Das vorliegende Buch beschreibt die Entwicklung und Implementierung einer neuen Online-Bahnplanungsmethode für die kollisionsfreie Bewegungsführung mehrerer Flugroboter in einem gemeinsam genutzten Arbeitsraum. Das Hauptmerkmal liegt dabei auf der Generierung von numerisch robusten und sicheren Bahnen bei gleichzeitiger Einhaltung von harter Steuerungsechtzeit.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Das vorliegende Buch beschreibt die Entwicklung und Implementierung einer neuen Online-Bahnplanungsmethode für die kollisionsfreie Bewegungsführung mehrerer Flugroboter in einem gemeinsam genutzten Arbeitsraum. Das Hauptmerkmal liegt dabei auf der Generierung von numerisch robusten und sicheren Bahnen bei gleichzeitiger Einhaltung von harter Steuerungsechtzeit.
Aktualisiert: 2023-05-04
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Um in der Schifffahrt sicher ans Ziel zu gelangen, sind die Navigation und Kollisionsvermeidung von zentraler Bedeutung. Mit steigendem Schiffsverkehr kommt dabei der Kollisionsvermeidung eine stetig wachsende, sicherheitsrelevante Rolle zu. Hierfür werden sowohl auf Schiffen als auch an der Küste Radare eingesetzt, um die genaue Beobachtung des Seewegs über weite Entfernungen zu ermöglichen. Besonders für große Schiffe mit Bremswegen von mehreren Kilometern ist dies zwingend notwendig, damit rechtzeitig auf das Geschehen in der Umgebung reagiert werden kann. Dabei müssen Radare mit einem hohen Signaldynamikbereich umgehen können. Dieser ist notwendig, da die Signalintensitäten der Radarechos, abhängig von der Radarrückstreufläche des Ziels, von der Entfernung des Radars zum Ziel und von Umweltfaktoren stark variieren. Für das weltweit wichtigste Warentransportmittel werden zudem, ähnlich wie für landgestützte Fortbewegungs- und Transportsysteme, Visionen für eine autonome Schifffahrt erarbeitet. Um in einem solchen Szenario die Schiffe sicher zu ihrem Zielhafen zu navigieren, werden eine Vielzahl von Sensoren nötig sein, von denen insbesondere die Radare eine Hauptaufgabe bei der Bewältigung der sicheren Fortbewegung übernehmen müssen.
In der zivilen Schifffahrt ist bis heute hauptsächlich der Einsatz von inkohärenten Magnetronradaren gebräuchlich. Die Technik wurde zur Zeit des zweiten Weltkrieges entwickelt und wird bis heute in der modernen Schifffahrtsindustrie eingesetzt. Ihr großer Vorteil ist, dass sie lang bewährt und vergleichsweise kostengünstig in der Anschaffung ist. Dafür müssen die Radare jedoch in regelmäßigen Intervallen gewartet und Komponenten ausgetauscht werden, da ansonsten ihre Funktionalität und damit die Gefahrenerkennung gefährdet sind. Als neue Technologie für die zivile Schifffahrt ist der elektronisch schwenkbare Gruppenstrahler, engl. Phased Arrays, von großem Interesse. Dieser nutzt statt einer einzigen großen, rotierenden Antenne viele kleine Antennen zum Senden und Empfangen des Radarsignals. Es wird dabei mit einer bestimmten Phasenlage zwischen den Elementen gewichtet, sodass bei der Überlagerung eine Richtwirkung im Fernfeld des Gruppenstrahlers erreicht wird.
Aktualisiert: 2021-12-23
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Die vorliegende Arbeit thematisiert die Erkennung von ungewollten Kollisionen im Arbeitsraum einer Werkzeugmaschine und stellt eine neue Methode auf der Basis von Hüllen vor, welche es ermöglicht, drohende Kollisionen in Echtzeit zu vermeiden. Die Grundlage bildet dabei ein Ablauf aus zehn Schritten, welcher beschreibt, wie es ausgehend von den Konstruktionsdaten möglich ist, mit Einsatz eines virtuellen Maschinenmodells drohende Kollisionen in Echtzeit zu erkennen und die Maschine zu stoppen, bevor diese eintreten. Den Kern der Methodik bildet dabei das neu vorgeschlagene n-Hüllen-Modell, welches das notwendige Bremsvolumen für jede dynamische Komponente definiert. Um die Einsatzfähigkeit in der Praxis nachzuweisen, steht eine Softwareimplementierung der vorgeschlagenen Lösung sowie die Validierung des entwickelten Systems anhand von Prozessen auf Drehfräsmaschinen im Fokus. Einen weiteren essenziellen Aspekt für Kollisionsvermeidungssysteme stellt der Materialabtrag am Werkstück dar, um dessen aktuellen Zustand in der Kollisionsprüfung zu berücksichtigen. Daher besteht ein weiterer Inhaltspunkt dieser Arbeit darin, die Echtzeitfähigkeit einer auf einem adaptiven Voxelmodell basierenden Materialabtragssimulation zu untersuchen.
The present thesis addresses the detection of unwanted collisions in the workspace of a machine tool. It presents a new method based on hulls, which allows to avoid impending collisions in real time. A process of ten steps defines the basis of the approach. It describes how, based on the design data, it is possible to use a virtual machine model to detect impending collisions in real time and stop the machine before they occur. The newly suggested n hull model is the core of the methodology, which defines the necessary brake volume for every dynamic component. In order to prove the practicability, this paper focuses on a software implementation of the proposed solution as well as the validation of the software in process on mill-turning machines. Another essential aspect of a collision avoidance systems is the material removal at the work piece to consider the current state of it in the collision check. Therefore, it is another content point in this thesis to investigate the real-time capability of a material-removal simulation based on an adaptive voxel model.
Aktualisiert: 2021-07-31
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Das Buch behandelt eine Problemstellung, die mit zunehmender Automatisierung der Fertigung (CIM) verschärft auftritt: die Sicherstellung von kollisionsfreien Bahnen für Industrieroboter. Im Unterschied zur Hauptrichtung der Forschung, die aufwendige Algorithmen zur Wegsuche und Trajektorienplanung im off-line-Bereich entwickelt, werden hier Verfahren untersucht und Methoden vorgestellt, die es erlauben, online Kollisionsgefahren zu erkennen, hinsichtlich ihrer Stärke zu bewerten und kollisionsfreie Bahnen zu generieren. Online wird dabei in dem Sinn verstanden, daß die Berechnungen im Takt der Sollwertvorgabe parallel zur Ausführung der Bewegungen durchgeführt werden können und somit auch Reaktionen auf Sensoreingriffe oder Systemstörungen möglich sind. Die Dynamik der Roboter wird sowohl bei der Bewertung der Kollisionsgefahr als auch bei der Berechnung der Ausweichbewegungen berücksichtigt. Die Algorithmen sind für unterschiedliche Anforderungen an die Bahntreue der Roboter parametrisierbar. Das Buch gibt damit einerseits einen Leitfaden zur Implementierung einer Kollisionsvermeidung in einer realen Umgebung und andererseits Diskussionsanregungen zur Weiterentwicklung der online-Methoden.
Aktualisiert: 2022-03-12
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In den letzten zehn Jahren ist ein kontinuierlich wachsender Bedarf von automatisierten unbemannten Luftfahrtsystemen für zivile Zwecke, beispielsweise im Katastrophenschutz zu verzeichnen. Die dortige Nutzung insbesondere kleinerer automatisierter unbemannter Luft-fahrtsysteme zur Lagebeurteilung von großflächigen Katastrophengebieten durch eintreffende Rettungskräfte ohne großen Personal- sowie Infrastrukturaufwand ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt ein stark gefordertes Anwendungsszenario.
Im Rahmen einer solchen Anwendung müssen die eingesetzten Fluggeräte in der Lage sein, Ihre Missionstätigkeit innerhalb eines mit anderen bemannten und unbemannten Lufttraumteilnehmern gemeinschaftlich genutzten Luftraumes ohne Gefährdung dieser sicherzustellen. Um die einhergehende technische Herausforderung zu lösen, benötigen diese unbemannten Luftfahrtsysteme an Bord ein eigenständig operierendes, allwetterfähiges und automatisiertes Kollisionsvermeidungssystem. Dieses muss die grundlegende Fähigkeit besitzen, sämtliche Luftraumteilnehmer in der Umgebung des eigenen Luftfahrtsystems zu entdecken.
Gegenstand dieser Dissertation ist der Systementwurf eines solchen Kollisionsvermeidungssystems für ein kleineres unbemanntes Luftfahrtsystem in Kippflügler-Konfiguration mit seinen variablen Flugzuständen, welches andere Luftraumteilnehmer in der unmittelbaren Umgebung des eigenen Luftfahrtsystems mittels einer miniaturisierten Radarsensorik entdeckt, das Risiko einer Kollision bewertet und bedarfsorientiert echtzeitfähige und zugleich sichere dreidimensionale Ausweichreaktionen in jedem Flugzustand des unbemannten Kippflügel-Luftfahrtsystems berechnet und kommandiert.
Aktualisiert: 2020-01-27
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Das Buch behandelt eine Problemstellung, die mit zunehmender Automatisierung der Fertigung (CIM) verschärft auftritt: die Sicherstellung von kollisionsfreien Bahnen für Industrieroboter. Im Unterschied zur Hauptrichtung der Forschung, die aufwendige Algorithmen zur Wegsuche und Trajektorienplanung im off-line-Bereich entwickelt, werden hier Verfahren untersucht und Methoden vorgestellt, die es erlauben, online Kollisionsgefahren zu erkennen, hinsichtlich ihrer Stärke zu bewerten und kollisionsfreie Bahnen zu generieren. Online wird dabei in dem Sinn verstanden, daß die Berechnungen im Takt der Sollwertvorgabe parallel zur Ausführung der Bewegungen durchgeführt werden können und somit auch Reaktionen auf Sensoreingriffe oder Systemstörungen möglich sind. Die Dynamik der Roboter wird sowohl bei der Bewertung der Kollisionsgefahr als auch bei der Berechnung der Ausweichbewegungen berücksichtigt. Die Algorithmen sind für unterschiedliche Anforderungen an die Bahntreue der Roboter parametrisierbar. Das Buch gibt damit einerseits einen Leitfaden zur Implementierung einer Kollisionsvermeidung in einer realen Umgebung und andererseits Diskussionsanregungen zur Weiterentwicklung der online-Methoden.
Aktualisiert: 2023-04-04
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Gegenstand dieser Arbeit ist die Ableitung von kollisionsfreien Fahrstrategien für Szenarien mit beliebig vielen Objekten. Zunächst wird für ein einzelnes Objekt anhand von erreichbaren Aufenthaltskreisen das letztmögliche Manöver hergeleitet und zu einem vollständigen Ausweichmanöver erweitert. Anschließend wird die Betrachtung auf beliebig viele Objekte erweitert und anhand von Aufenthaltsgebieten und kinematischer Konfigurationen kollisionsfreie Trajektorien bestimmt und bewertet.
Aktualisiert: 2021-02-11
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Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden sog. sensorgeführte Roboterbewegungen, d. h. die Nutzung von Informationen externer Sensoren zur Regelung des Roboters. Da gängige Industrierobotersysteme üblicherweise positionsgeregelt sind und seitens der Robotersteuerung lediglich der Zugriff zu den Sollwerten der Lageregelkreise erlaubt wird, kann auch der Regelkreis der sensorgeführten Roboterbewegung nur über den Lageregelkreis geschlossen werden. Aus diesem Grunde werden hier nur positionsbasierte Regelungsansätze verfolgt.
Die Kraft-/ Momentregelung gilt als eine der wichtigsten Varianten sensorgeführter Roboterbewegungen. Dementsprechend widmet sich auch ein großer Teil dieser Arbeit dem Thema, mit dem Ziel durch innovative und übersichtliche Regelalgorithmen die Akzeptanz der Kraft-/ Momentregelung in industriellen Produktionsprozessen zu erhöhen. Beginnend mit der eindimensionalen Kraftregelung führt der Weg dabei über Konzepte zur Konturenverfolgung und kraft-/ momentgeregelten Montageaufgaben hin zur Kooperation von Robotern.
In einem weiteren Teil wird ein Konzept zur Kollisionsvermeidung zwischen Robotern und Hindernissen präsentiert. Es basiert auf dem Ansatz der virtuellen Potential- bzw. Kraftfelder. Dabei ruft das künstliche Feld eine Bewegung des Roboters hervor, die vom Hindernis weg führt. Um das Feld zu erzeugen, wird die Methode der künstlichen Punktladungen entwickelt. Diese werden auf der Oberfläche eines Hindernisses platziert und generieren dann das virtuelle Kraftfeld. Die Platzierung kann z. B. mithilfe der CAD-Daten des Hindernisses erfolgen. Bei bewegten Objekten müssen alle Ladungspositionen ständig aktualisiert werden.
Für Lehr- und Präsentationszwecke ist das sog. inverse Pendel eine oft genutzte Regelstrecke. Sein Aufrichten und Stabilisieren ist auch mit Hilfe eines Industrieroboters möglich. Dazu beschäftigt sich ein Kapitel dieser Arbeit mit Fragen zur Modellbildung der Kombination inverses Pendel und Industrieroboter und mit Regelungskonzepten für das Aufschwingen und Balancieren. Letztendlichen wird in diesem Zusammenhang noch ein Visual-Servoing System präsentiert, dass den Neigungswinkel des Pendels mit einer Kamera bestimmt.
Alle hier vorgestellten Konzepte und Algorithmen werden Anhand von praktischen Experimenten verifiziert.
Aktualisiert: 2021-09-08
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