Table Of ContentRalf Gutsche
Fahrerlose Transportsysteme
Fortschritte der Robotik
Herausgegeben von Walter Ameling und Manfred Weck
Band 7 Band 16
Ralph Föhr Harald Rieseier
Photogrammetrische Erfassung Roboterkinematik - Grundlagen,
räumlicher Informationen Invertierung und symbolische
aus Videobildern Berechnung
Band 8 Band 17
Bernhard Bundschuh Angelika Höfer
Laseroptische Steuerung der Konfiguration eines
3D-Konturerfassung redundanten Manipulators
Band 9 Band 18
Hans-Georg Lauffs Peter Kovacs
Bediengeräte zur Rechnergestützte symbolische
3D-Bewegungsführung Roboterkinematik
Band 10 Band 19
Meinolf Osterwinter Andreas Zabel
Steuernngsorientierte Werkstattorientierte
Robotersimulation Programmierung von
Industrierobotern für automatisiertes
Band 11
Markus a Campo Lichtbogenschweißen
KoIlisionsvermeidung in einem
Band 20
Robotersimulationssystem Matthias Müller
Roboter mit Tastsinn
Band 12
Jürgen Cordes Band 21
Robuste Regelung eines Andreas Meisel
elastischen Teleskoparmroboters 3D-Bildverarbeitung für feste
und bewegte Kameras
Band 13
Guido Seeger Band 22
Selbsteinstellende, modellgestützte Ralf Gutsche
Regelung eines Industrieroboters Fahrerlose Transportsysteme
Band 14 Band 23
Ralph Gruber Ralph Sasse
Handsteuersystem für Bestimmung von Entfernungsbildern
die Bewegungsführung durch aktive stereoskopische
Verfahren
Band 15
WeiLi
Grafische Simulation und
KoIlisionsvermeidung
von Robotern
Ralf Gutsche
Fahrerlose
Transportsysteme
Automatische Bahnplanung
in dynamischen Umgebungen
~
Vleweg
Fortschritte der Robotik
Exposes oder Manuskripte zu dieser Reihe werden zur Beratung erbeten an:
Prof. Dr.-Ing. Walter Ameling, Rogowski-Institut für Elektrotechnik der RWTH Aachen,
Schinkelstr. 2, D-52062 Aachen
oder
Prof. Dr.-Ing. Manfred Weck, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre
der RWTH Aachen, Steinbachstr. 53, D-52074 Aachen
oder an den
Verlag Vieweg, Postfach 5829, D-65048 Wiesbaden.
D 84 (Diss. TU Braunschweig)
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1994
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1994
Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Bertelsmann Fachinformation GmbH.
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich
geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des
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lässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen,
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Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Gedruckt auf säurefreiem Papier
ISBN-13: 978-3-528-06658-1 e-1SBN-13: 978-3-322-89469-4
DOI: 10.1007/978-3-322-89469-4
Vorwort
Die vorliegende Dissertation ist im Rahmen meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitar
beiter am Institut für Robotik und Prozeßinformatik der Technischen Universität Braun
schweig entstanden. Bei Herrn Prof. Wahl möchte ich mich für die vertrauensvolle Zu
sammenarbeit und die großzügige Unterstützung während der Erstellung meiner Arbeit
herzlich bedanken. Herrn Prof. Hesselbach danke ich für die Übernahme des Koreferats.
Am Institut für Robotik und Prozeßinformatik wird in Kooperation mit der Firma MIAG
Fahrzeugbau GmbH das Forschungsprojekt MONAMOVE1 bearbeitet. Die beiden Säu
len von MONAMOVE werden von dem globalen Überwachungssystem und dem Navi
gator gebildet, der in Verbindung mit dem Piloten für die Bahnplanung verantwortlich
ist. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Konzepte für den Navigator und den
Piloten vorgestellt. Bei Herrn Claudio Laloni, der für das globale Überwachungssystem
verantwortlich ist, möchte ich mich für die sehr gute Zusammenarbeit und die anregen
den Diskussionen bedanken. Der Firma MIAG danke ich für die Unterstützung und die
Bereitstellung eines Fahrzeuges.
Mein Dank gilt ebenfalls meinen Kollegen für die wertvollen fachlichen Diskussionen und
allen Studenten, die im Rahmen ihrer Studien-und Diplomarbeiten bzw. als studentische
Hilfskräfte zum Entstehen meiner Arbeit beigetragen haben. Bei allen Mitarbeitern des
Instituts möchte ich mich für die ausgezeichnete Arbeitsatmosphäre bedanken, die ich
stets in guter Erinnerung behalten werde.
Meiner Freundin Maren, meiner Cousine Petra Guske und meinem Freund Goy Korn
danke ich für das sorgfältige Korrekturlesen meiner Arbeit.
Meinen Eltern, meiner Freundin Maren und allen Freunden möchte ich besonders für ihre
persönliche Unterstützung und für ihr Verständnis danken.
Braunschweig, im August 1993 Ralf Gutsche
IMOnitoring and NAvigation system for MObile VEhicles
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
Inhaltsverzeichnis iii
1 Einleitung 1
1.1 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit 2
2 Das Transportsystem MONAMOVE 5
2.1 Konzept von MONAMOVE . 5
2.1.1 Überwachungssystem 6
2.1.2 Navigator 7
2.1.3 Pilot ... 8
2.1.4 Fahrzeuge 9
2.1.5 Welt modell 9
2.1.6 Ergänzende Bemerkungen 10
2.2 Fahrerlose Transportsysteme ... 11
2.3 Vergleich: MONAMOVE - Fahrerlose Transportsysteme . 12
2.4 Autonome mobile Roboter . . . . . .......... . 13
2.5 Vergleich: MONAMOVE - Autonome mobile Roboter 14
2.6 Diskussion ........................ . 18
3 Navigator und Pilot - Grundlegende Betrachtungen 19
3.1 Grenze zwischen Voraus- und Lallfzeitplanung 19
3.1.1 Strikte hierarchische Planung .... 20
3.1.2 Überlappende hierarchische Planung 21
3.2 Forderungen an die Gesamtplanung .. 22
3.3 Navigator und Pilot in MONAMOVE 25
iii
Inhaltsverzeichnis VII
3.3.1 Grundlegende Betrachtung zur Einsatzumgebung 25
3.3.2 Konzepte für Navigatoren .. 26
3.3.3 Informationsfluß im Navigator 27
3.3.4 Konzepte für Piloten . . . . 29
3.3.5 Informationsfluß im Piloten 29
4 Bahnplanung des Navigators auf Basis eines geometrischen Modells 31
4.1 Literaturüberblick . . . . . . . . . . . 33
4.1.1 Grundlegende Betrachtungen 33
4.1.2 Der Konfigurationsraum . . 34
4.1.3 Verschiedene Planungsansätze 35
4.1.3.1 Wegenetz 35
4.1.3.2 Zerlegung 36
4.1.3.3 Potentialfeld 37
4.1.4 Bahnplanung im W- und im C-Raum 39
4.1.4.1 Planen im W-Raum 39
4.1.4.2 Planen im C-Raum . 40
4.1.5 Integration der zusätzlichen Forderungen in die Bahnplanung . 41
4.2 Konzept des Navigators 45
4.3 Weltmodell ....... 47
4.3.1 Zerlegung mit einem Hindernis 47
4.3.2 Zerlegung mit mehreren Hindernissen 51
4.3.3 Hinzufügen und Löschen von Hindernissen 53
4.4 Fahrschlauchsuche ........... . 54
4.4.1 Aufbau des initialen Suchgraphen 56
4.4.2 Verwendetes Suchverfahren . 56
4.4.3 Erweiterung des Graphen 58
4.4.4 Ergänzende Bemerkungen 61
4.5 Rechtsorientierung ....... . 61
4.5.1 Wege in überlappungsfreien Fahrschläuchen 63
4.5.1.1 Konstruktion der rechtsorientierten Punkte 63
4.5.1.2 Berechnung des rechtsorientierten Weges 65
4.5.1.3 Erweiterung des Fahrschlauchs ..... 68
VIII Inhaltsverzeichnis
4.5.1.4 Bestimmung von blockierten Teilfahrschläuchen 70
4.5.2 Wege in sich überlappenden Fahrschläuchen ..... 72
4.5.2.1 Berechnung des äußeren Fahrschlauchrandes 72
4.5.2.2 Konstruktion der rechtsorientierten Punkte 73
4.5.2.3 Berechnung des rechtsorientierten Weges 74
4.5.3 Ergänzende Bemerkungen 76
4.6 Stetige Krümmungsänderung . 77
4.6.1 Basiskurve ...... . 77
4.6.2 Kombination der Basiskurven 79
4.6.3 Auswahl einer Kurve ..... 82
4.6.4 Kurven beim Start und beim Ziel 84
4.6.5 Kollisionstest für die Kurven .. 84
4.6.5.1 Tangentiale Fahrweise 85
4.6.5.2 Gestaucht tangentiale Fahrweise 86
4.6.6 Sperrung von Teilfahrschläuchen . 88
4.6.7 Ergänzende Bemerkungen 88
4.7 Maximales Geschwindigkeitsprofil 88
4.8 Diskussion............. 91
5 Bahnplanung des Navigators auf Basis eines statistischen Modells 96
5.1 Literaturüberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.2 Integration der Belegungsstatistik in die Bahnplanung . 100
5.2.1 Weltmodell ........ . 100
5.2.2 Erzeugung des Weltmodells 101
5.2.3 Berechnung der Potentialfelder 101
5.2.4 Beispiel für ein Potentialfeld .. 104
5.3 Integration des statistischen Flusses in die Bahnplanung 105
5.3.1 Weltmodell . . . . . . . . . 105
5.3.2 Erzeugung des Weltmodells 105
5.3.3 Berechnung der Potentialfelder 106
5.3.4 Beispiel für ein Potentialfeld .. 108
5.4 Beispiel für die auf statistischen Daten basierende Bahnplanung llO
5.4.1 Welt modell ohne statische und dynamische Hindernisse . llO
Inhaltsverzeichnis IX
5.4.2 Weltmodell mit statischen und dynamischen Hindernisse 112
5.4.2.1 Beschreibung des Weltmodells . 113
5.4.2.2 Berechnete Potentialfelder ... 119
5.4.2.3 Wege innerhalb der berechnete Potentialfelder 126
5.5 Nachbearbeitung des gefundenen Weges. 130
5.6 Diskussion . . . . . . . . 131
6 ~ehrfahrzeugnavigatoren 133
6.1 Literaturüberblick ... 133
6.1.1 Integration der Nebenbedingungen in den Mehrfahrzeugnavigator 136
6.2 Koordination auf Basis von geometrischen Kreuzungen 138
6.2.1 Weltmodell .... 139
6.2.2 Repräsentation einer Bahn . 140
6.2.3 Berechnung der Kreuzungsbereiche 141
6.2.3.1 Verwaltungszonen und Synchronisationspunkte 144
6.2.3.2 Vereinigung von Kreuzungen . . 146
6.2.3.3 Beispiel für das Hinzufügen mehrerer Bahnen 146
6.2.3.4 Integration von stehenden Fahrzeugen in das Welt modell 147
6.2.4 Grenzen der Mehrfahrzeugkoordination . ... 150
6.2.4.1 Koordination durch zusätzliche Nebenbedingungen 150
6.2.4.2 Koordination durch Heuristiken 151
6.2.5 Schnittstelle zum Piloten. 153
6.2.6 Diskussion ........ . 154
6.3 Mehrfahrzeugnavigator ohne Koordination 155
7 Konzepte für verschiedene Piloten 157
7.1 Literaturüberblick . .... 157
7.2 Basismerkmale für alle Piloten. 159
7.2.1 Weltmodell .. 159
7.2.2 Schnittstelle zum Navigator 160
7.2.3 Schnittstelle zum Fahrzeug. 160
7.3 Bahntreuer Pilot ........ 161
7.4 Pilot mit eigenständiger Wegplanung 163
x
Inhaltsverzeichnis
7.4.1 Umplanen mit teilweise dynamischen Hindernissen .. 164
7.4.2 Umplanen mit vollständig dynamischen Hindernissen 165
7.4.3 Erweiterungen. 167
7.5 Mehrfahrzeugpilot auf Basis vorgegebener Kreuzungen 168
7.5.1 Lokale Piloten. 168
7.5.2 Globaler Pilot . 169
7.6 Mehrfahrzeugpilot mit eigenständiger Mehrfahrzeugkoordination 170
7.6.1 Mehrfahrzeugkoordination mit teilweise dynamischen
Hindernissen. . . . . . . . . . . . . . .. ..... . 171
7.6.2 Mehrfahrzeugkoordination mit vollständig dynamischen Hindernissen 171
7.7 Ergänzende Bemerkungen . . . 172
8 Zusammenfassung und Ausblick 175
A Algorithmen 180
A.l Zerlegung eines einfachen Polygons in konvexe Teilpolygone 180
A.2 A*-Algorithmus . . .. . ............. . 182
A.2.1 Anwendungsbeispiel für den A*-Algorithmus 185
A.3 Floyd Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . .. 188
A.3.1 Anwendungsbeispiel für den Floyd Algorithmus 189
A.3.2 Erzeugung von rechtorientierten Wegen mit dem Floyd Algorithmus 189
Literaturverzeichnis 193
Eigene Veröffentlichungen 203
Stichwortverzeichnis 204
