Applikationsbeispiele

OPSys


Optisches Positioniersystem für große Objekte am Beispiel Schiffsentladekran.

Präzise optische Positionsbestimmung von Schiffen ermöglicht die automatische Steuerung eines Ladekrans zum Beladen und Entladen von Containern.

Die Anwendung
Als Teil eines automatischen Ladesystems für Transportschiffe für Paletten und kleine Container wird ein optisches System benötigt, welches die aktuelle Schiffsposition relativ zum Peer ermittelt. Die Container des Schiffes werden von einer Krananlage teilautomatisch be- und entladen, und müssen punktgenau von einer Förderanlage am Peer aufgenommen bzw. abgesetzt werden. Die Positionsdaten werden mit einer Genauigkeit von ca. +1 cm benötigt, um Schiffsbewegungen am Peer durch Wind und Wellen, Gezeiten und Veränderung des Ladegewichts zu kompensieren. Die dreidimensionale Positionsermittlung in X-, Y- und Z-Richtung soll optisch mithilfe einer am Schiff befestigten Kamera relativ zu einem ortsfest am Peer positionierten Target erfolgen.

Die Messbereiche für die 3 Koordinatenachsen sind wie folgt vorgegeben:
- x = +400 mm    quer zum Peer
- y = +900 mm    längs zum Peer
- z = +800 mm    vertikaler Abstand von der Kamera zum Target

Abbildung 1:
Links: Angedocktes Schiff mit geöffneter Ladeluke und daran montiertem Kran.
Rechts: Die Detailaufnahme des Ladebereichs zeigt den am Schiff befestigte Sensor und das am Peer befindliche Target. Im linken Bildbereich ist eine Palette mit Kartons erkennbar, die ins Schiff geladen werden soll.


Das Messverfahren

Die Messanordnung
Die Lageerkennung erfolgt mithilfe einer intelligenten Kamera des Herstellers Cognex, die so an einem beweglichen Arm an der Ladeluke des Schiffs angebracht ist, dass sie leicht in eine stabile Position nach außen geklappt werden kann. Die Kamera blickt dann aus einer Höhe von 3.5 Metern senkrecht nach unten auf den Peer. Direkt unter der Kamera wird möglichst gut mittig im Blickfeld ein leicht detektierbares Target am Peer platziert. Zur Unterstützung dieses Vorgangs dient ein zu-sammen mit der Kamera in die Sensorbox integrierter roter Punktlaser mit geringer Leistung, der senkrecht nach unten strahlt. Bei der Positionierung des Targets ist daher kein Kamerabild erforder-lich, man hat lediglich dafür zu sorgen, dass der Lichtpunkt des Lasers ungefähr mittig am Target erkennbar ist. Gleichzeitig wird auch der Kran in die Nullposition gefahren und das Mess-System im Referenz-Modus gestartet. Die intelligente Kamera ermittelt zunächst die aktuelle Target-Position und speichert diese als Referenz ab. Danach schaltet das Mess-System in den Automatik-Modus um und liefert von da an zwei Messwerte pro Sekunde für die Abweichungen der aktuellen X-, Y- und Z-Koordinaten von den gespeicherten Referenzwerten über eine in der intelligenten Kamera integrier-te Ethernet-Schnittstelle an den Rechner des Krans. Damit können die trotz der festen Vertäuung des Schiffs unvermeidlichen Drift-Bewegungen in allen drei Richtungen kompensiert werden. Der Kran führt dazu einfach eine Gegenbewegung aus.


Abbildung 2:
Oben: Die Skizze zeigt ein am Peer angedocktes Schiff, aus dem eine an einem beweglichen Metallarm befindliche Sensor-Box nach außen geklappt wurde, so dass sie senkrecht nach unten auf den Peer gerichtet ist. Auf dem Peer wurde ein mit sieben IR-Strahlern versehenes Target ungefähr mittig im Blickfeld der Kamera platziert.

Unten links: Bewegt sich das Schiff in Z-Richtung auf und ab, so erscheint das Target in verschiedenen Perspektiven.
Unten rechts: Prinzipdarstellung des Targets mit sieben symmetrisch angeordneten Infrarot-Strahlern.

Das nur 22x40 cm abmessende Target ist als robuste, wasserdichte Kunstoffbox mit sieben sym-metrisch angeordneten, nach oben gerichteten Infrarotstrahlern ausgeführt. In den aufgenomme-nen Bildern sind die Strahler leicht durch ein Schwellwertverfahren lokalisierbar. Zur Abschirmung von Fremdlicht dient ein dielektrischer Bandpass-Filter mit 20 nm Breite und einer auf die IR-Strahler abgestimmten Peak-Wellenlänge von 690 nm. Auf diese Weise ist auch unter der prallen südlichen Sonne in Haifa und Marseille eine robuste Messung möglich.

An die mechanische Ausführung der Sensor-Box und des Targets müssen bezüglich der Umweltein-flüsse wie Wind, Regen, Sonne, Schnee und Seewasser hohe Ansprüche gestellt werden. Das Sys-tem soll sowohl tagsüber, als auch nachts bei jedem Wetter eingesetzt werden können. Die Strom-versorgung des Targets erfolgt wahlweise über eine Batterie oder extern mit 12 V Gleichstrom. Die Stromversorgung der Sensor-Box erfolgt extern über 12 V Gleichstrom.
Alternativ wurde auch die Möglichkeit der Positionsbestimmung durch Triangulation mithilfe eines Linienlasers nach dem Lichtschnittverfahren erwogen, da man so auf das Target hätte verzichten können. Dieser Ansatz wurde jedoch aus folgenden Gründen verworfen: Aus der Größe der zu erfassenden Abweichungen und der geforderten Messgenauigkeit von +1 cm resultiert ein Abstand zwischen Linienlaser und Kamera von ca. einem Meter, so dass die Sensoreinheit sehr groß ausfallen würde. Der Laser währe aufgrund der benötigten Ausgangsleistung sehr teuer und bedingt durch die Laserschutzklasse für diesen Einsatz nicht geeignet. Da die Projektion der Laserlinie auf ein Objekt am Peer erfolgt und die Kamera nur das reflektierte Licht aufnehmen kann, wäre eine stabile Auswertung des Kamerabilds bei starker Sonnenstrahlung nicht zu garantieren.

Prinzip der Messung

Die für die Schiffsbewegungen geforderten Messbereiche sind x=+400mm, y=+900mm und z=+800mm. Damit folgt aus geometrischen Überlegungen, dass bei Verwendung einer CCD-Kamera mit 1/3“-Chip und einem Objektiv mit 8.5 mm Brennweite die in Abbildung 2 dargestellten Maße des Targets Dx=180 mm und Dy = 340 mm sein müssen.

Die Messwerte für die Abweichungen in X- und Y-Richtung folgen direkt aus den Positionen der Leuchtpunkte im aufgenommenen Bild. Der Skalenfaktor beträgt bei Verwendung einer Kamera mit Standard-Auflösung ca. 2 mm/Pixel, so dass bei pixelgenauer Auswertung der Bilder die geforderte Genauigkeit on +10 mm für X und Y leicht einzuhalten ist.

Die Schiffsposition in Z-Richtung lässt sich nach dem Strahlensatz aus der Größe des Targets im aufgenommenen Bild ermitteln. Je größer der Abstand Z ist, umso kleiner erscheint das Target. Man erhält:

T/B = z/b    mit    T = Größe des Targets,   B = Bildgröße des Targets auf dem Sensor-Chip
z = Abstand zwischen Kamera und Target und   b = Bildweite = Brennweite der Optik

Die erzielbare Auflösung in Z-Richtung berechnet man aus der ersten Ableitung der obigen Formel. Man findet, dass auch hier die Vorgaben eingehalten werden können.

Da die Abbildung mit einem Weitwinkelobjektiv erfolgt, treten erhebliche Verzerrungen auf. Das gesamte Mess-System wird daher unter Verwendung eines regelmäßigen Punktmusters zur Kom-pensation der Verzerrungen und zur Ermittlung der Skalenfaktoren in X-und Y-Richtung kalibriert.

Neben den Messwerten werden auch folgende Fehlermeldungen an den Rechner des Krans über-tragen:

•    Das Muster des Targets konnte nicht komplett erkannt werden
•    mindestens ein Objekt fehlt oder konnte nicht gefunden werden
•    Es sind fehlerhafte oder störende Objekte mit im Bild
•    Das Target befindet sich außerhalb des X-Messbereichs
•    Das Target befindet sich außerhalb des Y-Messbereichs
•    Der Rotationswinkel des Targets ist zu groß
•    Das Bild ist zu dunkel
•    Das Bild ist zu hell

Das System ist so programmiert, dass der Kran bei Vorliegen einer Fehlermeldung anhält. Bei Be-seitigung des Fehlers kann der Betrieb, ggf. im Referenz-Modus, wieder aufgenommen werden.

Der reibungslose Betrieb, das Vorliegen einer Fehlermeldung und die aktuelle Betriebsart (Refe-renz-Modus oder Automatik-Modus) werden durch von unten sichtbare LEDs an der Sensor-Box an-gezeigt. Die häufigste Fehlerursache ist, dass die Sicht auf das Target blockiert ist, beispielsweise weil sich eine Möwe darauf gesetzt hat.

Kundennutzen und Fazit
Mit dem hier beschriebenen System kann auf einfache, preiswerte, schnelle und äßerst robuste Weise die dreidimensionale Position großer Objekte relativ zu einer Sollposition ermittelt werden. Neben der Steuerung von Schiffskränen zur Aufnahme von Paletten oder Containern sind auch etli-che andere Anwendungen denkbar.

Mit entsprechend höherem Hardware-Aufwand kann außerdem die Messfrequenz von derzeit 2 auf  mindestens 20 Messungen pro Sekunde erhöht werden. Auch eine höher Ortsauflösung in Abhän-gigkeit vom Messbereich kann durch Optimierungsmaßnahmen erzielt werden.

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