Sensoren für intelligente Krane: Vision und Laser im Verbund

Die Konzeption eines Wahrnehmungssystems für Intelligente Krane beginnt stets innerhalb der normativen Grenzen. Gemäß den Anforderungen der Krandimensionierungsnorm DIN 15018 an Triebwerksgruppe, Lastkombination und strukturelle Sicherheit sowie den Vorgaben der Sicherheitstechnischen Überwachungsvorschrift TSG 51-2023 für Sicherheitsüberwachung, Fehlerselbstdiagnose und Betriebsaufzeichnung ist Sensorfusion kein bloßes Anhäufen von Komponenten, sondern die Umwandlung von Umgebungsinformationen in verifizierbare Steuerungseingaben. Kelude Schwerindustrie integriert bei den hochwertigen Sonderanfertigungen als Doppelträger nach EU-Norm von 50 t bis 300 t Bildverarbeitung, Laser, Millimeterwellen-Radar, Inertialmessung und Wägezellen in eine gemeinsame Sicherheitsüberwachungskette.

Hardware-Konfiguration und Datenmerkmale der Multisensor-Wahrnehmung

Das Wahrnehmungssystem eines Intelligenten Krans besteht üblicherweise aus drei Kategorien: aktive Entfernungssensoren, passive Bildsensoren und Bewegungssensoren. Am Beispiel der hochwertigen Sonderanfertigungen von Kelude Schwerindustrie als Doppelträger nach EU-Norm von 50 t bis 300 t erreicht 3D-LiDAR einen Messradius von bis zu 100 m, wobei die typische Entfernungsgenauigkeit innerhalb von 50 m bei ±20 mm liegt und 500.000 Punkte pro Sekunde ausgegeben werden, um geometrische Punktwolken unterhalb des Hauptträgers und in Fahrtrichtung der Kranbrücke zu erzeugen. Industrielle Vision-Kameras arbeiten mit einer Auflösung von 1920×1080 und einer Bildrate von 30 fps zur Erkennung von Lastaufnahmemittel-Position, Anschlagösen, Personendurchgang und temporären Hindernissen.

Millimeterwellen-Radar liefert im Bereich von 150 m die Relativgeschwindigkeit von Zielen mit einer Geschwindigkeitsauflösung von etwa ±0,1 m/s und bleibt bei Regen, Nebel und Staub einsatzfähig. Wägezellen sind auf eine Genauigkeit von ±0,5 % FS bezogen auf den Messbereich ausgelegt, um die hängende Last in Echtzeit zu erfassen und in die Pendeldämpfung einzubeziehen. Der Windmesser deckt einen Messbereich von 0–30 m/s ab; bei Windgeschwindigkeiten über 15 m/s begrenzt das System automatisch den Schnelllauf.

Einzelsensoren stoßen an ihre Grenzen. Vision-Kameras verlieren an Erkennungsreichweite bei Gegenlicht, Nacht und verschmutzter Optik; LiDAR verliert bei dichtem Nebel, starkem Regen und schwarzen, lichtabsorbierenden Zielen an gültigen Punkten; Millimeterwellen-Radar hat eine begrenzte Winkelauflösung und kann Zieltypen kaum allein bestimmen. Multisensorik ist daher keine redundante Anhäufung, sondern Komplementarität.

Kelude Schwerindustrie vereinheitlicht die Sensor-Schnittstellen und Gehäuseschutzeinrichtungen vor Ort auf die Schutzart IP67; die elektrischen Schnittstellen verfügen über Überspannungsschutz und EMV-Filter, sodass die Wahrnehmungshardware bei Umgebungstemperaturen von -20 °C bis +60 °C kontinuierlich arbeitet.

Zusammenwirken von Bildverarbeitung und LiDAR in verschiedenen Betriebszuständen

Das Zusammenwirken von Bildverarbeitung und LiDAR beruht im Kern auf der Arbeitsteilung „Geometrie–Semantik". 3D-LiDAR sendet aktiv Laserstrahlen aus und empfängt Reflexionen, gibt die dreidimensionalen Koordinaten jedes Punktes aus und ist empfindlich gegenüber Entfernung und Kontur; Vision-Kameras empfangen sichtbares Licht oder Infrarot, geben Pixelarrays aus und sind empfindlich gegenüber Farbe, Textur, Schrift und Klasse. In Kombination kann das System sowohl beantworten, „wie weit und wie schnell", als auch „was es ist und ob die Durchfahrt erlaubt ist".

Räumlich müssen Kamera und LiDAR extrinsisch kalibriert werden. In der Praxis werden Rotationsabweichungen von höchstens 0,05° und Translationsabweichungen von höchstens 5 mm gefordert. So lassen sich LiDAR-Punktwolken auf die Bildebene projizieren und Bildpixel in den Punktwolkenbereich zurückprojizieren. Kelude Schwerindustrie führt vor Auslieferung eine gemeinsame Kalibrierung mit Schachbrettmustern und Reflexmarken durch und verifiziert die Kalibrierungsstabilität auf einem Hauptträger-Vibrationsprüfstand.

Zeitlich sind die Datenraten von LiDAR mit 10 Hz, Bildverarbeitung mit 30 Hz und Millimeterwellen-Radar mit 20 Hz nicht identisch. Das System richtet sie über den Zeitstempel der Hauptsteuerung aus und fordert eine Zeitsynchronisationsabweichung von höchstens 10 ms. Wird dieser Schwellwert überschritten, verschieben sich bewegte Ziele durch die Fahrzeugbewegung – bei einer Kranbrücken-Geschwindigkeit von 60 m/min entspricht eine Abweichung von 10 ms einer Verschiebung von 10 mm, was bereits nahe an der Laser-Entfernungsgenauigkeit liegt und unterdrückt werden muss.

Die Fusionslogik lässt sich so beschreiben: LiDAR liefert zunächst geometrische Ziele in großer Entfernung, die Bildverarbeitung bestätigt den Zielbereich ein zweites Mal, Millimeterwellen-Radar liefert die Relativgeschwindigkeit, Wägezellen und IMU liefern den eigenen Bewegungszustand. Bei niedriger Beleuchtungsstärke in der Nacht sinkt die visuelle Erkennungsleistung, und das System erhöht automatisch die Gewichtung der Punktwolken-Dichte-Kriterien des LiDAR; bei starkem Gegenlicht liefert LiDAR weiterhin Entfernungen, während die Bildverarbeitung durch HDR und Polarisationsfilter die Überbelichtung reduziert.

Berechnung und technische Überprüfung der Sicherheitsabstände für Multisensorfusion-Kollisionsschutz

Die Multisensorfusion muss letztlich in den Bremsweg einfließen. Beispiel: Kranfahrwerk eines 50-t-Doppelträgerkrans nach europäischer Norm von Kelude Schwerindustrie, Fahrgeschwindigkeit 60 m/min, also 1 m/s. Bei einer im Sicherheitsüberwachungssystem festgelegten elektrischen Bremsverzögerung von 0,5 m/s² ergibt sich ein reiner Bremsweg von s = v² / (2a) = 1² / (2 × 0,5) = 1 m. Hinzu kommen Reaktionszeit der Steuerung und Alarmbestätigungszeit von etwa 0,3 s, in denen die Kranbrücke weiterhin mit 1 m/s fährt, was einem Zusatzweg von 1 m/s × 0,3 s = 0,3 m entspricht. Zuzüglich einer Sicherheitsmarge von 1,0 m muss das System demnach etwa 2,3 m vor dem Hindernis die Verzögerung oder Bremsung auslösen.

Der Katzenmechanismus wird nach derselben Logik überprüft. Bei einer Katzfahrgeschwindigkeit von 30 m/min, also 0,5 m/s, und einer Verzögerung von 0,4 m/s² beträgt der reine Bremsweg 0,5² / (2 × 0,4) = 0,3125 m. Zuzüglich des Zusatzwegs von 0,15 m aus der Reaktionszeit von 0,3 s und einer Sicherheitsmarge von 0,8 m ergibt sich ein minimaler Auslöseabstand von etwa 1,26 m. Dieser Wert ist bei Pendeln der hängenden Last, feuchten Schienen und erhöhter Windgeschwindigkeit nach oben anzupassen.

Das LiDAR liefert im Bereich bis 50 m eine Entfernungsgenauigkeit von ±20 mm, die Vision-Kamera erkennt Personenziele bis 80 m, wobei die Erkennungszuverlässigkeit von der Beleuchtungsstärke abhängt. Das Fusionssystem wartet nicht auf den Alarm eines Einzelsensors, sondern gibt kontinuierlich „Zielobjekt-Wahrscheinlichkeit" und „Zielentfernung" aus. Stimmen LiDAR und Bildverarbeitung bei demselben Ziel überein, wird der Brems-Schwellwert freigegeben; bei Abweichung wechselt das System in einen konservativen Verzögerungsmodus.

Zur vollständigen Konfiguration des Sicherheitsabstands zur Kollisionsvermeidung siehe Sicherheitsabstand zur Kollisionsvermeidung bei Kranen; zur Unterdrückung von Lastpendeln und Bewegungsplanung siehe KI-Pendeldämpfungsalgorithmus; zur visuellen Erkennung im Rahmen der Strukturüberwachung des Hauptträgers siehe Schweißrisserkennung am Hauptträger.

Sensorauswahl und Bewertung der Feldtauglichkeit bei hochwertigen Sonderanfertigungen als Doppelträger nach EU-Norm

Da sich Triebwerksgruppe und Konstruktionslayout von Doppelträgerkränen nach europäischer Norm unterscheiden, lässt sich die Sensorauswahl nicht pauschal übertragen. Kelude Schwerindustrie wählt für die Baureihen 50 t bis 300 t die Sensoren nach Fahrgeschwindigkeit, Hubhöhe, Triebwerksgruppe und Umgebungstemperatur aus. Bei Innenanlagen im Schwerlastbetrieb mit stabiler Umgebungstemperatur, aber hoher Staubbelastung werden bevorzugt IP67-LiDAR und Vision-Kameras mit Druckluftabreinigung eingesetzt; bei Außenanlagen im Temperaturbereich von -20 °C bis +60 °C benötigen die Kameras eine beheizte Antibeschlagvorrichtung, das LiDAR eine Weittemperaturkompensation.

Die Bewertung der Feldtauglichkeit muss quantifiziert erfolgen. Innerhalb von 24 h Dauerbetrieb soll die Datenverlustrate der Sensoren unter 0,5 % liegen, der Zeitstempel-Synchronisationsfehler darf 10 ms nicht überschreiten. Liegt der Anteil gültiger LiDAR-Punkte unter 40 %, stuft das System die Umgebung als sichtarm ein und begrenzt die Fahrgeschwindigkeit automatisch auf unter 30 m/min; unterschreitet die Bildschärfebewertung einen vorgegebenen Schwellwert, wird die visuelle semantische Ausgabe pausiert und das System nutzt nur LiDAR- und Millimeterwellen-Radar-Daten.

Auch das Schwingungsverhalten der Sensorhalterungen ist entscheidend. Der Hauptträger erfährt bei einer HubLast von 300 t elastische Verformung und niederfrequente Vibrationen; die Eigenfrequenz der Halterung muss die Haupt-Erregerfrequenzen von Kranfahren und Hubwerk umgehen. Kelude Schwerindustrie fordert eine Eigenfrequenz der Sensorhalterung in der ersten Mode von über 25 Hz sowie einen Frequenzdurchlauf von 0 bis 50 Hz nach der Montage, um Resonanzüberhöhung und daraus folgende Kalibrierfehler zu vermeiden.

Bei der Abnahme vor Ort werden drei Testgruppen empfohlen: Nachprüfung der statischen Kalibrierung, dynamische Verfolgungsfahrt der Kranbrücke mit 60 m/min und Erkennung bei Nacht mit geringer Beleuchtungsstärke. In allen drei Testgruppen darf der mittlere Reprojektionsfehler der LiDAR-Punktwolke auf das Bild 2 Pixel nicht überschreiten, und die Zeit vom Zieleintritt bis zum Alarmausgang darf 0,3 s nicht überschreiten. So lässt sich die Verfügbarkeit des Wahrnehmungssystems von „kann anzeigen" auf „kann an der Sicherheitssteuerung teilnehmen" heben.

Häufige Fragen

F: Was ist bei einem intelligenten Kran wichtiger – Vision-Sensor oder LiDAR?

A: Beide ersetzen einander nicht. Das LiDAR liefert geometrische Entfernung und 3D-Punktwolke, die Bildverarbeitung liefert Textur, Kanten und Semantik. Bei Doppelträgern nach EU-Norm ab 50 t wird die Kombination beider empfohlen, da ein Einzelsensor bei Gegenlicht, Regen, Nebel oder Staub Fehlalarme oder übersehene Erkennungen verursachen kann.

F: Wie oft muss die Multisensorfusion kalibriert werden?

A: In der Regel alle 6 Monate oder nach 2000 h Kranfahrbetrieb ist eine Nachprüfung der extrinsischen Parameter erforderlich. Bei häufigen Vibrationen vor Ort, Kollisionen mit der Sensorhalterung oder ungewöhnlichen Alarmen ist sofort zu prüfen, ob der Drehfehler 0,05° oder der Translationsfehler 5 mm überschreitet; gegebenenfalls ist eine Neukalibrierung durchzuführen.

F: Fällt das LiDAR bei Regen und Nebel aus?

A: Es kommt zu Dämpfung, aber nicht zum vollständigen Ausfall. Ein 3D-LiDAR behält im Bereich bis 50 m einen Teil gültiger Punktwolken; in Kombination mit Millimeterwellen-Radar und Bildverarbeitung lassen sich Fehlalarme reduzieren. Das System passt den Verzögerungs-Schwellwert automatisch an den Anteil gültiger Punkte an, damit eine Umgebungsverschlechterung nicht zu einem direkten Stillstand führt.

F: Eignet sich das intelligente Sensor-Konzept von Kelude Schwerindustrie für die Nachrüstung bestehender Altanlagen?

A: Ja. Kelude Schwerindustrie bietet modulare Sensorhalterungen und eine unabhängige elektrische Schnittstelle; bei Doppelträger-Baureihen nach EU-Norm von 50 t bis 300 t lassen sich LiDAR, Vision-Kamera und Kollisionsschutz-Hauptgerät ohne Schweißarbeiten am Hauptträger nachrüsten. Konkretes Konzept und Betrag richten sich nach dem tatsächlichen Vertrag.