Best Practice

ITAMoRo 5G

01.05.2022-30.04.2024

Projekttitel:
Infrastruktur, Technologie und Applikationen für die situationsbezogene autonome mobile
Robotik mittels 5G

Fördergeber:
Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen des Landes Nordrhein-Westfalen

Konsortialführer:
INperfektion GmbH

Projektkonsortium:
Fraunhofer IPT; siticom GmbH; VCK Logistics SCS; Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement I

Projektbeschreibung:
Als nationaler und internationaler Umschlagsplatz des Güterverkehrs hält das Land Nordrhein- Westfalen 25% aller Logistikzentren deutschlandweit, welche von größeren nationalen und internationalen Unternehmen wie Schenker Deutschland AG, Kühne + Nagel AG, Amazon, Zalando, Esprit etc. betrieben werden. Innovationen in diesem Segment wirken sich auch auf Industriezweige wie die Fertigung und Montage aus, in denen intralogistische Prozesse eine wichtige Rolle spielen („Logistikkonzept NRW, 2021; „Zahlen, Daten, Fakten zur Logistik”, 2021; „Logistik in NRW”, 2021).

Entlang der Wertschöpfungskette bilden Lagerhaltung, Materialfluss und Warentransport als wesentliche Bestandteile der Intralogistik notwendige Zwischenschritte, sind jedoch nicht am eigentlichen Wertschöpfungsprozess aktiv involviert. Intralogistische Prozesse unterliegen einer hohen Dynamik und zeitlichen Änderungen hinsichtlich Materialflüssen, Akteurbewegungen und bautechnischen Änderungen der Halle, beinhalten aber zugleich ein hohes Maß an repetitiven Tätigkeiten (insbes. Transport). Diese werden heutzutage hauptsächlich von Logistikmitarbeitern durchgeführt, wodurch diese Personalmittel folglich an nicht-wertschöpfungsbringende Tätigkeiten gebunden sind. Fahrerlose Transportsysteme (AGV, engl. „Automated Guided Vehicle“) übernehmen diese Tätigkeiten zunehmend, sind aber auf vordefinierte Wege angewiesen und sind Aufgrund der Prozessdynamik ungeeignet. Autonome mobile Roboter (AMR) als Weiterentwicklung können autonom frei navigieren und reaktiv der Umgebungssituation entsprechend die Pfadplanung anpassen. Der Einsatz solcher AMRs birgt jedoch verschiedene Herausforderungen, welche in diesem Verbundprojekt untersucht werden.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Infrastructure, Technology and Applications for Situation-Aware Autonomous Mobile Robotics powered by 5G“, wird die Nutzung von 5G im Bereich Logistik und mobile Robotik erforscht. Dank 5G bieten sich hier neue Möglichkeiten im Bereich Positionierung, Kommunikation, Sensor Fusion und Echtzeit Kartographie. Der Lösungsansatz strebt eine Unterteilung der Gesamtproblematik in den Ebenen Infrastruktur, Protokoll und Applikation an.

Infrastruktur Ebene: Diese Ebene bildet mit der Einführung eines 5G Open-RAN Netzwerks die Grundlage für die Aktivitäten des Projektes. Die Systemlösung beinhaltet neben der Installation von Fronthaul Hardware ebenso die Bereitstellung einer virtualisierten Systemlandschaft. Auf dieser Grundlage wird eine verteilte Edge-Cloud Infrastruktur genutzt, um Edge Micro Services für die applikationstechnische Nutzung bereitzustellen. Diese beinhalten u.a. einen Positionierungsservice zur groben Auflösung der AMR Positionen, einen Navigations- und SLAM Aggregationsservice, ein Service zur Verwaltung und Abwicklung von Echtzeit Kartendaten und ein Device Management Service zur AMR- Infrastrukturkommunikation.

Applikationsebene: Auf Applikationsebene werden zwei Unterbereiche betrachtet. Zum einen, wird der AMR auf Basis eines handelsüblichen AGV entwickelt, der mit Kommunikationsmodulen und Rechnerplattformen erweitert wird. Zusätzlich werden weitere alternative Sensortechnologien zur Erfassung der Umgebung integriert. Zum anderen wird eine Echtzeit Kartographie, Sensor Fusion und Objekterkennung entwickelt. Die Onboard-Sensorik sendet Punktwolken zur Edge-Cloud, wo sie zu Kartendaten verarbeitet werden. Informationen aus dem Positionierungsservice und der Onboard-Sensorik werden wiederrum verwendet, um eine robuste Navigation und Bahnplanung des AMR zu realisieren. Weiterhin wird durch integrierte Kameramodule eine Detektion von Objekten (insbesondere Personal und Fahrzeuge) vorgenommen, um sicherheitsrelevante Informationen an den Navigationsservice zu übergeben.

Protokollebene: Das Ziel der Protokollebene ist eine standardisierte, systemagnostische Kommunikation zwischen Akteuren der vorliegenden Systemlandschaft (AMR und Infrastrukturkomponenten). Die Umsetzung ist unterteilt in zwei Bereiche. Der erste bildet die Nutzung einer protokolltechnischen Abwicklung. OPC UA z.B. eignet sich hierbei als plattformunabhängiges, service-orientiertes Protokoll zum Datenaustausch; der Einsatz anderer Protokolle je nach Hardware ist dabei ebenso zu prüfen. Der zweite Bereich bildet das Device Management und zusammen mit dem Asset Communication Service die Selbstbeschreibung von AMR und Infrastrukturkomponenten. Das Device Management realisiert das Onboarding (Integration in Kommunikationsinfrastruktur) und die Enumeration von AMR bzw. Infrastrukturkomponenten. Der Asset Communication Service realisiert das Finden von und die Kommunikation zwischen Komponenten. Die Selbstbeschreibung von Komponenten führt generische Typbeschreibungen ein und entkoppelt herstellerabhängige Softwarebausteine von standardisierten Kommunikationsbausteinen