ToF-System für die Lager- und Intralogistik

Automatische Palettenerkennung

Das Pallet Detection System von IFM arbeitet mit Time of Flight (ToF) und hat das Ziel, die Produktivität bei Logistikprozessen zu erhöhen und die Effektivität von fahrerlosen Transportsystemen zu verbessern.

Mit dem PDS-System ausgerüstete autonome Stapler fahren bis auf eine Entfernung zwischen 1 und 2m an die zu greifende Palette heran, bevor eine ToF-Kamera eine 3D-Aufnahme der Palette erstellt. (Bild: IFM Electronic GmbH)

Gabelstapler und Hubwagen zählen in der Intralogistik zum Alltag beim Be- und Entladen von LKWs mit Paletten. Auch die Anpassung von Lagern sowie viele Ein- und Auslagerprozesse sind ohne diese Kraftprotze kaum vorstellbar. „In der Regel werden derartige Fahrzeuge noch manuell bedient“, weiß Sebastian Vögele aus dem Customer-Solutions-Team von IFM. „Mit einem System zur automatisierten Palettenerkennung auf Basis unserer ToF-Kameras wollen wir solche Abläufe wirtschaftlicher gestalten, die Fehlerrate im Vergleich zum manuellen Betrieb reduzieren und die Overall Equipment Effectiveness von Unternehmen verbessern.“ Einige FTS sind bereits mit Systemen ausgestattet, die eine Erkennung der Taschen erlauben sollen, in die die Gabeln der Transportfahrzeuge positioniert werden müssen. Meist sind in diesen Fällen Laserlinien im Einsatz, die jedoch relativ viel Zeit zur sicheren Positionserkennung benötigen. Entwickler von IFM Robotics haben sich diese Aufgabenstellung daher genauer angesehen und auf Basis der hauseigenen ToF-Kameras ein vollwertiges System kreiert, das herkömmlichen Ansätzen überlegen ist. Der Name des Systems lautet Pallet Detection System (PDS).

Auswertezeiten unter 1s

Grundlage des PDS-Systems sind die ToF-Kameras der O3D-Serie. So ist es möglich, die Entfernungen jedes einzelnen Objektpunktes zum Sensor zu messen und auf diese Weise 3D-Aufnahmen von Objekten zu machen. Diese Eigenschaft nutzten die Entwickler für ihr Palettenerkennungssystem: Sie installierten eine ToF-Kamera leicht oberhalb und zwischen den Gabeln eines autonomen Staplers, der im Betrieb bis auf eine Entfernung zwischen 1 und 2m an die nächste zu greifende Palette heranfährt. Mit dem Triggern nimmt die ToF-Kamera eine komplette 3D-Punktewolke der Palette auf, die im Anschluss über den PDS-Algorithmus gefiltert wird, um verrauschte oder unnötige Pixel zu eliminieren. Als Ergebnis gibt das PDS-System die Degrees-of-Freedom-Pose der Palette aus, mit der die genauen Palettenkoordinaten in X-, Y- und Z-Richtung sowie eventuelle Verdrehungen um die Vertikalachse oder horizontale Verkippungen angezeigt werden. Diese Daten kommuniziert das PDS drahtgebunden über eine Ethernet-Schnittstelle oder CAN an das Steuerungssystem des Fahrzeugs, das dann die korrekte Aufnahme der Last sicherstellt. Im Detail werden dazu auch die X-, Y- und Z-Positionen der beiden Taschen berechnet, um die korrekte Aufnahme der Palette durch das Transportsystem sicherzustellen. „Diese Daten werden mit einem Confidence-Faktor ausgegeben, der die Abweichung zu einer idealen Palette darstellt“, erläutert Vögele. „Der Anwender kann damit Grenzwerte für die sichere Identifikation festlegen und so in Abhängigkeit von seinen individuellen Anforderungen bestimmen, unter welchen Bedingungen er ein manuelles Eingreifen wünscht.“ Mit üblichen Auswertezeiten unter 1s ist das PDS-System erheblich schneller als vergleichbare Systeme und erfüllt die üblichen Anforderungen von Lagerprozessen in den meisten Einsatzfeldern. Trivial ist diese Aufgabenstellung allerdings nicht: In Lagern kommt es häufig zu schwer vorhersehbaren Situationen, z.B. aufgrund von Paletten, die schon lange im Einsatz sind und deshalb nicht mehr zu 100 Prozent dem geometrischen Idealzustand entsprechen, oder durch eingelagerte Ware, die leicht verschoben oder verdreht an ihrem Standort steht. Auch Folien, mit denen Paletten und die darauf gelagerten Güter zum Schutz oft eingewickelt sind, können sich lösen und dadurch die Erkennung der korrekten Position erschweren. Ausgelegt ist PDS derzeit für die Anwendung bei Paletten mit zwei Taschen, die in der Industrie weit verbreitet sind.

Erfolgreich im Einsatz

Als Zielkunden für PDS nennt Vögele die Hersteller von FTS die das System in ihre Fahrzeugen integrieren sollen: „Unsere Kompetenz umfasst sowohl die Hardware in Form der ToF-Kameras als auch den Software-Part, mit dem die Auswertung der gemessenen Ergebnisse erfolgt. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass das PDS-System sehr gut im Erkennen von Paletten und bei der Berechnung von deren exakter Position ist. Wir übernehmen jedoch nicht die Integration der Systeme in die Fahrzeuge, dieser Teil liegt in der Verantwortung des FTS-Herstellers oder eines Systemintegrators.“ Das System hat seine Tauglichkeit im praktischen Einsatz bereits mehrfach unter Beweis gestellt, berichtet Vögele: „PDS arbeitet bei zahlreichen Kunden weltweit sehr zuverlässig. Bei einem großen Kunden in den USA sind z.B. bereits über 300 selbstfahrende Roboter in Betrieb, die das IFM-System verwenden. Das System übernimmt dort auch die Prüfung von geplanten Ablagepositionen für Paletten und sorgt mit seiner hohen Wiederholgenauigkeit und einer niedrigen Downtime dafür, dass die gesetzten Ziele erreicht wurden: Die Gesamtwirtschaftlichkeit des Unternehmens ist gestiegen, und zudem konnte die Anzahl der Fehler im Vergleich zum manuellen Betrieb stark gesenkt werden.“ n