Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IISMobile Robotik spielt eine immer größere Rolle in Fertigung und Intralogistik. Damit jedoch autonome mobile Roboter (AMR), fahrerlose Transportsysteme (FTS/AGV) oder Drohnen zuverlässig, sicher und effizient zusammenarbeiten, ist eine stabile und resiliente Vernetzung entscheidend. Unser Ziel ist es, mobile Systeme – von der kleinsten Flotte bis zum größten Schwarm – absolut zuverlässig zu vernetzen. In verschiedenen Projekten untersuchen wir deshalb Möglichkeiten, die Vernetzung in der automatisierten Fabrik erheblich zu verbessern. Im Mittelpunkt steht dabei die dezentrale Vernetzung, mit der sich Roboter- und Drohnenschwärme selbst organisieren, um ihre Aufgaben autonom auszuführen. Darüber hinaus nutzen wir intelligente Kombinationen verschiedener Funktechnologien (Multi-RAT) als wichtigen Enabler resilienter Kommunikationssysteme.
Schwarmvernetzung für die automatisierte Fabrik
© Vanitjan – stock.adobe.com / Bearbeitung Fraunhofer IIS
Vernetzte mobile Robotik
Stark im Schwarm: dezentrale Vernetzung
Mit den richtigen Vernetzungstechnologien werden Schwärme aus mobilen Robotern oder Drohnen zu hochgradig flexiblen, sich selbst organisierenden Systemen: Keine einzelne zentrale Steuerung, keine fragilen Einzellinks zu einer überlasteten Basisstation. Stattdessen spannen die Geräte ein dezentrales Kommunikationsnetz auf und tauschen Daten direkt untereinander aus. Sie treffen auf diesem Weg kollektive Entscheidungen und kollaborieren beim Erledigen von Aufgaben. Und ein Schwarm bleibt selbst dann handlungsfähig, wenn einzelne Einheiten ausfallen.
Normalerweise heißt es: Je mehr vernetzte Geräte, desto mehr Datenverkehr von und zum zentralen Server. Eine zentrale Leitsteuerung wird so aber schnell zum Flaschenhals. Dezentrale Vernetzung adressiert dieses Problem daher auf drei Ebenen:
- Anwendungsebene
Dezentrale Anwendungskomponenten erlauben verteilten Systemen, sich direkt selbst zu organisieren – auch dann, wenn eine zentrale Leitsteuerung nicht erreichbar ist. - Informationsverteilung
Müssen Informationen von Teilnehmern an viele andere verteilt werden, stoßen klassische Verfahren schnell an Grenzen der Skalierbarkeit. Dezentrale Verteilmechanismen, codierte Verfahren oder die Nutzung von Geo-Informationen eröffnen hier neue Handlungsspielräume. - Funkvernetzung
Kurzfristige Abschattungen oder sporadische Interferenzen gefährden die Verlässlichkeit des Funksystems. Architekturen wie Mesh-Netze, Sidelink und Multi-Hop-Kommunikation, die eine direkte Kommunikation zwischen den Teilnehmern ermöglichen, sichern den kontinuierlichen Datenfluss.
Multi-RAT-Kommunikation als Enabler resilienter Vernetzung
Multi-RAT-Kommunikation ermöglicht es, verschiedene Funktechnologien wie 5G, WiFi oder LPWAN parallel zu nutzen. Je nach Verfügbarkeit wird zwischen verschiedenen Übertragungsstandards umgeschaltet, um die Datenübertragung auch unter schwierigen Einsatzbedingungen stets aufrechtzuerhalten. Das ist besonders dann wichtig, wenn knappe Verzögerungsgrenzen eingehalten werden müssen, um den sicheren Betrieb von Drohnen, Robotern oder Fahrzeugen sicherzustellen. Gleichzeitig sind Schwärme in industriellen Umgebungen häufig Störungen, Abschattungen und variierenden Funkbedingungen ausgesetzt.
Durch die parallele Nutzung mehrerer Funktechnologien können Datenströme redundant verteilt, adaptiv priorisiert und zeitgenau übertragen werden. Doch das erfordert ein hohes Maß an Koordination und eine zeitsensitive Steuerung der Übertragung. Hierfür entwickeln wir einen Multi-RAT-Controller, der Datenpakete intelligent über die verfügbaren Übertragungskanäle verteilt, Network Coding gezielt einsetzt und die Übertragungs- und Codierstrategie proaktiv an die aktuelle Funk- und Netzsituation anpasst. Auf diese Weise entstehen neue Verfahren und Lösungskomponenten, die die lückenlose und sichere Übertragung kritischer Daten auch unter stark schwankenden Bedingungen sicherstellen.
Referenzprojekte
ORPHEUS – Optimierte Vernetzung kooperierender Fahrzeugschwärme
ORPHEUS – Optimierte Vernetzung kooperierender Fahrzeugschwärme
Im Projekt ORPHEUS werden Lösungen erforscht, die die Kommunikationsabläufe in kooperierenden Transportsystemen verbessern. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit Mitteln der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) gefördert.
Das Fraunhofer IIS untersucht dabei, wie die dezentrale Vernetzung fahrerloser Transportfahrzeuge kommunikationstechnisch umgesetzt werden kann. Dafür werden verschiedene Ansätze simuliert und bewertet.
INVENT – Nutzung hybrider Kommunikationsnetze zur zeitsensitiven, zuverlässigen Vernetzung resilienter, autonomer Systeme
INVENT – Nutzung hybrider Kommunikationsnetze zur zeitsensitiven, zuverlässigen Vernetzung resilienter, autonomer Systeme
Im Projekt INVENT wird eine ausfallsichere Funkkommunikationslösung entwickelt, die sicherheitskritische Drohneneinsätze unterstützt. Als Anwendungsszenario dient die frühzeitige Erkennung von Waldbränden durch Drohnen. Ziel ist die Schaffung eines flugtauglichen Kommunikationssystems, das mehrere Kommunikationskanäle – inklusive Satellitenkommunikation, 5G und WiFi – nutzt, um Steuerungs- und Sensordaten während des gesamten Fluges zuverlässig zu übertragen (Multi-RAT).
Das Fraunhofer IIS entwickelt dafür einen spezifisch angepassten Multi-RAT-Controller, der die Steuerung der Datenströme koordiniert und Daten dabei automatisch und teilweise redundant auf geeignete Kanäle verteilt. Auch die Nutzung von Informationen zur Funkabdeckung wird integriert, um Funklöcher und Engpässe vorherzusehen und zu umgehen. Das Projekt wird vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie gefördert.