18.11.2020

Gyroskope sichern Containertransport

Immer auf richtigem Kurs

Der weltweite Güterverkehr wächst stetig und damit auch die Nachfrage nach Spezialfahrzeugen für den Containertransport im Hafen. Ein FTS-Hersteller liefert seine fahrerlosen Transportsystemen an Terminals in aller Welt. Für die exakte Navigation der FTS sorgen hochpräzise Drehratensensoren von ASC.


Durch den uniaxialen Drehratensensor ASC 271 sind die fahrerlosen Containertransporter mit Geschwindigkeiten bis 3,5m/s in Kurven und bis 6m/s auf gerader Strecke sicher unterwegs.
Bild: ©VanderWolf Images/stock.adobe.com

Alleine im größten europäischen Hafen Rotterdam wurden 2018 rund 14,5Mio. Standard-Container umgeschlagen, in Hamburg waren es rund 9 Mio. Den Transport der riesigen Stahlbehälter vom Hafenkai zum Lagerareal übernehmen inzwischen größtenteils fahrerlose Transportsysteme (FTS). Sie werden nicht von Menschen gesteuert, sondern bekommen ihre Fahraufträge von einer zentralen Leitstelle. Diese Automatisierung ermöglicht effiziente Be- und Entladeprozesse, ist aber technisch hochkomplex. Zu den großen Herausforderungen beim Betrieb der FTS gehört die kollisionsfreie, sichere Navigation der Fahrzeuge auf dem Terminal-Gelände.

Über 20 Jahre störungsfrei

Die AGVs des ASC-Kunden sind etwa 15x3x1,9m (LxBxH) und können je einen 20-, 30-, 40- oder 45-Fuß-Standard-Container mit einem Gewicht von bis zu 40t transportieren bzw. zwei 20-Fuß-Container mit einem Gesamtgewicht von maximal 70t. Sechs Container-Terminals in Europa und in den USA setzen die AGVs seit mehr als 20 Jahren im Dauerbetrieb ein - ohne eine einzige Störung. Manche der Fahrzeuge haben 70.000 Betriebsstunden absolviert. Im Vergleich zu den kleineren fahrerlosen Transportsystemen, die weltweit in Lagerhallen und Logistikzentren zum Einsatz kommen, sind die Anforderungen bezüglich Sicherheit, Umfelderkennung und Lokalisierung hier deutlich komplexer. Damit der Zentralrechner immer weiß, wo die Fahrzeuge gerade unterwegs sind, bestimmt jedes FTS mithilfe eines hochpräzisen Drehratensensors seine Position. 2017 wurden die ursprünglich verwendeten Sensoren vom Hersteller abgekündigt. Das Nachfolgemodell erfüllte nicht mehr die hohen technischen Anforderungen, sodass man eine Alternative finden musste. Der AGV-Hersteller stieß dann im Internet auf den uniaxialen Drehratensensor von ASC. Der Sensor wurde zusammen mit der übrigen Elektronik unter unterschiedlichen Bedingungen getestet. Nach dem erfolgreichen Abschluss der Tests stand fest, dass der Drehratensensor ASC 271 künftig in allen FTS der Baureihe eingesetzt wird.

Hochpräzise Datenerfassung

Der ASC 271 besteht aus MEMS-Vibrationsringelementen aus Silizium und wird mit den Messbereichen ±75, 150, 300 und 900°/s angeboten. Zur Messung der Drehraten nutzt der Sensor-Coriolis-Kräfte, die auf ein sich bewegendes Objekt wirken. Diese Kräfte erzeugen am Ringumfang des Sensors eine radiale Bewegung. Die Größe der Kräfte ist proportional zur Winkelgeschwindigkeit der Drehung. Der Drehratensensor generiert aufgrund der Bewegung am Ringumfang ein analoges Spannungssignal, das linear proportional zur Winkelgeschwindigkeit ist. Die vom Sensor ermittelten Drehratenwerte sind sehr genau, da dessen Bias-Instabilität gerade einmal 9°/h beträgt und der Angular Random Walk mit 0,2°/h sehr niedrig ist. Durch das Design der Ringelemente ist das Gyroskop zudem sehr robust: Vibrationen und Stöße können die Messwerte deshalb nicht verfälschen.

Mehr Tempo als andere Systeme

Der FTS-Hersteller installiert die Drehratensensoren von ASC zusammen mit der Bordelektronik in einem Schaltschrank-Gehäuse direkt am Fahrzeug. Da es flache Fahrzeuge sind und sie bereits über ein Absolut-Positionssystem verfügen, ist die Messung der Drehraten um die z-Achse für die Positionsbestimmung ausreichend. Deshalb wird die uniaxiale Version des Sensors verwendet. ASC bietet das Gyroskop auch in einer triaxialen Ausführung an, die speziell für die 3D-Navigation im Raum entwickelt wurde. Die FTS erreichen auf gerader Strecke Geschwindigkeiten von bis zu 6m/s (~22km/h), selbst in Kurven sind es noch bis zu 3,5m/s. Ohne die hochgenauen Gyroskope könnten die FTS in Kurven höchstens mit einer Geschwindigkeit von maximal 2m/s fahren, weil sonst die Gefahr zu groß wäre, dass sie zu weit von ihrer Spur abweichen.

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Präzise Navigation als Herausforderung

Für die präzise Navigation der AGVs ist auch das schnelles Ansprechverhalten entscheidend. Das analoge Signal des ASC 271 wird 50x in der Sekunde abgetastet, von der im Fahrzeug installierten Elektronik verarbeitet und als digitale Daten an den Bordcomputer des AGV übertragen. Dieser errechnet aus den Daten einen Positionswert. Ein Zentralrechner in der Leitstelle ermittelt auf der Basis dieser Werte in Echtzeit die optimale Route für jedes Fahrzeug. Das ist eine komplexe Aufgabe, denn an einigen Container-Terminals sind auf einer Fläche von 2.000x150m bis zu 120 FTS im Einsatz. Der Leitrechner erhält seine Aufträge von einem übergeordneten Rechner, der auch für die Schiffsplanung zuständig ist und z.B. den Ship-to-Shore-Kränen am Kai bestimmte Container zur Ent- oder Beladung zuweist. Die große Anzahl der FTS, die an den Terminals unterwegs sind, erschwert die Navigation. Ein zusätzliches Hindernis stellt der begrenzte Raum dar, der den Fahrzeugen zur Verfügung steht, denn ein Großteil der Terminal-Flächen ist mit Containern belegt. Um unter diesen Umständen einen sicheren und reibungslosen Verkehr zu gewährleisten, verfügen die fahrerlosen Transportsysteme über eine Positioniergenauigkeit von ±25mm.

Portalhubwagen mobil machen

Da die Drehratensensoren in den FTS eine sehr gute Performance zeigen, plant der Kunde, auch seine Portalhubwagen mit Sensoren von ASC auszustatten. Die Hubwagen sind zurzeit an den Lagerplätzen der Terminals im Einsatz, wo sie die Container von den FTS übernehmen und abstapeln. Man könnte sie auch im direkten Umfeld der Ship-to-Shore-Kräne am Kai einsetzen - dafür müsste man allerdings das Navigationssystem umstellen. Bisher werden die Hubwagen via GNSS-Signal gesteuert, das aber von den großen Stahlbeinen der Ship-to-Shore-Kräne gestört werden würde. Mithilfe sogenannter Inertial Measurement Units (IMUs), einer Kombination aus Drehraten- und Beschleunigungssensoren, wäre die sichere und präzise Navigation dagegen möglich. "Unsere neue IMU 8 eignet sich ideal für diese Aufgabe", sagt Markus Nowack von ASC. "Mit ihr können wir die geforderte Positioniergenauigkeit von ±0,5m auf 200m problemlos erreichen." Erste Tests mit den IMUs sollen in Kürze beginnen.

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