Wie sorgen LiDAR und Sensoren für die Sicherheit von fahrerlosen Transportfahrzeugen (AGVs) in Lagerhäusern?

Im Gespräch mit Führungskräften aus der Fertigungsindustrie stellen wir fest, dass Effizienzsteigerungen und ein schneller Return on Investment die Haupttreiber für die Roboterautomatisierung sind. Die tatsächliche Einführung von Technologien wie fahrerlosen Transportfahrzeugen (AGVs) oder einer ganzen Flotte autonomer mobiler Roboter erfolgt jedoch nur bei größtmöglicher Sicherheitsgewähr.

Tatsächlich erfordert die Steuerung eines mehrere Tonnen schweren autonomen Fahrzeugs in einer dynamischen Mensch-Roboter-Umgebung mehr als nur eine intelligente Programmierung. Sie erfordert ein sorgfältig entwickeltes, tief integriertes Sicherheitssystem. Dieses System ist das Ergebnis der Kombination aus Wahrnehmungssensoren, intelligenter Software und ausfallsicherer Hardware.

Das Vertrauen, das Sie in die Sicherheit der Flotte haben, hängt direkt vom Verständnis dieser mehrschichtigen Redundanzen ab.

Ein AGV-Gabelstapler nimmt seine Umgebung durch einen konstanten 360°-Datenstrom präziser Informationen wahr, der grundsätzlich zuverlässiger und umfassender ist als die manuelle Wahrnehmung durch einen Bediener. Die robotergestützte Wahrnehmung basiert auf einer Kombination sich überschneidender Sensortechnologien, die alle von einem sicherheitszertifizierten Steuerungssystem geregelt werden, das strenge internationale Standards einhält. Dieser Artikel bietet einen detaillierten technischen Einblick in die Kernkomponenten, die diese kollaborativen Roboter zu einer sicheren und praktikablen Realität machen. Die rasche Verbreitung dieser Komponenten zeigt sich deutlich am Marktwachstum; der weltweite LiDAR-Markt, ein Eckpfeiler dieser Technologie, wird bis 2030 voraussichtlich ein Volumen von 6,3 Milliarden US-Dollar erreichen, da Branchen von der Automobilindustrie bis zur Logistik auf diese Technologie für sichere Autonomie angewiesen sind.¹

Die primäre Wahrnehmungsschicht: LiDAR und Vorhanglaser

LiDAR (Light Detection and Ranging) ist das unbestrittene Arbeitspferd der autonomen Navigation und Sicherheit. Seine Aufgabe ist es, eine äußerst genaue Punktwolkenkarte der Fahrzeugumgebung zu liefern.

• Funktionsprinzip: Eine LiDAR-Einheit sendet pro Sekunde Tausende unsichtbarer Laserimpulse aus. Sie misst die genaue Zeit, die diese Impulse benötigen, um von Objekten reflektiert zu werden und zum Sensor zurückzukehren. Aus diesen Laufzeitdaten berechnet sie eine exakte Entfernung und erstellt so eine millimetergenaue 3D-„Punktwolke“ der Umgebung in Echtzeit. Ein automatisierter Gabelstapler verwendet in der Regel mehrere LiDAR-Sensoren, um Redundanz und vollständige Abdeckung zu gewährleisten:
  
  • LiDAR für Navigation und Sicherheit: Dieser Sensor wird in der Regel hoch oben am Roboterchassis angebracht und dient der Lokalisierung. Seine Punktwolke wird ständig mit einer vorab geladenen digitalen Karte der Anlage abgeglichen, sodass das fahrerlose Transportfahrzeug (AGV) jederzeit seine genaue Position und Ausrichtung kennt. Darüber hinaus erkennt dieser leistungsstarke Sensor Hindernisse, die in seinen Weg gelangen. Er ist gemäß spezifischen Sicherheitsstandards wie ANSI, ISO und CE zertifiziert. Dieser Sensor ist mit konfigurierbaren Sicherheitsfeldern programmiert, typischerweise einem breiteren „Warnfeld“ und einem schmaleren „Stoppfeld“, die Objekte am Boden und in der Höhe erkennen. Wenn ein Objekt, wie beispielsweise die Beine einer Person, in das Warnfeld eindringt, ist das Steuerungssystem des AGV so programmiert, dass es die Geschwindigkeit verringert. Dringt das Objekt in das innere Stoppfeld ein, löst das System einen sofortigen, aber kontrollierten Notstopp aus.
  • Vorhanglaser: Vier strategisch platzierte Laser an der Unterseite des AGV decken alle toten Winkel ab, die der primäre LiDAR nicht erfassen kann. Sie bieten denselben Schutz auf Bodenhöhe und verlangsamen oder stoppen das Fahrzeug, wenn sich ein Objekt in seinem Weg befindet.

• Wichtige technische Vorteile: LiDAR ist außergewöhnlich präzise, und seine Leistung wird durch die Umgebungslichtverhältnisse nicht beeinträchtigt, sodass es in schwach beleuchteten Lagern oder bei einem rund um die Uhr laufenden „Lights-out“-Betrieb absolut zuverlässig ist.

Die sekundäre Sicherheitsebene: Perfektion beim Aufnehmen und Absetzen von Paletten

Während LiDAR zusammen mit den Vorhanglasern während der Fahrt des Fahrzeugs die geometrische Karte („wo“ sich ein Objekt befindet) und den entscheidenden Kontext („was“ ein Objekt ist) liefert, wird bei der Interaktion des Fahrzeugs mit Paletten ein ebenso hohes Maß an Sicherheitspräzision gewährleistet.

• Palettenkamera: Eine fortschrittliche Kamera, die den Palettentyp und den Zustand der Palette identifiziert. Diese Kamera erkennt, ob eine Palette vorhanden ist, um welchen Palettentyp es sich handelt und – was am wichtigsten ist – ob die Palette strukturell stabil genug ist, um von ihrem aktuellen Standort kommend kommissioniert zu werden.
• Entfernungslaser: Ein Tiefenmessgerät, das dem Roboter den genauen Abstand zwischen dem Hubmast und der Palette mitteilt. Dieses Gerät liefert konsistente Messwerte, um sicherzustellen, dass die Palette fest auf den Gabeln sitzt.

Die Fusion von LiDAR- und Bilddaten schafft ein Wahrnehmungssystem, das weitaus robuster und zuverlässiger ist, als es jede einzelne Technologie für sich allein sein könnte. Es ist ein Eckpfeiler der Philosophie der kollaborativen Robotik („Cobots“).

Die dritte Ebene: Ausfallsichere Hardware

Die letzten Ebenen des Sicherheitssystems umfassen direkte physikalische Sensoren und die zentrale Steuerungshardware.

• Die sicherheitszertifizierte SPS: Alle diese Sensordaten werden vom zentralen Steuerungssystem des Fahrzeugs verarbeitet und umgesetzt, das auf einer sicherheitszertifizierten SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) und Sicherheitsrelais basiert. Dies ist der entscheidende Unterschied zwischen einem Industrieroboter und einer einfachen Maschine. Es ist so konzipiert, dass es strenge internationale Normen wie ISO 13849-1 erfüllt und die Einstufung „Performance Level d“ (PLd) erreicht. Das bedeutet, dass es über eine Zweikanalarchitektur, redundante Prozessoren und eine selbstüberwachende Diagnose verfügt. Es gleicht die Daten der verschiedenen Sensoren ständig miteinander ab und ist so programmiert, dass es einem einfachen, übergeordneten Befehl folgt: Bei Unsicherheiten, widersprüchlichen Daten oder einem Komponentenausfall wird standardmäßig der sicherste mögliche Zustand gewählt, nämlich ein kontrollierter Stopp.

Diese kompromisslose, mehrschichtige und redundante Technik ermöglicht es einem Lösungsentwickler, diese autonomen Systeme sicher in einer menschenzentrierten Umgebung einzusetzen, wie wir in unserem Hauptleitfaden „Leitfaden für Hersteller und Lagerbetriebe zur Verbesserung der Mitarbeitersicherheit“ ausführlich beschreiben.

Quellenangaben

¹ MarketsandMarkets, „Lidar-Markt“, 2024. https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/lidar-market-1261.html