DYNAMISCHE KOLLISIONKONTROLLE OHNE KI

Dynamische Anpassung von Antrieben, auch ohne KI 

ASM hat bereits vor fast 20 Jahren Algorithmen entwickelt, die auf mechanische Änderungen von Antriebsystemen reagieren können. Diese kommen auf embedded-Systemen zum Einsatz, die bei einem Großteil der europäischen Lebensmittel-Discounter bis heute ihren Dienst verrichten. Es galt von Anfang an einerseits die Betriebssicherheit und andererseits den Kundenschutz zu gewährleisten.

Das ist in gewisser Weise ein Spagat.

Natürlich ist die Betriebsicherheit sehr hoch, wenn kleine Fremdkörper oder geänderte Reibungsverhältnisse in den Führungsschienen von Rollogittern, keinen Sicherheitsstop auslösen, weil mit viel Kraft gefahren wird. Bei statisch arbeitenden Systemen müßte dieser Punkt von Anfang an sehr hoch angelegt werden. Schliesslich sollen auch im teilverschlissenen Zustand keine Störungen auftreten. Im Neuzustand oder nach einem Service wäre die wirkende Kraft bei einer Blockierung deshalb sehr hoch und könnte Personen verletzen.

Auf der anderen Seite darf ein Antriebssystem in das Personen eingreifen können, aber nur soviel Kraft erzeugen, das die zulässigen Klemmkräfte nicht erreicht werden. Jede darüber hinaus gehende Kraft würde auf die Person oder Sache einwirken, bevor das System stoppt.

 Es muß also eine Entscheidung getroffen werden wie stark die maximal zu erzeugende Kraft sein darf um einerseits so wenig wie möglich Fehlauslösungen zu erhalten, was bei maximaler Kraft der Fall wäre, und andererseits die Klemmkräfte bei einem Personeneingriff so minimal wie möglich zu halten.

 Aktuellen Entwicklungen zu folge wäre das eine klassiche Anwendung für Fuzzy-Logik oder KI mit Deep Learning. Vor 20 Jahren, als wir einen Algorithmus für embedded-Systeme entwickelt haben standen uns solche Möglichkeiten noch nicht zur Verfügung.

 Unsere Idee war eine andere. Wir wußten das sich die maßgeblichen Reibungsverhältnisse von Bewegungszyklus zu Bewegungszyklus nur langsam änderten, während eine Antriebsabschaltung erfordernde Störung oder Blockade einen für den Betrieb notwendigen Strom deutlich und schnell überschreiten würde.

Eine Grenze für den im Betrieb notwendigen Strom lässt sich leicht finden, in dem man eine Geschwindigkeit vorgibt und den dafür notwendigen Strom im ungestörten Zustand ermittelt. Leider hing dieser Strom konstruktiv bedingt aber von der Wegposition ab und war alles andere als linear. Es ergab sich vielmehr eine Art U-Profil des Stromes mit einer großen Varianz über den Weg, so das jede Position einen eigenen typischen Strom hatte. Da zusätzlich auch noch zwei Motoren synchron arbeiten mußten, um einen beidseitigen Antrieb zu erhalten, verdoppelte sich die Datenmenge auch noch.

Zu der Zeit waren Mikrocontroller aus Kostengründen noch nicht mit soviel Speicher ausgestatt, das man einfach für jede Position und jeden Motor eine Referenztabelle erzeugt, die den an einer bestimmten Position den für die Bewegung benötigten Strom enthält und bei dessen Überschreiten (=Klemmung/Kollision) sofort den Antrieb abschaltet.

 Da der Stromverlauf in unserem Fall über die Positionen hinweg U-förmig und damit kontinuierlich war, lag es nahe statt einer Referenztabelle eine Referenzfunktion zu nutzen. Ein Polynom war geeignet die Kurvenform nachzubilden. Der Grad des Polynoms mußte nicht besonders hoch sein und die Koeffizienten des Polynoms waren recht einfach aus den Positionen und deren Minimalströmen zu bestimmen. Mit dem so ermittelten Polynom waren wir in der Lage an jeder Position und nur mit ein paar gespeicherten Koeffizienten den aktuell notwendigen Strom zu ermitteln. Natürlich für jeden Motor getrennt. Das verdoppelte zwar die Anzahl der Koeffizienten, beanspruchte aber nur minimal Speicherplatz und war einfach zu realisieren.

 Die wirksam werden Klemmkräfte und die gesetzlichen Vorschriften konnten auf diese Weise leicht eingehalten werden, weil der minimal notwendige Strom für eine Bewegung an jeder einzelnen Position faktisch bekannt war und ein kleiner Offset darauf, die maximal wirkenden Kräfte bei einer Kollision einstellbar machte.

 Wie jedes mechanische System unterlag aber auch unseres einem Verschleiss, was die Reibungskräfte vergrößern, schlimmer noch, auch verkleinern konnte. Während größere Reibung das Gitter einfach stoppt, würden eine geringer werdende Reibung größere Klemmkräfte erzeugen und damit die gesetzlichen Bestimmungen verletzten.

 Es war also erforderlich eine Dynamik vorzusehen, die zeitlich sehr langsame Veränderungen im Reibungs- und Verschleissverhalten berücksichtigt und gleichzeitig plötzlich starke Veränderungen als Kollision erkennt.

 Während jede Fahrtunterbrechung oder Fehlerstop dazu genutzt wurde um den minimal notwendigen Strom an der Stop-Position anzuheben, die Koeffizienten neu zu berechnen und damit eine neue Referenzfunktion zu erzeugen, legte der weiterhin wirksame Offset-Strom die maximale Klemmkraft fest.

 Nachteil dieses einfachen Verfahrens wäre, das die dynamische Referenz nur in Richtung größerer Kräfte wandern würde. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, haben wir im Gegenzug für jede erfolgreiche, unterbrechungsfreie Fahrt, eine minimale Reduktion der Antriebsström implementiert. Da unterbrechungsfreie Fahrten bei weitem überwiegen, reichte eine kleine Reduktion aus, um sich dem Optimum immer wieder zu nähern.

 Damit ist eine vollständige Dynamik erzeugt, die über den gesamten Weg hinweg, sich immer um die optimale Stromgrenze und mit den durch einen Offset definierten maximalen Klemmkräfte bewegt.

 Durch die minimal wirkenden Kräfte wurde nicht nur eine TÜV- und BG-geprüfte Sicherheit erreicht, sondern auch das Material vor harten Kollisionen geschützt und somit geschont.

 Die Systeme sind seit fast 20 Jahren bis zum heutigen Tag im Einsatz, haben sich offensichtlich mehr als bewährt. Dynamisch und ohne KI, auf aus heutiger Sicht einfachster Hardware. 

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