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Eine
Sensoranordnung, welche beispielsweise auf einem Kran montiert ist,
dient zur Messung (bzw. Schätzung) der Position und Lage
beweglicher Objekte, wie etwa des Krans selbst oder einer Fracht, z.
B. eines Containers. Als weitere Verwendungen kommen etwa die Messung
der Position und Lage eines Fahrzeugs oder eines beweglichen Bauteils
des Krans selbst in Betracht.
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Bei
dem Kran kann es sich beispielsweise um einen Ladekran handeln.
Ladekrane werden auf Güterumschlagplätzen, Lagerplätzen,
in Montagehallen und Werften sowie beim Gleisbau eingesetzt. Bei
einem Ladekran für Kraftfahrzeuge ist der Boden gegenüber
dem Ladekran geneigt, damit Wasser abfließen kann. Weiterhin
sind auf dem Boden unter dem Ladekran Spuren für Lastwagen
markiert.
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Eine
Ausführung eines Ladekrans ist ein Portalkran. Dieser überspannt
einen Lade- und Arbeitsbereich wie ein Portal. In der Regel laufen
seine Seitenwände mit Rädern auf zwei parallelen
Schienen. Auf der Kranbrücke, dem horizontalen Teil des
Portalkrans, bewegt sich eine Laufkatze mit einem Hubwerk. Alternativ
kann auch ein Schienendrehkran auf der Kranbrücke montiert
sein.
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Weiterhin
kommen als Ladekran auch ein Brückenkran, ein Halbportalkran,
ein Bockkran sowie ein Portaldrehkran in Betracht.
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Bewegliche
Teile eines Krans sind z. B. die Laufkatze oder der Spreader – ein
Hebezeug, mit dem Container ergriffen werden können.
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Im
Kontext eines Ladekrans dienen die Messungen der Sensoranordnung
als Grundlage, um LKW-Fahrern zu signalisieren, wo sie anzuhalten
haben. Weiterhin kann aufgrund solcher Messungen der Kran selbst
gesteuert werden.
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Die
Sensoranordnung kann beispielsweise aus einem oder mehreren der
folgenden Elemente zusammengesetzt sein: einem 3D-Laserscanner,
einem schwenkbaren 2D-Laserscanner oder einer Videokamera. Die Elemente
der Sensoranordnung werden üblicherweise derart im Tragwerk
des Krans angebracht, dass – im Falle eines Portalkrans – mehrere
Spuren für LKW oder Gleise für Eisenbahnwaggons überstrichen
werden.
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Damit
die Sensoranordnung in der beschriebenen Weise verwendet werden
kann, ist es erforderlich, sie zu kalibrieren. Das bedeutet, dass
die folgenden Koordinatensysteme zueinander in Beziehung gesetzt
werden müssen:
- – Das Sensor-Koordinatensystem
eines oder mehrerer Laserscanner, die in der Sensoranordnung verbaut
sind,
- – das Kamera-Koordinatensystem einer oder mehrerer
Kameras, sofern diese im Rahmen der Sensoranordnung verbaut sind,
- – das Kran-Koordinatensystem des Krans, bezüglich
dem z. B. Laufkatze und Spreader lokalisiert werden,
- – das Boden-Koordinatensystem, bezüglich dessen
ggf. Spuren für Lastwagen oder Gleise für Eisenbahnwaggons
gegeben sind, welche beladen und entladen werden.
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Die
Kalibrierung wird im Stand der Technik beispielsweise dadurch gelöst,
dass ein speziell zu diesem Zweck angefertigter und bereitgehaltener
Kalibrierkörper auf den Boden im Bereich des Krans gestellt
und in Bezug auf den Kran bzw. das Kran-Koordinatensystem durch
einen Vermessungsingenieur manuell vermessen wird. Zusätzlich
können Fahrspuren manuell in Bezug auf den Kran oder auf
den Kalibrierkörper vermessen werden. Die Sensoranordnung
erfasst anschließend den Kalibrierkörper, woraus
sich Koordinatentransformationen zwischen dem Sensor-Koordinatensystem
und den übrigen Koordinatensystemen erschließen
lassen. Nachteilig wirkt sich hierbei aus, dass der laufende Betrieb
des Krans für die Kalibrierung längere Zeit unterbrochen werden
muss.
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Im
Kontext der Automatisierung der Ladekrananlage ist eine spezifische
Kalibrierung der Sensoranordnung für die jeweiligen Arbeitsabläufe
wünschenswert. Häufig finden sich in der Umgebung
der Ladekrananlage Strukturierungsmerkmale, welche lediglich optisch
erfasst werden können. Ein Beispiel hierfür sind
auf den Boden aufgemalte Spurmarkierungen, welche die Lage der Fahrspuren
anzeigen. Bei Einbindung eines optischen Sensors (etwa einer Kamera)
in die Sensoranordnung muss eine Koordinatentransformation zwischen
dem Kamera-Koordinatensystem und den übrigen Koordinatensystemen bestimmt
werden.
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Ausgehend
von dieser Kalibrierung bleibt noch die Lage der Fahrspuren, auf
denen Fahrzeuge in der Ladekrananlage fahren, zu bestimmen. Eine automatische
Erkennung der Fahrspuren wird in den beschriebenen Anwendungen in
großen Krananlagen durch deren große Abmessungen
und nicht standardisierten visuellen Merkmale erschwert. So können
beispielsweise die Spurmarkierungen unterschiedlich ausfallen. Deshalb
ist es im Stand der Technik erforderlich, weitere, in ihren optischen
und geometrischen Merkmalen genau definierte Kalibrierkörper
in die Anlage einzubringen, um anhand dieser die Kalibrierung vorzunehmen.
Auch eine manuelle Vermessung der Spurmarkierungen bedeutet hier
zusätzlichen Aufwand.
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Die
Bestimmung der Fahrspuren dient dem Zweck, zur Automatisierung der
Ladekrananlage vorhersagen zu können, wo sich Lastkraftwagen
befinden werden. Nachteilig wirkt sich hierbei aus, dass der laufende
Betrieb der Ladekrananlage für die manuelle Vermessung
der Fahrspuren unterbrochen werden muss.
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Es
stellt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren und eine Sensoranordnung
zur Ermittlung von Fahrspuren anzugeben, welche eine Störung
des laufenden Betriebs der Ladekrananlage verringern.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren und die Sensoranordnung gemäß den
unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Bei
dem Verfahren zur Ermittlung von Fahrspuren mit einer Sensoranordnung
werden mit der Sensoranordnung Aufenthaltspunkte von beweglichen
Objekten ermittelt. Die Fahrspuren werden anschließend
aus den Aufenthaltspunkten ermittelt.
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Die
Sensoranordnung zur Ermittlung von Fahrspuren weist einen Datenspeicher
auf, in dem Aufenthaltspunkte von beweglichen Objekten speicherbar
sind, und ferner eine Recheneinheit, welche zur Ermittlung der Fahrspuren
aus den gespeicherten Aufenthaltspunkten eingerichtet ist.
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Dem
Verfahren und der Sensoranordnung liegt die Erkenntnis zugrunde,
dass die beweglichen Objekte (etwa Fahrzeuge, insbesondere Lastkraftwagen,
bewegliche Teile des Ladekrans, insbesondere Laufkatzen oder Spreader,
oder Frachtstücke, insbesondere Container) sich im Wesentlichen
dort aufhalten, wo auch die Fahrspuren auf dem Boden des Ladehofs
eingezeichnet sind. Aus den Aufenthaltspunkten der beweglichen Objekte
kann so auf die Lage der Fahrspuren geschlossen werden.
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Es
werden somit diejenigen Strukturen, welche das Bewegungsverhalten
der beweglichen Objekte steuern sollen, aus dem Bewegungsverhalten der
beweglichen Objekte gefolgert.
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Dies
bietet eine Reihe von Vorteilen. Da ein 3D-Laserscanner, welcher
lediglich Entfernungsmessdaten auswertet, Spurmarkierungen, welche auf
dem Boden des Ladehofs eingezeichnet sind, nicht erfassen kann,
wird es nun möglich, den Laserscanner dennoch zur Ermittlung
der Fahrspuren einzusetzen, indem dieser die Aufenthaltspunkte der Lastwagen
ermittelt. So werden die Fahrspuren unmittelbar im Sensor-Koordinatensystem
der Sensoranordnung ermittelt. Hierdurch entfallen manuelle Ver messungen
der Fahrspuren sowie eine Ermittlung einer Koordinatentransformation
zwischen einem Boden-Koordinatensystem und dem Sensor-Koordinatensystem.
Vielmehr werden die Koordinatentransformationen zwischen den verwendeten
Koordinatensystemen ohne händische Vermessung automatisch
ermittelt. Dies ist genauer und verringert den Aufwand bei der Installation
und Aufschaltung der Sensoranordnung.
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Mit
der manuellen Vermessung der Fahrspuren entfällt der Aufwand
für das Erstellen, Zwischenlagern, Platzieren und Wegräumen
der Kalibrierkörper. Hierdurch werden Kosten eingespart.
Weiterhin wird der laufende Betrieb der Ladekrananlage nicht gestört,
da die Auswertung des Fahrverhaltens der Lastwagen und die Ermittlung
der Fahrspuren im Hintergrund während des laufenden Betriebs
erfolgen.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass etwa auf eine Videokamera verzichtet
werden kann, um die lediglich optisch erfassbaren Spurmarkierungen zu
bestimmen. Schließlich bieten das Verfahren und die Sensoranordnung
auch den Vorteil, nachträgliche Veränderungen
in der Anlage, wenn die Fahrspuren neu definiert werden, automatisch
zu erkennen. Die Sensoranordnung wird in die Lage versetzt, sich
in diesem Fall automatisch nachzukalibrieren.
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Im
Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 Kran
mit einer Sensoranordnung sowie einem Frachtgut unter dem Kran,
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2 Entfernungs-Messdaten
der Sensoranordnung,
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3 ein
Kran-Koordinatensystem, ein Sensor-Koordinatensystem sowie ein Boden-Koordinatensystem,
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4 ein
Ablaufdiagramm einer Kalibrierung der Sensoranordnung.
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1 zeigt
einen Kran 10. An dem Kran 10 ist eine Sensoranordnung 11 angebracht,
welche im in 1 gezeigten Fall aus zwei Elementen
besteht. Weiterhin gezeigt ist ein Frachtgut 12, beispielsweise ein
Container auf einem LKW, welches durch die Sensoranordnung 11 erfasst
wird. Ebenfalls in 1 zu sehen sind Räder 14,
mit denen der Kran 10 auf Schienen bewegt werden kann.
Ein Boden 15 unter dem Kran 10 ist geneigt, so
dass Wasser abfließen kann. Auf dem Boden 15 sind
Spurmarkierungen 13 angebracht, welche Spuren für
Fahrzeuge markieren.
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2 zeigt
Messdaten der Sensoranordnung 11, in diesem Fall Entfernungs-Messdaten
eines Laserscanners. In den Messdaten lassen sich Boden-Messdaten 21 von
Teilen des Bodens 15 unter dem Kran 10 sowie Kran-Messdaten 22 von
Teilen des Krans 10 identifizieren. Dies ermöglicht
eine geometrische Vermessung des Krans und seines Arbeitsraumes.
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Die
Messdaten können beispielsweise durch Schwenk eines 2D-Laserscanners über
die Teile des Krans 10 und die Teile des Bodens 15 gewonnen werden.
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Die
Kran-Messdaten 22 sind hierbei als Rechtecke in 3D heraussegmentierte
Seitenwände des Krans 10. Bei den Boden-Messdaten 21 handelt es
sich entsprechend um heraussegmentierte Bodenpunkte. Von diesen
muss ggf. nur eine Teilmenge verwendet werden, um eine ausreichende
Genauigkeit zu erreichen; dies spart Rechenzeit und Speicherbedarf.
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3 zeigt
erneut den Kran 10, seine Räder 14, die
Sensoranordnung 11 sowie den Boden 15 und die
Spurmarkierungen 13. Zusätzlich eingezeichnet
sind ein Boden-Koordinatensystem 16, ein Kran-Koordinatensystem 17 sowie
ein Sensor-Koordinatensystem 18 der Sensoranordnung 11.
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4 zeigt
ein Ablaufdiagramm zur Kalibrierung der Sensoranordnung 11.
In einem ersten Schritt 1 erfasst die Sensoranordnung 11 Messdaten ihrer
Umgebung wie in 2 gezeigt.
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Hierbei
handelt es sich um Entfernungs-Messdaten. In einem zweiten Schritt 2 werden in
den Messdaten die in 2 gezeigten Boden-Messdaten 21 sowie
die Kran-Messdaten 22 identifiziert. Dies kann rechnergestützt
unter Verwendung von Planzeichnungen erfolgen, welche bezüglich
der Einbaulage der Sensoranordnung 11 bzw. ihrer Elemente
sowie weiterer Elemente des Krans 10 genau genug sind.
Die Messdaten sind hierbei als 3D-Messpunkte gegeben, welche zunächst
alle im Sensor-Koordinatensystem 18 der Sensoranordnung 11 vorliegen.
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In
einem dritten Schritt 3 werden die Kran-Messdaten 22 genutzt,
um aus den Boden-Messdaten 21 ein Boden-Koordinatensystem 16 zu
ermitteln. In einem vierten Schritt 4 wird eine Koordinatentransformation
zwischen einem Sensor-Koordinatensystem 18 der Sensoranordnung
und dem Boden-Koordinatensystem 16 berechnet, anhand derer
die Sensoranordnung 11 kalibriert wird.
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Das
Verfahren zur Kalibrierung der Sensoranordnung 11 nutzt
Symmetrien, etwa Flächensymmetrien oder Translationssymmetrien
im dreidimensionalen Raum. Solche Symmetrien weist der Kran 10 auf – insbesondere
in der Ausgestaltung als Portalkran. Die Symmetrien werden hierbei
aus den Kran-Messdaten 22 und ggf. den Boden-Messdaten 21 extrahiert.
Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine durch die Kran-Messdaten 22 repräsentierte
Fläche von 3D-Messpunkten einen Normalenvektor aufweist,
der als y-Richtungsvektor des Kran-Koordinatensystems 17 verwendet
werden kann. Weiterhin lässt sich die Tatsache nutzen,
dass eine durch die Boden-Messdaten 21 repräsentierte
Fläche von 3D-Messpunkten einen Normalenvektor aufweist, der
als z-Richtungsvektor des Boden-Koordinatensystems 16 gewählt
werden kann. Überraschenderweise kann der x-Richtungsvektor
des Boden-Koordinatensystems 16 identisch zum x-Richtungsvektor des
Kran-Koordinatensystems 17 gewählt werden. Dieser
x-Richtungsvektor ist sowohl parallel zum Boden 15 als
auch parallel zu einer durch die Kran-Messdaten 22 repräsentierten
Fläche. Dies wird am Beispiel des Portalkrans deutlich.
Da dieser auf Schienen fährt, verlaufen diese so wohl parallel zum
Boden als auch parallel zu den Innenwänden des Portalkrans.
Der x-Richtungsvektor sowohl des Boden-Koordinatensystems 16 als
auch des Kran-Koordinatensystems 17 kann somit parallel
zu den Schienen gewählt werden. Somit ist der x-Richtungsvektor
sowohl zu dem Normalenvektor der durch die Boden-Messdaten 21 repräsentierten
Fläche von 3D-Messpunkten als auch zu dem Normalenvektor
der durch die Kran-Messdaten 22 repräsentierten
Fläche von 3D-Messpunkten senkrecht. Ausgehend hiervon
lassen sich diese Koordinatensysteme sukzessive erschließen.
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Im
Folgenden wird ein hierzu geeigneter Algorithmus exemplarisch angegeben.
Es sind beliebige andere Algorithmen möglich. Der Algorithmus
berechnet hilfsweise das Kran-Koordinatensystem 17, welches
für die Herleitung des Boden-Koordinatensystems 16 verwendet
wird.
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Im
Szenario eines Portalkrans in einem Hafen werden als Kran-Messdaten 22 3D-Messpunkte identifiziert,
die zur Seitenwand (der so genannten "sill bar") gehören,
und zwar einerseits 3D-Messpunkte, die zur seeseitigen Seitenwand
gehören, sowie andererseits 3D-Messpunkte, die zur landseitigen
Seitenwand gehören. Bei Portalkränen auf dem Festland
kann eine beliebige andere Charakterisierung der beiden Seiten des
Portalkrans gewählt werden.
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Eine
Hauptachsentransformation (beschrieben in:
Jonathon Shlens:
"A Tutorial an Principal Component Analysis", erhältlich
im Internet am 02.07.2007 unter
http: //www.snl.salk.edu/~shlens/pub/notes/pca.pdf auf
den 3D-Messpunkten der seeseitigen Seitenwand des Krans
10 sowie
auf den 3D-Messpunkten der landseitigen Seitenwand des Krans
10 ermöglicht
jeweils die Bildung eines Normalenvektors im Schwerpunkt der jeweiligen
3D-Messpunkte. Aus diesen beiden Normalenvektoren wird nun durch
Mittelung der y-Richtungsvektor des Kran-Koordinatensystems
17 gebildet.
Hierbei wird als Konvention gewählt, dass der y-Richtungsvektor zur
Seeseite weist.
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Ebenfalls
durch Hauptachsentransformation wird auf den 3D-Messpunkten in den
Boden-Messdaten 21 ein Normalenvektor gebildet und als
z-Richtungsvektor des Boden-Koordinatensystems 16 gewählt.
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Anschließend
ergibt sich der x-Richtungsvektor sowohl des Boden-Koordinatensystems 16 als auch
des Kran-Koordinatensystems 17 aus dem Kreuzprodukt des
y-Richtungsvektors des Kran-Koordinatensystems 17 und des
z-Richtungsvektors des Boden-Koordinatensystems 16.
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Im
nächsten Schritt wird der z-Richtungsvektor des Kran-Koordinatensystems
aus dem Kreuzprodukt des x-Richtungsvektors und des y-Richtungsvektors
des Kran-Koordinatensystems 17 berechnet. Entsprechend
ergibt sich der y-Richtungsvektor des Boden-Koordinatensystems 16 aus
dem Kreuzprodukt des z-Richtungsvektors und des x-Richtungsvektors
des Boden-Koordinatensystems 16.
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Als
Ursprung des Kran-Koordinatensystems 17 wird zunächst
die Mitte zwischen den Fußpunkten der aus den Kran-Messdaten 22 gebildeten
Normalenvektoren gewählt.
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Anschließend
werden die 3D-Messpunkte in den Kran-Messdaten 22, welche
zur seeseitigen Seitenwand und zur landseitigen Seitenwand gehören, in
das Kran-Koordinatensystem 17 transformiert. Im Zuge dessen
wird auch ihre Ausdehnung in x-Richtung als Minimum und Maximum
bestimmt. Daraufhin wird das Kran-Koordinatensystem 17 in
seiner x-Richtung so verschoben, dass sein Ursprung auf der Mitte
zwischen dem ermittelten Minimum und Maximum liegt. Damit ist das
Kran-Koordinatensystem 17 vollständig bestimmt.
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Als
Ursprung des Boden-Koordinatensystems 16 wird zunächst
der Schwerpunkt der 3D-Messpunkte in den Boden-Messdaten 21 bestimmt.
Anschließend wird die z-Achse des Kran-Koordinatensystems 17 mit
der Ebene, welche durch die 3D-Messpunkte in den Boden-Messdaten 21 gebildet
wird, geschnitten. Der Schnittpunkt als Ursprung des Boden-Koordinatensystems 16 gewählt.
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Nun
können Fahrspuren unter dem Kran 10 manuell zwischen
Gleisen, auf welchen die Räder 14 des Krans 10 laufen,
vermessen werden. Die Lage der Mitte zwischen den Gleisen relativ
zur Sensoranordnung 11 ergibt sich aus den zuvor ermittelten
Koordinatensystemen.
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Anhand
der ermittelten Koordinatensysteme wird jeweils eine Koordinatentransformation
zu dem Sensor-Koordinatensystem 18 der Sensoranordnung 11 errechnet.
Mit dieser wird die Sensoranordnung 11 kalibriert.
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Ermittlung der Fahrspuren:
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Zur
Ermittlung der Fahrspuren wird über einen hinreichend langen
Zeitraum hinweg beobachtet, wo sich bewegliche Objekte (etwa Fahrzeuge,
insbesondere Lastkraftwagen, bewegliche Teile des Ladekrans, insbesondere
Laufkatzen oder Spreader, oder Frachtstücke, insbesondere
Container) auf dem Ladehof in der Krananlage befinden. Das Messintervall kann
alternativ durch eine vorgegebene erforderliche Anzahl von Beobachtungsfällen
definiert werden. Im Messintervall wird ein Normalbetrieb im Ladehof
unter dem Ladekran beobachtet. Aus den hierbei gewonnenen Messdaten
der Sensoranordnung 11 wird ermittelt, in welchen Bereichen
im Ladehof sich die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der beweglichen Objekte
häufen. Mit Hilfe statistischer Verfahren kann aus den
Aufenthaltspunkten bzw. Aufenthaltswahrscheinlichkeiten die Lage
der Fahrspuren hinreichend genau geschätzt werden. Das
statistische Verfahren kann hierbei Modellannahmen berücksichtigen,
etwa die Modellannahme, dass die Fahrspuren auf dem Boden 15 parallel
eingezeichnet sind oder die Modellannahme, dass die Fahrspuren auf
dem Boden 15 jeweils gleich breit eingezeichnet sind.
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Hierdurch
wird es möglich, auf eine Videokamera zu verzichten und
die Ermittlung der Fahrspuren stattdessen mit einem 3D-Laserscanner
durchzuführen. Hierzu nimmt der 3D-Laserscanner während dem
definierten Messintervall dreidimensionale Scans vom Ladehof in
der Ladekrananlage in ihrem Normalbetrieb auf. Aus den Scans werden
anschließend Aufenthaltspunkte von beweglichen Objekten, insbesondere
Lastkraftwagen, ermittelt. Diese Aufenthaltspunkte weisen über
die Statistik aller Scans hinweg Häufungspunkte auf, welche
den Fahrspuren entsprechen. Die Parameter, welche die Lage der Fahrspuren
beschreiben, werden somit aus den beobachteten Aufenthaltspunkten
der beweglichen Objekte gefolgert.
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Mit
der manuellen Vermessung der Fahrspuren wird somit erheblicher Installationsaufwand
bei der Aufschaltung der Sensoranordnung 11 eingespart.
Die Sensoranordnung 11 kann sich fortlaufend an neue Gegebenheiten
in der Ladekrananlage anpassen.
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Ein
weiterer Vorteil liegt darin, dass die Fahrspuren unmittelbar im
Sensor-Koordinatensystem (18) ermittelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Jonathon Shlens:
"A Tutorial an Principal Component Analysis" [0038]
- - http: //www.snl.salk.edu/~shlens/pub/notes/pca.pdf [0038]