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Industrielle Automation 4/2017

Industrielle Automation 4/2017

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Das Umfeld dreidimensional abbilden Rundum geschützt 3D-Umfeldsensorik erhöht die Sicherheit von Arbeitsmaschinen Um Effizienzsteigerung zu erreichen und Personen sowie Hindernisse im nicht einsehbaren Bereich besser detektieren zu können, kommen in mobilen Arbeitsmaschinen Operator Assistenzsysteme mit 3D-Umfeldsensorik zum Einsatz. Für das Design solcher Systeme und Lösungen müssen jedoch zahlreiche Anforderungen berücksichtigt werden, die sich in der Sensorauswahl und der Systemarchitektur widerspiegeln. Rund um mobile Arbeitsmaschinen gibt es hinsichtlich der Automatisierung ihrer Arbeitsprozesse noch eine Vielzahl von Fragestellungen, die aufgrund ihrer technologischen Rahmenbedingungen noch nicht gelöst sind. Zwar profitiert dieser Markt zunehmend von einer Technologietransition aus dem Automotive-Sektor, aber wir sind noch weit von vollautonomen Arbeitsprozessen entfernt. Die Hauptaufmerksamkeit der Branche liegt daher zurzeit auf der Generierung von Lösungen zur Unterstützung der Bediener von Arbeitsmaschinen, den sogenannten Operator Assistenzsystemen. Umfeldsensorik ist dabei ein wichtiger Bestandteil von Operator Assistenzsystemen. Hierbei kristallisiert sich immer mehr heraus, dass es für die komplexen Fragestellungen einen großen Vorteil bedeutet, wenn diese Umfeldsensorik 3D-Daten der direkten Umgebung der Arbeitsmaschine liefert. So wird dem Operator ein Zugang zu einer Vielzahl vorher nicht verfügbarer Informationen gewährt. Zudem wird basierend auf diesen Daten ein breites Spektrum an Assistenzsystemen möglich, z. B. die Detektion von Menschen in einem vom Bediener nicht einsehbaren Bereich hinter der Arbeitsmaschine. M. Sc. Stefan A. Lang, Abteilungsleiter Systeme & Lösungen, STW GmbH, Kaufbeuren Die Wahl der richtigen Sensoren Die Auswahl der richtigen Sensoren für die Applikation auf mobilen Arbeitsmaschinen ist eine wesentliche Herausforderung beim Design von Operator Assistenzsystemen. Wichtige Fragen richten sich z. B. nach der Wetterfestigkeit und Störresistenz der Sensoren oder der Entfernungs- und Winkelauflösung, Messdauer, Leistungsaufnahme und Schutzklassen. Es empfiehlt sich daher immer, zuerst die Applikation genau zu untersuchen, die relevanten Rahmenbedingungen zu extrahieren und einen geeigneten Kriterienkatalog aufzustellen, bevor mit der Sensorauswahl begonnen wird. Anschließend ist eine kontextuelle Bewertung der Sensoren nach den gefundenen Kriterien der Schlüssel zum Erfolg. Als klassische Sensoren bieten sich bspw. Ultraschall und Kamerasysteme an. Beide Sensorarten sind mittlerweile sehr gut bekannt und werden auch zunehmend im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen eingesetzt. Weniger bekannt sind Sensortechnologien aus dem Automobil-Bereich und der Industrierobotik: Abstandsradar, Lidar, Scan-Lidar, Stereokamera. Dies hängt u. a. damit zusammen, dass optische Sensortechnologien (Lidar und Scan-Lidar) im Allgemeinen sehr anfällig für Umwelteinflüsse sind und daher von vielen Anbietern gar nicht für diesen Markt angeboten werden. Bei Abstandsradar und Stereokamera stellt sich die Situation ein wenig anders dar. Abstandsradare aus dem Automobil-Bereich lassen sich aufgrund der auch hier geltenden Frequenzzulassung und den sehr ähnlichen Rahmenbedingungen problemlos für Fahrapplikationen von Arbeitsmaschinen einsetzen. Zu beachten ist hier allerdings, dass durch die gesetzliche Restriktion der verfügbaren Frequenzbänder auch eine Limitierung der Entfernungsauflösung in Kauf genommen werden muss, sodass die erreichbare Entfernungsauflösung für manche Anwendungen nicht ausreicht. Stereokameras bieten die Möglichkeit der dreidimensionalen Abbildung des Umfeldes und eignen sich daher für Anwendungen, bei denen ein 3D-Profil zur Extraktion bestimmter Merkmale für die Interaktion notwendig ist. Allerdings ist die Stereokamera auf externe Beleuchter wie die Sonne angewiesen und hat ihre Schwächen bei Hell-Dunkel-Wechseln wie der Dämmerung. Generell lässt sich sagen, dass 3D-Daten neue Möglichkeiten der Interaktion von Bediener und Arbeitsmaschine ermöglichen. So kann aus den Sensordaten eine digitalisierte Szene des Umfeldes erzeugt werden, die wiederum als Grundlage zur Objektklassifizierung und Interaktionsab - leitung für Operator Assistenzsysteme dient. Oftmals muss über die Verknüpfung mehrerer Sensoren oder Sensorarten nachgedacht werden, um den spezifischen Rahmenbedingungen Rechnung tragen zu können. Hier gilt, dass die Fusion immer dann sinnvoll ist, wenn dadurch Stärken akkumuliert und Schwächen ausgeblendet werden können. Sensordaten kontextuell interpretieren Als nächster Schritt muss die Systemarchitektur betrachtet werden, wobei sich dazu die Orientierung an einem Paradigma aus der Robotik empfiehlt: Sense-Think-Act. Mit „Sense“ sind die Umfeldsensoren gemeint und mit „Think“ und „Act“ werden über zwei miteinander verbundene Regelungsschleifen die kontextuelle Interpretation der Sensordaten und die Umfeldinteraktion realisiert. Die Sensoren sind dabei an einen Assistenz-Controller angeschlossen, der genügend Rechenleistung zur Verfügung stellt, um einerseits die anlaufenden Daten der Sensoren mit einer hohen Updaterate verarbeiten zu können und andererseits noch genügend Kapazität bietet, um Interaktionsstrategien aus den Sensordaten in Verbindung mit den Bediener-Zielstellungen ableiten zu können. 20 INDUSTRIELLE AUTOMATION 4/2017

Intelligente Messtechnik mit IEPE 01 3D-Daten bieten neue Möglichkeiten in der Interaktion von Bediener und Arbeitsmaschine: Umfeldsensorik-Aufbau auf einem ferngesteuerten Modellfahrzeug (unten links), Grauwertbild der Stereokamera (oben) und gerenderte 3D-Punktewolke (rechts) von einem Radlader Die elektronische Steuerung übernimmt die Steuerung der Arbeitsprozesse, schaltet bspw. die Pumpen von hydraulischen Anlagen und erhält direktes Feedback über Druck, Temperatur und Auslenkung unter Verwendung der Prozesssensoren. Die Auswirkung auf die Umgebung wird dann wiederum mit den Umfeldsensoren erfasst und zur Verarbeitung in den Assistenz-Controller gespeist. Interaktionen richtig ableiten Ein weiterer wesentlicher Aspekt bei der Architekturauslegung ist die Kommunikation zwischen Assistenz-Controller und elektronischer Steuerung. Hier muss ein Master definiert werden, der die Steuerung des (teil-)automatisierten Arbeitsprozesses leitet, wobei je nach Applikation sowohl der eine als auch der andere sinnvoll sein kann. Im hier genannten Beispiel ist der Assistenz- Controller der Master, der somit auch ein 02 Mögliche Systemarchitektur von Umfeldsensorik mit Assistenz-Controller, elektronischer Steuerung und Prozesssensoren zur Steuerung der Arbeitsprozesse Funktionsmodell des Arbeitsprozesses benötigt, um basierend auf seinem Input die richtige Interaktion ableiten zu können. Ein Beispiel für solche Interaktionen ist die Bestimmung von Entfernung und Lage des eigenen Maschinenwerkzeugs gegenüber dem Umfeld des Effektors oder die Vermessung des Effektorumfeldes (z. B. die Baggerschaufel), um damit Schüttgutvolumen zu bestimmen oder Greifbewegungen effizienter gestalten zu können. Ein weiteres Beispiel ist die Detektion von Personen in für den Bediener nicht einsehbaren Bereichen um seine Arbeitsmaschine – was z. B. zu einem Not-Stopp- Eingriff des Operator Assistenzsystems führen kann und damit die Arbeitsmaschine vor einem möglichen Zusammenstoß mit der Person zum Stillstand bringt. Hierzu werden in der Regel optische Systeme eingesetzt, wobei es neue Sensorfusionskonzepte zur Erhöhung der Detektionsrate in Verbindung mit Radarsensoren gibt. www.sensor-technik.de G0A-1024-i 16 Kanal .. IEPE • IEPE Sensor Versorg. 28V, 4mA • Signalprozessor DSP56311 • (AI) 16 Bit 500kHz • Ein-/Ausgänge 16 A/D • Bis zu drei Messabläufe parallel • 4 * (AO) 16 Bit • 24 TTL I/O • 2 * 32 Bit Zähler: Pulsbreiten-, ..Periodendauer- u. Frequenzm. ..Inkrementalgebermessung mit ..Zeitstempel und SSI Gebern ..Leistungsfähige Onlinefunktionen • FFT, FIR+IIR Filter, PID-Regler, USB Messtechnik IEC 60381-1 u. IEC 60381-2 *649€ iDAS G0I-1034-8 • Galvanisch entkoppelt • 8 analog(AI) 16 Bit 1000kHz • 1 24 Bit Counter • 4 DIN 4 DOUT Ue- 2,4-30V. Softwarebibliothek: DASYLab, DIAdem, IPE-motion VI Bibliothek für LabVIEW, Assembly + viele Erweiterungen zur Verwendung in .NET (C#,VB.NET, MATLAB, Mathematica, Agilent-VEE, Crossplatform kompatible API für Win32, MacOSX, Linux (Debian/ Android) inklusive Header Wrapper für C/C++,Object Pascal/Delphi, Python, MATLAB. Goldammer.de Telefon (0 53 61) 29 95 - 0