Navigationssystem für holonome Fahrerlose Transportfahrzeuge mit multikriterieller Optimierung

Produktbeschreibung

Die vorliegende Arbeit wendet sich an Ingenieure, Informatiker und Wissenschaftler die sich mit Fahrerlosen Transportsystemen oder mobilen Robotern für industrielle Anwendungen beschäftigen. Sie befasst sich mit Navigationssystemen für holonome Fahrerlose Transportfahrzeuge und insbesondere mit deren energieoptimierter Bewegungsplanung. Die Implementierung des vorgestellten hybriden Ansatzes erweitert die klassischen Fahrerlosen Transportsysteme um eine kollisionsfreie Trajektorienplanung und die eingesetzten Fahrzeuge um zusätzliche Autonomie. Im Fokus stehen holonome Fahrerlose Transportfahrzeuge mit Mecanum-Rädern, welche für den flexiblen Warentransport in industriellen Umgebungen eingesetzt werden. Am Beispiel verschiedener Intralogistik-Szenarien werden die Potentiale der entwickelten optimierten Bewegungsplanung zur Energieeinsparung aufgezeigt.

Inhaltsverzeichnis
1 Einführung 1
1.1 Motivation und Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Einordnung und Abgrenzung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Notationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Denitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Grundlagen Fahrerloser Transportsysteme 11
2.1 Stand der Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 Fahrerlose Transportsysteme (FTS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.1 Geschichte und Entwicklung der FTS . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.2 FTS der vierten Epoche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.1 Konzepte und Einsatzbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.2 Flexible holonome FTF der vierten Epoche . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Bahn- und Bewegungsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.1 Arbeitsraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.2 Kongurationsraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4.3 Kinodynamische Einschränkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.4 Optimierungskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5 Kinematische Betrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5.1 Holonome Zwangsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.2 Nicht-holonome Zwangsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.3 Kinematik eines FTF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.4 Kinematisches Modell des Mecanum-Fahrwerks . . . . . . . . . . . 33
2.5.5 Regelung eines Mecanum-Fahrwerks . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3 Bewegungsplanung für holonome FTF 39
3.1 Stand der Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2 Kinematik holonomer Fahrwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3 Kinodynamische Einschränkungen von FTF . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4 Entkopplung von Bahn und Geschwindigkeitsprolen . . . . . . . . . . . . 45

3.5 Iterative Berechnung der Geschwindigkeitsprole . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.5.1 Funktionsdenitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5.2 Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.5.3 Iterative Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5.4 Lineare Geschwindigkeitsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.5 Stetig differenzierbare Geschwindigkeitsfunktionen . . . . . . . . . . 62
3.6 Interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.6.1 Translatorisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.6.2 Rotatorisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.7 Parametrische Kurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.7.1 Geometrische Längenberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.7.2 Interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.8 Zusammenfassung holonome Bewegungsplanung . . . . . . . . . . . . . . . 81
4 Hybride kinodynamische Navigation für FTS 83
4.1 Stand der Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2 Struktur der hybriden kinodynamischen Navigation für FTS . . . . . . . . 92
4.3 Begrenzung kinodynamischer Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4 Kartierung dynamischer industrieller Umgebungen . . . . . . . . . . . . . . 97
4.5 Lokalisierung der FTF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.6 Holonomer kinodynamischer State Lattice Planner . . . . . . . . . . . . . . 101
4.6.1 Bewegungsplanung mit Suchalgorithmen . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.6.2 Suchalgorithmen für die Graphensuche . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.6.3 Bewegungsprimitive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.6.4 Generierung der Bewegungsprimitive . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.6.5 Trajektorien mit holonomen Bewegungsprimitiven . . . . . . . . . . 116
4.7 Lokale dynamische Bewegungsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.7.1 Dynamische Kollisionsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.7.2 Ausgleichstrajektorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.7.3 Dynamische Neuplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.8 Experimentelle Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.8.1 Evaluierung der Bewegungsprimitive . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.8.2 Optimierung der Berechnungszeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.8.3 Einuss der Parametrierung der Kostenfunktion . . . . . . . . . . . 130
4.8.4 Evaluierung der dynamischen Kollisionsvermeidung . . . . . . . . . 131
4.9 Zusammenfassung kinodynamische Navigation . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5 Energieoptimierte Bewegungsplanung 138
5.1 Stand der Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.2 Dynamik des Mecanum-Fahrwerks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.3 Energiemodell des Mecanum-Fahrwerks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.3.1 Theoretisches Reibungsmodell für Räder . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.3.2 Reibungsmodell für Radgeschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . 147
5.3.3 Reibungsmodell für Rollengeschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . 152
5.3.4 Reibungsmodell bei Zuladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.4 Berechnung energieoptimierter Trajektorien . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.5 Experimentelle Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.5.1 Experimentelle Untersuchung der Energieezienz . . . . . . . . . . 161
5.5.2 Validierung der energieoptimierten Bewegungsplanung . . . . . . . 164
5.5.3 Vergleich energie- und zeitoptimierter Trajektorien . . . . . . . . . 168
5.6 Zusammenfassung Energieoptimierte Bewegungsplanung . . . . . . . . . . 171
6 Zusammenfassung 175
Anhang 179
A.1 Experimentelle Ermittlung: Massenträgheitsmomente der Räder . . . . . . 179
A.2 Experimentelle Ermittlung: Masse eines FTF . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
A.3 Experimentelle Ermittlung: Massenträgheitsmoment eines FTF . . . . . . . 182
A.4 Corioliskraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
Literaturverzeichnis 198

Keywords: Fahrerlose Transportfahrzeuge, Fahrerlose Transportsysteme, Mecanum-Rad, holonome mobile Roboter, omnidirektionale mobile Roboter, Bewegungsplanung mobiler Roboter, energieeffiziente Bewegungsplanung mobiler Roboter, Roboter in der Logistik, Roboter in der Produktion, State Lattice Planner, driverless transport vehicles, driverless transportsystems, Mecanum-wheel, holonome mobile robots, omnidirectionale mobile robots, movementsplaning for mobile robots, energy efficiant movement planing of mobile robots, robots in Logistics, robots in production, State Lattice Planner