Bildverarbeitung in der Lagerautomation
Multi-Kamera-Systeme mit Embedded-Vision-Technik
Multi-Kamera-Systeme helfen bei der Logistik-Automatisierung – und als Basis können heutzutage aufgesteckte oder aufgelötete Embedded-Module mit einem geeigneten SoC-Prozessor dienen, ganz im Sinne von Embedded Vision.
Lagerhaltung vor Ort gewinnt wieder an Bedeutung, weil Konzepte wie Just-in-Time durch Störungen in der Logistikkette ausgehebelt werden: Havarierte Schiffe blockieren Transportwege, Hafenarbeiter und Lastwagenfahrer fehlen, und das Hin und Her bei Zollauflagen treibt nicht nur die Buchhaltung zur Verzweiflung. Die oftmals zu kleinen Lager können aber durch kürzere Umschlagszeiten mehr Kapazität auf gleichen Raum bieten.
Das Rückgrat vieler Lager sind Gabelstapler. Wegen ihrer Größe und ihres Gewichts bergen sie jedoch ein erhöhtes Unfallpotenzial: Sichtbehinderungen durch die Last oder die Mastkonstruktion können zu gefährlichen Situationen führen, sowohl für den Fahrer als auch für Personen in der Nähe. Zu den häufigsten Unfällen zählen Kippunfälle, herabfallende Lasten und Kollisionen mit Personen oder Hindernissen (Anfahrunfälle). Ursache all dieser potenzieller Gefahren ist die schlechte Sicht des Fahrers - weil er die Ladung nicht zu 100 Prozent sieht und einschätzen kann, ob sie sicher auf einer Palette steht, weil der Weg nicht frei ist, speziell beim Rangieren, oder weil die Last in großer Höhe ist bzw. platziert wird.
Multi-Kamera-Systeme erhöhen nicht nur die Sicherheit, sondern ermöglichen auch einen Mehrwert für die gesamte Lagerautomatisierung, etwa effizientere Arbeitsabläufe. Sie können die Sicht des Fahrers deutlich verbessern, speziell im toten Winkel, sowie den Rundumblick um oder auf die Last. In Zusammenarbeit mit modernen Sensoren wie Ultraschall oder LiDAR sind die Kameras als »Augen« die Grundlage für Assistenzsysteme analog zu Einparkhilfen bei PKWs – so wird das Rangieren mit unübersichtlichen Waren oder Lasten vereinfacht.
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Darüber hinaus steigern solche Assistenzsysteme die Effizienz der Arbeitsabläufe, etwa wenn ein AMR (Autonomous Mobile Robot) selbständig entscheiden kann, eine neue Route einzuschlagen, weil seine ursprüngliche Route durch ein Hindernis blockiert ist. Diese flexible Routentour stellt einen flüssigen Ablauf sicher, der Warenzugang oder die Belieferung bricht nicht ab, und es entstehen keine Engpässe. Entsprechend steigert dies die Gesamtproduktivität.
Weitere Vorteile mit Kameras ausgestatteter Fahrzeuge ist die bessere Raumnutzung. KI-gestützt erkennen sie, ob der vom Lagerverwaltungssystem vorgeschlagene Platz zu klein ist. Hier kommen oft 3D-Scan-Methoden zum Einsatz, mit deren Hilfe nicht nur die Stellfläche, sondern auch das Volumen automatisch und genau erfasst werden. Durch die exakten Daten lassen sich Waren platzsparend einlagern, und das automatisierte Lagersystem entscheidet selbst, an welchem Lagerort eingelagert wird. Das beschleunigt nicht nur die Einlagerung, sondern verkürzt auch die Durchlaufzeit vom Wareneingang bis zur Verwendung in der Produktion.
Zudem steigt auch die Qualität, und zwar durch schnelle visuelle Inspektion/Dokumentation im »Wareneingang« der einzelnen Transportschritte: der aktuelle Zustand wird rasch erfasst, und etwaige Beschädigungen und Verschmutzungen oder falsch aufgebrachte Labels werden direkt erkannt. Somit lassen sich fehlerhafte oder defekte Teile frühzeitig selektieren, so dass sie den Materialfluss nicht stören. Diese durchgängige Nachverfolgbarkeit/Traceability nutzt auch den Kunden, weil sie die gelieferte Qualität steigert.
Die Skalierbarkeit der Lagerautomatisierung spielt eine große Rolle und bringt für jeden Anwendungsfall eine Vereinfachung und Optimierung der Arbeitsschritte. Sie erstreckt sich von teilautomatisierten Hubwagen bis hin zu vollautomatisierten Schwerlaststaplern. Mit Kameras ausgestattete Logistiksysteme treiben die Skalierbarkeit voran und eignen sich für verschiedenste Anwendungsfälle.
Die Funktionen der Vision-Systeme, etwa die Verarbeitung großer Datenmengen in Echtzeit, stellen jedoch besondere Ansprüche an Leistung und Funktionsumfang der integrierten CPU. Darüber hinaus muss diese robust sein und Umwelteinflüsse aller Art wie Vibration, Kälte und Hitze verkraften. Die neuen AM67x-Prozessoren von Texas Instruments entsprechen dem Anforderungsprofil der Logistikbranche. Die Prozessoren bilden durch ihre Skalierbarkeit eine geeignete Basis für intelligente kamerabasierte Lösungen in Gabelstaplern oder AMRs.
Die AM67x-Bausteine haben eine Multi-Core-Architektur, die sich aus bis zu vier Cortex-A53-Cores und einem Cortex-R5F zusammensetzt. Diese Kombination eignet sich für komplexe Steuerungen mit echtzeit- und sicherheitskritischen Aufgaben. Wahlweise sind die AM67x-Prozessoren mit Bildverarbeitungs-Beschleunigern ausgestattet, etwa einem Vision Processing Accelerator mit eingebautem ISP (Image Signal Processor). Dieser verarbeitet Bildinhalte und ermöglicht diverse Auflösungen sowie die Nutzung von Wide Dynamic Range (WDR), die speziell bei wechselnden Helligkeitsbedingungen, etwa dem Übergang von einer Halle ins Freie, hilfreich ist. Hinzu kommt eine Linsenverzerrungskorrektur bei Weitwinkelobjektiven mittels Lens Distortion Correction (LDC): Zwar sollen Fischaugen-Kameraobjektive einen möglichst großen Bereich aufnehmen, aber wegen der Wölbung der Linse kommt es auch zu einer Fehleinschätzung von Distanzen – hier hilft LDC, das Bild korrekt auszuwerten. Speziell für autonome Fahrzeuge wie Palettenstapler oder AMRs ist der Depth and Motion Processing Accelerator (DMPAC) interessant, weil er für das räumliche Sehen über Stereokameras und der Einschätzung von Raum und Bewegung essenziell ist.
Entscheidend für viele Multi-Kamera-Anwendungen ist die Anzahl der verfügbaren Kameraschnittstellen. Hier punkten die AM67x-Bausteine, die unter anderem bis zu Vierfach-MIPI-CSI zur direkten Anbindung von Kamerasensoren bieten. Die Kameras sind speziell bei AMRs oder Staplern interessant, sei es als Rückfahrkameras zum sicheren Rangieren mit Waren oder für die Einschätzung, ob der vorgeschlagene Lagerplatz entsprechend groß ist oder ob ein Hindernis die geplante Fahrtroute blockiert. Mehr Kameras bieten auch mehr Sicherheit, weil der Rundumblick des Fahrers erweitert wird und beispielsweise eine 360°-Darstellung möglich ist, analog zu PKW-Assistenzsystemen: Die »Einlagerhilfe« zeigt Bedienern den Einschlagwinkel auf dem Display an, damit sie ohne anzuecken die Ware ins Hochlager legen können.
Darüber hinaus benötigt die Elektronik eine Vielzahl unterschiedlicher Schnittstellen, wie CAN-FD, um Sensoren anzubinden, sowie Display-Schnittstellen wie LVDS oder DSI, um eines oder mehrere Displays anzusteuern und verschiedene Inhalte abzubilden, etwa Konfigurationslisten oder die Rückfahrkamera. All dies vereinfacht die Navigation durch die Waren. Über PCIe lassen sich mobile Netzwerkverbindungen wie WLAN, Bluetooth oder GPS anbinden und zur Vernetzung der AMRs nutzen. Anwender können hierüber neue Aufträge oder Aufgaben verteilen und die Lagerdurchlaufzeit optimieren: durch genaue Positionsbestimmung und optimierte Routen können die Wege kurzgehalten und passende Stellflächen genutzt werden.
Die AM67x-Prozessoren bieten auch diverse Sicherheitsfunktionen wie Secure Boot oder Verschlüsselung von Daten, die nicht nur aufgenommene Bildinhalte vor fremden Zugriff und Missbrauch schützen, sondern auch sicherstellen, dass sich beispielsweise die Firmware der AMRs nicht manipulieren lässt. Speziell bei batteriebetriebenen Systemen wie Staplern ist die Energieeffizienz ein wichtiges Thema. Sie müssen im Mehrschichtbetrieb lange durchhalten und benötigen deshalb lange Batterielaufzeiten – entsprechen sparsam muss auch die Elektronik sein. Die Bausteine sind trotz ihrer beschriebenen Leistungsfähigkeit sehr energieeffizient mit durchschnittlich etwa 6 W Leistungsaufnahme.
Es zeigt sich, dass die AM67x-Prozessoren eine geeignete Grundlage für Multi-Kamera-Systeme bilden. Sie bieten spezialisierte Bildverarbeitung mit verschiedenen Beschleunigern, haben eine große Anzahl industrieller Schnittstellen und unterstützen mehrere Displays. All dies vereinfacht Fahrern die Wahrnehmung von Aufgaben und Umgebung. Zukunftssicher durch optionale KI-Beschleuniger bietet diese Plattform auch noch »Luft nach oben«, um auf sich ändernde Gegebenheiten oder Anforderungen upzugraden.
Der Elektronikspezialist TQ bietet als einziger Hersteller von Embedded-Modulen zwei Formfaktoren - als Stecker- und LGA-Modul (Land Grid Array, Lötmodul) - auf Basis des AM67x an. Dank ihrer kompakten Bauweise (64 mm x 34 mm bzw. 44 mm x 44 mm) lassen sich die Designs in die unterschiedlichsten Anwendungen der Logistikbranche integrieren – sei es als Nachrüstung oder als fester Bestandteil der Steuerungselektronik von AMRs.
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