Freie Navigation

Autonomie – freie Navigation im Innen- und Außenbereich

Technologien für eine sichere, autonome und genaue Navigation sind die Grundlage für selbstfahrende Systeme in allen Bereichen. Roboterfahrzeuge müssen hierzu in bekanntem oder unbekanntem Gebiet ihre Position finden, aus Sensordaten ihre Umwelt erfassen, sowie einen möglichst optimalen und kollisionsfreien Pfad berechnen, um zuverlässig zum Ziel zu kommen.

Das ZfT hat hier entsprechende Lösungen für reale, dynamische Umgebungen im Innen- und Außenbereich für konkrete Anwendungen entwickelt und einsatzreif umgesetzt. Sie erlauben eine flexible, nicht spurgebundene, freie Navigation in dynamischem Umfeld für beliebige Roboterfahrzeuge.

Die Navigationslösung des Zentrums für Telematik erlaubt die Berechnung optimaler Wege mittels der gerade wichtigsten Kriterien (zeitoptimal, energieoptimal, etc.) und unter Berücksichtigung von Nebenbedingungen, wie beispielsweise Einbahnstraßen und Geschwindigkeitsbeschränkungen.

In zahlreichen nationalen und internationalen Kooperationsprojekten hat das ZfT in 10 Jahren enormes praktisches Realisierungs-Know-How in den relevanten Bereichen des autonomen Fahrens von Roboterfahrzeugen aufbauen und in die eigene Navigationslösung integrieren können.

Lokalisation und Hindernisvermeidung

Zusammen mit renommierten Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft konnte das Zentrum für Telematik in zahlreichen Verbundprojekten Lösungen im Bereich der Lokalisation und Hindernisvermeidung entwickeln, welche in die aktuellen ZfT-Navigationssysteme integriert sind. Die flexible Logistik in industriellen Produktionsanlagen wird oft mit autonomen Roboterfahrzeugen realisiert. In der Demonstratorfabrik zur „Adaptiven Produktion“ werden hier vernetzte Robotermanipulatoren und Roboterfahrzeuge eingesetzt, um einen flexiblen Materialfluss zwischen Fertigungs- und Testbereichen herzustellen. Grundlage ist eine hochzuverlässige Navigation in der Fabrikhalle, um energieoptimal und kollisionsfrei die Transportaufträge durchzuführen.

Im Projekt „Sichere Navigation für autonome Roboterfahrzeuge (SiNafaR)“ wurde für ein System kooperierender autonomer Helikopter und Landfahrzeuge die Positionsbestimmung im Außenbereich entwickelt und evaluiert. Zudem wurden Methoden zur Hindernisvermeidung und Pfadverfolgungsalgorithmen erfolgreich entwickelt und demonstriert. Damit können große Lagerflächen (beispielsweise in Häfen, Flughäfen oder Bahnhöfen) von einer Zentrale aus effizient überwacht werden. Eine genaue Lokalisierung und Pfadverfolgung im Innenbereich ohne teure externe Referenzsysteme wurde für ein automatisches, hochgenaues Aufbringen von Markierungslinien für Schwimmbäder und Sporthallen entwickelt. Ein mobiler Roboter kann hier durch eine Kombination kostengünstiger Abstands-Laserdetektoren mit einem Linienlaser eine sehr hohe Genauigkeit (< 1mm) beim Abfahren vorgegebener Linien erreichen. Das integrierte Pulverbeschichtungssystem bringt so an den vorgeplanten Stellen die Markierungslinien auf den Boden.

Optimale Pfadberechnung

Im Projekt „Biosensornetzwerke zum großflächigen Umweltmonitoring“ wurde ein biotechnologisches System aus Bienen und mobilen Robotern entwickelt, welches zur Umweltüberwachung eingesetzt wurde. Die mobilen Roboter MERLIN des ZfT fahren mit einem Navigationssystem auf Basis von vorhandenen Karteninformationen und aktueller Umgebungssensorik einen optimalen Weg ab, der die komplette Fläche überdeckt. Dabei werden Beschränkungen (unüberquerbare Flüsse, kreuzende Straßen, abschüssiges Gelände, etc.) mit einbezogen. Mathematische Modelle des Roboterfahrzeugs und der Arbeitsumgebung werden zusammengeführt, um durch Einspeisung aktueller Sensordaten eine Anpassung an vorliegende Gegebenheiten durchzuführen, um Mobilitätskonzepte und Zielvorgaben anzupassen. Die ZfT-Software erlaubt es Zielfunktionen so zu definieren, dass der Weg optimiert wird. In dynamischen, industriellen Produktionsumgebungen werden diese Lösungen auf fahrerlose Transportroboterfahrzeuge angepasst, insbesondere wurde das Navigationssystem um eine dynamische Komponente für Hallenflächen erweitert, um im Innenbereich effizient und sicher auf Änderungen des Umfeldes reagieren zu können.

Leitzentralen zur Koordination von Robotersystemen

Oft werden in komplexen Situationen autonome Fahrzeuge weiterhin von Menschen koordiniert. Insbesondere in dynamischem Umfeld mit sich rasch ändernden Anforderungen und Aufgabestellungen ist es am effizientesten die jeweiligen Zielvorgaben vom Menschen zu koordinieren. Das ZfT hat solche Mensch-Maschine-Schnittstellen in Leitzentralen realisiert, die auch Steuerung und Koordination eines Systems mehrerer mobiler Roboter ermöglicht. Entsprechende Assistenzsysteme, die Fernsteuerung und teilautonom agierende Roboter zu einem effizienten Gesamtsystem integrieren, stehen im Mittelpunkt der Arbeiten des Zentrums für Telematik.

Hierzu wurde beispielsweise im Rahmen des Projektes SiNafaR eine modulare Leitzentrale für Luft- und Landfahrzeuge entwickelt. Das System modelliert ein Roboternetzwerk aus einer Vielzahl autonomer, verschiedenartiger Einheiten und kann so zur Kontrolle, Überwachung und Steuerung ganzer Formationen und Schwärme eingesetzt werden. Bewertungskriterien umfassen das Situationsbewusstsein des Fernbedieners der Robotersysteme:

So werden Informationen der einzelnen Geräte (geplante Routen, vorhandene Ressourcen, etc.) in einer übersichtlichen Kartenübersicht intuitiv für den Bediener dargestellt. Zusätzliche Sensordaten können variabel zugeschaltet oder in aufgabenorientierten, konfigurierbaren Bereichen angezeigt werden.

Die grafische Komponente der Leitzentrale ist direkt sowohl stationär als auch mobil flexibel einsetzbar, da sie auf modernster Browsertechnologie beruht. Die Leitzentrale stellt zudem automatisch ein an das Endgerät angepasstes Layout zur Verfügung.

Neben der visuellen Darstellung des Zustands eines Roboternetzwerkes ist für Multirobot-Leitzentralen auch die automatische Koordination, Aufgabenverteilung und Ausfallüberwachung der Einzelsysteme notwendig. Die Nutzerfreundlichkeit wird unterstützt durch Hilfsmittel zur automatischen Zerlegung und Zuweisung einzelner Aufgaben. Die Lösung des Zentrums für Telematik integriert deshalb Komponenten zum Planen von Aufgaben, zeigt den aktuellen Status an und ermöglicht eine Prioritätsverwaltung.