zu erreichen.

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Kinexon Funklokalisierung macht sehr aufwendige Messfahrten zur Aufzeichnung interner Karten wie bei bisher verwendeten Navigationssystemen – beispielsweise auf der Basis von Magnetstreifen – überflüssig. Fahrrouten und Wegpunkte können auf einem vorliegenden Grundriss aus dem CAD-System definiert und in das Leitsystem übertragen werden. Das Sensornetzwerk arbeitet mit einer bidirektionalen Kommunikation und ermöglicht per Funk eine präzise Navigation. Darüber hinaus lassen sich mit dem System sowohl personengesteuerte, als auch fahrerlose Transportsysteme gleichzeitig orten. Das erhöht die Flexibilität und steigert die Effizienz. Zudem kann das Sensornetzwerk übergreifend auch für weitere Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise das Asset Management, Routenoptimierung von Gabelstaplern oder die Automatisierung manueller Prozesse.

Robuste Hochleistungsrechner

Damit solch ein ausgefeiltes Navigationssystem funktioniert, werden große Datenmengen benötigt, die dann schnell verarbeitet werden müssen. Dafür sind kleine, leistungsstarke aber auch robuste Hochleistungsrechner notwendig. Sie müssen diese Datenmengen schnell und effizient bewältigen, auch unter erschwerten Umweltbedingungen.

Intelligente Navigation für fahrerlose Fahrzeuge: Kinexon Brain mit sensorbasierter Ortung implementiert in einem IoT Gateway. Kinexon

Anfang 2017 fiel die Entscheidung auf die KBox von Kontron. Kinexon Brain ist in einem IoT-Gateway der KBox-A-Serie implementiert. Die Lösung besteht aus einem Embedded-Box-PC mit IoT-Funktionalitäten sowie den Sensoren für die Kommunikation mit dem Sensornetzwerk. Hinzu kommen ein Feldbuskoppler für die Kommunikation mit externen I/Os und weiteren Komponenten, die an das Gateway angeschlossen sind, wie beispielsweise Motoren, Laserscanner oder eine Sicherheitssteuerung. Die auf dem Embedded-Box-PC installierte Software fungiert als einheitliche Schnittstelle zur Hardwareplattform des Flurförderfahrzeugs.

Durch die Möglichkeit der Integration und Fusion unterschiedlicher Lokalisierungstechnologien wie beispielsweise Slam und UWB-Ortung (Ultra-Wideband) bietet das System sehr hohe Robustheit und gleichzeitig sehr hohe Flexibilität. Zudem lassen sich vielfältige Einsatzszenarien realisieren, dank der Ansteuerung jeglicher Kinematik und der problemlosen Integration in FTS unterschiedlicher Hersteller.

Unterschiedliche Sensordaten fusionieren

Heute ist die KBox ein fester Bestandteil von FTS mit Kinexon Brain und fungiert innerhalb des Systems als Leitrechner, der die unterschiedlichen Sensordaten fusioniert. Das System liefert auch im Dauerbetrieb sowie bei eingeschränkter Kühlung und hohem Verschmutzungsgrad zuverlässig alle benötigten Daten. Durch die kompakte Bauweise eignet sich der Box-PC auch für die Integration in flache, autonome Flurförderfahrzeuge. Das ist ein wichtiger Aspekt, da der Raum, der bei einem solchen FTS zur Verfügung steht, sehr eingeschränkt ist. Zusätzlich bietet er die notwendigen Schnittstellen für die FTS-Lösung.

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Viele Lösungen, die wir uns im Vorfeld angesehen haben, sind deutlich größer und schwerer, als die KBox und arbeiten mit aktiver Belüftung. Dies ist aber bei flachen, autonomen Flurförderfahrzeugen nicht optimal, da sie sich nahe am Boden bewegen. Daraus resultiert ein hoher Staubanteil, den die Systeme verkraften müssen, um präzise Daten bereitzustellen.

Die Vorteile der Kontron-Produkte sind ihre Kompaktheit und Robustheit sowie ihre Skalierbarkeit und der lüfterlosen Betrieb. Dieser ist mittels einer guten passiven Kühlung bei Umgebungstemperaturen von bis zu 60 °C möglich. Das Gehäuse der KBox ist sehr gut verarbeitet. Zudem ist die Anordnung der Schnittstellen besonders praxisnah. Außerdem haben uns neben dem Preis-Leistungsverhältnis auch der kundennahe Support und Service insgesamt überzeugt.

Überzeugt hat uns die Lösung auch, weil Kontron alle notwendigen Zertifizierungen vorweisen kann und eine vollständig getestete Systemkonfiguration präsentieren konnte. Auch die Zusammenarbeit in allen Projektphasen war sehr gut.

Dank der gebotenen Standards, der Skalierbarkeit und der verfügbaren Schnittstellen lässt sich Kinexon Brain problemlos in die Produkte unterschiedlicher Fahrzeughersteller integrieren. Das erlaubt eine Vielzahl von Anwendungen in diversen Einsatzfeldern, beispielsweise im Bereich der Intralogistik oder zukünftig auch im Service-Robotik-Bereich.

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