[0001] Die Erfindung betrifft ein fahrerloses Transportfahrzeug und eine Vorrichtung und
ein Verfahren zur sicheren Erkennung einer Fahrzeugbewegung des Fahrzeugs.
[0002] Fahrerlose Transportfahrzeuge (auch AGV, "Automated Guided Vehicle" genannt) werden
in industriellen Umgebungen beispielsweise in der Logistik eingesetzt. Sie bewegen
sich häufig auf derselben Ebene, auf der sich auch Personen bewegen. Deshalb weisen
diese Fahrzeuge Sicherheitsvorrichtungen auf, die aus fahrzeugseitigen Sensoren zur
Erkennung von Objekten und einer entsprechenden Auswerteeinheit bestehen. Ein wesentlicher
Punkt für diese Sicherheitsvorrichtungen ist es, die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit
des Transportfahrzeuges sicher zu erfassen. Dies erfolgt zum Beispiel über die Erfassung
der Bewegung der Einzelräder (auch Odometrie genannt), um abhängig von der Bewegungsrichtung
und Bewegungsgeschwindigkeit des Transportfahrzeugs sicher und ohne Kollisionen steuern
zu können. Das bedeutet, dass in Kenntnis der Bewegungsrichtung und der Bewegungsgeschwindigkeit
zum Beispiel optische Schutzfelder von Sensoren des Fahrzeugs der Bewegung angepasst
werden, zum Beispiel in ihrer Orientierung oder Ausdehnung.
[0003] Dies gilt insbesondere für flächenbewegliche Fahrzeuge, welche sich aufgrund ihrer
Kinematik in alle Bewegungsrichtungen bewegen können. Die Kinematik zeichnet sich
darin aus, dass zumindest für einen Teil der Antriebsräder sowohl der Lenkwinkel und
auch deren Drehbewegung gesteuert werden kann.
[0004] Um die Bewegung des Fahrzeuges sicher erfassen zu können, muss auch die Bewegung
einer Mindestanzahl der Räder fehlersicher erfasst werden.
[0005] Nach Stand der Technik wird die Bewegung der Mindestanzahl der (Antriebs-) Räder
fehlersicher erfasst, entweder mit fehlersicheren Encodern oder durch redundante Encoder
pro Rad. Dies gilt zumindest für die Räder, welche unabhängig gesteuert werden können.
Räder, welche mit anderen Rädern mechanisch gekoppelt sind (z.B., weil sie auf einer
gemeinsamen Achse sind) und sich daher nach festen Verhältnissen bewegen, müssen nicht
einzeln sicher erfasst werden.
[0006] Aus der
DE 10 2014 211 168 A1 ist ein Fahrzeug bekannt, bei dem zur Verifizierung von Positionsdaten bzw. Geschwindigkeitsdaten
die Drehgeschwindigkeiten der Räder paarweise daraufhin überprüft werden, ob sie identisch
sind.
[0007] Die
DE 10 2012 023 999 A1 beschreibt ein Transportfahrzeug mit drei Rädern, bei dem mittels Plausibilitätsprüfungen
Fehler aufgedeckt werden, beispielsweise wenn mit einem Differenzialantrieb längere
Zeit über eine bekanntermaßen gerade Strecke gefahren wird und dabei festgestellt
wird, dass der eine Antrieb schneller dreht als der andere. Entsprechendes gilt bei
Kurven, wenn die Antriebe mit anderen Geschwindigkeiten laufen als für die Kurve zu
erwarten wäre.
[0008] Aus der
US 20090210113 A1 ist Fahrzeugsteuerungssystem bekannt, wobei bei dem Fahrzeug sämtliche vier Reiter
unabhängig voneinander gelenkt sind und das Steuerungssystem dafür Sorge trägt, dass
bei Blockierung der Lenkung eines der Räder eine unfallfreie Weiterfahrt bis zum Stillstand
möglich ist. Ein ebensolches Steuerungssystem ist aus der
US 5402344 bekannt.
[0009] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung eine fehlersichere
Vorrichtung zur Erkennung einer Fahrzeugbewegung bereitzustellen, welche zum Beispiel
mit einer minimalen Anzahl von Encodern, die nicht fehlersicher sein müssen, dennoch
eine fehlersichere Bewegungsbestimmung des Fahrzeugs erlaubt.
[0010] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur sicheren Erkennung einer Fahrzeugbewegung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
8.
[0011] Ein erfindungsgemäßes Vorrichtung zur sicheren Erkennung einer Fahrzeugbewegung eines
fahrerloses Transportfahrzeug umfasst einen Lenkwinkel-Erfassungsvorrichtung zur Erfassung
der Lenkwinkel von wenigstens zwei Rädern eines Fahrzeugs, die als Einzelräder mit
jeweils separater Lenkvorrichtung ausgebildet sind und über einen Lenkwinkelsteuerung
gelenkt werden. Weiter umfasst die Vorrichtung eine Lenkwinkel-Erfassungsvorrichtung
zur Erfassung der Lenkwinkel der wenigstens zwei gelenkten Räder und zur Ausgabe von
entsprechenden Lenkwinkelsignalen, sowie eine Auswerteeinheit, der die Lenkwinkelsignale
zugeführt sind. Die Auswerteeinheit weist eine Plausibilisierungseinheit auf, die
eine Plausibilisierung der Lenkwinkelsignale der wenigstens zwei gelenkten Räder zueinander
durchführt und bei erfolgloser Plausibilisierung ein Sicherheitssignal ausgibt.
[0012] Mit ,Einzelräder' ist in diesem Zusammenhang nicht das Gegenteil von Zwillingsräder
gemeint, sondern ,Einzelrad' soll heißen, dass ein Rad sich im Wesentlichen unabhängig
vom anderen bewegen kann.
[0013] Nach der Erfindung wird die Fehlersicherheit nicht dadurch geschaffen, dass aufwändige,
fehlersichere Encoder Lenkwinkelsignale und Drehgeschwindigkeitssignale eines Rades
erfassen oder diese Signale durch aufwändige Redundanz von Encodern und dergleichen
fehlersicher gemacht werden. Sondern die Fehlersicherheit wird durch geschickte Plausibilisierung
von Signalen der Einzelräder zueinander geschaffen, wobei die Signale einfach und
ohne großen Aufwand nicht-fehlersicher erfasst werden können. Hierzu wird unterstellt,
dass in fehlerfreiem Betrieb die Räder so gesteuert werden, dass es kein bzw. kaum
Abrieb der Räder gibt, sei es durch inkonsistente Lenkwinkelstellungen oder Drehgeschwindigkeit.
Damit ergibt sich eine Gesetzmäßigkeit der Räder zueinander, welche genutzt werden
kann, um die erfasste Bewegung der Einzelräder zu plausibilisieren und somit eine
Bewegung des Fahrzeuges fehlersicher zu bestimmen. Ist die Plausibilisierung erfolglos,
also entweder die Lenkwinkel nicht plausibel untereinander oder die Bewegung der Räder
zueinander nicht plausibel, wird ein Sicherheitssignal ausgegeben. Dies kann beispielsweise
einen Stopp des Fahrzeugs initiieren.
[0014] Vorteilhafterweise erfolgt die Plausibilisierung derart, dass geprüft wird, ob bei
Kurvenfahrt orthogonal zur Abrollrichtung liegende Achsen durch den Radmittelpunkt
der gelenkten Räder sich in einem gemeinsamen Momentanpol treffen und bei gerader
Fahrt alle Räder parallel stehen. Das ist insbesondere bei vierrädrigen, fahrerlosen
Transportsystemen, bei denen häufig alle Einzelräder gelenkt sind, in einfacher Weise
durchführbar.
[0015] Betrachtet man jedes lenkbare Rad als einen Festkörper, der sich in einer Ebene bewegt,
so bewegt sich jedes Rad um einen Momentanpol (bei ausschließlich translatorischer
Bewegung liegt dieser im Unendlichen). Werden an einem linienbeweglichen Transportfahrzeug
zwei kinematische Messgrößen, hier die Lenkwinkelstellungen an den Rädern, erfasst,
ist die Bewegung des Fahrzeugs in der Ebene bestimmt und kann durch eine Vorwärtskinematik
berechnet werden. Werden nun weitere dieser Größen erfasst, ist die Erfassung überbestimmt,
somit redundant und kann zu einer Plausibilisierung der messwerterfassenden und verarbeitenden
Systemkomponenten verwendet werden.
[0016] Des Weiteren gibt es Fahrzeuge, welche mögliche Freiheitsgrade der Antriebe für die
Fahrzeugbewegung nicht vollständig ausnutzen, sondern bestimmte Symmetrien einhalten.
Ein solches Fahrzeug weist wenigstens zwei sowohl angetriebene als auch gelenkte Räder
jeweils im gleichen Abstand zu einer zwischen ihnen verlaufenden Symmetrielinie auf.
Die Plausibilisierung erfolgt derart, dass der Schnittpunkt der Drehachsen dieser
beiden Räder bei einer Kurvenfahrt auf der Symmetrielinie liegen muss.
[0017] In Weiterbildung der Erfindung ist eine Fahrstrecken-Erfassungsvorrichtung vorgesehen,
mit der zurückgelegte Fahrstrecken von jeweiligen Rädern erfasst werden. Eine Plausibilisierung
erfolgt nun über Vergleich der zurückgelegten Fahrstrecken der verschiedenen Räder.
Diese Fahrstrecken sind zum Beispiel in Geradeausfahrt pro Zeiteinheit identisch.
In einer Kurvenfahrt legen die äußeren Räder größere Strecken zurück. Die Plausibilisierungseinheit
prüft dabei die Verhältnisse von Fahrstrecken verschiedener Räder. Eine solche Plausibilisierung
dient der weiteren Erhöhung der Sicherheit. In dem Sonderfall, wenn man äquidistante
Zeiteinheiten betrachtet, spricht man auch von Geschwindigkeit und Geschwindigkeitserfassung.
Im Sinne dieser Erfindung sind dann ,Geschwindigkeit' und ,Fahrstrecke' quasi als
Synonym zu verstehen ist.
[0018] In Weiterbildung der Erfindung ist die Plausibilisierungseinheit ausgebildet für
die Plausibilisierungsprüfung Toleranzwerte bezüglich der Lenkwinkel und gegebenenfalls
Toleranzwerte bezüglich der Fahrstrecken zu berücksichtigen. Über die Toleranzen lassen
sich geringfügige Abweichungen, die in der Realität immer wieder auftreten, abfangen.
[0019] Der Lenkwinkel eines gelenkten Rades wird in Weiterbildung der Erfindung über einen
Winkelgeber erfasst und/oder in noch einfacherer Weise direkt aus einer Lenkwinkelsteuerung
für die Lenkvorrichtung ausgelesen.
[0020] In ähnlicher Weise kann die Fahrstrecken-Erfassungsvorrichtung die von einem Rad
zurückgelegte Fahrstrecke über Encoder erfassen und/oder im Falle eines angetriebenen
Rades über eine Antriebssteuerung.
[0021] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- Fig. 1
- schematische Ansicht auf ein fahrerloses Transportfahrzeug;
- Fig. 2
- eine Ansicht wie Fig. 1 auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines fahrerlosen Transportfahrzeugs;
- Fig. 3
- eine schematische Darstellung eines Rades.
[0022] Ein erfindungsgemäßes fahrerloses Transportfahrzeug 10 weist wenigstens drei Räder
auf, die als Einzelräder ausgebildet sind. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1
sind es vier Einzelräder 12,14, 16, 18. Wenigstens zwei der Räder 12, 14, 16, 18,
nämlich die Räder 12 und 14, sind einzelnen gelenkt und weisen jeweils eine Lenkvorrichtung
auf. Die Lenkvorrichtung umfasst einen nicht dargestellten Stellmotor zur Einstellung
eines Lenkwinkels α, β um eine Längsachse 21 (Fig. 3). Wenigstens ein Teil der Räder,
in diesem Ausführungsbeispiel sind es alle Räder 12 bis 18, ist durch mehrere Einzelantriebe
20, 22, 24, 26 angetrieben, so dass die Drehgeschwindigkeiten der angetriebenen Räder
gesteuert sind. Weiter umfasst das Fahrzeug 10 eine Lenkwinkel-Erfassungsvorrichtung
28 zur Erfassung der Lenkwinkel α, β, γ, δ der gelenkten Räder 12, 14, 16, 18. Dazu
weist die Lenkwinkel-Erfassungsvorrichtung 28 an jedem gelenkten Rad erste Encoder
30 (Fig. 3) auf. Die erfassten Lenkwinkel α, β, γ, δ werden in Form von entsprechenden
Lenkwinkelsignalen an eine Auswerteeinheit 32 gegeben. Die Auswerteeinheit 32 weist
eine Plausibilisierungseinheit 34 auf, die eine Plausibilisierung der Lenkwinkelsignale
durchführt und bei erfolgloser Plausibilisierung ein Sicherheitssignal an einem Ausgang
36 ausgibt. Der Ausgang 36 ist mit einer Sicherheitseinrichtung 38 verbunden, die
die gesamte Sicherheit des Transportfahrzeugs 10 sicherstellt und hier nicht weiter
beschrieben und erläutert werden soll. Die Sicherheitseinrichtung 38 kann beispielsweise
einen Nothalt des Transportfahrzeugs 10 bewirken.
[0023] Nach der Erfindung wird die Fehlersicherheit der Erfassung von Bewegung und Bewegungsrichtung
des Transportfahrzeugs 10 durch geschickte Plausibilisierung von Parametern der Einzelräder
12, 14, 16, 18 zueinander geschaffen, wobei die Parameter einfach und ohne großen
Aufwand nicht-fehlersicher erfasst werden. Hierzu wird unterstellt, dass in fehlerfreien
Betrieb die Räder 12, 14, 16, 18 so gesteuert werden, dass es kein bzw. kaum Abrieb
der Räder gibt. Damit ergibt sich eine Gesetzmäßigkeit der Räder zueinander, welche
genutzt werden kann, um die erfasste Bewegung der Einzelräder zu plausibilisieren
und sich somit eine sichere Bewegung des Fahrzeuges bestimmen lässt.
[0024] In einer ersten Ausführungsform (Fig. 1) erfolgt die Plausibilisierung derart, dass
geprüft wird, ob bei Kurvenfahrt, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, die Räder 12,
14, 16, 18 sich um den gleichen Momentanpol 40 bewegen. Dieser Momentanpol 40 ist
gemeinsamer Rotationspunkt bezüglich der Kurvenfahrt des Fahrzeugs mit seinen vier
Rädern. Gibt es einen solchen Momentanpol nicht, dann muss ein Fehler vorliegen, so
dass ein Sicherheitssignal ausgegeben wird. Diese Sicherheitssignal kann den Fehler
anzeigen oder im Notfall auch einen Nothalt auslösen. Bei gerader Fahrt, also ohne
Kurven, die bezüglich dieser Plausibilitätsbetrachtung einen Sonderfall darstellt,
müssen alle Räder 12, 14, 16, 18 parallel ausgerichtet sein.
[0025] In einer zweiten Ausführungsform (Fig. 2) erfolgt die Plausibilisierung zwar prinzipiell
ähnlich, ist aber möglicherweise einfacher auszuwerten. In dieser Ausführungsform
weist das Transportfahrzeug 100 zwei Antriebsräder 112 und 114 auf, die beide gelenkt
werden. Die beiden Antriebsräder 112 und 114 liegen bevorzugt symmetrisch mit gleichem
Abstand zu einer Symmetrielinie 142. Die weiteren Räder 116 sind antriebslos und frei
beweglich und dienen lediglich als Stützräder und können somit jeder Bewegung des
Fahrzeugs 100 folgen. Antrieb und Lenkung des Fahrzeugs 100 erfolgt ausschließlich
über die beiden Antriebsräder 112 und 114.
[0026] In diesem Fall muss lediglich sichergestellt werden, dass die beiden Antriebsräder
112 und 114 spiegelsymmetrisch liegen, also betragsmäßig den gleichen Lenkeinschlag
aufweisen, also |α| = |β|. Der Schnittpunkt 140 der Drehachsen dieser beiden Räder
112 und 114 muss somit bei einer Kurvenfahrt auf der Symmetrielinie 142 liegen. Bei
gerader Fahrt liegt der Schnittpunkt 140 wiederum im Unendlichen, was bedeutet, dass
die Räder 112 und 114 parallel ausgerichtet sein müssen.
[0027] Zusätzlich zu diesen Plausibilitätsbetrachtungen bezüglich der Lenkwinkel α, β, γ,
δ kann eine weitere Plausibilitätsbetrachtung bezüglich der Fahrstrecken der Räder
erfolgen, was die Sicherheit weiter erhöht. Dabei erfasst eine Fahrstrecken-Erfassungsvorrichtung
50 die Fahrstrecken der Räder. Die jeweiligen Fahrstrecken der Räder sind abhängig
von der Fahrzeugbewegung und die Fahrstrecken zweier Räder stehen in einem bestimmten
Verhältnis zueinander. So ist bei gerader Fahrt die Fahrstrecke für alle Räder gleich.
Bei einer Kurvenfahrt legen die kurveninnenliegenden Räder einen kürzeren Weg zurück
als die kurvenaußenliegenden. Das Verhältnis ist abhängig vom Kurvenradius und der
Geometrie des Fahrzeugs. In der Plausibilitätsbetrachtung werden diese Verhältnisse
geprüft, ob sie im richtigen Bereich liegen. Eine solche Plausibilitätsbetrachtung
kann für alle Räder untereinander erfolgen.
[0028] Die Fahrstrecken-Erfassungsvorrichtung 50 kann an Achsen 42 der Räder angeordnete
Encoder 44 umfassen (Fig. 3). Mit einem solchen Encoder 44 kann die Drehbewegung eines
Rades erfasst werden und daraus die Fahrstrecke (über den Radius des jeweiligen Rades)
ermittelt werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass kein Schlupf auftritt.
[0029] In der Realität treten immer wieder geringfügige Abweichungen von gemessenen Lenkwinkelwerten
oder Drehgeschwindigkeiten auf, so dass in der Plausibilisierungseinheit 34 diese
Abweichungen über geeignete Toleranzwerte bezüglich der Lenkwinkel α, β, γ, δ und
gegebenenfalls Toleranzwerte bezüglich der Fahrstrecken abgefangen werden.
[0030] Die beschriebenen Komponenten des Transportfahrzeugs 10, nämlich
- Lenkwinkel-Erfassungsvorrichtung 28,
- Fahrstrecken-Erfassungsvorrichtung 50,
- Auswerteeinheit 32,
- Plausibilisierungseinheit 34
stellen eine Vorrichtung zur sicheren Erkennung einer Fahrzeugbewegung, die Teil des
Fahrzeuges 10 bzw. 100 ist, dar.
1. Vorrichtung zur sicheren Erkennung einer Fahrzeugbewegung
- mit einer Lenkwinkel-Erfassungsvorrichtung (28) zur Erfassung der Lenkwinkel von
wenigstens zwei Rädern (12, 14) eines Fahrzeugs (10), die als Einzelräder mit jeweils
separater Lenkvorrichtung ausgebildet sind und über eine Lenkwinkelsteuerung gelenkt
werden
- und die Lenkwinkel-Erfassungsvorrichtung (28) zur Ausgabe von entsprechenden Lenkwinkelsignalen
ausgebildet ist,
- mit einer Auswerteeinheit (32), der die Lenkwinkelsignale zugeführt sind,
- und die Auswerteeinheit (32) eine Plausibilisierungseinheit (34) aufweist, die eine
Plausibilisierung der Lenkwinkelsignale der wenigstens zwei gelenkten Räder (12, 14)
zueinander durchführt,
- und bei erfolgloser Plausibilisierung ein Sicherheitssignal ausgibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plausibilisierung derart erfolgt, dass geprüft wird, ob alle Räder sich um den
gleichen Momentanpol bewegen und bei gerader Fahrt alle Räder den gleichen Lenkeinschlag
(Lenkwinkel) haben.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plausibilisierung derart erfolgt, dass der Schnittpunkt der Drehachsen der beiden
gelenkten Räder bei einer Kurvenfahrt auf einer Symmetrielinie liegen, die zwischen
den beiden Rädern verläuft.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fahrstrecken-Erfassungsvorrichtung vorgesehen ist, die ausgebildet ist, zurückgelegte
Fahrstrecken von jeweiligen Rädern zu erfassen und die Plausibilisierungseinheit eine
Plausibilisierung der zurückgelegten Fahrstrecken der verschiedenen Räder durchführt.
5. Fahrerloses Transportfahrzeug
- mit wenigstens drei Rädern, die als Einzelräder (12, 14, 16, 18) ausgebildet sind
und wenigstens zwei der Räder (12, 14) einzelnen über eine Lenkwinkelsteuerung gelenkt
sind und jeweils eine Lenkvorrichtung aufweisen,
- und wenigstens ein Teil der Räder (16, 18) angetrieben ist, so dass deren Drehgeschwindigkeiten
von einer Antriebsteuerung gesteuert sind,
- mit einer Vorrichtung zur sicheren Erkennung einer Fehrzeugbewegung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche.
6. Fahrerloses Transportfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Plausibilisierungseinheit ausgebildet ist, für die Plausibilisierungsprüfung
Toleranzwerte bezüglich der Lenkwinkel und gegebenenfalls Toleranzwerte bezüglich
der zurückgelegten Fahrstrecken zu berücksichtigen.
7. Fahrerloses Transportfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkwinkel-Erfassungsvorrichtung einen Winkelgeber umfasst zur Erfassung der
Lenkwinkel und/oder dass die Lenkwinkel-Erfassungsvorrichtung die Lenkwinkel von einer
Lenkwinkelsteuerung erhält.
8. Fahrerloses Transportfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrstrecken-Erfassungsvorrichtung die von einem Rad zurückgelegte Fahrstrecke
über Encoder bestimmt und/oder im Falle eines angetriebene Rades von einer Antriebssteuerung
erhält.
9. Verfahren zur sicheren Erkennung einer Fahrzeugbewegung eines fahrerlosen Transportfahrzeugs
nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten:
- Erfassen von Lenkwinkeln von wenigstens zwei gelenkten Rädern (12, 14) mit einer
Lenkwinkel-Erfassungsvorrichtung (28),
- Ausgeben von Lenkwinkelsignalen, die den Lenkwinkeln entsprechen,
- Auswerten der Lenkwinkelsignale in einer Auswerteeinheit (32),
- Plausibilisieren der Lenkwinkelsignale in einer Plausibilisierungseinheit (34),
- und bei erfolgloser Plausibilisierung Ausgeben eines Sicherheitssignals an einem
Ausgang (36).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Plausibilisieren derart erfolgt, dass geprüft wird, ob bei Kurvenfahrt die Räder
sich um den gleichen Momentanpol bewegen und bei gerader Fahrt alle Räder den gleichen
Lenkeinschlag (Lenkwinkel) haben.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Plausibilisierungseinheit geprüft wird, ob bei Kurvenfahrt zurückgelegte Fahrstrecken
der Einzelräder entweder in dem Verhältnis des erwarteten Radius bezogen auf den anhand
der Lenkwinkel ermittelten Momentanpol sind oder ob bei gerader Fahrt alle Einzelräder
den gleichen zurückgelegten Fahrweg haben.