Die mobile Robotik bietet erhebliches Potenzial zur Verbesserung intralogistischer Prozes- se, insbesondere durch den effektiven Einsatz mobiler Roboter. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Flottenmanagement, welches ausschlaggebend f¨ur den effizienten Betrieb dieser Roboter ist. Aktuelle Flottenmanagementsysteme bestehen h¨aufig aus propriet¨aren Softwaresystemen, was die Interoperabilit¨at zwischen verschiedenen Robotern sowie technischen Geb¨aude- systemen erheblich erschwert. In dieser Arbeit wird eine L¨osung f¨ur dieses Problem vor- gestellt: Open-RMF, ein Open-Source Robotik Flottenmanagementsystem. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Anwendbarkeit von Open-RMF in realen Szenarien. Daher wurde im Rahmen der Arbeit ein Demonstrator aufgebaut, der genutzt wird, um dem mobilen Roboter eine kontrollierte Umgebung zu schaffen. Zudem wurde eine T¨ur- und Liftsteuerung entwickelt, die in der Lage ist, mit Open-RMF zu kommunizieren, um einen nahtlosen Betrieb sicherzustellen. Diese Entwicklung zeigt das Potenzial von Open- RMF als universelle Plattform zur Integration und Steuerung unterschiedlicher Roboter und Systeme in der Intralogistik.:Abbildungsverzeichnis VI 1 Einleitung 1 2 Einsatz von mobilen Robotern in der Intralogistik 3 2.1 Roboter in der Industrie 3 2.1.1 Industrie im Wandel 3 2.1.2 Intralogistik 5 2.1.3 Einsatz von Fahrerlosen Transportsystemen in der Industrie 8 2.1.4 Fahrerlose Transportsysteme und technische Gebäudeausrüstung 10 2.2 Roboter-Orchestrierungssystem 13 2.2.1 Grundlagen eines Orchestrierungssystems 13 2.2.2 Anforderungen an ein Flottenmanagementsystem 13 2.2.3 Aktuelle Lösungen 15 2.2.4 Interoperabilit¨atsstandards 15 2.2.5 Nachrichtenprotokolle 18 3 Open-RMF 19 3.1 Überblick 19 3.2 ROS 2-Grundlagen 20 3.2.1 Allgemeines 20 3.2.2 Konzepte 20 3.2.3 Workspace 22 3.2.4 ROS 2-Pakete 23 3.2.5 Werkzeuge 24 3.3 Demos 28 3.4 Flottenadapter 29 3.5 Pfadplanung und Konfliktmanagement 32 4 Demonstrator 33 4.1 Aufbau des Demonstrators 33 4.1.1 Überblick 33 4.1.2 Allgemeiner Aufbau des Demonstrators 35 4.1.3 Überblick über die Steuerungen 39 4.1.4 Türen 42 4.1.5 Aufzug 47 4.2 Verwendeter mobiler Roboter 49 4.3 Einrichtung des Systems 51 4.3.1 Einrichtung von Open-RMF 51 4.3.2 Einrichtung des Turtlebot 4 54 5 Auswertung und Diskussion 56 6 Fazit und Ausblick 63 7 Anhang 70 7.1 RMF Flottenadapter 70 7.2 Free Fleet Server 73 7.3 Free Fleet Client 74 7.4 Protokoll 76 Literaturverzeichnis 78 Eidesstattliche Erklärung 84

Das Projekt cITIcar bietet ein breites Spektrum für das Lehrangebot im Bereich der (Technischen) Informatik und der Ingenieur-Informatik. Aus dem Themengebiet der Eingebetteten Systeme kann sowohl die Prototypenentwicklung als auch die Mikroprozessorprogrammierung und das Arbeiten mit Echtzeitsystemen am cITIcar erlernt werden. Typische Aufgaben aus der Regelungstechnik können am Fahrzeug durchgeführt und verschiedene Probleme aus der Längs- und der Querregelung von den Studierenden gelöst werden. Zusätzlich bietet das cITIcar Potential für Aufgaben aus dem Bereich der Computer Vision und des Machine Learnings: Fahrbahnranddetektion, Schilderkennung oder Fahrbahnsegementierung sind nur wenige Beispiele für Lehraufgaben am cITIcar. Sowohl die Lehrmodule als auch die Projektarbeit am cITIcar wurden durch die Pandemie vor neue Herausforderungen gestellt. Um die Onlinelehre im Projekt zu verbessern, wurden verschiedene Werkzeuge und Techniken in der Lehre integriert. In dieser Arbeit werden diese Werkzeuge und Techniken, sowie die damit gewonnenen Erfahrungen dargelegt.

The navigation tasks in advanced home robotic applications incorporating reliable revisiting strategies are dependent on very low cost but nevertheless rather accurate localization systems. In this paper a localization system based on the principle of trilateration is described. The proposed system uses only a single small base station, but achieves accuracies comparable to systems using spread beacons and it performs sufficiently for map building. Thus it is a standalone system and needs no odometry or other auxiliary sensors. Furthermore a new approach for the problem of the reliably detection of areas without direct line of sight is presented. The described system is very low cost and it is designed for use in indoor service robotics. The paper gives an overview on the system concept and special design solutions and proves the possible performances with experimental results.

Der vorliegende Beitrag stellt einen Entwurf für eine flexible und robuste Steuerungsarchitektur für Roboter- und Fertigungssysteme vor. Dabei wurde versucht ein offenes Konzept zu realisieren, welches einen vereinfachten Engineeringprozess ermöglicht. Hierzu wird innerhalb der Steuerung eine Trennung zwischen einem funktionellen verhaltensbasierten und einem ablauforientierten Modell vorgeschlagen. Dieser Ansatz wird durch die Verwendung von Aktionsprimitiven innerhalb einer hybriden Robotersteuerung ermöglicht. Diese garantieren durch ihre ausgeprägte Modularität eine hohe Flexibilität und Erweiterbarkeit des entstandenen Systems. Im Beitrag wird sowohl der entstandene Entwurf diskutiert als auch eine prototypische objektorientierte Implementierung vorgestellt sowie erste Ergebnisse präsentiert. / This paper presents a framework for a flexible and robust control architecture for robotic systems. The design incorporates an application independent system concept which allows a simplified engineering process. For this purpose a distinction between a functional behavioural and a sequential control system model is proposed. This approach is based on the utilisation of action primitives within a hybrid control architecture. The use of these primitives affords a high level of modularity through increasing flexibility and expandability of the resulting system. In this paper the proposed framework will be discussed as well as a prototypical object-oriented implementation and first results.

Der vorliegende Beitrag stellt einen Entwurf für eine flexible und robuste Steuerungsarchitektur für Roboter- und Fertigungssysteme vor. Dabei wurde versucht ein offenes Konzept zu realisieren, welches einen vereinfachten Engineeringprozess ermöglicht. Hierzu wird innerhalb der Steuerung eine Trennung zwischen einem funktionellen verhaltensbasierten und einem ablauforientierten Modell vorgeschlagen. Dieser Ansatz wird durch die Verwendung von Aktionsprimitiven innerhalb einer hybriden Robotersteuerung ermöglicht. Diese garantieren durch ihre ausgeprägte Modularität eine hohe Flexibilität und Erweiterbarkeit des entstandenen Systems. Im Beitrag wird sowohl der entstandene Entwurf diskutiert als auch eine prototypische objektorientierte Implementierung vorgestellt sowie erste Ergebnisse präsentiert. / This paper presents a framework for a flexible and robust control architecture for robotic systems. The design incorporates an application independent system concept which allows a simplified engineering process. For this purpose a distinction between a functional behavioural and a sequential control system model is proposed. This approach is based on the utilisation of action primitives within a hybrid control architecture. The use of these primitives affords a high level of modularity through increasing flexibility and expandability of the resulting system. In this paper the proposed framework will be discussed as well as a prototypical object-oriented implementation and first results.

The navigation tasks in advanced home robotic applications incorporating reliable revisiting strategies are dependent on very low cost but nevertheless rather accurate localization systems. In this paper a localization system based on the principle of trilateration is described. The proposed system uses only a single small base station, but achieves accuracies comparable to systems using spread beacons and it performs sufficiently for map building. Thus it is a standalone system and needs no odometry or other auxiliary sensors. Furthermore a new approach for the problem of the reliably detection of areas without direct line of sight is presented. The described system is very low cost and it is designed for use in indoor service robotics. The paper gives an overview on the system concept and special design solutions and proves the possible performances with experimental results.

Die Kartierung und Lokalisierung eines mobilen Roboters in seiner Umgebung ist eine wichtige Voraussetzung für dessen Autonomie. In dieser Arbeit wird der Einsatz eines 3D-Laserscanners zur Erfüllung dieser Aufgaben untersucht. Durch die optimierte Anordnung eines rotierenden 2D-Laserscanners werden hochauflösende Bereiche vorgegeben. Zudem wird mit Hilfe von ICP die Kartierung und Lokalisierung im Stillstand durchgeführt. Bei der Betrachtung zur Verbesserung der Bewegungsschätzung wird auch eine Möglichkeit zur Lokalisierung während der Bewegung mit 3D-Scans vorgestellt. Die vorgestellten Algorithmen werden durch Experimente mit realer Hardware evaluiert.

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der geometrischen Auslegung und Regelung einer vollaktuierten Drohne, die als fliegende Arbeitsplattform für einen Manipulator dienen soll. Dabei werden ausgehend von der geometrischen Beschreibung einer allgemeinen, symmetrischen Drohne mit sechs Rotoren Methoden entwickelt, die den anforderungsbezogenen Entwurf der Geometrie einer vollaktuierten Drohne ermöglichen. Darüber hinaus werden prinzipielle Einflussmechanismen einzelner Geometrieparameter auf die durch die Drohne erzeugbaren Kräfte und Momente aufgezeigt. Zur Charakterisierung des Raums aller erzeugbaren Lasten wird dieser auf sogenannte Stützvektoren reduziert. Als Stützvektoren dienen dabei die für den Schwebeflug nötige Schubkraft, die garantierte Mindestkraft in horizontaler Richtung und das garantierte Mindestmoment um eine beliebige Achse, zu deren Berechnung zusätzlich analytische Formeln hergeleitet werden. Aufbauend auf die Beschreibung durch Stützvektoren wird die Formuliernung von Metriken vorgestellt, die die Bewertung einer Drohnengeometrie durch eine einzige skalare Maßzahl ermöglichen, wodurch die je nach Anwendung optimale Drohnengeometrie ermittelt werden kann. Zur Regelung des Systems aus Drohne und Manipulator wurde ein Regelungskonzept entwickelt, welches durch eine Entkopplung der Bewegungsgleichungen eine virtuelle Verschiebung des Schwerpunkts in das Drohnenzentrum realisiert und so eine präzise Regelung unabhängig von der tatsächlichen Schwerpunktlage ermöglicht. / This thesis’ subject is the geometrical design and control of a fully actuated drone, intended to be used as a flying operating-platform for a manipulator. Starting with the general geometrical description of a symmetric drone with six rotors, methods for the application specific design of a fully actuated drone are developed. Furthermore general influencing principles of geometric parameters on the forces and torques that can be generated by the drone, are pointed out. To characterize the drone's wrench-space, it is reduced to so called support vectors, which are given by the hovering thrust, the minimum guaranteed force in a horizontal direction and the minimum guaranteed torque in any direction. Additionally, analytic formulas are derived for the mentioned support vectors. Based on the description by the support vectors, a formulation of metrics is introduced, to enable the assessment of a specific drone geometry by a single scalar measure, to determine the ideal drone geometry for a specific application. Targeting the issue of controlling the flight system, consisting of the drone and the manipulator, a concept is developed that realizes a virtual dissplacement of the center of mass by decoupling the equations of motion and therby facilitates a precise control, independent of the actual location of the system's center of mass.

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der geometrischen Auslegung und Regelung einer vollaktuierten Drohne, die als fliegende Arbeitsplattform für einen Manipulator dienen soll. Dabei werden ausgehend von der geometrischen Beschreibung einer allgemeinen, symmetrischen Drohne mit sechs Rotoren Methoden entwickelt, die den anforderungsbezogenen Entwurf der Geometrie einer vollaktuierten Drohne ermöglichen. Darüber hinaus werden prinzipielle Einflussmechanismen einzelner Geometrieparameter auf die durch die Drohne erzeugbaren Kräfte und Momente aufgezeigt. Zur Charakterisierung des Raums aller erzeugbaren Lasten wird dieser auf sogenannte Stützvektoren reduziert. Als Stützvektoren dienen dabei die für den Schwebeflug nötige Schubkraft, die garantierte Mindestkraft in horizontaler Richtung und das garantierte Mindestmoment um eine beliebige Achse, zu deren Berechnung zusätzlich analytische Formeln hergeleitet werden. Aufbauend auf die Beschreibung durch Stützvektoren wird die Formuliernung von Metriken vorgestellt, die die Bewertung einer Drohnengeometrie durch eine einzige skalare Maßzahl ermöglichen, wodurch die je nach Anwendung optimale Drohnengeometrie ermittelt werden kann. Zur Regelung des Systems aus Drohne und Manipulator wurde ein Regelungskonzept entwickelt, welches durch eine Entkopplung der Bewegungsgleichungen eine virtuelle Verschiebung des Schwerpunkts in das Drohnenzentrum realisiert und so eine präzise Regelung unabhängig von der tatsächlichen Schwerpunktlage ermöglicht. / This thesis’ subject is the geometrical design and control of a fully actuated drone, intended to be used as a flying operating-platform for a manipulator. Starting with the general geometrical description of a symmetric drone with six rotors, methods for the application specific design of a fully actuated drone are developed. Furthermore general influencing principles of geometric parameters on the forces and torques that can be generated by the drone, are pointed out. To characterize the drone's wrench-space, it is reduced to so called support vectors, which are given by the hovering thrust, the minimum guaranteed force in a horizontal direction and the minimum guaranteed torque in any direction. Additionally, analytic formulas are derived for the mentioned support vectors. Based on the description by the support vectors, a formulation of metrics is introduced, to enable the assessment of a specific drone geometry by a single scalar measure, to determine the ideal drone geometry for a specific application. Targeting the issue of controlling the flight system, consisting of the drone and the manipulator, a concept is developed that realizes a virtual dissplacement of the center of mass by decoupling the equations of motion and therby facilitates a precise control, independent of the actual location of the system's center of mass.

Die Kartierung und Lokalisierung eines mobilen Roboters in seiner Umgebung ist eine wichtige Voraussetzung für dessen Autonomie. In dieser Arbeit wird der Einsatz eines 3D-Laserscanners zur Erfüllung dieser Aufgaben untersucht. Durch die optimierte Anordnung eines rotierenden 2D-Laserscanners werden hochauflösende Bereiche vorgegeben. Zudem wird mit Hilfe von ICP die Kartierung und Lokalisierung im Stillstand durchgeführt. Bei der Betrachtung zur Verbesserung der Bewegungsschätzung wird auch eine Möglichkeit zur Lokalisierung während der Bewegung mit 3D-Scans vorgestellt. Die vorgestellten Algorithmen werden durch Experimente mit realer Hardware evaluiert.