Optische Verfahren erreichen durch eine permanente Kurskorrektur eine hohe Fahrgenauigkeit. Dem gegenüber steht als Nachteil eine Anfälligkeit gegen Verschmutzungen der optischen Komponenten und damit eine begrenzte Nutzung im Outdoor- Bereich. Eine Beschreibung der Systeme ist in [Gro04] dargestellt.

Diese Methode der Führung fahrerloser Transportfahrzeuge ist durch die permanente Kurskorrektur besonders zuverlässig und fahrzeugseitig durch die Verwendung einfacher Komponenten kostengünstig.

Es besteht die Möglichkeit die Energieversorgung der Fahrzeuge fahrbahnseitig zu realisieren, wodurch die Verwendung schwerer Akkumulatoren entfällt. Andererseits sind Systeme mit Leitdrahtsteuerung (bezüglich Änderungen des Fahrweges) nicht flexibel und sie sind fahrbahnseitig im Aufbau sehr teuer.

Eine Beschreibung induktiver Systeme ist in [Gro04], dargestellt.

Durch das Militär der USA wurde im Jahre 1993 ein weltweit verfügbares Satellitennavigationssystem GPS (Global Positioning System) aufgebaut, dessen Signale allerdings verschlüsselt waren und eine Genauigkeit im zivilen Bereich von 100m zuließen. Für die zivile Nutzung steht seit Mai 2000 auch das Signal mit nicht künstlich verschlechterten Positionsdaten zur Verfügung. Für Anwendungen im Bereich der Fahrzeugführung ist die erzielbare Genauigkeit von ca. 20 m jedoch auch weiterhin nicht ausreichend.

Mit Hilfe eines ortsfesten zweiten GPS-Empfängers, der als Referenzstation dient, ist aber eine Genauigkeitssteigerung auf bis zu unter 5 m möglich. Die benachbarten GPS-Empfänger korrigieren dabei die empfangenen GPS-Positionsdaten durch das Referenzsignal (DGPS). Eine Bestimmung der Phase des Trägersignals der einzelnen Satelliten erlaubt die Steigerung der Genauigkeit bis auf unter 100 mm. Dieses Verfahren wird als Precision DGPS (PDGPS) bezeichnet. Als Nachteil dieses erweiterten GPS ist der hohe Preis anzuführen und der durch eine Abschattung nicht mögliche Einsatz in Gebäuden oder im eng bebauten Raum außerhalb von Gebäuden [Fau05], [Man04], [Wil05].

Die Verwendung von Transpondern zur Steuerung von fahrerlosen Transportfahrzeugen ist im Verhältnis zu den genannten anderen Verfahren relativ neu.

Abbildung 2: Prinzip der Transpondersteuerung

Für die Funktion einer Fahrzeugführung ist außer dem Dateninhalt des Transponders auch die Lage des selben von Bedeutung. Analog zu den induktiven Systemen wird dazu das vom Transponder beeinflusste elektromagnetische Feld der Sendeantenne, bzw. bei aktiven Transpondern das abgestrahlte Signal, verarbeitet. Ein Antennenarray detektiert den Einfluss des Feldes in jeder der zugehörigen Spulen und gibt diese Daten an eine Interpolationseinheit weiter. Aus der Lage des Maximums dieses Signals kann auf die Position des Transponders quer zur Fahrtrichtung des Fahrzeuges geschlossen werden. Zur Bestimmung des Fahrweges wird dann über eine Karte, die in der Recheneinheit vorliegt, der nächste Wegpunkt angefahren. Im Einsatz befindliche Systeme arbeiten üblicherweise im 125-kHz-Band und verwenden die Seriennummer des Transponders als Identifikationsmerkmal. Anwendung finden diese Systeme häufig im Outdoor-Bereich z.B. in Hafenanlagen zu Steuerung von Portalkränen.

Abbildung 5: Abhängigkeit des Leseabstandes von der Überfahrgeschwindigkeit bei einer verwendeten 30 x 30 mm Antenne, vgl. 125 kHz und 13,56 Mhz; ISO 15693.

Die Anwendung von Transpondern als Wegmarkierung für den Aufbau von Fahrerlosen Transportsystemen (FTS) erfordert eine möglichst schnelle Kommunikation zwischen Lesegerät und Transponder. Sinnvoll ist ein passiver Transponderchip der spontan und kontinuierlich seinen Dateninhalt wiederholt, sobald er sich im Feld des Lesegerätes befindet. Diese Transponder nach DIN/ISO 11784 und DIN/ISO 11785 sind aber nur im 125 kHz-Bereich verfügbar. Eine Nutzung dieser Transponder scheidet für den Aufbau eines FTS mit dezentraler Datenstruktur durch die niedrige Datenübertragungsrate bzw. die notwendige zu übertragende Datenmenge aus. Abbildung 6 zeigt die direkte Abhängigkeit der Lesereichweite passiver Transponder von der Zeit, die für die Übertragung zur Verfügung steht. Dieser Effekt entsteht durch die vor der Kommunikation notwendige Energieeinkopplung und das verwendete Protokoll sowie die Datenübertragungsrate des Transponders.

UHF-Transponder sind zum jetzigen Zeitpunkt ebenfalls für den Aufbau von autonomen Transportfahrzeugsystemen ungeeignet, da eine Kommunikation im oberen MHz-Bereich sowie im GHz-Bereich durch Reflexion des Signals leicht gestört wird. Transponder die sich außerhalb des eigentlichen Lesebereichs befinden, werden in nicht seltenen Fällen ebenfalls detektiert. Verfügbar sind passive Transponder im UHF- und Mikrowellenbereich nur für Frequenzen knapp unter 1 GHz, jedoch sind diese nicht beschreibbar. Wie bei allen Transpondern ist ein Schreibvorgang nur im Nahfeld möglich, welches für UHF-Transponder nur wenige Zentimeter beträgt.

Für eine Umsetzung eines FT-Systems mit dezentraler Datenstruktur kommen daher Transponder im Frequenzbereich von 13,56 MHz in Frage. Das Frequenzband eignet sich aufgrund des Abstands von niederfrequenten Störungen der Leistungselektronik und der hochfrequenten Kommunikationsfrequenzen auch aus Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit.

Die für die meisten 13,56 MHz Transponder gültigen Normen ISO 14443 und 15693 definieren ein genaues Protokoll bezüglich der Schreib- und Lesevorgänge, Tabelle 1. Es beginnt mit der Frage des Lesegeräts nach der UID (Unique Identification Number) gefolgt von der entsprechenden Antwort des Transponders. Das ist im allgemeinen auch die kürzeste Kommunikationssequenz des Sendeprotokolls. Für einen ISO-14443-Chip, in diesem Fall einem SR176 von STMicroelektronics, dauert dieser Vorgang laut Hersteller mehr als 1,4 ms, für einen ISO-15693-Chip am Beispiel des LRI512 ebenfalls von STMicroelektronics dauert der gleiche Vorgang nach Datenblatt des Herstellers ca. 15 ms. Von dieser Zeit beträgt die Wartezeit zwischen Anfrage des Lesegerätes und Antwort des Transponders mittels Lastmodulation10,22 ms.

Das durch die Modulation des Transponders um die Frequenz von 13,56 MHz herum entstehende Spektrum (Hilfsträger) ist Restriktionen unterworfen (Europa: EN 300330, USA: 47CFR, FCC part 15). Um Störungen anderer elektromagnetischer Sender bzw. Empfänger in angrenzenden Frequenzbereichen zu verhindern, ist die ISO 14443 mit einem Frequenzband von 13,56 MHz ± 847 KHz auf den Nahbereich mit verringerter Sendeleistung beschränkt. Die Normen bestehen jeweils aus mehreren Teilen. ISO-konform heißt nicht, dass der Transponder immer der gesamten Norm entspricht. Individuelle Abweichungen sind möglich und erschweren das Design eines universellen Lesegeräts.

Ein Teil der Normen befasst sich mit der Pulklesefähigkeit (Anticollision). Hierbei wird jedem Transponder ein Zeitschlitz zugeordnet. So kann das Lesegerät nacheinander mit mehreren Transpondern kommunizieren. Fast alle 13,56 MHz Chips beinhalten diese Funktion. Bei den meisten Chips kann die Zahl der Zeitschlitze auf eins gesetzt werden, jedoch sind immer Protokollschritte oder ‑schleifen zu durchlaufen, welche die Kommunikation verlangsamen. Für den Anwendungsfall der Transpondersteuerung muss diese Funktion als Nachteil betrachtet werden, da die Kommunikation mit nur einem Transponder ausreichend ist. Eine Gegenüberstellung von verschiedenen Chips zeigt Tabelle 2.

Generell ist die Auswahl an für Transponder geeigneten Chips zu der beschriebenen Anwendung eingeschränkt. Zum Teil sind diese nicht verfügbar oder die Protokolle der Chips nicht offen gelegt, wodurch eine Optimierung der Kommunikation erschwert wird. Übersichtliche Datenblätter bietet z.B. der SR176 von STMicroelectronics. Ein Transponderchip, der die entscheidenden Auswahlmerkmale: notwendige Speichergröße, Antennengröße sowie ISO-Konformität der Protokolle erfüllt, wird von keinem Hersteller angeboten. Durch die Anzahl der einsetzbaren Transponderchips bieten sich für den Aufbau eines Transponder gesteuerten Fahrerlosen Transportsystems im Anwendungsfall jedoch ausreichende Auswahlmöglichkeiten.

Parallel zur Auswahl geeigneter Chips bzw. Transponder wurde eine Alternative zu handelsüblichen Folientranspondern, die gedruckte Antennenstrukturen verwenden, untersucht. Die Entwicklung angepasster Antennenstrukturen zum Beispiel aus gewickeltem Kupferdraht ermöglicht aufgrund der Erhöhung des Leiterquerschnitts einen sinkenden elektrischen Widerstand und somit eine Erhöhung der Güte des Schwingkreises sowie eine Verbesserung der mechanischen Festigkeit der Antenne. Bei der Verwendung von Drahtantennen mit einem Durchmesser von 0,3 mm kann eine Verringerung in der Signaldämpfung zu handelsüblichen Folientranspondern von 10 dB erreicht werden, Abbildung 7. Die verbesserte Signalstärke erhöht die Kommunikationsreichweite des RFID-Systems.

Abbildung 6: Schwingkreisverhalten von Transponderantennen; Kupferdraht-Antennen [TJ] mit 0,3 mm Drahtquerschnitt

Abbildung 7: Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Wasserhöhe

Bei Versuchen zur Ermittlung von Klimaeinflüssen auf die Kommunikation zwischen Transponder und Lesegerät wurden die Auswirkungen von Wasser zur Änderung der Permeabilität untersucht. Obwohl keine Auswirkungen auf die Signalstärke messbar waren, konnte eine Verschiebung der Resonanzfrequenz der Antenne beobachtet werden, Abbildung 8. Bei herkömmlichen Antennenstrukturen ist durch Verschiebung der Sendefrequenz um 2 MHz (20 mm Wasserhöhe) eine Dämpfung von 15 dBm zu erwarten. Für eine abdeckende Eisschicht lässt sich eine schwächere Verschiebung der Resonanzfrequenz messen. Entsprechende Lesegeräte für Fahrerlose Transportfahrzeuge im Outdoor-Bereich müssen diesen Effekt daher berücksichtigen und entsprechend ausgelegt werden.

Handelsübliche, ultraflache Transponder werden auf Folien oder Papier ausgeliefert und dienen weitgehend als Barcode-Ersatz in Form von Etiketten. Die Antennenstrukturen sind dann in der Regel sehr flach aufgedruckt oder geätzt. Diese Transponder haben kein Gehäuse und sind mechanischen Beeinflussungen weitgehend schutzlos ausgeliefert. Die Antennen und vor allem die Verbindungen zwischen Chip und Antenne sind normalerweise die mechanischen Schwachstellen dieses Aufbaus. Wird ein solcher Transponder auf der Fahrbahn befestigt und von einem Fahrzeug überfahren, kann er den Scher- und Druckkräften nicht lange standhalten und es bilden sich üblicherweise Risse in der Antenne, was zu einem Totalausfall des Transponders führt. Der Chip selbst besteht aus Silizium und muss gegen Druckkräfte gesichert werden, da übliche Untergründe keine ausreichend geringe Oberflächenrauheit und ebene Form besitzen. Umwelteinflüsse wie Temperatur, Niederschlag und Korrosion müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Im Handel erhältliche, bereits gehauste Transponder weisen zwar teilweise hohe mechanische Stabilität und Temperaturfestigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit auf, sind aber in der Bauweise zu hoch (> 4 mm), sodass diese ein Hindernis auf einer Strecke darstellen würden. Diese Transponder können zudem ohne eine Beschädigung der Fahrstrecke nicht aufgebracht werden, da sie in der Regel durch Nieten oder Verschrauben befestigt werden.

Es existieren folgende Normen zur mechanischen Klassifikation bzw. zum Test von Transpondern, wobei die Datenblätter der Hersteller im Bereich der Folientransponder keine mechanischen Eigenschaften ausweisen:

Test für das Ablöseverhalten vom Untergrund von Transpondern

Abziehtest (SFS-EN 14173, SFS-EN ISO 10365)

Tests der mechanischen Festigkeit

Dynamischer Biegetest / Ticket (ISO/IEC 10373:1993)

Dynamischer Torsionsbeanspruchungstest / Ticket (ISO/IEC 10373:1993)

Klimatische / Thermische Tests

Temperaturwechseltest (JESD22-A104-B)

Temperatur & Feuchtigkeit (IEC 60068-2-67)

Alle diese Normen beschäftigen sich jedoch mit Anforderungen von Transpondern im Nutzungsbereich der Warenlogistik sowie der Zugangskontrollsysteme und stellen keine ausreichenden Informationen für den Einsatz im Bereich der Fahrerlosen Transportsysteme dar. Die mechanischen Eigenschaften der einzusetzenden Transponder und der entsprechenden Befestigung müssen daher in Versuchsreihen mit einem angepassten Testverfahren untersucht werden. Ein dafür notwendiger Prüfstand (Abb. 9) wurde konstruiert und bietet die Möglichkeit Druck- und Scherkräfte beim Überrollvorgang der Transponder auf unterschiedlichen Untergründen abzubilden. Dabei wird die Funktion des Transponders bei jedem Zyklus kontrolliert.

Abbildung 9: Transpondertesteinrichtung

Vorteilhaft für die Montage der Transponder ist, die Einhausung und Befestigung in einem Arbeitsschritt durchzuführen, wodurch eine Klebeverbindung zwischen Transponder und Fahrweg eine gute Möglichkeit darstellt. Hohe Festigkeiten und einen guten Kontakt zum Fahrwegmaterial zeigen Befestigungsmaterialien auf Basis von Methacrylatharzen. Entsprechende Versuche zu dieser Problematik an einer Servohydraulischen Prüfeinrichtung zeigten, dass ein entsprechend eingehauster Transponder Druckkräften von 11 kN für mehr als 140 tausend Lastwechsel standhält, Abbildung 10. Das entspricht 165 % der zu erwartenden Maximallast, welche aufgrund der maximal zulässigen Reifendrücke für Luftreifen bestimmt wurde. Für Versuche mit steigender Belastung von 5 – 11 kN konnte eine Haltbarkeit von mehr als 330-tausend Lastwechseln gemessen werden. Dabei wurde nach jeweils ca. 50-tausend Lastwechseln die Kraft um 1 kN erhöht.

Abbildung 8: Eingehauster Transponder (freigeschnitten)

Die Normalspannungsverteilung eines Reifens in Bewegungsrichtung ist bezogen auf die Kontaktfläche mit dem Untergrund symmetrisch, mit dem Maximum in der Mitte. Die durchschnittliche Spannung in der Aufstandsfläche entspricht in etwa dem Reifeninnendruck. Die maximale Spannung tritt bei heterogener Verteilung auf, die z.B. durch den Hertzschen Normalkontakt oder für Spezialfälle durch analytische Lösungen beschrieben werden, Abbildung 11. Über die Integration einer beschreibenden Sinusfunktion, die aus Vereinfachungsgründen gewählt wurde und dem Vergleich mit der homogenen Verteilung dient, wird folgender Zusammenhang ermittelt: Man erhält somit aus dem Nenninnendruck die zu erwartende Maximalbelastung während des Abrollens. Als zusätzlicher Korrekturfaktor ist das Reifenprofil heranzuziehen. Durch die Nuten des Profils verringert sich die tatsächliche Kontaktfläche des Reifens mit der Fahrbahn im Vergleich zur Aufstandsfläche.

Dabei wird als Aufstandsfläche die von den Rändern des Reifens beim Aufsetzen eingegrenzte Fläche bezeichnet. Versuche an verschiedenen Reifenprofilen haben einen durchschnittlich ermittelten Reifenprofilfaktor von C_D  = 1,38 ergeben.

Unterschiede in der Druckverteilung des Reifens quer zur Fahrtrichtung werden hier vernachlässigt, da diese Effekte je nach Reifentyp und Untergrund sehr unterschiedlich sind. Zum anderen werden Luftreifen zur Verbesserung der Fahrzeugeigenschaften und Minimierung der Flächenpressungen von Untergründen auf eine gleichmäßige Druckverteilung optimiert.