Automatische Kalibrierung der koppelnden Ortung mobiler Plattformen

117 Pages·1996·3.967 MB·German

by  Dr.-Ing. Achim Merklinger (auth.)

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Forschung und Praxis
Band 236
Berichte aus dem
Fraunhofer-Institut fUr Produktionstechnik
und Automatisierung (IPA), Stuttgart,
Fraunhofer-Institut fUr Arbeitswirtschaft
und Organisation (lAO), Stuttgart,
Institut fUr Industrielle Fertigung und
Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart und
Institut fUr Arbeitswissenschaft und
Technologiemanagement, Universitat Stuttgart
Herausgeber: H. J. Warnecke und H.-J. Bullingl
Springer
Berlin
Heidelberg
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Mailand
Paris
Santa Clara
Singapllr
Tokio
Achim Merklinger
Automatische Kalibrierung
der koppelnden Ortung
mobiler Plattformen
Mit 36 Abbildungen und 25 Tabellen
Springer
Dr.-Ing. Achim Merklinger
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA). Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. h. H. J. Warnecke
o. Professor an der Universitat Stuttgart
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPAl. Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. H.-J. Bullinger
o. Professor an der Universitat Stuttgart
Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO). Stuttgart
093
ISBN-13: 978-3-540-61632-0 e-ISBN-13: 978-3-642-47893-2
001: 10.10071 978-3-642-47893-2
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© Springer-Verlag. Berlin. Heidelberg 1996.
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1996
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Gesamtherstellung: Copydruck GmbH. Heimsheim
SPIN 10547761 62/3020-543210
Geleitwort der Herausgeber
Ober den Erfolg und das Bestehen von Unternehmen in einer markt
wirtschaftlichen Ordnung entscheidet letztendlich der Absatzmarkt
Das bedeutet, moglichst fruhzeitig absatzmarktorientierte Anforde
rung en sowie deren Veranderungen zu erkennen und darauf zu reagie
reno
Neue Technologien und Werkstoffe ermoglichen neue Produkte und er
offnen neue Markte. Die neuen Produktions- und Informationstechno
logien verwandeln signifikant und nachhaltig unsere industrielle
Arbeitswelt. Politische und gesellschaftliche Veranderungen signa
lisieren und begleiten dabei einen wertewandel, der auch in unse
ren Industriebetrieben deutlichen Niederschlag findet.
Die Aufgaben des Produktionsmanagements sind vielfaltiger und an
spruchsvoller geworden. Die Integration des europaischen Marktes,
die Globalisierung vieler Industrien, die zunehmende Innovations
geschwindigkeit, die Entwicklung zur Freizeitgesellschaft und die
ubergreifenden okologischen und sozialen Probleme, zu deren Losun
die Wirtschaft ihren Beitrag leisten muB, erfordern von den Flih
rungskraften erweiterte Perspektiven und Antworten, die uber den
Fokus traditionellen Produktionsmanagements deutlich hinausgehen.
Neue Formen der Arbeitsorganisation im indirekten und direkten
Bereich sind heute schon feste Bestandteile innovativer Unterneh
men. Die Entkopplung der Arbeitszeit von der Betriebszeit, inte
grierte Planungsansatze sowie der Aufbau dezentraler Strukturen
sind nur einige der Konzepte, die die aktuellen Entwicklungsrich
tungen kennzeichnen. Erfreulich ist der Trend, irnrner mehr den Men
schen in den Mittelpunkt der Arbeitsgestaltung zu stellen - die
traditionell eher technokratisch akzentuierten Ansatze weichen ei
ner starkeren Human- und Organisationsorientierung. Qualifizie
rungsprograrnrne, Training und andere Formen der Mitarbeiterent
wicklung gewinnen als Differenzierungsmerkmal und als Zukunftsin
vestition in Human Recources an strategischer Bedeutung.
Von wissenschaftlicher Seite muB dieses Bemuhen durch die Ent
wicklung von Methoden und Vorgehensweisen zur systematischen
Analyse und Verbesserung des Systems Produktionsbetrieb ein
schlieBlich der erforderlichen Dienstleistungsfunktionen unter
stutzt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert, in enger Zusam'
menarbeit mit anderen Disziplinen, z.B. der Informatik, der Wirt
schaftswissenschaften und der Arbeitswissenschaft, Losungen zu er'
arbeiten, die den veranderten Randbedingungen Rechnung tragen.
Die von den Herausgebern geleiteten Institute, das
- Institut fur Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der
Universitat Stuttgart (IFF),
- Institut fur Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (IAT)
- Fraunhofer-Institut fur Produktionstechnik und Automatisierung
(IPA) ,
- Fraunhofer-Institut fur Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO)
arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an
den oben aufgezeigten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der
Labors und die Qualifikation der Mitarbeiter haben bereits in der
Vergangenheit zu Forschungsergebnissen geflihrt, die fur die Praxi:
von groBem Wert waren. Zur Umsetzung gewonnener Erkenntnisse wird
die Schriftenreihe "IPA-IAO - Forschung und Praxis" herausgegeben
Der vorliegende Band setzt diese Reihe fort. Eine Ubersicht uber
bisher erschienene Titel wird am SchluB dieses Buches gegeben.
Dem Verfasser sei fur die geleistete Arbeit gedankt, dem Springer'
Verlag fur die Aufnahme dieser Schriftenreihe in seine Angebots
palette und der Druckerei fur saubere und zugige Ausfuhrung. Moge
das Buch von der Fachwelt gut aufgenommen werden.
H.J. Warnecke H.-J. Bullinger
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaft
licher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut fUr Produktionstechnik und Automati
sierung (IPA), Stuttgart.
Ich danke Herrn Prof. Dr.h.c.mult. Dr.-Ing. H.-J. Warnecke fUr die wohlwollende
UnterstOtzung und F6rderung, die die DurchfUhrung meiner Arbeit erm6glichte.
Herrn Prof. Dr.h.c. Dr.-Ing. G. Pritschow danke ich fUr die Obernahme des
Koreferats und fUr die wertvollen Hinweise, die sich aus der Durchsicht und der
Diskussion des Manuskripts ergaben.
Von den Kollegen des Instituts, die mich bei der DurchfUhrung der Arbeit durch
vielfaltige Anregungen und konstruktive Kritik unterstOtzt haben, m6chte ich vor
allem Herrn Prof. Dr.-Ing. R.-D. Schraft, Herrn Dr.-Ing. M. Schweizer, Herrn
Dr.-Ing. J. MOllerschCin, Herrn Dipl.-Inform. J. Luz, Herrn Dipl.-Ing. C. Schaeffer.
und Herrn Dr.-Ing. A. Langen erwahnen.
An der technischen Umsetzung und an der erfolgreichen DurchfUhrung der
Versuche haben insbesondere Herr W. Esslinger, Herr A. Nayebkashi und Herr
R. Knoll wesentlichen Anteil. FOr die Bearbeitung des Manuskripts gilt mein be
sonderer Dank Frau L. Schuhmacher und Frau E. Sommer.
Herzlich bedanke ich mich auch bei meiner Freundin Nadja Germann, die
durch ihre Motivation den Arbeitsfortschritl beschleunigt und durch ihre Anre
gungen zur Verstandlichkeit der Arbeit wesentlich beigetragen hat.
Ich widme diese Arbeit meinen Eltern, die mir durch ihre tiefe Verbundenheit
und selbstlose F6rderung das Erreichen dieses liels erst erm6glicht haben.
Stuttgart, im Juni 1996 Achim Merklinger
Inhaltsverzeichnis Seite
o Abkurzungen und Formelzeichen ........................................... 12
1 Einleitung .•......•.....................•.............................................•.... 15
1.1 Problemstellung ......................................................................................... 16
1.2 Zielsetzung ................................................................................................ 16
1.3 Vorgehensweise ........................................................................................ 17
2 Ausgangssituation ................................................................... 18
2.1 Definitionen ............................................................................................... 18
2.2 Stand der Technik ..................................................................................... 22
2.2.1 Industrielle Anwendungen ................................................................... 22
2.2.2 Serviceanwendungen ......................................................................... 23
2.2.3 Forschungs-und Entwicklungsarbeiten .............................................. 24
2.2.4 Koppelnde Ortung ............................................................................... 24
2.2.4.1 Sensoren fOr die Ermittlung von Bewegungsgro!1en .................... 25
2.2.4.2 Fahrwerke .................................................................................... 25
2.2.5 Vermessungssysteme fOr mobile Plattformen ..................................... 27
3 Analyse koppelnder Verfahren und Ableitung der
Anforderungen an ein System zur automatischen
Kalibrierung der Ortungseinheit ............................................. 30
3.1 Funktionale Analyse der Ortung ................................................................ 30
3.1.1 Analyse der Einflu!1faktoren auf koppelnde Ortungssysteme ............. 32
3.1.2 Wirkungskette ..................................................................................... 35
3.2 Voruntersuchungen zur Relevanz der primaren Einflu!1faktoren ............... 36
3.2.1 Aussagen in der Literatur. .... ; .............................................................. 37
3.2.2 Gro!1enabschatzung primarer Einflu!1faktoren .................................... 37
3.2.3 Auswirkungen auf die Ortungsgenauigkeit ......................................... 39
3.2.4 Relevanz primarer Einflu!1faktoren ..................................................... 40
3.3 Analyse der Verfahren zur Kalibrierung koppelnder Ortungseinheiten ...... 41
3.4 Foigerungen aus den Analyseergebnissen ............................................... 42
-10-
3.5 Anforderungen an ein System zur automatischen Kalibrierung der
koppelnden Ortungseinheit mobiler Plattformen ........................................ 42
3.5.1 Festlegung der Teilfunktionen ............................................................. 42
3.5.2 Anforderungen an das Gesamtsystem ............................................... 43
3.5.3 Anforderungen an das Vermessungssystem ...................................... 44
3.5.4 Anforderungen an die Modellbildung .................................................. 45
3.5.5 Anforderungen an Bahnvergleich und Parameterbestimmung ........... 46
4 Konzeption von Teilsystemen ................................................ 47
4.1 Konzeption des Vermessungssystems ...................................................... 47
4.1.1 Sensorauswahl ................................................................................... 49
4.1.2 Synchronisation .................................................................................. 51
4.1.3 Mer:l.datenerfassung ............................................................................ 52
4.2 Konzeption der Modellbildung ................................................................... 54
4.3 Bahnvergleich und Parameterbestimmung ............................................... 56
5 Entwicklung des Verfahrens ................................................... 58
5.1 Entwicklung des Vermessungssystems .................................................... 58
5.1.1 Vermessung der Plattform .................................................................. 59
5.1.1.1 Seillangenbestimmung ................................................................. 60
5.1.1.2 Genauigkeit des Vermessungssystems ....................................... 60
5.1.1.2.1 Massentragheit des Mer:l.seils ................................................. 61
5.1.1.2.2 Schwingungen des Mer:l.seils .................................................. 61
5.1.1.2.3 Ungleichformigkeit der Seiltrommel ........................................ 62
5.1.1.2.4 Abweichungen des Mer:l.seils yom Hookeschen Verhalten ..... 62
5.1.1.2.5 Nichtlinearitaten der Auswerteelektronik ................................. 63
5.1.1.2.5 Vermessungsgeometrie .......................................................... 63
5.1.2 Aufspannen der Vermessungskoordinaten ......................................... 66
5.1.3 Vorgabe des zu vermessenden Plattformpunktes .............................. 67
5.1.4 Vorgabe der Benutzerkoordinaten ...................................................... 67
5.2 Modellbildung ............................................................................................ 69
5.2.1 Schlupfmodellierung ........................................................................ 69
-11-
5.2.2 Modellierung des Schraglaufwinkels ............................................... 73
5.3 Parameterbestimmung .............................................................................. 74
5.3.1 Kinetische GrOBen der Plattform ......................................................... 74
5.3.2 Bahnvergleich ..................................................................................... 75
5.3.3 Bestimmung der Schlupfmodellparameter .......................................... 76
6 Realisierung und Versuchsdurchfiihrung .............................. 78
6.1 Aufbau des Vermessungssystems ............................................................ 78
6.1.1 Hardware ............................................................................................ 78
6.1.2 Oberpriifung der Genauigkeit des Mef1systems .................................. 80
6.1.3 Software .............................................................................................. 81
6.2 Die Plattform .............................................................................................. 83
6.2.1 Einsatz ................................................................................................ 83
6.2.2 Aufbau ................................................................................................ 83
6.2.3 Anbau der Mef1ausriistung ................................................................. 84
6.3 Versuchsdurchfiihrung .............................................................................. 84
6.3.1 Versuchsergebnisse ........................................................................... 85
6.3.2 Foigerungen aus den Versuchen ........................................................ 92
7 Zusammenfassung und Ausblick ........................................... 94
8 Literaturverzeichnis ................................................................. 97