FTS Navigation: Punktlandung dank präziser Sensoren

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Die Sensoren von ASC ermöglichen die präzise Navigation von fahrerlosen Transportsystemen (FTS). Diese Fahrzeuge folgen nicht mehr vorgegebenen Markierungen oder Rasterpunkten, sondern orientieren sich an Umgebungsmerkmalen und werden mittels Laser, Rader oder Funkpeilung navigiert.

Ob in Warenlagern, Fabriken oder Containerhäfen: Fahrerlose Transportsysteme (FTS) übernehmen in der Intralogistik eine Schlüsselrolle und sind fester Bestandteil in automatisierten Betriebsabläufen. Die Fahrzeuge müssen allerdings hochgenau navigieren können, um ihr Ziel schnell und sicher zu finden (FTS Navigation). Mit den präzisen Sensoren von ASC sind die exakte Positionsbestimmung, eine flexible Streckenführung und eine optimierte Fahrdynamik jederzeit garantiert.

Klassische FTS fahren auf festgelegten Routen

Viele fahrerlose Transportsysteme bewegen sich auf festgelegten Routen, da die Bewältigung komplexer Bewegungsaufgaben nicht notwendig ist. Die Streckenführung kann auf mehrere Arten erfolgen. Unterschieden wird eine mechanische Zwangsführung, eine induktive Zwangslenkung mit aktivem Leitdraht beziehungsweise passivem Stahlband sowie eine Linienführung über eine optische Bodenmarkierung. Allerdings verfügen sie über eine geringe oder gar keine Flexibilität bezüglich der Streckenführung.

Es gibt aber auch frei navigierende FTS. Diese Fahrzeuge orientieren sich an Umgebungsmerkmalen und werden mittels Laser, Rader oder Funkpeilung navigiert. Dadurch ist die Streckenführung maximal flexibel und kann bei Bedarf auch innerhalb kurzer Zeit verändert werden. Die Steuerung erfolgt entweder über eine spezielle Software auf dem jeweiligen FTS oder über einen Zentralrechner.

Sensoren zur FTS Navigation machen den Einsatz erst möglich

Damit es zuverlässig navigieren kann, muss jedes fahrerlose Transportsystem mit Sensoren ausgestattet sein. „Je flexibler die Streckenführung bezüglich der Freiheitsgrade der Bewegung ist, desto leistungs­fähiger muss das Sensorsystem sein, da die Anforderungen bezüglich der Sicherheit, der Erkennung des Umfeldes sowie der ­Lokalisierung der FTS komplexer sind“, erläutert Dipl.-Ing. Markus Nowack von ASC.

Das Unternehmen entwickelt und fertigt hochgenaue Drehraten-, Beschleunigungs- und Neigungssensoren sowie Inertial Measurement Units (IMU). Sämtliche Sensoren werden nach dem Baukasten-System gefertigt, sodass sie leicht modifizierbar und für die jeweilige Applikation optimiert sind. Die Inertial Measurement Units werden beispielsweise so konstruiert, dass sich die Drehraten- und Beschleunigungssensoren sowohl hinsichtlich der Anzahl als auch der Performance-Daten variabel integrieren lassen. ASC modifiziert aber nicht nur seine Sensoren, sondern entwickelt auf Wunsch auch komplett neue Lösungen. „Wir stimmen uns eng mit dem Kunden ab“, so Nowack.
„Unser Vorgehen richtet sich nach seinen Vorgaben, aber auch nach der Art und Komplexität der Anwendung.“

Für FTS eignen sich besonders die kompakten Drehratensensoren ASC 271/273 und die IMU 7. Die uniaxialen und tri­axialen Drehratensensoren erfassen die rotatorischen Bewegungen der Fahrzeuge und sind somit speziell zur Optimierung der Kurvengeschwindigkeit geeignet. Wenn darüber hinaus lineare Komponenten überwacht werden sollen – wie bei der Steuerung des Fahrverhaltens beim Beschleunigen und Bremsen –, empfiehlt sich der Einsatz der IMU 7. Dank der sechs Freiheitsgrade ist neben der Messung der Fahrdynamik auch die Lokalisierung/Posi­tionsüberwachung der FTS möglich.

Drehratensensoren sorgen für sicheren Gütertransport

Eine präzise Messung der Winkelgeschwindigkeit erlaubt die Anpassung der Fahrtgeschwindigkeit der FTS, sodass ein Verrutschen der Fracht verhindert wird. Die Drehratensensoren ASC 271/273 sind für die exakte Messung der Winkelgeschwindigkeit zuständig, denn sie verfügen über Messbereiche von ±75°/s, ±150°/s, ±300°/s und ±900°/s sowie eine Empfindlichkeit von 13,2 bis 1,1 mV/°/s. Dank der niedrigen Bias-Instabilität von 9°/h und dem geringen Winkelfehler von lediglich 0,02°/s/Öhz sind die vom Sensor ermittelten Drehratenwerte sehr genau. Die Sensoren basieren auf MEMS-Vibrationsringelementen aus Sili­zium. Durch das mikromechanische Design werden im Fahrbetrieb auftretende Stöße und Vibrationen minimiert, sodass diese die Messwerte nicht verfälschen können.

Container in Häfen werden durch FTS Navigation zielgenau transportiert und platziert

Die Drehratensensoren von ASC ermitteln unter anderem die Position von FTS, die in Häfen Container transportieren. Da diese FTS bereits über ein Absolut-Positionssystem verfügen, reicht die Messung der Drehrate um die Z-Achse für die Positionsbestimmung aus. Ein Hersteller von FTS setzt aus diesem Grund die uniaxiale Version des Sensors ein (ASC 271), für die dreidimensionale Orientierung im Raum bietet ASC die triaxiale Ausführung ASC 273 an. Die FTS erreichen eine Geschwindigkeit von bis zu 6 m/s (22 km/h), was nur aufgrund des sehr guten Ansprechverhaltens der Drehratensensoren möglich ist. Ihr analoges Signal wird 50-mal in der Sekunde abgetastet, von der im Fahrzeug installierten Elektronik verarbeitet und als digitale Daten an den Bordcomputer des FTS übertragen. Dieser errechnet daraus einen Positionswert, der an die Leitstelle gesendet wird. Auf Basis dieser Werte ermittelt dann ein Zentralrechner die optimale Route für jedes Fahrzeug.

MU sind ideal für FTS ohne integriertes Absolut-Positionssystem

Für FTS ohne integriertes Absolut-Positionssystem sind die IMU prädestiniert. Sie verfügen sowohl über Drehraten- als auch über Beschleunigungssensoren und ermöglichen damit eine hochpräzise Routenführung. Die IMU eignen sich auch für die überbrückende Navigation von FTS bei einem gestörten Funk- oder Satelliten-Signal.

Ein Einsatzbeispiel sind Portalhubwagen, die die von den FTS angelieferten Container abstapeln. Sie werden meist per Global Navigation Satellite System (GNSS) gesteuert. Im direkten Umfeld der Ship-to-Shore-Kräne am Kai können die Hubwagen bisher allerdings nicht arbeiten, weil die Stahlkonstruktion der Kräne das Satelliten-Signal verschatten würde. Mit den IMUs von ASC könnte dagegen ein vorübergehender Ausfall des GNSS-Signals kompensiert und das Einsatzgebiet der Hubwagen erweitert werden. Die geforderte Positioniergenauigkeit von ±0,5 m auf 200 m erreicht die IMU 8 problemlos, da diese sowohl eine Bias-Stabilität von 0,12°/h als auch einen sehr geringen Angular Random Walk von 0,017°/Öh aufweist. Sensoren von ASC könnten also eine Schlüsselrolle bei der Weiterentwicklung der Hafen-Logistik einnehmen und einen wertvollen Beitrag dazu leisten, die Effizienz im internationalen Handel zu steigern.

Die Autorin Renate Bay ist CEO bei der ASC GmbH.

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