Drohnen : Fliegende Helfer in der Intralogistik

Nicht nur zur Auslieferung von medizinischen Produkten, Pizza oder Waren aus dem E-Commerce - auch im innerbetrieblichen Bereich werden Drohnen eingesetzt. Das Unternehmen doks. innovation realisiert mittels Drohnen die Inventur von Hochregallagern. Die Drohne kann knapp 30 Minuten in der Luft bleiben und erfasst das Umfeld mit Kamera und verschiedenen Sensoren. Die Erfassung der Waren im Hochregallager erfolgt mittels Barcodes. Die Navigation im Gebäude erfolgt durch die Orientierung an den verschiedenen Regalpositionen.

GPS-basierte Anwendungen sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Und das aus gutem Grund. Die Anwendungsmöglichkeiten bieten eine Vielzahl von Vorteilen. Wenn es jedoch in der Anwendung auf zentimetergenaues Arbeiten ankommt, stößt das System auch bei Verwendung einer modernen RTK-Funktion schnell an seine Grenzen. Das Gleiche gilt für den Indoor-Betrieb mit GPS. Hier spielen die unzureichende Genauigkeit und die Tatsache, dass GPS nicht in Innenräumen eingesetzt werden kann, eine entscheidende Rolle.

Wer eine präzise Positionierung im Innenbereich, zum Beispiel in einer Logistikhalle, realisieren will, muss sich also etwas Anderes einfallen lassen. Das hat doks. innovation getan: Das Inventurdrohnensystem inventAIRy XL sammelt automatisch Inventardaten im Palettenregallager und navigiert völlig unabhängig von der GPS-Verfügbarkeit, dem Vorhandensein lokaler Netzwerke oder anderen Eingriffen in die Lagerinfrastruktur.

Für den Outdoor-Einsatz vorgesehene Drohnenlösungen bieten oft die Möglichkeit, gewünschte Positionen zu markieren und über sogenannte Wegpunkte automatisch anfahren zu lassen. Für den Indoor-Einsatz von Drohnen, etwa zur Datenerfassung und Inspektion von Logistiklagern oder auch zum Transport von Kleingütern, ist die GPS-basierte Ortung jedoch wenig sinnvoll. Zum einen ist im Lagerbereich kein ausreichend starkes GPS-Signal verfügbar, so dass diese Navigationsmethode gar nicht erst eingesetzt werden kann. Zum anderen würde es der Navigation hier an Genauigkeit mangeln, was bei der hochkomplexen Automatisierung der Lagersteuerung von entscheidender Bedeutung ist.

Um diese Probleme zu lösen, wäre es möglich, ein Indoor-GPS-Netz im Lager einzurichten. Die Implementierung eines solchen Systems ist jedoch mit einer nicht zu vernachlässigenden Investition verbunden, die keinen direkten Mehrwert generiert und zudem dafür sorgt, dass die Komplexität innerhalb des Lagers zusätzlich erhöht wird. Darüber hinaus wäre in diesem Fall der Erfolg eines Drohneneinsatzes von der Verfügbarkeit eines solchen Indoor-GPS-Systems abhängig. Gibt es Störungen oder Ausfälle im GPS-Netz, können auch die Inventurdrohnen nicht zuverlässig arbeiten. Doch welche Alternativen gibt es, um den Einsatz von GPS zu umgehen?

Um das Problem der Positionsbestimmung mittels GPS zu umgehen, können sogenannte ArUco-Marker eingesetzt werden. Diese Referenzmarker, die optisch an QR-Codes erinnern, werden an bestimmten Positionen im Lager platziert. Sie werden dann von den Kameras erfasst, die in den Systemen integriert sind, die innerhalb des Lagers eingesetzt werden, wie zum Beispiel Drohnen. Da die Positionen der einzelnen Marker innerhalb des Lagers bekannt sind, kann das jeweilige System anhand der erkannten Marker seine eigene Position bestimmen. Dazu ermittelt eine Drohne, in welchem Abstand und in welcher Höhe sie sich in Relation zum erkannten Marker befindet und unter welchem Winkel dieser zu sehen ist. Aus der Kombination der eigenen relativen Position zum jeweiligen Marker und der Position des Markers im Lager kann sie ihre eigene Position relativ zum Lager bestimmen.

Eine Positionsbestimmung innerhalb eines geschlossenen Lagers ist also prinzipiell durch den Einsatz von ArUco-Markern möglich, bietet aber noch keine ausreichende Grundlage für eine vollständig autonome Navigation. Das System wäre nach wie vor auf ein externes Netzwerk angewiesen, das in diesem Fall nicht aus Satelliten oder GPS-Sendern besteht, sondern aus einer großen Anzahl von ArUco-Markern innerhalb des Lagers. In allen Lagerbereichen, in denen selbstnavigierende Systeme eingesetzt werden sollen, müssten die entsprechenden ArUco-Marker angebracht und erfasst werden. Ein Argument gegen den Einsatz solcher Systeme ist die erforderliche Anzahl solcher Marker: Bis zu 1.000 Marker sind für eine sichere Navigation in einem einzigen Lagergang notwendig.

Eine weitere Möglichkeit der Positionsbestimmung innerhalb des Lagers ist der Einsatz von so genannten Ultrabreitband-Lösungen, kurz UWB. Bei dieser Nahbereichsübertragungstechnik werden die zu lokalisierenden Anlagen mit Tags ausgestattet, die von Empfängermodulen im Lager geortet werden können. Diese Empfängermodule sind entweder fest im Lager installiert oder werden manuell bewegt. Die notwendigen UWB-Stationen können auch variabel installiert oder fest integriert sein, beispielsweise als Teil von Lichtbändern im Lager. Schon bei dieser kurzen Betrachtung wird deutlich, dass auch diese Lösung Änderungen innerhalb der Lagerinfrastruktur erfordert. Autonome Systeme wären für ihre Navigation wieder auf ein externes Netzwerk angewiesen. In diesem Zusammenhang ist auch zu erwähnen, dass die mit dieser Technik durchgeführten Positionsbestimmungen nur eine Genauigkeit von 10 - 30 cm haben. Für eine sichere und automatisierte Navigation im Lager, zum Beispiel mit Flugrobotern, ist der Einsatz von UWB daher keine zufriedenstellende Lösung.

Das Inventurdrohnensystem inventAIRy XL zeigt, dass eine Positionsbestimmung innerhalb des Lagers ohne externe Hilfsmittel oder Netzwerke wie ArUco-Marker oder Fake-GPS möglich ist. Das Zusammenspiel aus einer Luftdrohne, einem Bodenfahrzeug sowie intelligenter Software und präziser Sensorik umgeht die Schwachstellen und Risiken der bisher beschriebenen Methoden zur Positionsbestimmung. Der im Bodenfahrzeug integrierte Laserscanner erfasst während der Fahrt durch das Lager permanent die eigene Umgebung. Die so gewonnenen Daten werden dann mit einer im Vorfeld erstellten statischen Karte des Lagers verglichen. Anhand der Übereinstimmungen zwischen der vom System erfassten Umgebung und dieser Karte kann der Standort des Bodenfahrzeugs jederzeit präzise bestimmt werden. Da sich die Drohne während des Inventurvorgangs permanent über dem Bodenfahrzeug befindet, kann dieses jederzeit die Position bestimmen, in der sich die Drohne befindet. Zu diesem Zweck sind an der Unterseite der Drohne mehrere LEDs angebracht. Anhand der erkannten LED-Muster kann das System dann erkennen, in welcher Höhe und in welchem Winkel zum Regal sich die Drohne befindet.

Zusätzlich werden die Daten der IMU und des Barometers der Drohne über eine ausgewertete Sensorfusion ausgewertet. Durch die einfache Kombination der Position des Bodenfahrzeugs und der relativen Position der fliegenden Drohne lässt sich jederzeit bestimmen, wo sich die Drohne innerhalb des Lagers befindet und damit auch, welchen Lagerplatz sie gerade erfasst. Dieser Ansatz ermöglicht eine autonome und unabhängige Positionierung im Lager, was die entscheidende Grundlage für die vollständig autonome Navigation des Systems ist. Damit entfällt auch die Notwendigkeit, externe Netzwerke zu implementieren oder andere Änderungen an der Lagerinfrastruktur vorzunehmen. Das spart nicht nur Geld und Arbeitskräfte, sondern sorgt auch dafür, dass inventAIRy XL schnell und einfach in bestehende Lager integriert werden kann und innerhalb weniger Stunden einsatzbereit ist.