Schnell, präzise und robust

Die Sensorik an Kranen muss Positionen über einen großen Messbereich sehr genau erfassen. So kommt es nicht selten vor, dass die Position eines 50 m entfernten Spreaders auf wenige Millimeter genau zu bestimmen ist. Inwiefern eignen sich Kameras für diese Aufgabe?

Eine Kamera befindet sich heute in nahezu jedem Handy. Diese Verbreitung hat auch die Entwicklung der industriellen Kameratechnik beeinflusst. CCD-Kameras werden zunehmend durch CMOS-Kameras abgelöst, die robust, langlebig und leistungsfähig sind (Bild 1). Gefordert ist aber nicht nur die Kamera. Notwendig ist auch Beleuchtung unter allen Umgebungsbedingungen – bei Tag und Nacht, in der Werkhalle und im Hafen. Wenn diese Technologie umgesetzt würde, dürften die Messdaten beeindruckend genau sein.

Nachfolgend werden ein Kameramesssystem mit Reflektor und ein Triangulationssensor mit Kamera für den speziellen Einsatz an Kranen untersucht.

Kameramesssystem mit Reflektor

Aufgabe und Aufbau

Die Aufgabe des Kameramesssystems für Krane besteht darin, möglichst genaue Winkelmessungen in einem Entfernungsbereich von weniger als einem Meter bis rd. 50 m durchzuführen. Mit Hilfe der Messung sollen die Entfernung und die Horizontalverschiebung gegenüber einer Nulllinie mit einer Genauigkeit im mm-Bereich bestimmt werden. Der Grundaufbau eines solchen Messsystems besteht aus einer Kamera und einer (hier reflektierenden) Marke (Bild 2). Die Kamera steuert bei der Bildaufnahme einen Infrarot-Blitz an, dessen Licht von einer retroreflektierenden Folie reflektiert wird.

Optische Abbildung

Der Aufbau und die Berechnung von Kameramesssystemen mit Reflektoren basieren auf dem Prinzip der optischen Abbildung (Bild 3). Ein Reflektor befindet sich um die Gegenstandsweite vom Objektiv (Bild 4) entfernt. Die Gegenstandsgröße ist der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Reflektors und der optischen Nulllinie. Mit einer Pixelgröße y‘₁und einer Kamerakonstante

KKX = f/y‘₁

berechnet sich die Gegenstandsgröße aus der Pixelanzahl y‘_Px mit

G = (g·y‘_Px)/KKX.

Die Bildgröße ist die Differenz zwischen optischer Nulllinie und dem Reflektorabbild auf dem Bildsensor.

Der Abstand zwischen Kamera und Reflektor lässt sich aus der Größe der weißen Fläche y (in mm) und ihrer Größe im Bildbereich y‘_Px (in Pixel) ermitteln:

g = (y/y‘_Px)/KKX.

Da es sich um einen Flächensensor handelt, geschieht diese Abbildung zweidimensional und liefert x- und y-Werte.

Beleuchtung

Als Beleuchtungsquelle ist ein Hochleistungs-Infrarot-Blitz geeignet. Ein derartiger Blitz hat beispielsweise eine Leistungsaufnahme von 64 W, eine Einschaltzeit von 1 ms und eine Ruhezeit von 20 ms. Damit beträgt die Belichtungszeit einer damit arbeitenden Kamera maximal 1/1000 s. Da Blitz- und Belichtungszeit entfernungsabhängig gesteuert werden, beträgt die Belichtungszeit bei einer Entfernung von 20 m sogar nur 1/10.000 s. Die Kamera wird mit einem Filter versehen, der nur den Wellenlängenbereich des ausgesendeten Lichts passieren lässt. Der Vorteil sowohl der kurzen Belichtungszeit als auch des Filters besteht darin, dass Fremdlicht – selbst Sonnenlicht – vom Sensor nicht aufgenommen wird.

Bildsensor

Als Sensoren bieten sich Schwarz-Weiß-Sensoren mit z. B. 2000 × 1500 Bildpunkten an. Typische Bildpunkte haben eine Größe von 3,5 µm. Aus Größe und Anzahl ergibt sich die nutzbare Größe des Sensors. Objektiv und Sensor sind so aufeinander abzustimmen, dass das Objektiv optimal genutzt wird. Moderne Sensoren ermöglichen es, nur interessierende Bildausschnitte abzurufen. Im Bild 5 rechts ist das der schwarze Bereich mit den darin befindlichen weißen Flächen. Der graue Bereich interessiert nicht und wurde nicht von der Kamera abgerufen. Dadurch sind sehr hohe Bildraten bei gleichzeitig sehr genauer Messung möglich.

Reflektor

Der Reflektor (Bild 6) ist sowohl ein einfaches als auch ein äußerst wichtiges Element des Messverfahrens. Betauung und Schnee können die Messung massiv stören. Um den Reflektor in allen Klimazonen verwenden zu können, benötigt er eine Heizung und eine Oberfläche, die sich auch mit fettlösenden Reinigungsmitteln säubern lässt.

Messbereich, Messgenauigkeit und Messrate

Der Messbereich und die Messgenauigkeit sind von allen optischen Komponenten abhängig. Zu praktisch erreichbaren Werten soll ein Zahlenbeispiel einen Überblick liefern (Bild 7): Ein Reflektor mit einer Größe von 300 mm × 300 mm kann beim Einsatz eines Objektivs mit 9 m Brennweite bis 18 m Entfernung eingesetzt werden. Die maximale Entfernung vergrößert sich bei einem Objektiv mit 25 mm Brennweite auf 50 m. Der Mindestabstand beträgt rd. 0,5 m. In beiden Fällen beträgt der Messbereich bei maximaler Entfernung 14 m x 10 m.

Die Messgenauigkeit verringert sich mit zunehmendem Abstand und beträgt bei maximaler Entfernung 1,8 mm. Die Messrate wird bei diesem Messverfahren von der Ruhezeit des Infrarot-Blitzes begrenzt und beträgt somit maximal 50 Hz.

Kalibrierung

Da die Einbauorte von Kamera und Marke von den baulichen Gegebenheiten abhängen, ist in einem Kalibriervorgang das räumliche Koordinatensystem, in dem die Messung stattfindet, festzulegen (Bild 8). Im Fall einer Lastpendeldämpfung beschreibt das Koordinatensystem die Ruhelage der Last bei jeder Hubhöhe. Bei Verwendung mehrerer Reflektoren kann sich einer oder jeder in einem eigenen Koordinatensystem befinden. Bei automatischen Stapelkranen reicht es oft nicht aus, die Ruhelage der Last zur Beschreibung des Koordinatenursprungs zu verwenden. Wenn ein Lastaufnahmemittel beim Heben seitlich auswandert und diese Bahn als Nullposition definiert würde, liefe das automatische Stapeln genau auf dieser Kurve und nicht auf einer Senkrechten ab.

Position und Geschwindigkeit

Das Kameramesssystem liefert eine aus dem Winkel berechnete Position in x- und y-Koordinaten, einen Drehwinkel sowie die aus der Größe bestimmte Entfernung. Einige Applikationen benötigen zusätzlich die erste Ableitung dieser Werte, die Geschwindigkeiten. Hierfür können Kameras die Zeitpunkte bereitstellen, zu denen eine Bildaufnahme gestartet wurde. Aus aufeinanderfolgenden Bildern und deren Zeiten lässt sich die Geschwindigkeit zu jedem Positionswert mit hoher Genauigkeit berechnen.

Zwei Beispiele

1. Messung der Spreaderposition an einem automatischen Stapelkran

An einem Kran mit Seilverspannung kommt es sowohl beim Heben und Senken als auch beim Fahren zu einer horizontalen Verschiebung der Last. Um genau positionieren zu können, ist es notwendig, diese horizontale Verschiebung zu messen. Das Kameramesssystem ermöglicht zwei Lösungsansätze (Bild 9):

• Mit Hilfe von zwei Kameras wird jeder einzelne Reflektor vermessen; daraus werden die Spreaderposition horizontal sowie die Verdrehung erfasst. Da sich die Reflektoren am Spreader befinden, sind Brennweite und Reflektorgröße so auszulegen, dass sie sowohl bei 20-ft- als auch bei 40-ft-Containern erkannt werden.
• Eine Kamera erfasst zwei Reflektoren auf dem Headblock. Im oberen Hub-bereich wird ein Reflektor, im unteren Bereich werden beide erfasst. Hier sind Brennweite und Reflektorgröße so aus-zuwählen, dass eine ausreichende Messgenauigkeit erzielt wird. In üblichen Anwendungsfällen beträgt die Messentfernung bis 25 m und die Mess-genauigkeit 1 mm.

2. Messung der Verformung eines Spreaders

Für eine genaue Positionierung von Containern ist es u. U. erforderlich, die Verformung des Spreaders zu erfassen, da sich mit der Verformung die Twistlocks verschieben. Hierfür werden im Spreader zwei Kameramesssysteme untergebracht, die die Lastaufnahmebalken in horizontaler und vertikaler Richtung vermessen (Bild 10). Die Messentfernung liegt im Bereich von 0,5 bis 3,5 m, und die geforderte Genauigkeit ist 1 mm. Die Verformung beträgt rd. 50 mm.

Eignung für den Einsatz am Kran

Das Kameramesssystem mit Reflektor lässt sich sehr gut für verschiedenste Messungen an Kranen verwenden (Bild 11). Messgenauigkeit, Messbereiche und Messraten entsprechen den Anforderungen. Weniger geeignet ist die Kamera für die Messung von Entfernungen zwischen Kamera und Reflektor. Dafür eignen sich eher Laser- oder andere Entfernungsmesssysteme. Die Robustheit ermöglicht auch den Einsatz im Freien und an automatischen Krananlagen.

Triangulationssensor mit Kamera

Aufgabe und Aufbau

Die Aufgabe eines Triangulationsmesssystems besteht darin, die Breite und die Entfernung einer Fläche zu vermessen. Hierbei wird ein roter Laserstrahl schräg auf die Fläche projiziert und der Winkel des Lichtstrahls von einer Kamera vermessen. Die Winkel in x- und y-Richtung liefern die Entfernung und die Breite der Fläche. Im unteren Teil von Bild 12 ist das Kamerabild dargestellt. Je weiter links das Licht der Laserdiode im Kamerabild liegt, um so höher ist die Fläche.

Optische Verhältnisse

Um Störeinflüsse zu unterdrücken, wird die Kamera mit einem Rotfilter ausgestattet. Die Messentfernung liegt aufgrund der Laserintensität bei rd. 35 cm, und gemessen wird in einem Bereich von 270 mm × 200 mm. Die Messrate wird bei diesem Verfahren im Wesentlichen von der Belichtungszeit begrenzt. Wie auch bei der Kameramessung mit Reflektor können Teilbilder vom interessierenden Sensorbereich ausgelesen werden. Insgesamt wird auch hier eine Messrate von 50 Hz erreicht.

Kalibrierung

Das Triangulationsmesssystem ist eine Einheit, in der Laser und Kamera fest zueinanderstehend verbaut sind. Somit kann die Kalibrierung werksseitig vorgenommen werden. Die x-Position eines Lichtpunktes bestimmt anschließend seine Entfernung zur Kamera und die y-Position dessen Abweichung zur Mitte. Die Differenz zweier y-Positionen ist deren Abstand in y-Richtung.

Beispiel: Messung der Lage eines Brückenkrans relativ zur Schiene

Für die Spurregelung von Brückenkranen ist der Versatz des Kopfträgers gegenüber einer Schiene zu ermitteln. Aus zwei Messwerten können der Kranversatz und sein Schrägstellungswinkel ermittelt werden. Hierfür ist die robuste berührungslose Messung mit zwei Triangulationssensoren bestens geeignet (Bild 13).

Die Sensoren werden rd. 35 cm über der Schiene montiert und liefern bis zu 50 Messungen in der Sekunde über die relative Position des Krans zur Schiene.

Resümee

Mit Hilfe von Kameramesstechnik ist eine millimetergenaue Messung über einen großen Messbereich möglich. Durch die Verwendung von Infrarot-Blitzen und retroreflektierenden Marken werden sowohl eine große Zuverlässigkeit als auch eine Störsicherheit gegenüber Fremdlicht erreicht. Für den industriellen Einsatz müssen die Reflektoren so aufgebaut sein, dass z. B. Betauung und Schnee beseitigt werden.

Das Triangulationsmessverfahren ist für den Einsatz an Kranen ebenfalls sehr gut geeignet. Es dient der berührungslosen millimetergenauen Messung im Nahbereich.