08.03.2022 – Kategorie: Komponenten & Systeme

Drehratensensoren: So sorgen sie für eine präzise Navigation von fahrerlosen Transportsystemen

DrehratensensorenQuelle: AdobeStock/ake1150

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

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

Seit über 20 Jahren störungsfrei im Einsatz

Die AGVs des ASC-Kunden sind etwa 15 Meter lang, drei Meter breit und 1,90 Meter hoch. Sie können je einen 20-, 30-, 40- oder 45-Fuß-Standard-Container mit einem Gewicht von bis zu 40 Tonnen transportieren oder zwei 20-Fuß-Container mit einem Gesamtgewicht von max. 70 Tonnen. 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, Umfeld-Erkennung und Lokalisierung hier deutlich komplexer. Gesteuert werden die fahrerlosen Transporter von einer Leitstelle auf dem Terminal-Gelände. Damit der Zentralrechner immer weiß, wo die Fahrzeuge gerade unterwegs sind, bestimmt jedes AGV mithilfe eines hochpräzisen Drehratensensors seine Position.

2017 wurden die ursprünglich verwendeten Sensoren vom Hersteller abgekündigt. Das Nachfolgemodell erfüllte nicht mehr die hohen technischen Anforderungen des Unternehmens, sodass man eine Alternative finden musste. Der AGV-Hersteller stieß dann im Internet auf den uniaxialen Drehratensensor von ASC und bestellte einen Prototyp. 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 AGVs dieser Baureihe eingesetzt wird.

Hochpräzise Datenerfassung durch Drehratensensoren

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

Drehratensensoren
Der uniaxiale Drehratensensor ASC 271 gewährleistet die Optimierung der Fahrdynamik, so dass die Fahrerlosen Container-Transporter selbst in Kurven mit einer Geschwindigkeit von bis zu 3,5m/s und auf gerader Strecke mit bis zu 6m/s sicher unterwegs sind.

AGVs machen mehr Tempo als vergleichbare Systeme

Der FTS-Hersteller installiert die Drehratensensoren von ASC zusammen mit der Bordelektronik in einem Schaltschrankgehäuse direkt am AGV. 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 verwendet der Hersteller die uniaxiale Version des Sensors. ASC bietet das Gyroskop daneben auch in einer triaxialen Ausführung an, die speziell für die dreidimensionale Navigation im Raum entwickelt wurde. Die AGVs erreichen auf gerader Strecke Geschwindigkeiten von bis zu 6 m/s (ca. 22 km/h), selbst in Kurven sind es noch bis zu 3,5 m/s. Einen großen Anteil an der hohen Dynamik der Fahrzeuge haben die hochgenauen Gyroskope von ASC. Ohne sie könnten die AGVs in Kurven höchstens mit einer Geschwindigkeit von maximal 2 m/s fahren, weil sonst die Gefahr zu groß wäre, dass sie zu weit von ihrer Spur abweichen.

Durch die ASC-Sensoren sind die AGVs auch schneller als die fahrerlosen Transportsysteme anderer Hersteller. Ein weiterer Vorteil für Kunden ist das Komplettpaket, welches die AGVs bieten. Der Kunde von ASC ist weltweit der einzige Hersteller, der alles aus einer Hand liefert. Alle anderen kaufen die „Intelligenz“ – also zum Beispiel die Sensorik – zu. Diesen ganzheitlichen Ansatz verfolgt auch ASC: Das Unternehmen entwickelt und fertigt seine Sensoren selbst und arbeitet dabei eng mit seinen Kunden zusammen.

Drehratensensoren
Die hochpräzise ASC IMU 8 dient zur überbrückenden Navigation von FTS, wodurch auch ohne GNSS-Signal eine Positioniergenauigkeit von deutlich kleiner als +/- 0,5 m auf einer Strecke von 200 m ermöglicht wird. Bild: ASC

Präzise Navigation ist eine große Herausforderung

Für die präzise Navigation der AGVs ist neben der hohen Präzision der Drehratensensoren auch ihr schnelles Ansprechverhalten entscheidend. Das analoge Signal des ASC 271 wird 50-mal in der Sekunde abgetastet, von der im Fahrzeug installierten von der selbst entwickelten Elektronik verarbeitet und als digitale Daten an den Bordcomputer des AGV übertragen. Dieser errechnet aus den Daten einen Positionswert, der der Orientierung des Fahrzeuges im Raum entspricht und an die Leitstelle gesendet wird. Ein Zentralrechner in der Leitstelle ermittelt auf der Basis dieser Werte anschließend in Echtzeit die optimale Route für jedes Fahrzeug.

Das erweist sich als eine sehr komplexe Aufgabe, denn an einigen Container-Terminals sind auf einer Fläche von 2 km mal 150 Metern 120 fahrerlose Transportsysteme im Einsatz. Sie fahren selbstständig Routen ab, die ihnen vom Leitrechner zugewiesen werden. Dieser wiederum erhält seine Aufträge von einem übergeordneten Rechner, der auch für die Schiffsplanung zuständig ist und zum Beispiel den Ship-to-Shore-Kränen am Kai bestimmte Container zur Ent- oder Beladung zuweist.

Die große Anzahl der AGVs, 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 ± 25 Millimetern.

Drehratensensoren
Fahrerlose Transportsysteme befördern Container innerhalb des Terminal-Geländes und werden meist von einem Zentralrechner gesteuert. Bild: AdobeStock/VanderWolf Images

Drehratensensoren: ASC soll auch Portalhubwagen mobil machen

Da die Drehratensensoren von ASC in den AGVs eine hervorragende 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 AGV 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 Dipl.-Ing. Markus Nowack von ASC. „Mit ihr können wir die geforderte Positioniergenauigkeit von ±0,5 m auf 200 m problemlos erreichen.“ Erste Tests mit den IMUs sollen in Kürze beginnen.

Von Renate Bay.

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