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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Steuersystems und ein Steuersystem für ein fahrerloses Transportfahrzeug.
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Im Logistikbereich werden Transportfahrzeuge eingesetzt, um Güter zu transportieren, in vorgesehene Lagereinrichtungen zu laden und daraus zu entladen. Neuere Entwicklungen ermöglichen es, viele dieser Arbeiten fahrerlos, also automatisiert oder sogar autonom, auszuführen. Um ein fahrerloses Fahren zu ermöglichen, werden entsprechende Steuersysteme am Fahrzeug und gegebenenfalls sogar innerhalb der Infrastruktur, also der Umgebung, in der sich das Transportfahrzeug bewegt, benötigt. Auch werden entsprechende Steuereinrichtungen benötigt, welche die Sensordaten verarbeiten und dann dem Fahrzeug den abzufahrenden Fahrweg vorgeben.
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Da es hier noch Verbesserungsbedarf gibt, ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Steuersystem für ein fahrerloses Transportfahrzeug bereitzustellen.
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Bisher werden im Logistikbereich bei fahrerlosen, d.h. automatisierten bis hin zu autonomen, Transportfahrzeugen Laserscanner zur Lokalisierung und zur Navigation eingesetzt. Ferner werden zusätzliche Sensorsets zur Umfelderfassung benötigt, welche meistens auch als Laserscanner ausgeführt sind. So wird das Umfeld des Fahrzeugs auf bewegliche und stehende Hindernisse gescannt und das Fahrzeug kann im Bedarfsfall angehalten werden oder einem Hindernis ausweichen. Diese beiden Systeme, erstens zur Lokalisierung und Navigation, und zweitens zur Umfelderfassung, sind meist separat voneinander ausgeführt. Außerdem erfassen die Laserscanner ihr Umfeld häufig nur zweidimensional, so dass blinde Flecken im Umfeld des dreidimensionalen Fahrzeugs entstehen, die nicht erfasst werden können. Somit kann auch nicht auf Hindernisse in einem solchen blinden Fleck reagiert werden, so dass eine Kollisionsgefahr mit im Fahrweg befindlichen Objekten bestehen kann. Diese bisherige Art der Navigation und Umfelderfassung bedarf einer großen Anzahl an teurer Sensorik und diverser Steuergeräte. Ferner sind verwendete Sensorsets aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzungen und Witterungseinflüssen in der Regel nur für den Indoor-Gebrauch verwendbar, also z.B. in Hallen.
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Deshalb wird ein Verfahren zum Betrieb eines Steuersystems für ein fahrerloses Transportfahrzeug zum horizontalen und/oder vertikalen Materialtransport in einer vorgegebenen Umgebung vorgeschlagen, bei welchem Sensordaten zur Lokalisation und Navigation des fahrerlosen Transportfahrzeugs sowie zur Umfelderfassung ermittelt werden. Die erfassten Sensordaten werden ausgewertet und basierend auf der Auswertung wird das fahrerlose Transportfahrzeug derart gesteuert, dass es eine vorgegebene Aufgabe kollisionsfrei ausführt. Das Steuersystem weist mindestens einen am fahrerlosen Transportfahrzeug angeordneten bildgebenden Radarsensor auf.
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Als fahrerloses Transportfahrzeug, kurz FTF, oder Englisch Automated Guided Vehicle, kurz AGV, wird ein flurgebundenes Fördermittel bzw. kurz Flurfördermittel, bezeichnet, welches zum horizontalen und/oder vertikalen Materialtransport dient. Sein Antrieb wird über entsprechende Steuersignale von der Steuereinrichtung gesteuert, so dass es automatisiert bzw. autonom fahren kann. Unter Materialtransport ist ein Fahren von Material von einem Anfangsort zu einem Zielort, aber auch ein Be- und/oder Entladen von Material, z.B. aus einem Hochregal, zu verstehen. Dabei kann das nachfolgende Transportieren von demselben FTF oder einem anderen Fahrzeug übernommen werden.
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Um eine Möglichkeit zu schaffen, die Automatisierung von Logistiksystemen zu verbessern und diese sogar im Outdoor-Bereich verwenden zu können, wird vorgeschlagen, einen bildgebenden Radarsensor zur Erfassung aller relevanten Daten zur Steuerung des fahrerlosen Transportfahrzeugs, also zur Lokalisation, Navigation und Umfelderfassung, zu verwenden. Bildgebende Radarsensoren, also z.B. Arrays aus Radarsensoren oder (3D) Digitales Beamforming (DBF)-Radarsensoren, können punktgenau ihr Umfeld erfassen und mit einer verfügbaren Karte der Umgebung, welche vorteilhaft vorab oder mittels SLAM erstellt wurde, ihre Position und Pose darin ermitteln. Ein bildgebender Radarsensor kann zwischen bewegten und stehenden Objekten unterscheiden sowie deren Größe ermitteln. Er kann sein Umfeld dreidimensional erfassen und damit z.B. auch Objekte im Fahrweg, genauer der Fahrzeughüllkurve, erkennen, die von oben oder der Seite in den Fahrweg ragen, nicht auf dem Boden stehen und von bisher verwendeter Sensorik nicht erkannt werden. Die Steuerung des Transportfahrzeugs kann dann entsprechend ausgeführt werden, um das Fahrzeug kollisionsfrei zu seinem Ziel zu bewegen bzw. seinen Arbeitsprozess kollisionsfrei auszuführen.
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Unter dem Begriff SLAM, welcher aus dem Englischen Simultaneous Localization and Mapping herrührt und zu Deutsch Simultane Positionsbestimmung und Kartenerstellung genannt wird, ist ein Verfahren zu verstehen, bei dem ein mobiles Fahrzeug gleichzeitig eine Karte seiner Umgebung erstellen und seine Pose innerhalb dieser Karte schätzen muss.
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Durch Verwenden eines bildgebenden Radarsensors zur Lokalisierung, Navigation und Umfelderfassung wird deutlich weniger Sensorik und somit Rechenleistung zur Umsetzung der Fahraufgabe und/oder des Arbeitsprozesses benötigt. Außerdem ist diese Sensorik deutlich weniger witterungsanfällig und empfindlich gegen Verschmutzung, so dass sie somit im Innenbereich (=Indoor) und im Außenbereich (=Outdoor) verwendet werden kann.
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Zur genauen Erkennung von Hindernissen wird die Fahrzeughüllkurve des Fahrzeugs abhängig von seiner Fahrtrajektorie und dessen Beladung angepasst. Zur Bestimmung von Hindernissen wird eine Schnittmenge aus der Hüllkurve und der dreidimensionalen Umfeldinformation gebildet. Somit lassen sich für die Fahraufgabe und/oder den Arbeitsprozess relevante stehende und bewegte Hindernisse erkennen, auf die dann in Form von Anhalte- oder Ausweichmanövern reagiert werden kann.
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In einer Ausführung ist die Aufgabe eine vorgegebene Fahraufgabe oder ein vorgegebener Arbeitsprozess, aber es kann auch eine Kombination aus beidem sein. Ein vorgegebener Arbeitsprozess ist dabei ein Be- und/oder Entladen von Material, und eine vorgegebene Fahraufgabe ein Fahren des fahrerlosen Transportfahrzeugs von einem Anfangsort zu einem vorgegebenen Zielort. Das heißt, dass bei einer Kombination aus Fahraufgabe und Arbeitsprozess das fahrerlose Transportfahrzeug beispielsweise während seiner Fahrt von einem Anfangsort zu einem Zielort Material abladen oder aufnehmen soll. So fährt er ein Zwischenziel an, führt einen Arbeitsprozess aus und führt dann die Fahraufgabe zum Zielort fort.
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In einer Ausführung werden zur Steuerung des fahrerlosen Transportfahrzeugs eine dreidimensionale Fahrzeughüllkurve sowie stehende Hindernisse und/oder bewegte Hindernisse aus den Sensordaten ermittelt. Dann wird eine Schnittmenge daraus gebildet, und im Falle einer erkannten Überschneidung wird eine Maßnahme zur Steuerung des fahrerlosen Transportfahrzeugs in Abhängigkeit des erkannten Hindernisses bestimmt und ausgeführt.
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In einer Ausführung ist die Maßnahme im Falle eines bewegten Hindernisses ein Anhalten des fahrerlosen Transportfahrzeugs solange, bis das bewegte Hindernis die dreidimensionale Fahrzeughüllkurve passiert hat, oder ein Ausweichen. Im Falle eines stehenden Hindernisses ist die Maßnahme ein Ausweichen. Je nach Art des erkannten Hindernisses kann das fahrerlose Transportfahrzeug entweder Anhalten, z.B. um eine den Fahrweg kreuzende Person oder ein anderes fahrerloses oder von einem Fahrer geführtes Transportfahrzeug passieren zu lassen. Es kann aber auch um ein Hindernis fahren, um diesem auszuweichen. Ein solches Hindernis kann dabei ein stehendes Hindernis sein, oder aber auch ein bewegliches Hindernis.
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Im Falle eines beweglichen Hindernisses kann das fahrerlose Transportfahrzeug z.B. seine Spur wechseln oder eine andere Maßnahme treffen, um eine Kollision zu vermeiden. Grundsätzlich sind alle auszuführenden Maßnahmen so priorisiert, dass keine Kollision mit einem Hindernis, sei es beweglich oder unbeweglich, stattfindet. Hierfür berechnet das Steuersystem bzw. die später beschriebene Steuereinrichtung die entsprechenden abzufahrenden Trajektorien und gibt den abzufahrenden Fahrweg vor.
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In einer Ausführung ist die vorgegebene Umgebung ein Innenbereich (=Indoor-Bereich), z.B. eine Lager- oder Produktionshalle, oder ein Outdoor-Bereich wie ein Außengelände bzw. Freiland. Bisher verwendete Steuersysteme sind sehr empfindlich gegenüber Verschmutzungen und Außeneinflüsse. Durch das Verwenden von bildgebenden Radarsensoren wird dieses Problem überwunden, da diese robust gegenüber Verschmutzungen und Außeneinflüssen sind. Somit kann das vorgeschlagene Steuersystem sowohl im Indoor-Bereich als auch im Outdoor-Bereich angewendet werden.
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Das fahrerlose Transportfahrzeug kann z. B. mit dauerhaft am Fahrzeug befindlichem oder zusätzlichem, temporär anbringbarem Anbaugerät ausgerüstet sein. Beispielsweise ist das fahrerlose Transportfahrzeug eines aus folgenden Arbeitsmaschinen: Hubwagen, Stapler, Schlepper, Radlader, Traktor, Mähdrescher, Routenzug, Kehrmaschine.
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Durch Anbringen des bildgebenden Radarsensors am Äußeren des Fahrzeugs und Bestimmen der für das Fahrzeug vorhandenen Fahrzeughüllkurve kann die genaue Kontur des Fahrzeugs abgebildet werden. Es können damit auch lediglich temporär anbringbare Anbaugeräte wie Schaufeln, Greifer etc. davon umfasst werden und eine kollisionsfreie Trajektorie zur Bewältigung der Aufgabe bestimmt werden.
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In einer Ausführung weist das Steuersystem eine Steuereinrichtung auf, welche zur Auswertung der Sensordaten und Erzeugung von Signalen zur Steuerung des fahrerlosen Transportfahrzeugs eingerichtet ist, wobei die Steuereinrichtung als Teil des Steuersystems, als eine im fahrerlosen Transportfahrzeug bereitgestellte und mit dem Steuersystem in Kommunikationsverbindung stehende Steuereinrichtung, oder als eine außerhalb des fahrerlosen Transportfahrzeugs bereitgestellte und mit dem Steuersystem in Kommunikationsverbindung stehende Steuereinrichtung ausgeführt ist.
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In einer Ausführung ist der mindestens eine bildgebende Radarsensor an einem Außenbereich des fahrerlosen Transportfahrzeugs derart angeordnet, dass er zumindest einen Frontbereich des fahrerlosen Transportfahrzeugs überwacht. Vorteilhaft ist der bildgebende Radarsensor so angeordnet, dass er das gesamte Fahrzeug sowie einen Radius darum überwacht, um auch bei einem Rückwärtsfahren eine kollisionsfreie Trajektorie vorgeben zu können.
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Vorteilhaft wird die Position und Pose des fahrerlosen Transportfahrzeugs mittels einer verfügbaren Karte der Umgebung ermittelt, um das fahrerlose Transportfahrzeug zur Erfüllung der vorgegebenen Fahraufgabe und/oder des vorgegebenen Arbeitsprozesses zu navigieren. Eine solche verfügbare Karte kann entweder eine gespeicherte Karte oder eine mittels z.B. SLAM in Echtzeit ermittelte Karte sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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1 bis 8 zeigen Einzelschritte eines Ablaufs zur Durchführung einer vorgegebenen Aufgabe gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt ein Startszenario, bei dem ein fahrerloses Transportfahrzeug 2 mit einem daran angeordneten Steuersystem 1, welches einen bildgebenden Radarsensor umfasst, von einem Anfangsort A startet, um zu einem Zielort Z zu gelangen. Während des Fahrens könnte noch ein zusätzlicher Arbeitsprozess ausgeführt werden, z.B. ein Be- oder Entladen des fahrerlosen Transportfahrzeugs 2. Der bildgebende Radarsensor hat je nach Anordnung am fahrerlosen Transportfahrzeug 2 einen definierten Sichtbereich 40, auch als FOV (Filed of View) bezeichnet. Je nach Bewegungsrichtung ermittelt das Steuersystem 1 Hindernisse.
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In 1 werden lediglich stehende Hindernisse 11 ermittelt und mit entsprechenden Markierungen 10 versehen. Der vom bildgebenden Radarsensor erfasste Bereich um das Fahrzeug wird als dreidimensionale Fahrzeughüllkurve 30 dargestellt. Der Fahrweg bzw. die abzufahrende Trajektorie werden so bestimmt, dass keine Kollision mit dem erfassten Hindernis, hier dem stehenden Hindernis 11, erfolgt. Als Hindernis wird ein Objekt definiert, das sich in Fahrtrichtung des Fahrzeugs bzw. auf dessen Fahrweg und in dessen Fahrzeughüllkurve 30 befindet, da dann ein Kollisionsrisiko erkannt wird. Der erfasste sichere Fahrweg, also der Bereich, in dem das Fahrzeug kollisionsfrei fahren kann, ist in den Figuren mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnet.
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In 2 ist gezeigt, wie das fahrerlose Transportfahrzeug 2 einem bewegten Hindernis in Form einer den Fahrweg kreuzenden Person 21 begegnet. In diesem Fall führt das fahrerlose Transportfahrzeug 2 ein Anhalten durch, was durch das angedeutete Stoppschild 3 in 2 dargestellt ist. Die Person 21 wird erfasst, sobald sie den Sichtbereich 40 des bildgebenden Radarsensors betritt und durch entsprechende Markierungen 20 als bewegtes Hindernis markiert. Wenn das bewegte Hindernis, also die Person 21, sich wieder außerhalb des Sichtbereichs 40befindet, fährt das fahrerlose Transportfahrzeug 2 weiter. Ein Anhalten ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein bewegtes Hindernis den Fahrweg kreuzt, sich also nicht in dieselbe Richtung bzw. entgegengesetzt dazu bewegt.
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Je nach Art des erfassten Hindernisses kann das fahrerlose Transportfahrzeug 2 auch ein Ausweichmanöver starten, wie in den nachfolgend beschriebenen Figuren gezeigt. Wie in 3 bis 6 gezeigt, kann das fahrerlose Transportfahrzeug 2 auch mehrere stehende Hindernisse 12 erfassen. Dabei werden alle erfassten stehenden Hindernisse 11, 12 mit entsprechenden Markierungen 10 versehen, so dass eine Trajektorie zum Ausweichen bestimmt werden kann, d.h. um das fahrerlose Transportfahrzeug 2 kollisionsfrei an dem Hindernis 12 vorbeizuführen, ohne dabei mit dem Hindernis 11 zu kollidieren.
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Sobald ein neues Hindernis, z.B. ein weiteres Transportfahrzeug 22, in den Sichtbereich des bildgebenden Radarsensors gelangt, wie in 7 gezeigt, wird dieses wiederum mit entsprechenden Markierungen 20 für bewegte Hindernisse markiert und ein Ausweichmanöver eingeleitet. Gleichzeitig werden auch die stehenden Hindernisse 11 erfasst und mit Markierungen 10 versehen, um beim Ausweichen nicht damit zu kollidieren. In 8 ist das gleiche Szenario wie in 1 vorhanden, d.h. es sind nur stehende Hindernisse 11 vorhanden, welche entsprechend markiert sind, um die abzufahrende Trajektorie vorzugeben.
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In der in 8 gezeigten Ausführung ist das fahrerlose Transportfahrzeug 2 an seinem Zielort Z angekommen, indem es in den Gang eingebogen ist und damit gleichzeitig dem anderen Transportfahrzeug 22 ausgewichen ist. Es könnte aber auch sein, dass es aufgrund Platzmangels oder zur Ausführung eines Arbeitsprozesses in den Gang eingebogen ist und nachdem das andere Transportfahrzeug 22 vorbeigefahren ist, wieder rückwärts aus dem Gang herausfährt. Hierzu wird dasselbe Verfahren angewendet wie vorher beschrieben, d.h. es wird die aktuelle Position und Pose des Fahrzeugs sowie Daten zum Umfeld bestimmt, d.h. ob Hindernisse vorhanden sind und wo sich diese befinden. Basierend darauf wird eine abzufahrende Trajektorie bestimmt und das anderen fahrerlose Transportfahrzeug 2 entsprechend gesteuert.
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Die Markierungen 10 bzw. 20 sind virtuell erstellte Markierungen und werden so gesetzt, dass möglichst die Randbereiche des Hindernisses 11, 12; 21, 22 markiert werden, so dass eine Trajektorie berechnet werden kann, welche das fahrerlose Transportfahrzeug 2 kollisionsfrei am erfassten Hindernis 11, 12; 21, 22 vorbeiführt.
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Die mit dem Radar gesammelten Umfeldinformationen, insbesondere im industriellen Umfeld, können außerdem dazu genutzt werden, einen Arbeitsprozess auszuführen, z.B. eine Palette oder Hochregal so exakt zu erkennen. So ist neben der Automatisierung des Fahrprozesses auch die Automatisierung des Arbeitsprozesses möglich. Das heißt, dass die erfassten Umfeldinformationen so interpretiert werden, dass z.B. die Arbeitshydraulik eines Hubmasts automatisiert angesteuert werden kann.
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Durch Verwenden eines bildgebenden Radarsensors, welcher den heute üblichen Laserscanner ersetzt, entstehen folgende Vorteile:
- - Es ist nur ein Sensorset für Lokalisierung, Navigation und Umfelderfassung nötig.
- - Eine Nutzung des Fahrzeuges ist im Indoorbereich und im Outdoorbereich mit identischem Sensorset möglich.
- - Es wird eine dreidimensionale Umfelderfassung inkl. Kartenerstellung mit Unterscheidung in (temporär) bewegte und stehende Hindernisse möglich.
- - Es wird eine direkte Unterscheidbarkeit zwischen stehenden und bewegten Objekten möglich.
- - Es wird eine reduzierte Rechenleistung auf dem Steuersystem bzw. einer Steuereinrichtung zum Auswerten und Bestimmen der Art, mit einem Hindernis umzugehen, in Vergleich zu einem Kamera- oder Lidar-basierten System, benötigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steuersystem, bildgebender Radarsensor
- 2
- fahrerloses Transportfahrzeug, FTF
- 11; 12
- stehende Objekte
- 21; 22
- bewegte Objekte
- 3
- Anhalten
- A; Z
- Anfangsort; Zielort
- bzw. 10
- Markierung stehende Objektesicherer Fahrweg
- bzw. 20
- Markierung bewegte Objekte
- bzw. 30
- dreidimensionale Fahrzeughüllkurve
- bzw. 40
- Sichtfeld Radar
