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Modulare Software Fahrzeuge in der Smart Factory steuern

| Redakteur: Rebecca Vogt

Wie sich durch modulare Softwarestrukturen ein Gesamtsystem aus einzelnen Teilsystemen effizient zusammensetzen lässt, zeigt Bertrandt mit einem selbstentwickelten Exponat auf der Hannover Messe 2017. Im Mittelpunkt steht dabei die Automatisierung am Beispiel von führerlosen Fahrzeugen.

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Die modulare Software ermöglicht das Zusammenspiel von Teilsystemen.
Die modulare Software ermöglicht das Zusammenspiel von Teilsystemen.
(Bild: Bertrandt)

Kernstück des Systems ist der Server. Er fungiert als Cloud, in die alle Rechenoperationen ausgelagert sind. Die Algorithmen für Routing sowie Hindernis- und Fahrzeugdetektion werden dort ausgeführt. Außerdem verwaltet der Server Verbindungen zu allen Fahrzeugen sowie den angeschlossenen Kameras. Ein Dispatcher nimmt dabei Informationen aller Teilsysteme entgegen und überträgt sie. Auf diese Weise können die Systeme Informationen anderer Systeme abonnieren. So bezieht beispielsweise das Modul „Routing“ über den Dispatcher vom Modul „Bilderkennung“ Informationen über Position, Größe und Ausrichtung von Hindernissen.

Rechenintensive Bilderkennung

Das umfangreichste und rechenintensivste Teilsystem des Exponats ist die Bilderkennung. Die Einzelbilder der zwei Kameras müssen zeitsynchron zusammengeführt und ausgewertet werden, da beide Kameras verzerrte Bilder liefern. Die erste Aufgabe des Moduls „Bildverarbeitung“ ist also das sogenannte Panorama Stitching. Es rechnet Verzerrungen heraus und gleicht unterschiedliche Orientierungen der beiden Kameras aus, sodass ein gesamtheitlicher Eindruck der Fahrfläche entsteht. Auf dem generierten Bild werden im Anschluss Bilderkennungsalgorithmen ausgeführt, um auf der Fahrfläche einzelne Objekte zu erkennen. Ein Mapping-Algorithmus teilt die gefundenen Objekte schließlich in die Kategorien „Fahrzeuge“ und „Hindernisse“ auf, deren Listen wiederum per Dispatcher an den Routing- Algorithmus übermittelt werden.

Auf kürzestem Weg zum Ziel

Das Teilsystem „Routing“ erwartet drei Eingabedatensätze: das von Besuchern eingegebene Ziel, die Position und Orientierung der Fahrzeuge sowie die Liste der Hindernisse. Auf Basis dieser Daten ermittelt ein Algorithmus die kürzeste Strecke jedes Fahrzeugs von seinem Ausgangspunkt zur Zielposition. Um nicht mit anderen Fahrzeugen zu kollidieren, werden die Strecken in Teilabschnitte zerlegt, die nacheinander angefahren werden und jeweils einen Korridor für weitere Fahrzeuge sperren.

Kommunikation über WLAN und Bluetooth

Das Zusammenspiel dieser drei Teilsysteme wird anhand der Fahrzeugbewegungen sichtbar. Vier Schrittmotoren treiben die Fahrzeuge ohne lenkbare Achsen an. Geradeaus- und Kurvenfahrten in verschiedenen Radien erfolgen durch Ansteuerung der Einzelmotoren: Ein zusätzliches Gyroskop überwacht und korrigiert in Echtzeit die Orientierung. Außerdem verifiziert das Teilsystem „Bildverarbeitung“ kontinuierlich die Position der Fahrzeuge: Durch eine geeignete zyklische Abtastung wird ihre Soll- mit der aktuellen Ist-Position verglichen. Ist die Abweichung zu groß, wird ein Nothalt ausgelöst. Die Kommunikation zum Server, beispielsweise um Fahrbefehle entgegenzunehmen oder Informationen über Position und Batterieladung zurückzumelden, ist per WLAN und Bluetooth möglich.

Führerlose Fahrzeuge in der Smart Factory

Das Exponat kombiniert Wissen aus den Bereichen Software und Automatisierung – mit Kompetenzen aus Cloud, Bildverarbeitung und Routing. Einen möglichen Anwendungsfall für das Gesamtsystem stellt die Smart Factory mit führerlosen Transportfahrzeugen dar. Dabei spiele das „Wie“ für die Fahrzeug- und Hindernisdetektion sowie den Routing-Algorithmus eine untergeordnete Rolle, solange die Produktion mit maximaler Effizienz arbeite. Schnittstellen würden standardisiert, Teilsysteme seien austauschbar, die Leistungsfähigkeit und die Flexibilität von Anlagen werde gesteigert, teilt Bertrandt mit.

Systeme beliebig ersetzbar

Ziel sei es, durch modulare Softwarestrukturen aufzuzeigen, wie ein Gesamtsystem aus einzelnen Teilsystemen effizient zusammengesetzt werden kann. Aufgrund der spezifizierten Schnittstelle in Richtung Dispatcher lassen sich die Systeme Bertrandt zufolge beliebig durch andere ersetzen, sodass Kameras zukünftig durch – der Aufgabe angepasste – weitere Sensorik (Radar, Lidar, …) ausgetauscht werden können oder der Routing-Algorithmus unterschiedliche Anforderungen (kürzeste oder schnellste Strecke, …) berücksichtigen kann. Je nachdem könnten durch Austausch und Neukombination von Teilkomponenten neue Anwendungsfälle abgedeckt werden – ein weiterer Schritt in Richtung intelligente Fabrik.

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