VDI 4451 Blatt 6-2003 Compatibility of automated guided vehicle systems (AGVS) - Sensor systems for navigation and control.pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREKompatibilitt von Fahrerlosen Transportsystemen (FTS)Sensorik fr Navigation und SteuerungCompatibility of automated guidedvehicle systems (AGVS)Sensor systems for navigation and controlVDI 4451Blatt 6 / Part 6Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Gesellschaft Frdert

2、echnik Materialfluss LogistikFachbereich B7 Fahrerlose Transportsysteme (FTS)VDI-Handbuch Materialfluss und Frdertechnik, Band 2VDI-RICHTLINIENZu beziehen durch / Available from Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2003V

3、ervielfltigung auchfr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedICS 53.060Januar 2003January 2003Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given w

4、ith respect to the English trans-lation. Inhalt Seite1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Zweck der Richtlinie . . . . . . . . . . . . . . 23 Begriffe und Definitionen. . . . . . . . . . . . 24 Grundlagen der Sensorik. . . . . . . . . . . . 84.1 Prinzipstruktur eines Sensors . . .

5、 . . . . . 84.2 Sensorik am FTF. . . . . . . . . . . . . . . 95 Gliederung von Sensoren am FTF. . . . . . . 9Bild: bersicht Frdertechnik-System. . . . . . 95.1 Navigation . . . . . . . . . . . . . . . . 105.1.1 Lagekopplung (Koppelnavigation). . 115.1.2 Lagepeilung. . . . . . . . . . . . . . 115.1.3

6、 Navigation mit Lagekopplung undLagepeilung. . . . . . . . . . . . . . 135.1.4 Systembeispiel Bahnfhrung. . . . . 185.2 Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185.2.1 Personenschutz . . . . . . . . . . . . 195.2.2 Sensoren fr den Personenschutz . . 235.2.3 Anlagenschutz . . . . . . . . . . .

7、 . 305.2.4 Sonstige Sensoren . . . . . . . . . . 316 Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326.1 Einbindung von Sensoren im FTF und FTS 326.1.1 Einfache Fahrzeuge(nicht systemfhig) . . . . . . . . . . 326.1.2 Fahrzeuge fr FTS . . . . . . . . . . 326.1.3 Autonome Fahrzeuge. . . . . . . .

8、 . 326.2 Kompatibilitt . . . . . . . . . . . . . . . . 336.2.1 Mechanische Kompatibilitt . . . . . 336.2.2 Signalkompatibilitt . . . . . . . . . 346.2.3 Funktionale Kompatibilitt . . . . . . 356.3 Grenzen der Kompatibilitt . . . . . . . . . 35Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

9、Contents Page1 Preliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Purpose of the guideline . . . . . . . . . . . . 23 Terms and definitions . . . . . . . . . . . . . . 24 Fundamentals of sensor technology. . . . . . 84.1 The basic structure of a sensor . . . . . . . . 84.2 Sensor systems on the A

10、GV . . . . . . . . . 95 Classification of AGV sensors . . . . . . . . . 9Figure: Overview of materials handling system . 105.1 Navigation . . . . . . . . . . . . . . . . 105.1.1 Position coupling (compositivenavigation) . . . . . . . . . . . . . . . 115.1.2 Position fixing . . . . . . . . . . . . .

11、115.1.3 Navigation using position couplingand position fixing. . . . . . . . . . . 135.1.4 Tracking case study . . . . . . . . . . 185.2 Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185.2.1 Protection of personnel . . . . . . . . 195.2.2 Sensors for protection of personnel . . 235.2.3 Protection

12、 of the plant . . . . . . . . . 305.2.4 Other sensors . . . . . . . . . . . . . 316 Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326.1 Linking of sensors in AGV and AGVS . . . 326.1.1 Simple vehicles (not system-compatible). . . . . . . . 326.1.2 Vehicles for AGVS . . . . . . . . . . 326.1.3

13、 Autonomous vehicles . . . . . . . . . 326.2 Compatibility . . . . . . . . . . . . . . . . 336.2.1 Mechanical compatibility . . . . . . . 336.2.2 Signal compatibility . . . . . . . . . . 346.2.3 Functional compatibility . . . . . . . 356.3 Limits of compatibility . . . . . . . . . . . . 35Bibliograp

14、hy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Frhere Ausgabe: 03.01, deutschFormer edition: 03/01, in German onlyB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2003 2 VDI 4451 Blatt 6 / Part 61 EinleitungDie Sicherheit

15、und Leistungsfhigkeit eines Fahrer-losen Transportsystems (FTS) wird wesentlich durchdie in den Fahrerlosen Transportfahrzeugen (FTF)eingesetzte Sensorik bestimmt. Der Ausdruck Sen-sor“ leitet sich von den lateinischen Begriffen Sen-sorium“ (das Einfhlungsvermgen) und Sensus“(der Sinn) ab und bezeic

16、hnet die Komponente einerMesseinrichtung, die die Aufgabe erfllt, Messgr-en aufzunehmen. Nur mit Hilfe von geeignetenMesswerten lassen sich die verschiedenen Funktio-nen eines FTF (z.B. definiertes Fahren bezglich derGeschwindigkeit und des Fahrkurses oder die Last-aufnahme) steuern. Neue Sensorsyst

17、eme sind Vo-raussetzung dafr, dass funktionellere, flexiblere,sichere und insgesamt wirtschaftlichere automati-sierte Frdermittel entwickelt werden knnen.Diese Richtlinie stellt eine Ergnzung zu der allge-meinen FTS-Richtlinie VDI 2510 dar und behandeltdie Sensorebene speziell fr den Einsatz in Fahr

18、erlo-sen Transportfahrzeugen (FTF). Sie ist inhaltlich engmit den Blttern 4 (Steuerungsstruktur) und 5(Schnittstelle zwischen Auftraggeber und FTS-Steu-erung) der FTS-Kompatibilittsrichtlinie VDI 4451verbunden. Die ortsfesten Komponenten des FTS, so-weit es sich nicht um von der Fahrzeug-Sensorik ge

19、-nutzte Komponenten (z.B. Marken) handelt, sowiedie Aktoren der FTF bleiben in dieser Richtlinie un-bercksichtigt.2 Zweck der RichtlinieGegenwrtig findet eine Vielzahl von Sensoren mitunterschiedlichen logischen und physikalischenSchnittstellen in Fahrerlosen TransportfahrzeugenVerwendung. Ziele die

20、ser Richtlinie sind, die sich ausGesetzen und Vorschriften ergebenden Anforderun-gen an die FTF-Sensorik aufzufhren und die in Fah-rerlosen Transportsystemen eingesetzte Sensorik zuerlutern.Es ist an dieser Stelle anzumerken, dass zum gegen-wrtigen Zeitpunkt eine Kompatibilitt der einzelnenSysteme u

21、ntereinander nicht mglich oder teilweiseauch nicht sinnvoll ist. Dies ist bedingt durch unter-schiedliche Komplexitt der FTF und die bauarten-gebundene Zulassung der Sicherheitsbauteile.3 Begriffe und DefinitionenAnlagenschutzBeschreibt die Manahmen, die am FTF ergriffenwerden, um Kollisionsschden a

22、n Anlagen und Fahr-zeugen zu vermeiden. Anlagen- und Personen-schutz bilden zusammen die Anforderungen an dieSicherheit eines FTF.1 Preliminary noteThe safety and performance of an automated guidedvehicle system (AGVS) are determined, to a consid-erable extent, by the sensor systems used on the auto

23、-mated guided vehicles (AGV). The term ”sensor“ isderived from Latin ”sensorium“ (sensitivity) and”sensus“ (sense), and designates that element of ameasuring device which serves to sense the quantitiesto be measured. It is only on the basis of appropriatemeasured values that the various functions of

24、 anAGV (such as driving at a specified speed on a spec-ified route, or load pick-up) can be controlled. Newsensor systems are prerequisite to the development ofautomated means of transport which are more func-tional, more flexible, safe, and, on the whole, moreeconomical.This guideline supplements t

25、he general AGVS guide-line, VDI 2510. It deals with the sensor level, focus-ing on the use in automated guided vehicles (AGV).Its contents are closely related to Parts 4 (controlstructure) and 5 (interface between command initia-tor and AGVS control) of the AGVS compatibilityguideline, VDI 4451. The

26、 stationary AGVS compo-nents, insofar as they are not used by the vehicle sen-sors (such as marks), and the actuators of the AGVare not considered in this guideline.2 Purpose of the guidelineA multitude of sensors with different logical andphysical interfaces are currently being used in auto-mated g

27、uided vehicle systems. This guideline hasbeen drafted with the intention to compile the re-quirements to be met by AGV sensor systems in ac-cordance with laws and regulations, and to explainthe sensor systems used in automated guided vehiclesystems.It should be noted at this point that compatibility

28、 be-tween the individual systems is not possible atpresent, and may not be convenient in parts. This isdue to the varying complexity of the AGV, and to theapproval of safety-relevant components, which is as-sociated with the specific type of AGV.3 Terms and definitionsProtection of the plantDesignat

29、es measures taken on the AGV in order toprotect installations and vehicles from damage due tocollisions. Together with the protection of person-nel, the protection of the plant defines the safety re-quirements to be met by an AGV.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Al

30、le Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2003 VDI 4451 Blatt 6 / Part 6 3 Bahnfhrung (Synonym: Spurfhrung)dient der Fhrung des FTF auf vorgegebenen Bahn-segmenten, die entweder physisch oder virtuell erfol-gen kann. Zur physischen Bahnfhrung werden z.B.induktive oder optische Lei

31、tlinien genutzt. Bei dervirtuellen Bahnfhrung orientiert sich das FTF aneiner gedachten (virtuellen) Spur ( Sollspur), diedem Fahrzeug in Form von Koordinaten oder Bewe-gungskommandos vorgegeben werden. Bei der virtu-ellen Bahnfhrung wird zwischen strategischerund reaktiver Bahnfhrung unterschieden.

32、Bahnfhrung, reaktivbewegt das FTF relativ zu einem vor Fahrtbeginnunbekannten bzw. in seiner Lage relativ zum Fahr-zeug nicht genau bekannten Umgebungsobjektoder -merkmal.Dazu wird die Information ber die Umgebung imAllgemeinen sensorisch erfasst und ggf. ein lokalesUmgebungsmodell erstellt. Es wird

33、 unterschiedenzwischen den Funktionen Ausweichen/Andocken/Fahren entlang den Umgebungsobjekten.Bahnfhrung, strategisch (Bahnplanung)bewegt das FTF entlang eines vor Fahrtbeginn unterBercksichtigung von bekannten aktuellen Umge-bungsinformationen geplanten Weges.Bahn-Teach-InModellierung des Layouts

34、durch bedienergefhrtes(oder in Ausnahmefllen autonomes) Einlernen derFolge der Positionspunkte und ggf. gleichzeitigersensorischer Erfassung der Umgebung ( Umge-bungssensoren). Eine anschlieende Modellbildungbereitet die Daten in geeigneter Form auf.Bodenmarkierungensind in den Boden eingelassene op

35、tische oder induk-tive Marken, die dem FTF zum Detektieren seinerSpur dienen (siehe Bild 6 und 7).Bumper SchaltpufferFTFAbkrzung fr Fahrerloses TransportfahrzeugFTSist ein Fahrerloses Transportsystem, das aus einemoder mehreren FTF und einem Leitsystem gebildetwird.Hauptfahrtrichtungist die Richtung

36、, in die sich das Fahrzeug im Regel-fall bewegt.Koppelnavigation LagekopplungTracking (synonym: guiding)serves to guide the AGV, either physically or virtu-ally, on specified segments of a track. Physical track-ing is provided by, e.g., inductive or optical lines.When being guided virtually, the AGV

37、 uses a ficti-tious (virtual) track ( set track) which is specifiedin terms of coordinates or motion commands for thevehicle. With respect to virtual tracking, a distinctionis made between strategical and reactive track-ing.Tracking, reactivenavigates the AGV relative to an object or feature ofthe e

38、nvironment, which is unknown prior to startingor whose exact position relative to the vehicle is un-known.To this end, the environment is, in general, scannedby sensors, and a local model of the environment maybe generated. For the objects in the environment, thefunctions of avoiding/docking/passing

39、 are distin-guished.Tracking, strategical (route planning)navigates the AGV along a route planned prior tostarting, on the basis of known current information onthe environment.Track teach-inis modelling the layout by operator-controlled (or, asan exceptional case, autonomous) learning of the se-quen

40、ce of position coordinates and, if required, si-multaneous scanning of the environment by means ofsensors ( environment sensors). Final modellingserves to process the data appropriately.Floor marksare optical or inductive marks embedded in thefloor (see Figures 6 and 7), which the AGV uses todetect

41、its track.Bumper switching bumperAGVabbreviation of automated guided vehicleAGVSdesignates an automated guided vehicle system con-sisting of one or several AGV plus control system.Principal direction of travelis the direction in which the vehicle usually travels.Composite navigation position couplin

42、gB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2003 4 VDI 4451 Blatt 6 / Part 6Kollisionsschutzist neben der Navigation die Hauptaufgabe aller Sen-soren an einem FTF. Die Anforderungen hierfr erge-ben sich aus dem Perso

43、nen- und Anlagenschutz.Kurs- OrientierungLage- Lageerfassungwird im allgemeinen Fall durch einen 6-dimensiona-len Vektor beschrieben. Dies umfasst die Beschrei-bung von 3 translatorischen ( Position) und 3 rota-torischen ( Orientierung) Freiheitsgraden. In flur-gebundenen/ebenen Anwendungen, wie bei

44、m FTS,gengt die Beschreibung der Zustnde von Freiheits-graden der Bewegung in einem 3-dimensionalenVektor, 2 translatorische und 1 rotatorischer Frei-heitsgrad zur eindeutigen Bestimmung der Lage. Frdie Beschreibung der Lage im Gesamtsystem ist diesjedoch nicht immer hinreichend. In einer Anwen-dung

45、, in der verschiedene Stockwerke ber Aufzgeoder schiefe Ebenen erreicht werden, ist die Kenntnisder Hhe durchaus notwendig. Die Nummer desStockwerks wrde als Information ausreichen.Lageerfassung (Synonym: Ortung)dient der exakten Bestimmung der Fahrzeuglage. DieLageerfassung geschieht im Allgemeinen

46、 mittelseiner dem jeweiligen Anwendungsfall angepasstenKombination von Lagekopplung und Lagepeilung.Lageerfassung sollte nicht verwechselt werden mitdem oft falsch aus der angelschsischen Literaturbersetzten Begriff Navigation.Lagekopplung (Synonym: Koppelnavigation)bestimmt die Lage des Fahrzeuges

47、zwischen zweiPeilvorgngen durch Integration interner Bewe-gungsgren, die durch eine fahrzeuginterne Koppel-sensorik (z.B. inkrementale Weg- und Winkelaufneh-mer an Antriebs- und Lenkmotoren) ermittelt wer-den. Die Integration erfolgt, ausgehend von einemStartpunkt, in kleinen diskreten Zeitintervall

48、en. Kop-pelnavigation ist prinzipbedingt fehlerbehaftet(Schlupf zwischen Fahrweg und Rdern sowie Ver-nderungen der Radumfnge).Lagepeilung Lageerfassung(Synonym: Lagesttzung)vermisst die Lage des Fahrzeuges relativ zu statio-nren Peilmarken oder Sendern im Raum, deren Lagezum Zeitpunkt der Messung be

49、kannt ist. Die Peilsen-sorik besteht hufig aus optischen Sensoren; die Mar-ken (besondere Merkmale oder Sensoren im Raum)werden entweder speziell fr diesen Zweck einge-Collision avoidanceand navigation are the principal task of all sensors ofan AGV. The pertinent requirements derive from the protection of personnel and the protection ofthe plant.Bearing orientationPosition position sensingis described in general in ter