Sicheres autonomes Flugrobotersystem für den Einsatz im Produktions- und Logistikumfeld

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Diss. Reihe Maschinenbau, Band 428

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2023-07-26
Issue Year
2023
Authors
Lieret, Markus
Editor
Franke, Jörg
Hanenkamp, Nico
Hausotte, Tino
Merklein, Marion
Müller, Sebastian
Schmidt, Michael
Wartzack, Sandro
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-96147-669-5
Abstract

Unmanned aerial vehicles offer a high application potential for the automated execution of inventory, inspection and surveying processes and can make transport processes more flexible. Therefore, the overall research topic of this dissertation thesis is the investigation of an autonomous aerial robot system (AFRS) for use in production and logistics environments. For this purpose, an overall system architecture for an AFRS is presented, which meets the requirements arising from the industrial application field and provides the system components, capabilities and interfaces necessary for the realization of fully automated flight operations. In addition, methods for precise, task-adapted localization of autonomous flying robots (AFR) are researched and redundancy requirements are taken into account. The second research topic is the development of a suitable airspace management and route planning system. Taking into account the three-dimensional workspace and the prevailing space conditions, the aim is to determine optimal flight paths for the AFR under specified conditions while reliably excluding collisions during error-free flight. The third part of the research involves the end-to-end consideration of redundancy and safety requirements and the research and implementation of a comprehensive safety architecture for the use of AFR. The focus is on developing a method for predicting, detecting, and masking system failures. Furthermore, a method is presented to detect persons in the AFR environment during flight and to adapt the flight behavior of the AFR in an appropriate way. Concluding, a productive AFRS is implemented and evaluated by means of comprehensive simulations as well as flight tests in the laboratory environment and under real application scenarios. The evaluation results validate the theoretical research content and demonstrate the performance of the researched AFRS.

Abstract

Unbemannte Luftfahrzeuge bieten ein hohes Einsatzpotential für die automatisierte Durchführung von Inventur-, Inspektions- und Vermessungsprozessen und können Transportprozesse flexibilisieren. Der übergeordnete Forschungsgegenstand dieser Dissertationsschrift ist daher die Erforschung eines autonomen Flugrobotersystems (AFRS) für den Einsatz im Produktions- und Logistikumfeld. Hierfür wird zunächst eine Gesamtsystemarchitektur für ein AFRS vorgestellt, welche den aus dem industriellen Anwendungsfeld entstehenden Anforderungen gerecht wird und die zur Realisierung eines vollautomatisierten Flugbetriebs notwendigen Systemkomponenten, Fähigkeiten und Schnittstellen bietet. Zusätzlich werden Methoden zur präzisen, aufgabenangepassten Lokalisierung der autonomen Flugroboter (AFR) erforscht und Redundanzanforderungen berücksichtigt. Den zweiten Forschungsgegenstand bildet die Entwicklung eines geeigneten Luftraummanagement- und Routenplanungssystems. Unter Berücksichtigung des dreidimensionalen Arbeitsraums und der vorherrschenden Platzverhältnisse sollen dabei unter vorgegebenen Bedingungen optimale Flugpfade für die AFR bestimmt und gleichzeitig Kollisionen während des fehlerfreien Flugs zuverlässig ausgeschlossen werden. Der dritte Teil der vorliegenden Arbeit umfasst die Erforschung und Umsetzung einer umfassenden Sicherheitsarchitektur für den Einsatz von AFR unter Berücksichtigung von Redundanz- und Sicherheitsanforderungen. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung einer Methode zur Prädiktion, Erkennung und Maskierung von Systemfehlern. Weiterhin wird eine Methode vorgestellt, die es ermöglicht, während des Flugs Personen im Umfeld der AFR zu erkennen und das Flugverhalten der AFR in geeigneter Weise anzupassen. Abschließend wird ein leistungsfähiges AFRS umgesetzt und dieses anhand von umfassenden Simulationen sowie von Flugversuchen im Laborumfeld und unter realen Anwendungsbedingungen evaluiert. Die Evaluationsergebnisse validieren die theoretischen Forschungsinhalte und demonstrieren die Leistungsfähigkeit des erforschten AFRS.

Series
FAU Studien aus dem Maschinenbau
Series Nr.
428
Citation
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-668-8
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