Optische Schüttgutsortierung mit Flächenkameras

Präzise Ausschleusung und Materialcharakterisierung durch Bildfolgenauswertung und Multiobject-Tracking

  • Optische Schüttgutsortierung gilt als Schlüsseltechnologie für die Kreislaufwirtschaft und hat eine zentrale Bedeutung in der Qualitätskontrolle ­verschiedener Industrien.  (Bildquelle: Fraunhofer IOSB)Optische Schüttgutsortierung gilt als Schlüsseltechnologie für die Kreislaufwirtschaft und hat eine zentrale Bedeutung in der Qualitätskontrolle ­verschiedener Industrien. (Bildquelle: Fraunhofer IOSB)
  • Optische Schüttgutsortierung gilt als Schlüsseltechnologie für die Kreislaufwirtschaft und hat eine zentrale Bedeutung in der Qualitätskontrolle ­verschiedener Industrien.  (Bildquelle: Fraunhofer IOSB)
  • Abb. 1: Schematische Darstellung des Beobachtungs- und Separationsprozesses aus der Sicht von oben für ein System mit Zeilen- (l.) und Flächenkamera (r.). Die rote Raute stellt ein Teilchen, das ausgeschleust werden soll, zu mehreren Zeitpunkten dar. Der Kasten ­veranschaulicht die Lokalisierung, wie sie sich aus den Bilddaten ergibt. Der gestrichelte ­Kasten zeigt das ­berechnete Ausblasfenster. Links: Das Objekt wird von der Zeilenkamera nur einmalig erfasst, es kommt zu einem Sortierfehler. Rechts: Die Bewegung des Objekts wird durch das Tracking erfasst und die Position am Düsenbalken präzise geschätzt.  (Bildquelle: Fraunhofer IOSB)
  • Abb. 2: Die Bewegung der einzelnen Partikel wird erfasst und analysiert, während sie die Rutsche herunterrutschen (von oben nach unten). (Bildquelle: Fraunhofer IOSB)
  • Abb. 3: Sortiersystem TableSort als ­Rutschensortierer (Bildquelle: Fraunhofer IOSB)

Optische Schüttgutsortierung gilt als Schlüsseltechnologie für die Kreislaufwirtschaft und hat eine zentrale Bedeutung in der Qualitätskontrolle ­verschiedener Industrien. Bestehende Sortierverfahren setzen voraus, dass einzelne im Materialstrom enthaltene Partikel dem bildverarbeitenden ­Inspektionssystem geordnet, das heißt in gleichförmiger Transportgeschwindigkeit, zugeführt werden. Für viele Schüttgüter, zum Beispiel rundlich ­geformte, ist dies jedoch nur durch produktspezifische, mechanisch auf­wändige Sonderlösungen oder einen erhöhten Energieaufwand möglich. Hierdurch kann die Sortierung unrentabel werden. Ein neuer Ansatz besteht darin, optische Schüttgutsortierer durch Bildfolgenauswertung und eine Bewegungsanalyse einzelner Partikel zu verbessern.

Optische Schüttgutsortiersysteme ermöglichen die Trennung eines körnigen Materialstroms in mehrere Fraktionen. In vielen Fällen besteht die Sortieraufgabe darin, ein definiertes Produkt von Fremdkörpern, Störstoffen oder qualitativ minderwerti­gen Partikeln zu reinigen. Anwendungs­beispiele finden sich in der Sortierung von Kunststoffabfällen, Bauabbruch und Altglasscherben sowie bei der Entfernung von Fremdkörpern in Lebensmitteln und Agrarprodukten.

In der Industrie finden sich verschiedene Systemauslegungen, welche sich hinsichtlich des Materialtransports, der Materialausschleusung und der eingesetzten Sensorik unterscheiden. Insbesondere durch die große Auswahl an verfügbaren Sensoren sind optische Schüttgutsortierer vielseitig einsetzbar. Heute werden unter anderem schon Röntgentransmissionssensoren für die Sortierung nach Dichte und Farbkameras zur Sortierung nach Geometrie und Farbe eingesetzt. Hyperspektralkameras ermöglichen gar eine materialspezifische Sortierung. Für granulare Produkte sind pneumatische Schnellschaltventile als Separationsmechanismus fest etabliert. Auf Basis der Bild­daten wird für im Materialstrom enthaltene Schlecht-Partikel ein sogenanntes Ausblasfenster berechnet, welches aus einem Array von Ventilen die passenden auswählt sowie das Zeitfenster für die Aktivierung zur Ausschleusung der Partikel beschreibt.

Eine Gemeinsamkeit aller Varianten findet sich im Einsatz zeilenscannender Sensoren.

Dadurch werden die Partikel nur einmalig betrachtet und es kann keine Bewegungsinformation über individuelle Partikel abgeleitet werden.

Erweiterung optischer Schüttgut­sortierer um Bewegungsanalyse

Im Rahmen eines interdisziplinären Kooperationsprojekts zwischen dem Fraunhofer Institut für Optronik, Bildauswertung und Systemtechnik IOSB, dem Lehrstuhl für ­Intelligente Sensor-Aktor-Systeme des Karlsruher Instituts für Technologie und dem Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik der Ruhr-Universität Bochum wurde ein optisches Sortiersystem mit Flächenkamera entwickelt. Durch den Einsatz einer Hoch­geschwindigkeitskamera werden im Materialstrom enthaltene Partikel zu mehreren Zeitpunkten betrachtet und über ein Multiobject Tracking System verfolgt. Während die Verfolgung einzelner oder weniger Objekte ein vergleichsweise einfaches Problem darstellt, ist die Verfolgung zahlreicher, dicht beieinanderliegender Partikel ein algorithmisch schwieriges Problem. Für das Anwendungsfeld optische Schüttgutsortierung müssen Tausende von Partikeln gleichzeitig verfolgt werden – und das in Echtzeit. Hierzu bedarf es hocheffizienter Algorithmik, welche auch auf Grafikkarten ausgeführt werden kann. Das Projekt wurde von der Forschungs-Gesellschaft Verfahrens­­technik als „Projekt des Jahres 2019“ ausgezeichnet.

Echtzeit Multiobject-Tracking zur Positionsschätzung

Aufgrund eines zeitlichen Versatzes zwischen Kamerasichtlinie und Separation, welcher unter anderem durch die benötigte Zeit zur Verarbeitung der Sensordaten entsteht, ist es für eine sichere Ausschleusung bei heutigen Systemen zwingend notwendig, sicherzustellen, dass sich alle im Materialstrom enthaltenen Partikel mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit bewegen. Nur so greifen während der Blindphase globale Annahmen zur Bewegung, welche aufgrund fehlender Information zum individuellen Bewegungsverhalten der Partikel alternativlos sind, zur Ansteuerung der Aktorik und somit der sicheren Ausschleusung. Kann diese Vorkonditionierung nicht eingehalten werden, resultiert dies in einem Sortierfehler wie in Abbildung 1 (links) dargestellt. Es existieren zwei Ansätze zur Entschärfung dieser Problematik, welche jedoch mit schwerwiegenden Nachteilen behaftet sind. Zum einen kann durch enormen mechanischen Aufwand, zum Beispiel produktspezifische Fördermechanismen und lange Förderbänder, eine gleichförmige Transportgeschwindigkeit unterstützt werden. Dies resultiert jedoch in gesteigerten Entwicklungs-, Anschaffung-, Wartung- und Unterhaltskosten.  Zum anderen ist es möglich, besonders große Ausblasfenster zu wählen. Hierbei werden mehr Ventile länger geöffnet als vermeintlich nötig. Dies resultiert jedoch in einem gesteigerten Druckluftbedarf und somit erhöhtem Energieaufwand und Betriebskosten. Zudem steigt die Wahrscheinlichkeit, in der unmittelbaren Umgebung befindliche Partikel ebenfalls zu treffen und somit fälschlicherweise mit auszuschleusen. Dieses Phänomen wird auch als Beifang bezeichnet.

Durch das neue Sortiersystem und das Tracking einzelner Partikel über die Zeit können Bewegungsparameter, zum Beispiel die Geschwindigkeitskomponenten in und quer zu Transportrichtung, für jedes Partikel individuell bestimmt werden. Diese Parameter können mithilfe eines Modells genutzt werden, um zukünftige Positionen präzise zu schätzen. Für die optische Schüttgutsortierung bedeutet dies, dass die Aktorik deutlich akkurater angesteuert werden kann, wie in Abbildung 1 (rechts) dargestellt.

Optische Prüfung nicht-optischer Eigenschaften

Neben der Nutzung für eine präzisere Ausschleusung kann die gewonnene Bewegungsinformation zur Charakterisierung einzelner Partikel eingesetzt werden. Diverse mechanische Eigenschaften einzelner Partikel können das Bewegungsverhalten während des Transports prägen. Somit wird es möglich, Partikel, welche optisch identisch sind, auf Basis der Bewegung zu unterscheiden. In aktuell laufenden Forschungsarbeiten wird die Materialcharakterisierung auf Basis von Bewegung sowohl für die optische Schüttgutsortierung als auch andere industrielle Sichtprüfaufgaben untersucht.

Sortierversuchsplattform TableSort

Zur Validierung des Verfahrens wurde eine modulare Kleinstsortieranlage genutzt, welche sowohl klassisch mit Zeilenkamera als auch mit Flächenkamera betrieben werden kann, siehe Abbildung 3. Das Sortiersystem kann zudem sowohl als Band- als auch Rutschensortierer realisiert werden. Angelehnt an ein mechanisches Steckbrett können die verschiedenen Komponenten der Sortieranlage frei positioniert und so das System aufgebaut werden.
Durch im Labor durchgeführte Sortierversuche mit unterschiedlichen Produkten konnte bereits gezeigt werden, dass durch das Verfahren die Reinheit des resultierenden Produkts erheblich gesteigert werden kann. Ebenfalls zeigen die Ergebnisse, dass eine qualitativ gleichwertige Sortierung unter Verwendung von weniger Druckluft möglich ist, da die Impulse die Partikel präziser treffen. Dies hat ebenfalls zur Folge, dass weniger Beifang und somit weniger Verlust des Gut-Produkts entstehen.

Derzeit wird daran gearbeitet, das Verfahren von dem Laborsystem auf eine industriell dimensionierte Anlage zu skalieren, um wirtschaftlich relevante Materialdurchsätze zu erzielen.

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