Entwicklungsgeschichte fahrerloser und autonomer Transportsysteme

Fahrerlose Transportsysteme (FTS) und Fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) kamen erstmals Anfang der 1950er-Jahre in Amerika und rund zehn Jahre später in Deutschland zum Einsatz [1]. Im Vordergrund stand die Optimierung des Materialflusses und die Reduzierung des Personaleinsatzes als logische Konsequenz der sich seit dem frühen 19. Jahrhundert ausbreitenden Ideen zur Erhöhung der Produktivität durch die Verbesserung der Arbeitsabläufe (Taylor), über die Vertaktung der Produktionsstufen (insbesondere geprägt durch das „System vorbestimmter Zeiten“ nach Gilbreth) bis hin zur kontinuierlichen Fließbandfertigung (Ford). Getrieben wurde diese Entwicklung durch die Mechanisierung der Produktion aufgrund einer zunehmenden Technikzentrierung des Managements bis hin zur Vorstellung einer vollständigen Automatisierung (vgl. die historische Nachzeichnung bei [1]). Beginnend mit der Automatisierung der Transporte zwischen Bearbeitungsstufen erfolgte die erste Entwicklung von FTS für den Einsatz in der Produktion und im Lager. Im Vergleich zu automatisierten Fördersystemen, beispielsweise Bandanlagen, sind die Investitionen in der Regel wesentlich geringer und die Flexibilität gegenüber Änderungen im Materialfluss wesentlich höher [2]. Zudem gelten Transporte als unproduktiv, müssen aber in Produktions- und Lagersystemen eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen.

Fahrerlose Transportsysteme im Innenbereich

Typische Einsatzbereiche von FTS im Innenbereich bestehen einerseits zwischen den Produktions- und Montagestufen und andererseits im Wareneingang und Warenausgang sowie in der Kommissionierzone und im Lagerbereich. Dabei sind FTS und Arbeitsroboter, beispielsweise zum Kommissionieren, Pallettieren etc., häufig baulich miteinander verbunden. In der innerbetrieblichen Logistik war der Begegnungsfall zwischen Mensch und FTS/FTF daher immer vorgesehen, da FTS/FTF in der Regel weitere Funktionen, z. B. als Kommissionierhilfsmittel, übernehmen. Die frühen Personenschutzkonzepte arbeiteten mit taktilen, mechanischen Bügeln bzw. Bumpern [2]. Heute kommen vermehrt Laserscanner zum Einsatz, die in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit bis zu sieben Meter abdecken [2] und häufig mit weiteren Sensortechniken kombiniert werden. Die Stabilisierungsebene spielt im innerbetrieblichen Transport eine untergeordnete Rolle, da das Unternehmen den Untergrund selbst im fahrfähigen Zustand hält.

Die Bahnführungsebene im Indoor-Bereich der innerbetrieblichen Transporte erfolgte bei den frühen Systemen in der Regel mithilfe von stromführenden Leitern, die im Hallenboden eingelassen waren. Heute werden folgende Typen zur Positionserkennung und Positionierung unterschieden [3]: Auf der einen Seite kommt weiterhin die physische Leitlinie zum Einsatz, ausgeführt als aktiv-induktive Leitspur, als Magnetband oder als optische Leitspur. Auf der anderen Seite wird mit Technologien zur freien Navigation gearbeitet, bei denen die Orientierung mithilfe von Bodenmarken (Metall, Magnet, Transponder) oder auf Basis der Lasertechnologie, bei der die Positionsbestimmung ähnlich funktioniert wie in der Seeschifffahrt (Kreuzpeilung), erfolgt. Neuere Technologien kombinieren Laserscanner und Kamerasysteme mit digitalen Umgebungskarten und machen eine Navigation mittels Umgebungsmerkmalen möglich.

Für die Datenübertragung zwischen den stationären und den mobilen Einheiten eines FTS kam früher die induktive bzw. die Infrarot-Datenübertragung zum Einsatz. Heute sind Schmalbandfunk und immer mehr Breitbandfunk (WLAN) vorherrschend. Die Funkpeilung ermöglicht eine Ortung mittels Indoor-GPS (Global Positioning System) mit einer Genauigkeit bis zu 0,5 Metern und mittels Outdoor-GPS mit einer Genauigkeit von zehn Metern, dGPS (Differential GPS) mit einer Genauigkeit bis zu einem Meter oder dGPS mit Phasenauswertung mit einer Genauigkeit bis zu 0,1 Metern.

Fahrzeuge bekommen ihre Fahraufgaben zugewiesen und werden koordiniert [2]. Das Steuerungskonzept besteht aus einer Leitsteuerung, durch die die Transportauftragsabwicklung mit der Transportauftragsverwaltung, der Fahrzeugdisposition und der Fahrauftragsabwicklung zentral erfolgt. Die Verkehrsleitsteuerung ist ein Teil der Fahrauftragsabwicklung. Die Freigabe einzelner Streckenabschnitte geschieht ähnlich wie im Bahnverkehr in Blockstrecken, die jeweils nur von einem Fahrzeug belegt werden dürfen.

Eine beispielhafte Anlage wurde in einem Distributionszentrum eines Logistikdienstleisters im Jahr 2011 realisiert [3]. Bei der Kommissionierung kommen FTS zum Einsatz, die auch die Kommissionierer mit sich führen. Die Sicherheit des Mitfahrers wird durch verschiedene Maßnahmen hergestellt, die wie beim Bahntransport vom Zugführungspersonal verlangen, dass er eine bestimmte Position mit den Händen und Füßen einnimmt. Andere Betätigungen sind daher während der Fahrt nicht möglich. Das Personenschutzkonzept erfolgt mittels Laserscanner. Für die Navigation wird die Magnetpunktfolge genutzt, und für die Leitsteuerung kommt zur Datenübertragung die WLAN-Technologie zum Einsatz.

Die FTS/FTF-Leitsteuerung erfolgt auch in den neueren Anlagen zentral. Die Erweiterung der Systeme ist daher immer mit einem großen Aufwand verbunden, sodass auch hier zu autonomen, dezentralen Steuerungslösungen geforscht wird.

Ein aktuelles Beispiel ist der autonome Schubmaststapler als Ergebnis des Projekts

„marion (mobile, autonome, kooperative Roboter in komplexen Wertschöpfungsketten)“, das im Rahmen des Technologieprogramms „Autonomik“ (Autonome und simulationsbasierte Systeme für den Mittelstand) entwickelt wurde. Die Fahrzeuge bekommen ihre Aufgaben von einem übergeordneten System zugewiesen. Der Stapler führt diese Aufgabe autonom aus und berechnet und entscheidet selbstständig über den optimalen Fahrweg. Er ist mit einem 3-D-Laser, Laserscanner und Kameras zur 3-D-Umgebungserfassung ausge-stattet. Durch Sensorenbündel kann der Stapler die Umgebung exakt erfassen, die Objektabmessung und die räumliche Position des Objekts bestimmen.

Eine dezentrale Steuerung stellen beispielsweise [4] vor, die im Rahmen des Projekts

„Dezentrale, agentenbasierte Selbststeuerung von Fahrerlosen Transportsystemen (FTS)“ erarbeitet wurde. Darin sind für jedes Fahrzeug verschiedene Agenten modelliert. Die Routenplanung und Auftragsvergabe erfolgt kooperativ. Simulationen ergaben eine Reduzierung der Gesamtstrecke aller FTF und des Leerfahrtenanteils um rund acht Prozent, der Durchlaufzeit um 22 Prozent sowie eine geringe Auslastungserhöhung der FTF [5]. Am Fraunhofer Institut für Materialflusstechnik und Logistik (IML) wurde im Projekt „Schwarmintelligenz für die Logistik“ ein zellulares Transportsystem entwickelt, das auf die Schwarmintelligenz aufbaut. In diesem System erhält der Schwarm (die Transportmittel) die Transportaufträge, das nächstgelegene Transportmittel übernimmt den Auftrag und sucht sich dynamisch den kürzesten Weg.

 
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