CN109573836B - 用于控制提升装置的方法以及提升装置 - Google Patents

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Abstract

给出用于控制用于使负载沿轨迹运动的提升装置的方法，该方法能够实现，使所述负载有效地、自动化地并且无碰撞地在两个点之间运动，规定：确定所述轨迹的所述起点和终点以及禁止区域，在负载运动期间该负载要避开该禁止区域，由此由计算单元计算几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径。预先给定所述提升装置的运动学极限值和几何极限值，计算单元从这些极限值基于所述几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径计算动态路径或圆化的动态路径或平滑的动态路径，该路径提供负载沿几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径运动的时间信息，并且将所述几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径与所述动态路径或圆化的动态路径或平滑的动态路径组合以产生所述轨迹。

Description

用于控制提升装置的方法以及提升装置
技术领域
本发明涉及一种用于控制提升装置的方法，该提升装置用于使负载沿轨迹从起点运动到终点，其中，使所述负载沿第一运动轴线和沿第二运动轴线运动，确定轨迹的所述起点和终点以及禁止区域，在负载运动期间该负载要避开该禁止区域，并且由此由计算单元计算几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径。此外，本发明涉及一种用于使负载沿轨迹运动的提升装置。
背景技术
提升装置、尤其是起重机以多种不同的实施形式存在，并且它们用于多个不同的应用领域。例如存在有主要用于地面工程和地下工程的塔式起重机，或例如用于装配风力设备的移动式起重机。桥式起重机例如被用作厂房中的厂用起重机，并且门座式起重机例如被用于在装卸位置操纵运输集装箱用于多式联运货物装卸，例如在港口用于从船舶装卸到铁道上或载重汽车上，或在货运站上用于从铁道装卸到载重汽车上，反之亦然。主要地，在此用于运输的货物被存放在标准化的集装箱(所谓的ISO集装箱)中，所述集装箱同样适合于在道路、轨道和水路三种运输模式中的运输。门座式起重机的构造和工作方式是充分已知的并且例如在US2007/0289931A1中借助一种“船岸起重机”进行描述。所述起重机具有支承结构或者说门架，在该支承结构或者说门架上设置有悬臂。在此，带有轮子的门架例如可移动地设置在轨道上并且可以沿一个方向移动。所述悬臂与门架固定连接并且在悬臂上又设置有可沿悬臂移动的空中调运车。为了接纳运送的货物(例如ISO集装箱)，所述空中调运车通常借助四根绳索与负载接纳元件(所谓的吊具)连接。为了接纳和操纵集装箱，所述吊具可以借助绞盘被提起或降低，这里借助分别用于两根绳索的两个绞盘。所述吊具也可以适应于不一样大的集装箱。
为了提高物流过程的经济性，另外需要非常快速的货物装卸，也就是说例如非常快速的装载和卸载货船的过程以及负载接纳元件和门座式起重机整体上相应快的移动过程。但这种快速的移动过程可能导致形成不希望的振动、尤其是负载接纳元件的摇摆运动，这又使操作过程延迟，因为集装箱不能精确地被放置在所设定的位置上。
通常这样的起重机现在由起重机操作员操作，起重机操作员控制起重机从例如设置在门架上或可移动的空中调运车上的吊舱中的移动。为了快速、精确且无碰撞地操纵货物，对起重机操作员提出高要求，因此通常需要至少一年的培训和教育时间。尤其是，以尽可能小的摇摆运动使负载快速移动是一项非常复杂的工作，因此通常需要较长的实践经验，以便能够实现无摩擦地运行。起重机操作员工作中附加的困难是由于与长时间坐着有关的高度集中导致的高身体压力，例如向下斜视以及由于对通过时间不断提高要求而产生的精神压力。此外，为了确保连续二十四小时运行，还需要多个优选经验丰富的起重机操作员。因此，自动化技术的一个明确目标是至少部分地使起重机的复杂操纵过程自动化，以便恰当地处理对较短通过时间以及较低错误频率(例如碰撞)不断提高的要求，以及使起重机操作员的工作变得容易。
US6065619A描述了一种用于产生桥式起重机的轨迹的方法，以用于使负载在避免与障碍物碰撞、尤其是与堆叠的集装箱碰撞的情况下在两个点之间移动。首先，确定用于空中调运车的竖直提升运动和水平运动的任意速度并且借助传感器确定障碍物的位置和高度。此外，确定用于直到负载开始水平运动的任意等待时间和直到负载开始竖直下降的任意等待时间。基于预先给定的值，借助模拟确定无碰撞的移动是否可能，并且如果不可能，则所述值重复发生变化，直到到达无碰撞的轨迹。模拟和接着的重复需要相对多的时间，从而不能实现时间优化的控制。
发明内容
因此，本发明的任务是，给出一种用于控制提升装置的方法，该方法能够实现使负载有效地、自动化地且无碰撞地在两点之间运动。
按照本发明，所述任务通过如下方式来解决，即预先给定提升装置的运动学极限值和几何极限值，从所述极限值由计算单元基于几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径来计算动态路径或圆化的动态路径或平滑的动态路径，所述动态路径或圆化的动态路径或平滑的动态路径提供负载沿几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径运动的时间信息，并且将所述几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径与所述动态路径或圆化的动态路径或平滑的动态路径组合以产生轨迹。此外，所述任务通过一种具有至少两个运动轴线的用于使负载沿轨迹运动的提升装置来解决。通过该方法可能的是，不再需要例如起重机操作员的手动贡献来操纵负载。此外，所述负载可以沿所产生的轨迹快速地且可重复地运动，这导致节省时间。此外，所述方法可以被用于任意大小的任何平移的提升装置，并且根据具有已知持续时间的标准化轨迹，所述方法例如也可以集成于集装箱管理程序中，从而装载和卸载过程可以在时间上精确地规划并且因此可以得到优化。如下可能性也是特别有利的：在操纵过程期间这样重新规划轨迹，使得例如可以改变预先给定的终点或者可以使负载在所产生的轨迹上无摆动地停止。在此尤其特别有利的是，分别使用平滑路径来产生轨迹，因为因此可以在负载沿轨迹运动期间可靠地使负载的摇摆振动最小化。
有利的是，在由第一轴线和第二轴线定义的第一平面中确定轨迹的起点和终点，其中，在所述第一平面中确定禁止区域，并且在第一平面中计算几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径，并且基于所述几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径计算动态路径或圆化的动态路径或平滑的动态路径，并且将所述几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径与动态路径或圆化的动态路径或平滑的动态路径组合以产生在第一平面中的轨迹。由此可能的是，产生用于例如厂用起重机的最佳轨迹，所述厂用起重机其具有竖直轴和纵向轴。
在本方法的一种特别有利的实施方案中，所述负载附加地沿提升装置的第三运动轴线运动，其中，在任意的处于由提升装置的三个运动轴线定义的运动空间中的第二平面中确定轨迹的起点和终点，并且在所述第二平面中确定禁止区域，并且在第二平面中计算几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径，并且基于所述几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径计算动态路径或圆化的动态路径或平滑的动态路径，并且将所述几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径与动态路径或圆化的动态路径或平滑的动态路径组合以产生在第二平面中的轨迹。由此可能的是，在空间中产生任意的二维轨迹。例如，对于三轴码头起重机来说，可以在对于运动空间中任意可选择的起点和终点而言的任意平面中的最佳二维轨迹。
根据本方法的另一种有利的实施方案，所述负载沿提升装置的第三运动轴线运动，其中，在由提升装置的三个运动轴线定义的运动空间中确定轨迹的起点和终点，并且在该运动空间中确定禁止区域，并且在该运动空间中计算几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径，并且基于所述几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径计算动态路径或圆化的动态路径或平滑的动态路径，并且将所述几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径与动态路径或圆化的动态路径或平滑的动态路径组合以产生在运动空间中的轨迹。由此可能的是，在空间中产生最佳的三维轨迹，从而能够以时间最优的、多维方式绕过障碍物。
有利地，在第一平面、第二平面或在运动空间中确定提升装置的限定的工作区域，并且计算单元检查起点、终点和禁止区域是否在所述工作区域之内并且是否可以在起点与终点之间产生轨迹。由于轨迹生成的这种可信度，可以提高安全性，因为已经在负载运动之前检查所述轨迹是否可以根据预先给定的边界条件被实施。
优选地，确定所述支承结构的最大速度和最大加速度、行进元件的最大速度和最大加速度以及提升驱动装置的最大速度和最大加速度作为提升装置的运动学极限值，并且确定负载接纳元件的最大偏转角度为几何极限值。通过确定这些极限值提供用于计算动态路径的边界条件，从而可以考虑到提升装置的类型和实施形式。
优选地，将起点与终点借助直线经由支点连接以产生几何路径，其中，所述支点由禁止区域导出。因此，在没有太多计算耗费的情况下，可以产生简单的几何路径作为整个轨迹的基础。
有利的是，所述几何路径在支点上被圆化以产生圆化的几何路径。通过这些已知的几何形状或圆化方法可以使本方法标准化。
优选地，所述圆化的几何路径借助B样条被圆化以产生平滑的几何路径。通过产生平滑的几何路径，可以确保负载沿轨迹无碰撞地且无跳动地运动。
有利地，动态路径借助正向-反向-滤波方法(forward-backward filteringmethod)被圆化以产生圆化的动态路径。优选地所述圆化的动态路径借助B样条被平滑以产生平滑的动态路径。由此，基本上这样确定负载沿轨迹的随时间的运动过程，使得在运动期间不会出现不期望的摇摆运动。
附图说明
下面参考附图1至4更详细地阐述本发明，所述附图示例性地、示意性地且非限制地示出本发明的有利实施方案。其中：
图1示出具有在集装箱的工作区域之内的轨迹的集装箱起重机的示意图，
图2示出在具有禁止区域的工作区域之内轨迹的几何路径，
图3示出轨迹的动态路径，
图4示出在空间中的平面中的轨迹。
具体实施方式
图1示例性地借助示意性集装箱起重机2示出提升装置1，所述集装箱起重机例如被用于在港口中装载和卸载船舶。通常，集装箱起重机2具有支承结构3，该支承结构3固定地或可移动地设置在地面上。在可移动的设置的情况下，支承结构3例如可以在Z方向上可移动地设置在轨道上。由于在Z方向上的这种自由度，集装箱起重机2可以在位置上灵活地使用。为了使支承结构3在Z方向上移动，例如可以在提升装置上设置有合适的移动装置，例如受驱动轮、绳索传动装置、齿轮传动装置或类似物。所述支承结构3具有悬臂4，该悬臂4在特定高度yT上与支承结构3固定连接。通常，在所述悬臂4上设置有行进元件5，该行进元件可在悬臂4的纵向方向上、即在示出的示例中在X方向上运动，例如行进元件5可以借助滚子支承在导向装置中。为行进元件5设置有未示出的行进元件驱动装置，以使行进元件5在X方向上运动。所述行进元件驱动装置可以设置在行进元件5本身上，但也可以设置在悬臂4上或支承结构3上。行进元件5通常借助保持元件6与用于接纳负载8的负载接纳元件7连接。在集装箱起重机2的情况下，负载8通常是集装箱9，在大多数情况下是长度为20、40或45英尺、宽度为8英尺并且高为8英尺6英寸的ISO集装箱。但也存在负载接纳元件7，该负载接纳元件适合同时并排地接纳两个集装箱9(所谓的双吊具)。所述保持元件6通常实施为绳索，其中，在大多数情况下，四个保持元件6设置在行进元件5上，但也可以设置更多或更少的保持元件6，在最简单的情况下也仅设置一个保持元件6。为了接纳负载8(例如集装箱9)，在行进元件5和负载接纳元件7之间的距离可以通过提升驱动装置(未示出)被调节，在图1中在y方向上被调节。当保持元件6实施为绳索时，提升高度通常借助一个或多个绞盘来调节。
为了操纵负载8(例如集装箱9)，提升装置1(例如集装箱起重机2)因此可以在至少两个轴线(X、Y)、优选三个轴线(X、Y、Z)的方向上运动。通常，提升装置1也具有例如以电子控制单元形式以合适的硬件和软件形式的起重机控制装置16，负载8在相应轴线X、Y、Z上的运动可以通过起重机控制装置被控制。为此，所述起重机控制装置16与相应的驱动装置连通。起重机控制装置16通常这样实施，使得行进元件5和负载接纳元件7以及必要时还有支承结构3的当前位置可以被检测。因此，在图1中例如是在示出的X-Y平面EXY中设置在负载接纳元件7的朝向悬臂4的上侧上的中心点PZ的坐标，该坐标具有在X方向以及Y方向上负载接纳元件7的位置xL和位置yL，以及在X方向以及Y方向上行进元件5的位置xT和位置yT(其中，行进元件在Y方向上的位置yT经常由支承结构3或悬臂4的结构高度限定并且是恒定的)。这些位置与给定的坐标系有关。在负载8在Z方向上运动时、即在提升装置1的支承结构3在Z方向上运动时，检测在Z方向上负载接纳元件7的位置zL或行进元件5的位置zT。
由于集装箱9的快速运动过程或风的影响，可能出现，设置在保持元件6上的负载接纳元件7以及设置在其上的集装箱9被激发开始振动、尤其是在此在X-Y平面EXY中开始摇摆运动，例如借助在图1中的双箭头示出的那样。相应地，起重机在Z方向上的运动可以导致在Z-Y平面中的摇摆运动。在负载8在Z方向和X方向上同时运动时、即在支承结构3和行进元件5运动时，在与X-Y平面或Z-Y平面不同的竖直平面中的组合式摇摆运动也是可能的。经验丰富的起重机操作员通常尝试避免所述摇摆运动或将其保持尽可能小，以便能够沿所谓的轨迹T从起点A到特定的终点E快速精确地操纵负载8。
在装载船舶时，所述起点A例如可以是特定集装箱9在陆地上的位置，例如载重汽车挂车、轨道车或存放地点，并且所述终点E例如可以是集装箱9在船舶上的特定预先给定的位置。在卸载船舶时，当然起点A在船上并且终点E在陆地上。为了保持用于实施操作的时间尽可能短，起重机操作员通常尝试选择在起点A和终点E之间可能直接的路径，因此在理想情况下轨迹T是一条直线。
如在图1示出的，但也可能出现，在起点A和终点E之间设置有障碍物11。所述障碍物11例如可以是另一个船舶、彼此堆叠的集装箱9或其它障碍物11。所述障碍物11当然导致，在起点A和终点E之间不可能直接连接、即以直线形式的轨迹T是不可能的，如在图1中可见那样。实际的轨迹T当然强烈地依赖于操作起重机的起重机操作员并且例如可以如在图1中所示、即基本上具有在起点A和终点E之间的曲线形线路，如借助虚线示出的那样。然而，在最简单的情况下，所述轨迹T也可以是彼此排成一列的直线区段，如在图1中借助虚线示出的那样。在此，负载因此例如首先仅在Y方向上竖直地被抬起，然后仅在X方向上水平地运动并且最后又仅竖直地降低以到达终点E。然而所述运动过程是不利的，因为与曲线形轨迹T相比必须经过较长的路程，这导致操纵过程的持续时间较长。此外，负载接纳元件7与在其上设置的集装箱9由于例如在点P处突然的从仅竖直的运动到仅水平的运动的方向改变而较强地倾向于摇摆运动，所述摇摆运动通常必须由起重机操作员来补偿，这意味着额外的时间花费。因此目的是，为了控制提升装置1，在起点A和终点E之间提供尽可能短的且平滑的轨迹T，该轨迹允许实现以尽可能小的摇摆运动进行自动的且无碰撞的运动过程。例如，在图2中借助在提升装置1的X-Y平面EXY中的第一轨迹T示出按照本发明的方法。
按照本发明规定：确定所述轨迹T的所述起点A和终点E以及禁止区域Vi，在负载8运动期间该负载8要避开该禁止区域，并且由此由计算单元12如接下来阐述的那样计算几何路径G或圆化的几何路径G’或平滑的几何路径G”，预先给定所述提升装置1的运动学极限值和几何极限值，从所述极限值由计算单元12基于所述几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径G、G’、G”如接下来阐述的那样计算动态路径D或圆化的动态路径D’或平滑的动态路径D”，该路径提供用于使负载8沿几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径G、G’、G”运动的时间信息，并且将所述几何路径或圆化的几何路径或平滑的几何路径G、G’、G”与所述动态路径或圆化的动态路径或平滑的动态路径D、D’、D”组合以产生轨迹T。所述计算单元12例如可以是具有合适软件的合适硬件，亦或可以作为软件例如集成于起重机控制装置16中。
在图2中为了更简单地描述仅示出具有起点A、终点E和禁止区域Vi的轨迹T(所述指数i在此涉及禁止区域Vi的数量)。起点A的坐标AX、AY和终点E的坐标EX、EY在平面EXY中被确定。例如，起点A可以由要移动的集装箱9预先给定，并且终点E可以由集装箱9应该再次卸载的位置预先给定。禁止区域Vi代表障碍物11或在负载8沿轨迹T运动期间负载8不应该或不允许接触的区域，例如以避免碰撞或确保与人员足够的安全距离。
根据提升装置1的应用领域，可能在起点A和终点E之间设置各种不同的障碍物11。障碍物11的数量、类型和实施方案对于本发明不起作用，例如可以仅设置有一个障碍物11、多个不一样大的障碍物11亦或根本没有障碍物11。重要的仅是，借助所述障碍物11和/或以其它方式禁止的区域可以限定禁止区域Vi，在负载8沿轨迹T运动期间该负载8要避开该禁止区域。所述禁止区域Vi也可以相交。在图2中，例如示出五个禁止区域V0-V4中的两个禁止区域(V3、V4)。
所述禁止区域Vi以及起点和终点A、E可以手动地由使用者例如通过在计算单元12中合适的接口定义，或者自动地由计算单元12确定。为此，例如可以使用合适的激光扫描方法，该激光扫描方法例如扫描提升装置1的工作区域15并且在该过程中识别、测量障碍物11并且将所获得的数据传给计算单元12。这些方法在现有技术中是已知的。
为了定义禁止区域Vi，例如可以使用矩形形式的障碍物11的包络线，所述矩形完全包围障碍物11，如在图1和图2中示出的那样。在此，矩形的高度HRi对应于障碍物11在Y方向上的最大延伸尺寸并且矩形的宽度WRi对应于障碍物11在X方向上的最大延伸尺寸(指数i在此又涉及禁止区域Vi的数量)。这当然仅可示例性地理解，也可设想禁止区域Vi的其它几何陈述。这例如可以从包围多个障碍物11的唯一禁止的区域V导致例如借助障碍物11的具体轮廓更精确地定义多个禁止区域Vi。在此，用于详细说明禁止区域Vi的花费应保持尽可能低并且只需要精确成能够实现用于产生轨迹T的有效方法。
在所述禁止区域Vi的基础上，计算单元12计算支点Sie的数量。在计算支点Sie时，例如可以考虑负载8的大小，以集装箱起重机2为例、即例如标准ISO集装箱的尺寸，以便在任何情况下确保与禁止区域Vi或障碍物11的最小距离。当负载接纳元件7的坐标如所描述的涉及负载接纳元件7的中心点PZ时，也必须考虑负载接纳元件7的尺寸。例如，在没有集装箱9的空车行驶时，在计算支点Sie时仅考虑负载接纳元件7的尺寸就足够了，使得负载接纳元件7可以沿比具有集装箱9的轨迹更靠近禁止区域的轨迹T运动，从而可以减少路径并且由此减少用于操纵的时间。
为了确保负载8(例如集装箱9)与禁止区域Vi的最小距离，也就是说在任何情况下避免负载8与障碍物11碰撞，在所示出的示例中在平面EXY中，例如在Y方向上负载接纳元件7的高度H7和集装箱的高度H9被加到矩形禁止区域Vi的高度HRi并且在禁止区域Vi(在X方向上)的两侧上负载接纳元件7的一半宽度B7(通常对应于集装箱9的一半宽度B9)被加到禁止区域Vi的宽度WRi，如在图2中借助禁止区域V3示出的那样。在负载接纳元件7和集装箱9的宽度不同时(B7≠B9)，优选使用所述两个宽度中较大的宽度。但根据所期望的安全距离，禁止区域Vi的大小也可以确定成较大的。通过考虑集装箱9和负载接纳元件7的尺寸获得扩大的禁止区域Vie、在具体示例中例如扩大的禁止区域V3e。
所述扩大的禁止区域Vie的左上和右下的角点(即在所示出的示例中的矩形)形成支点Sie。对支点Sie进行分类并且丢弃与产生几何路径G无关的支点Sie。为此，例如扩大的禁止区域Vie(该禁止区域由叠加的并且在Y方向上处于较高位置的扩大禁止区域Vie遮盖)的下支点Sie被置于所述较高位置的扩大的禁止区域Vie的高度上，如在图2中借助箭头在支点S0e、S1e、S3e上示出的那样。此后多余的支点Sie被去除(在图2中通过在相应支点中的十字交叉来象征表示)。在所述示例中，支点Sie被理解为是多余的，它们在Y方向上观察处于相同的高度并且不位于扩大的禁止区域Vie的角点上。其余的支点Sie和其余露出的、在扩大的禁止区域Vie的轮廓U(在图2中作为虚线示出的)上的角点PEi、即未被扩大的禁止区域Vie覆盖的处于扩大的禁止区域Vie的轮廓U上的角点PEi(这是在本示例中的角点PE2、PE3、PE4)优选仍向上以集装箱的高度H9和负载接纳元件7的高度H7在Y方向上移动，以便除了所描述的最小距离外还设定轨迹T与禁止区域Vi以及因此与障碍物11的安全距离，得到移动的支点S*。在X方向上最远左边的、即最靠近起点A的下角点PEi和最远右边、即最靠近终点E的下支点Sie(在目前的示例中扩大的禁止区域V0e的左下角点PE0和扩大的禁止区域V4e的右下支点S4e)未被移动。所述步骤不是强制必需的，但是是有利的，例如以便可靠地避免碰撞并且可能保护站在障碍物11上的人员。所述安全距离当然也可以选择较大或较小。在所示出的示例中，起点A和终点E同样分别在Y方向上向上移动特定高度HA或HE，可以获得支点SA *和SE *，如在图2中可看出那样。起点A和终点E的移动基本上用于，在负载8开始移动时能够从起点A出发实施仅竖直的提升运动，并且在负载8结束移动时能够实现负载8仅竖直下降直到终点E。基于这些移动的支点S*、SA *、SB *以及起点A和终点E确定包络线、所谓的凸形包络线。存在各种不同已知的方法(例如已知的格雷厄姆扫描方法)用于确定所述凸形包络线。
在实施所述格雷厄姆扫描方法之后剩余的支点S*、SA *、SB *(在图2中通过围绕相应点的圆圈表示)与起点A和终点E一起形成凸形包络线并且通过直线13i彼此连接，从而产生几何路径G，如在图2中可见那样。因此，所述几何路径仅描述几何形状，但不包含关于负载8运动的动态信息(例如速度、加速等等)。
为了生成轨迹T，负载8可以以尽可能小的摇摆运动跟随该轨迹，以在没有突然的方向变化的情况下能够实现均匀的运动过程，几何路径G在所述剩余的支点S*、SA *、SB *上(即在直线13i的交点上)优选被圆化。所述圆化例如可以借助简单的圆形段14i(如在图2中示出的)借助贝塞尔曲线、回旋曲线亦或其它已知合适的方法进行。在进行圆化之后，所产生的圆化的几何路径G’优选利用所谓已知的B样条扫描(在图2中未示出)。由此实现用于产生平滑的几何路径G”的平滑度，其中，所述平滑的几何路径G”在每个运动方向上(在示例中X或Y方向)可四倍连续几何微分。
最后获得具有路径参数σ的平滑的几何路径G”以及在平面EXY中相应的坐标x(σ)、y(σ)。但所描述的逐步产生平滑的几何路径G”仅可以理解成示例性的，也可设想其它方法，这些方法能够实现产生平滑的几何路径G”(在可多倍、尤其是四倍连续几何微分的意义上(在X、Y方向上))。在所示出的示例中，使用单摆的摆方程以建模提升装置1，如接下来将更详细描述的那样。由所述摆方程得出平滑的几何路径G”的四倍连续几何可微分性的要求。然而，在提升装置1的一种替代的建模中，也可以得出对平滑的几何路径G”的另一个要求，例如比在所示出的摆方程中更高阶或更低阶的连续几何可微分性。
最后，计算单元12基于几何路径G(或圆化的几何路径G’或平滑的几何路径G”)计算动态路径D，该动态路径提供轨迹T的时间信息，从而获得与时间有关的路径参数σ(t)，包括路径速度
Figure BDA0001812720050000121
作为时间导数，如在图3中示出的那样。因此，所述时间信息描述负载8应该在何时在哪里沿轨迹T。这通过负载8的运动的动态参数例如速度、加速度、跳动、碰撞来模拟。
基于提升装置1的预先给定的运动学极限值和几何极限值(所述极限值预先提供给计算单元12)以及几何路径G(或圆化的几何路径G’或平滑的几何路径G”)来计算动态路径D。所述运动学极限值优选是在平面EXY中行进元件5的最大速度vTmax和最大加速度aTmax以及在Y方向上提升驱动装置的最大速度vHmax和最大加速度aHmax。几何极限值例如是在平面EXY中负载接纳元件7的最大偏转角度ΘXYmax。在提升装置1在Z方向上的第三运动方向中，附加地支承结构3的最大速度vSmax和最大加速度aSmax可以被预先给定作为运动学极限值，并且负载接纳元件7在平面EZY中的最大偏转角度ΘZYmax可以被预先给定作为几何极限值。
所述极限值被用于为几何路径G的各区段确定相应的动态极限值。在此也可以使用圆化的几何路径G’或平滑的几何路径G”。因此，在该步骤中，从提升装置1的可供使用的运动方向的运动学极限值和几何极限值中借助几何路径G(或圆化的几何路径G’或平滑的几何路径G”)确定用于路径参数σ的动态极限值。动态极限值可以被理解为负载8在沿轨迹T运动时的最大运动变量(例如速度、加速度)，所述轨迹由提升装置的结构上的构造预先给定。这意味着，负载8只能如由提升装置1的负责运动的构件所允许实现的速度运动。例如，负载8在Y方向上的最大速度和最大加速度基本上通过提升驱动装置的具体实施方案限制，例如通过提升驱动装置绞盘的电动机的功率和扭矩限制。
为了简化计算，在所示出的示例中，所述动态路径D基于圆化的几何路径G’被使用，因为所述圆化的几何路径G’具有限定的几何区段(直线13i和圆形段14i)。在扫描B样条之后，获得更高阶的平滑的几何路径G”，这将使计算动态路径D变得困难。优选地，此外做出假设，负载8的加速仅在直线13i上是可能的，但不在曲线段14i上。当然在曲线段14i上也可以进行加速或减速，并且动态路径规划可以在扫描B样条之后基于平滑的几何路径G”进行，但两者都会提高计算花费。
在图3中示例性地借助具有随时间t的路径速度
Figure BDA0001812720050000133
的图表示出由图2的圆化的几何路径G’导出的动态路径D，其中，各区段的动态极限值是可看出的。所述动态路径规划在第一步骤中不受跳动限制地进行，也就是说最多使用路径参数σ(t)的第二时间导数、即路径加速度
Figure BDA0001812720050000134
如在图3中可见那样。因此，仅速度和加速度必须被预先给定作为极限值。在直线13i上，负载8的运动例如通过最大路径速度
Figure BDA0001812720050000135
以及最大和最小路径加速度(或路径减速度)
Figure BDA0001812720050000131
限定。在圆形段14i上，负载8的运动例如仅通过最大路径速度
Figure BDA0001812720050000132
限定，在圆形段14i上的加速或减速根据所做的假设在示例中未规定，但同样可设想。
从在图2中由几何路径G导出的圆化的几何路径G’在起点A处以第一竖直直线131开始，并且然后过渡到第一圆形段141中。根据所做的假设，在圆形段141上，路径速度不能被提高或减少。所述圆形段141过渡到第二直线132上等等。在所述直线13i上，路径加速是允许的。因此以最大路径加速度
Figure BDA0001812720050000143
加速，直到达到最大允许的路径速度
Figure BDA0001812720050000141
在接下来的圆形段14i上限定最大允许的路径速度
Figure BDA0001812720050000142
该路径速度低于在直线13i上的路径速度。因此，以最大路径减速度
Figure BDA0001812720050000144
减速，以便在接下来的圆形段14i上达到最大允许的路径速度
Figure BDA0001812720050000145
以这种方式，由具有预先给定的极限值的整个圆化的几何路径G’产生不受跳动限制的动态路径D。
如在图3中借助虚线L1示出的，在相继的圆形段14i、14i+1中，在圆形段14i+1上的运动也可以例如以较高的速度进行，如果所述动态极限值允许这样的话。然而，在所描述的示例中省略这点并且圆形段14i+1以与圆形段14i相同的速度被通过。与此类似，例如如借助虚线L2示出的，在所示出的示例中在圆形段14i上较高的速度是可能的，因为提升装置1的运动学极限值和几何极限值允许这样。当然，在所述情况下，在圆弧段14i上的速度必须被限制，以便借助通过提升装置1的运动学极限值和几何极限值预先给定的、在接下来的直线13i上最大可能的延迟满足在终点E中负载8的静止状态的所要求的条件、即最终速度
Figure BDA0001812720050000146
动态极限值的高度当然可以是不一样大的并且取决于相应的直线13i或圆化的几何路径G’的相应圆形段14i。例如，最大路径速度
Figure BDA0001812720050000147
在具有圆形段14i的半径的圆形段14i上增大。在直线14i中，最大路径速度
Figure BDA0001812720050000148
例如取决于在X或Y方向上的速度分量的比值。在负载8仅竖直运动时，例如首先提升驱动装置的运动学极限值是决定性的，在负载8仅水平运动时，基本上行进元件5(或在支承结构3的移动装置的Z方向上)的运动学极限值是决定性的。
优选地，所述动态路径规划在第一步骤中在没有跳动限制的情况下进行，在下一步骤中利用合适的已知方法对所产生的动态路径D进行圆化，例如通过滤波，例如借助正向/反向-滤波(零相位滤波-FIR)或其它适合的滤波方法。由此，获得如在图3中所示的圆化的动态路径D’，该圆化的动态路径是可多倍(在所示出的示例中为三倍)连续微分。优选地，圆化的动态路径D’最终(类似于圆化的几何路径G’)例如借助B样条被扫描，以便可多倍(在所示出的示例中为四倍)连续时间上微分(路径参数σ(t)的时间导数是路径速度
Figure BDA0001812720050000151
路径加速度
Figure BDA0001812720050000152
路径跳动
Figure BDA0001812720050000153
和路径碰撞σ(4)(t)，从而获得平滑的动态路径D”(图3中未示出)。
在借助图3示出的圆化的动态路径D’的示例中可看出，负载8在起点A中从静止状态开始、即具有初始速度
Figure BDA0001812720050000154
这仅示例性地并且不是强制必需的，负载8也可以以初始速度
Figure BDA0001812720050000155
运动离开。初始速度
Figure BDA0001812720050000156
可以有利地被用于，例如确定要移动的集装箱9的通常未知的重量。例如，起重机操作员可以将集装箱从静止状态首先手动竖直地抬起，其中，在竖直运动期间集装箱9的重量借助合适的测量方法被确定。在确定集装箱9的重量之后，集装箱9沿所产生的轨迹T的自动移动可以以相应的初始速度
Figure BDA0001812720050000157
进行，从而可以节省时间，因为集装箱9不必首先又被置于静止状态并且又从静止状态开始。集装箱9所确定的重量可以例如当提升装置1的运动学极限值(例如行进元件5的最大加速度aTmax)与负载8的重量或集装箱9有关时有利地被用于动态路径规划。
此外，在图3中可看出，动态路径D在结束时优选具有带有最终速度
Figure BDA0001812720050000158
的时间区段。所述区段被需要，以便在动态路径D被圆化成圆化的动态路径D’之后能够确保负载8在终点E中的静止状态，即满足条件：在终点E处的路径速度
Figure BDA0001812720050000159
在此，准确的实施方案与所选择的圆化方法(零相位滤波-FIR等)有关，在此重要的是，负载8在轨迹T结束处可以被置于静止状态，如果这是被规定的。
如果负载8在终点E中的最终速度
Figure BDA00018127200500001510
是所希望的，例如因为起重机操作员将负载8手动竖直地运动直到在实际存放位置中的静止状态，则这也同样可以在动态路径规划时被考虑。在该情况下，负载8在动态路径D被圆化之后可以具有特定的最终速度
Figure BDA00018127200500001511
在所示出的示例中，最后将平滑的几何路径G”与平滑的动态路径D”组合以产生轨迹T，从而得到公式x(σ(t))；y(σ(t))的根据公式的关系。对于负载8的位置及其时间导数，示例性地在X方向上得到：
xL＝xL(σ（t))
Figure BDA0001812720050000161
Figure BDA0001812720050000162
Figure BDA0001812720050000163
Figure BDA0001812720050000164
对于Y方向，例如根据提升驱动装置的基本上刚性的系统(指数H)得出用于绳索长度yH及其时间导数的以下简化的关系：
yH＝yT-yL
Figure BDA0001812720050000165
Figure BDA0001812720050000166
Figure BDA0001812720050000167
对于提升驱动装置的另一种实施形式，当然可以得出另一种关系。
为了由负载8的运动得到行进元件5的运动，这对于控制提升装置1是所需的，可以使用提升装置1的模型，例如以对于负载8作为单摆的摆方程的形式根据
Figure BDA0001812720050000168
xT为行进元件5在X方向上的位置。其时间导数得出行进元件5的速度vT和行进元件5的加速度aT。
Figure BDA0001812720050000171
Figure BDA0001812720050000172
为了能够例如由计算单元12(该计算单元例如集成于起重机控制装置中)这样控制行进元件5，使得负载8可以沿所产生的轨迹T运动，最后在X方向上的负载位置xL＝xL(σ(t))及其时间导数
Figure BDA0001812720050000173
xL (4)、以及负载位置yL＝yL(σ(t))及其时间导数
Figure BDA0001812720050000174
被插入到上述摆方程及其时间导数中。出于清楚的原因，在该位置上省略根据公式的关系的单独描述。通过所描述的轨迹T的规划、即通过负载8的运动过程的准确几何描述和动态描述，负载8被赋予规划的轨迹T，从而可以避免在沿轨迹T运动期间负载8的摆动。
然后，从轨迹T中在每个预先给定的时间步长中可以计算用于控制行进元件5的运动的理论值。为此，计算单元12为了控制也可以获得行进元件5的位置的实际值。
该方法当然不限于所示出的X-Y平面EXY。在提升装置1例如在Z方向上的第三运动方向中，例如在Z-Y平面EZY中类似于所描述的实施形式可以产生轨迹T。为此，为了计算在平面EZY中的动态路径D，提升驱动装置在Y方向上的运动学极限值以及支承结构3在Z方向上的(而不是行进元件5在Z方向上的)运动学极限值是决定性的。在摆方程中，行进元件5的X分量相应地由支承结构3的Z分量替代，并且获得位置
Figure BDA0001812720050000175
和/或时间导数vs、as，类似地如上面所描述的，其中，指数S涉及结构3。
行进元件5的高度yT由提升装置1的结构实施方案预先给定并且如在所描述的X-Y平面EXY中运动时保持相同。但行进元件5在Z方向上的位置zT通常基于悬臂4在支承结构3上的固定布置(行进元件5在X方向上可移动地设置在所述悬臂上)与支承结构3在Z方向上的位置zs相同。
但在具有提升驱动装置(Y轴)、行进元件5(X轴)和支承结构3(Z轴)的三轴提升装置1的情况下，在空间中在任何平面EXYZ中产生轨迹T也是可能的，如在图4中示出的那样。在图4中示例性示出在以角度α围绕Y轴枢转的平面EXYZ上的轨迹T。当然在空间中任何其它平面EXYZ也是可能的。但在此该方法原则上的过程保持不变，即确定在空间中在相应的平面EXYZ上的起点A和终点E、确定在平面EXYZ中的禁止区域Vi、在平面EXYZ中产生几何路径G(或圆化的几何路径G’和平滑的几何路径G”)、计算动态路径D(或圆化的动态路径和平滑的动态路径D’、D”)，以及将几何路径G、G’、G”与动态路径D、D’、D”组合。在这种情况下，模型方程被扩展Z分量，使得在相应的平面EXYZ中轨迹T的数学描述是可能的。在这种情况下，为了计算动态路径D，除了行进元件5和提升驱动装置的运动学极限值外，也需要支承结构3的运动学极限值，即例如支承结构3的最大速度vSmax和最大加速度aSmax。
即使本发明示例性地仅借助在X-Y平面EXY上的轨迹T描述，将位于空间中平面EXYZ上的二维轨迹T扩大到在空间中的三维轨迹T也是可能的。在空间中产生三维轨迹T的原则上的方法保持不变。
在该方法的一种有利的实施方案中，确定提升装置1在第一平面中、第二平面中或在运动空间中的限定的工作区域15，并且计算单元12检查起点A、终点E以及禁止区域Vi是否在所述工作区域15之内并且是否可以在起点A与终点E之间产生轨迹T。工作区域15示例性地在图1和图2中示出。在此，工作区域15在图1中由在平面EXY中具有对应坐标xmin、ymin或xmax、ymax的矩形的角点15a、15b限定。通过所述可信度确保，预先给定的起点A、终点E以及轨迹T也实际上可以由提升装置1实现，即实际上可以通过负载8实现。根据提升装置1的尺寸和结构上的实施形式，工作区域15当然可以变化。
确定起点A、终点E和禁止区域Vi以及相应地对于计算单元12的设定可以通过合适的接口(例如由使用者或者说起重机操作员)手动进行，但优选自动地例如借助激光扫描方法进行。在此优选地，提升装置1的工作区域15借助例如设置在行进元件5上的激光扫描器来扫描并且例如确定集装箱9的位置以及必要时尺寸并且将其传输给计算单元12。这种激光扫描方法在现有技术中是已知的，因此这里对此不再详细说明。

Claims (28)

1.一种用于控制提升装置(1)的方法，该提升装置用于使负载(8)沿轨迹(T)从起点(A)运动到终点(E)，其中，使所述负载(8)沿第一运动轴线和沿第二运动轴线运动，确定所述轨迹(T)的所述起点(A)和终点(E)以及禁止区域(Vi)，在负载(8)运动期间该负载(8)避开该禁止区域，由此由计算单元(12)计算几何路径(G)，其特征在于，预先给定所述提升装置(1)的运动学极限值和几何极限值，计算单元(12)由这些极限值基于所述几何路径(G)计算动态路径(D)，该动态路径提供负载(8)沿几何路径(G)运动的时间信息，并且将所述几何路径(G)与所述动态路径(D)组合以产生所述轨迹(T)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在由第一运动轴线和第二运动轴线定义的第一平面中确定轨迹(T)的起点(A)和终点(E)，其中，在所述第一平面中确定禁止区域(Vi)，在第一平面中计算几何路径(G)，基于所述几何路径(G)计算动态路径(D)，并且将所述几何路径(G)与动态路径(D)组合以产生在第一平面中的轨迹(T)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述负载(8)沿提升装置(1)的第三运动轴线运动，在由提升装置(1)的三个运动轴线定义的运动空间中确定轨迹(T)的起点(A)和终点(E)，在运动空间中确定禁止区域(Vi)，在运动空间中计算几何路径(G)，基于所述几何路径(G)计算动态路径(D)，并且将所述几何路径(G)与动态路径(D)组合以产生在所述运动空间中的轨迹(T)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述负载(8)沿提升装置(1)的第三运动轴线运动，在由提升装置(1)的三个运动轴线定义的运动空间中的任意的第二平面中确定轨迹(T)的起点(A)和终点(E)，在所述第二平面中确定禁止区域(Vi)，在所述第二平面中计算几何路径(G)，基于所述几何路径(G)计算动态路径(D)，并且将所述几何路径(G)与动态路径(D)组合以产生在所述第二平面中的轨迹(T)。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述第一平面中确定提升装置(1)的限定的工作区域(15)，并且所述计算单元(12)检查起点(A)、终点(E)以及禁止区域(Vi)是否处于所述工作区域(15)之内并且是否能够在起点(A)与终点(E)之间产生轨迹(T)。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述运动空间中确定提升装置(1)的限定的工作区域(15)，并且所述计算单元(12)检查起点(A)、终点(E)以及禁止区域(Vi)是否处于所述工作区域(15)之内并且是否能够在起点(A)与终点(E)之间产生轨迹(T)。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述第二平面中确定提升装置(1)的限定的工作区域(15)，并且所述计算单元(12)检查起点(A)、终点(E)以及禁止区域(Vi)是否处于所述工作区域(15)之内并且是否能够在起点(A)与终点(E)之间产生轨迹(T)。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，负载(8)能借助支承结构(3)沿提升装置(1)的第三运动轴线运动，负载(8)能借助行进元件(5)沿第一运动轴线运动，负载(8)能借助提升驱动装置沿第二运动轴线运动，确定所述支承结构(3)的最大速度(vVmax)和最大加速度(aVmax)、行进元件的最大速度(vTmax)和最大加速度(aTmax)以及提升驱动装置的最大速度(vHmax)和最大加速度(aHmax)作为提升装置(1)的运动学极限值，并且确定负载接纳元件(7)的最大偏转角度(Θmax)作为几何极限值。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，为了产生所述几何路径(G)，将起点(A)与终点(E)借助直线(13i)经由支点(S*)连接，所述支点(S*)由禁止区域(Vi)导出。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，为了产生圆化的几何路径(G’)，将所述几何路径(G)在支点(S*)上借助圆形段(14i)或回旋曲线或贝塞尔曲线进行圆化。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，为了产生圆化的动态路径(D’)，将所述动态路径(D)借助正向-反向-滤波方法进行圆化。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，将所述圆化的几何路径(G’)借助B样条进行平滑以产生平滑的几何路径(G”)。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，将所述圆化的动态路径(D’)借助B样条进行平滑以产生平滑的动态路径(D”)。
14.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，几何路径是圆化的几何路径(G’)或平滑的几何路径(G”)。
15.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，动态路径是圆化的动态路径(D’)或平滑的动态路径(D”)。
16.一种具有至少两个运动轴线的提升装置(1)，该提升装置用于使负载(8)沿轨迹(T)从起点(A)运动至终点(E)，该提升装置包括行进元件(5)、用于接纳负载(8)的负载接纳元件(7)以及用于提升所述负载接纳元件(7)的提升驱动装置，其中，所述行进元件(5)能沿第一运动轴线运动，所述负载接纳元件(7)利用至少一个保持元件(6)与行进元件(5)连接，并且负载接纳元件(7)能借助提升驱动装置沿第二运动轴线运动，其特征在于，设置有计算单元(12)，该计算单元计算在起点(A)与终点(E)以及限定的、在负载(8)运动期间要被该负载(8)避开的禁止区域(Vi)之间的轨迹，其方式为：所述计算单元(12)构造成，计算在起点(A)与终点(E)之间的几何路径(G)，基于所述几何路径(G)借助提升装置(1)的预先给定的运动学极限值和几何极限值计算动态路径(D)，并且将所述几何路径(G)与所述动态路径(D)组合成轨迹(T)。
17.根据权利要求16所述的提升装置(1)，其特征在于，在由第一运动轴线和第二运动轴线定义的第一平面中确定起点(A)和终点(E)，在第一平面中确定禁止区域(Vi)，其中，在第一平面中实现轨迹(T)的计算。
18.根据权利要求16所述的提升装置(1)，其特征在于，该提升装置(1)具有第三运动轴线，其中，负载(8)能借助支承结构(3)沿所述第三运动轴线运动，并且在由提升装置(1)的三个运动轴线定义的运动空间中确定起点(A)和终点(E)，在该运动空间中确定禁止区域(Vi)，其中，在该运动空间中实现轨迹(T)的计算。
19.根据权利要求16所述的提升装置(1)，其特征在于，该提升装置(1)具有第三运动轴线，其中，负载(8)能借助支承结构(3)沿所述第三运动轴线运动，并且在处于由提升装置(1)的三个运动轴线定义的运动空间中的第二平面中确定起点(A)和终点(E)，在该第二平面中确定禁止区域(Vi)，其中，在该第二平面中实现轨迹(T)的计算。
20.根据权利要求17所述的提升装置(1)，其特征在于，该提升装置(1)在所述第一平面中具有限定的工作区域(15)，其中，在计算单元(12)中确定所述限定的工作区域(15)以用于检查起点(A)、终点(E)以及禁止区域(Vi)是否处于所述工作区域(15)之内并且是否能够在起点(A)与终点(E)之间产生轨迹(T)。
21.根据权利要求18所述的提升装置(1)，其特征在于，该提升装置(1)在所述运动空间中具有限定的工作区域(15)，其中，在计算单元(12)中确定所述限定的工作区域(15)以用于检查起点(A)、终点(E)以及禁止区域(Vi)是否处于所述工作区域(15)之内并且是否能够在起点(A)与终点(E)之间产生轨迹(T)。
22.根据权利要求19所述的提升装置(1)，其特征在于，该提升装置(1)在所述第二平面中具有限定的工作区域(15)，其中，在计算单元(12)中确定所述限定的工作区域(15)以用于检查起点(A)、终点(E)以及禁止区域(Vi)是否处于所述工作区域(15)之内并且是否能够在起点(A)与终点(E)之间产生轨迹(T)。
23.根据权利要求18所述的提升装置(1)，其特征在于，确定所述支承结构(3)的最大速度(vSmax)和最大加速度(aSmax)、行进元件(5)的最大速度(vTmax)和最大加速度(aTmax)、提升驱动装置的最大速度(vHmax)和最大加速度(aHmax)作为提升装置(1)的运动学极限值，并且确定负载接纳元件(7)的最大偏转角度(Θmax)作为几何极限值。
24.根据权利要求16至23中任一项所述的提升装置(1)，其特征在于，计算单元(12)设置用于将起点(A)与终点(E)借助直线(13i)经由由禁止区域(Vi)导出的支点(S*)连接以产生几何路径(G)。
25.根据权利要求24所述的提升装置(1)，其特征在于，计算单元(12)设置用于将所述几何路径(G)在支点(S*)上借助圆形段(14i)或回旋曲线或贝塞尔曲线圆化以产生圆化的几何路径(G’)和/或用于将所述动态路径(D)借助正向-反向-滤波方法圆化以产生圆化的动态路径(D’)。
26.根据权利要求25所述的提升装置(1)，其特征在于，计算单元(12)设置用于将所述圆化的几何路径(G’)借助B样条平滑以产生平滑的几何路径(G”)，和/或用于将圆化的动态路径(D’)借助B样条平滑以产生平滑的动态路径(D”)。
27.根据权利要求16至23中任一项所述的提升装置(1)，其特征在于，几何路径是圆化的几何路径(G’)或平滑的几何路径(G”)。
28.根据权利要求16至23中任一项所述的提升装置(1)，其特征在于，动态路径是圆化的动态路径(D’)或平滑的动态路径(D”)。
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