CN112744708A - 用于为升降设备生成轨迹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于为由横跨升降区域的升降设备运输的负载生成轨迹的方法。所述方法包括提供升降区域的三维模型，该模型具有升降区域内的已定位障碍物；提供包括负载长度、高度、宽度和重量的负载参数。使用升降区域的模型并且考虑已定位障碍物、负载参数和包括带负载的升降设备的最大可达到速度的负载运动参数来生成用于导航通过升降区域的轨迹，其中所生成的轨迹包括起点、目标点以及连接起点和目标点的多条连续线段。以及通过最大化主行进方向上的至少一条线段的长度来针对速度优化轨迹，以便在主行进方向上以带负载的升降设备的最大可达到速度行进。

Description

用于为升降设备生成轨迹的方法

技术领域

本发明涉及一种用于为横跨升降区域的升降设备生成轨迹的方法，该升降设备被布置成承载由来自于能够与升降设备一起移动的小车的缆绳悬挂的负载。

背景技术

如图1所示，诸如桥式起重机、龙门起重机或高架移动式起重机的升降设备1通常包括可以沿水平轴X在单个梁或一组轨道3上移动的小车2。沿X轴的第一运动通常被称为短行程运动和/或小车运动。根据设备的类型，梁或一组轨道3(也称为桥)也可以沿垂直于X轴的水平轴Y移动，从而使小车能够沿X轴和Y轴两者移动。沿Y轴的第二运动通常被称为长行程运动和/或桥或起重机运动。沿X轴的可用短行程和沿Y轴的可用长行程的量确定了升降机1所横跨的升降区域。

负载悬挂装置4与穿过小车2的线缆相关联，线缆5的长度由小车2控制以改变，从而实现负载6沿垂直轴Z的位移，这被称为升降运动。

升降设备对负载的搬运可能引起负载的摆动，为了平稳和安全地执行负载转移，同时最小化转移所需的时间，这种摆动最好被抑制。这种摆动是由小车沿X轴和/或Y轴的一个或多个水平运动的加速度产生的。这种摆动类似于钟摆的摆动，其振荡频率和振幅取决于线缆的长度。已经开发了各种解决方案来帮助减小这种悬挂负载的摇摆角度。

跨大厅、造船厂、冶金厂或核电厂转移悬挂负载需要操作员非常小心，以防止存在于升降区域内的人员、障碍物或物体受到任何方式的撞击或损坏。因此，除了尺寸之外，当沿升降区域的边界内的轨迹、跨工作地点操纵负载时，操作员还需要考虑悬挂负载的摆动(通常称为摇摆)。

这种复杂性阻碍了能够沿轨迹独立转移悬挂负载的全自动升降系统的发展。因此，需要开发能够在保持安全性和定时条件的同时，考虑人、障碍物和/或物体的存在而调整轨迹的起重机。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以自动且独立地自转移(self-transfer)悬挂负载的升降设备。

根据本发明，该目的是通过提供一种用于为横跨升降区域的升降设备生成轨迹的方法来实现的，该方法包括：提供升降区域的三维模型，该模型具有升降区域内的已定位物体；提供包括负载长度、高度、宽度和重量的负载参数；以及使用升降区域的模型并考虑已定位物体、负载参数和包括带负载的升降设备的最大可达到速度的负载运动参数来生成用于导航通过升降区域的轨迹。其中所生成的轨迹具有起点、目标点和连接起点与目标点的多条连续线段。通过最大化主行进方向上的至少一条线段的长度来针对速度优化轨迹，以便在主行进方向上以带负载的升降设备的最大可达到速度行进。

由于该方法最小化了连续线段变化的次数，并因此最小化了方向变化的次数，从而生成的轨迹适于支持最大行进速度而不是距离。

另一方面，本发明涉及一种被配置用于执行所公开的方法的控制装置。这种控制装置可以是升降设备的一部分。此外，其可能是升降起重机的一部分。

与车辆(例如汽车)相比，在确定升降设备的轨迹时，主要区别是升降机在X和Y方向上的速度是相互独立的。这意味着对于正在以某个角度转弯的车辆来说，X和Y方向的速度是相关的。此外，对于升降设备，第三Z方向的速度与X和Y方向都是独立的。在X和Y方向上的速度确实对摇摆的量(即由升降机承载的负载的振幅)有影响，但是确定最大摇摆的主要参数是钟摆(即缆绳)的长度。因此，由升降机控制的高度Z主要确定摇摆以及在该摇摆的情况下需要考虑的安全和/或安保界限。

因此，在确定最佳轨迹时，越过障碍物或绕行的决定应考虑可能获得的高度；并且考虑哪一个选项提供最佳方案。最佳方案可以基于当改变行进方向时的更高速度来确定，也可以基于穿过特定区域的最短路径来确定。

例如，当例如考虑到摇摆和以增加路径长度为代价而增加安全裕度时，可以以更高的速度绕过特定障碍物，而越过障碍物可能意味着在X或Y方向上降低速度以适应将负载升降到必要高度所需的时间。

附图说明

仅作为示例，将参考附图描述本公开的实施例，其中：

图1示意性地示出了升降设备的示例；

图2示出了用于为升降设备创建路径的过程的框图的示例；

图3示出了进入管理的流程图的示例；

图4示出了用于维护升降区域的3D模型的流程图的示例；

图5示出了用于寻找路径的流程图的示例；

图6示出了用于为由升降设备运输的负载生成轨迹的方法的示例；

图7示出了升降区域的模型中的路径的示例；

图8示出了图7的路径的优化；

图9示出了升降区域的模型中的路径的另一示例；

图10示出了图9的路径的优化；

图11示出了图10的路径的进一步优化；

图12示出了优化路径的另一示例；

图13示出了具有移动物体的升降区域的模型的示例；

图14示出了在图13的模型中寻找路径的示例；

图15示出了在图14的模型中调整路径的示例；

图16示出了具有移动物体的升降区域的另一模型的示例；

图17示出了图16的模型中的最短路径的示例；

图18示出了图16的模型中的调整路径的示例；

图19示出了在图16的模型中寻找优化路径的示例。

具体实施方式

参照图2，示出了用于创建起重机将负载从升降区域内的一个地方运输到另一地方所遵循的路径的一般过程200的框图。该过程可以由升降设备的控制装置来执行。用于创建路径的“解决方案(way around)”过程201包括三个子过程。建模过程220，用于维护升降区域(即货场和其中存在的障碍物)的3D模型。进入管理过程230，用于确保进入和/或穿过区域的授权被管理。以及路径寻找过程240，用于确定起重机要完成的路径。货场或大厅、或其他工作区，将有用于监控货场或所有区域的IT控制系统。这种监控系统或其子系统可以提供用于轨迹执行、授权(即进入管理)和一般安保的功能。

建模过程220具有以下各项作为输入：货场本身的尺寸207、货场内的障碍物的尺寸203、货场内的禁区208及其进入状态202、被选择以待运输的负载的尺寸204，以及货场内可能存在的负载和障碍物的运动特性209。建模过程220的输出是升降区域和其中所有元素(即禁区、障碍物和负载)的3D模型221。

进入管理过程230具有以下各项作为输入数据：3D模型221和操作员进入请求201。考虑起重机的当前轨迹和当前速度，然后进入过程230将给出进入授权231，或者其可以拒绝授权。路径寻找过程240具有输入：3D模型221、实际或当前起重机位置205、期望的最终起重机位置206、负载尺寸204和运动特性209。路径寻找过程240的输出是由升降机完成的路径241。

货场尺寸207包括起重机横跨的升降区域的长度和宽度以及最小高度规格，而最大高度基本上由起重机本身的高度决定。

物体尺寸203包括升降区域中存在的诸如各种容器、板条箱、货物、装备等的每个障碍物的长度、宽度、直径和/或高度。物体尺寸203还可以包括潜在存在的诸如车辆和其他可移动装备的障碍物的相同数据。被选择以待运输的负载的负载尺寸204可以用长度、宽度、直径、高度和/或重量来表达。负载和障碍物的运动特性209可以由速度、加速度、减速度、最大摇摆和/或运输高度来指定。

禁区208是具有限制进入或受限进入的区域，并且可以由长度、宽度和高度来指定。这些区域可以包括由某些装备覆盖的操作区，诸如传送带、部署有特定装备的部署区或新货物到达的到达区。它们还可以包括操作员和/或其他人员可以行走的人行道或通道区。禁区208的进入状态202可以随时间而改变，例如，当装备仅被临时部署或者新货物在到达区的到达只发生在预定的时间间隔内时。

当前起重机位置205可以在升降区域内用X、Y、Z坐标来表指定。同样，可以类似地指定期望的最终起重机位置206。

建模过程220的输出3D模型221将升降区域描述为空间模型，该空间模型定义了由起重机移动的小车可以行进和/或穿过的自由和阻塞区域或区。

参照图3，示出了进入管理230的子过程的流程图的示例。升降设备可以在例如造船厂或仓库的升降区域内连续运行，因此可以执行连续的任务。在造船厂或仓库内，这些区域中的一些可能会由于各种原因是禁止入内的。因此，对进入特定区域以执行操作员请求的任务的管理是需要的。

该过程以来自操作员的对进入工业货场的特定区域的新进入请求301开始，同时升降设备(例如起重机)可能正在将特定负载从开始位置运输到目标位置。接收到新请求之后，检查302升降设备的当前位置是否在进入请求所针对的区域内。如果是，则该过程等待305直到正在进行的路径完成，在此之后新请求被接受并且授权表被更新306。如果否，则该过程继续，并且检查新请求是否会阻塞当前路径，迫使起重机停止303。如果是，则阻止该停止，并且该过程等待305直到正在进行的路径完成。如果否，则该过程继续，并且检查新请求是否会迫使起重机修改304当前路径并且增加执行时间。如果是，则阻止中断，并且该过程等待305直到正在进行的路径完成。如果由于中断请求而导致的修改不会增加执行时间，例如由于替代起重机路径可用，则新请求可以被接受。此外，可以应用增加的执行时间的特定容限，如果未来路径的执行时间的增加保持在容限阈值内，这将允许新请求。因此，如果否，则新请求被接受并且授权表被更新306。

授权表可以是与大厅或货场的监控系统共享的可变结构。根据这些信息，如起重机的当前位置和授权，监控系统将能够监控大厅或货场以便授权人员进入区域，并监控和停止存在的装备以防其侵入该特定区域。

参照图4，示出了用于维护升降区域的3D模型的过程的流程图的示例。该过程可以由进入区域的数量的变化401、进入区域的尺寸的变化或禁止进入区域的状态变化来触发。然后，该过程继续计算将升降区域表示为其中的各种区域被划界的二维表面的数据矩阵402。这些区域可能代表障碍物、人行道、部署区和所有其他类型的区域和/或区。

为了使不同区域的数量可管理，该过程可以可选地包括检查403是否没有超过最大数量。如果超过最大值，则可以通知错误404，并且可以重新计算数据矩阵以聚集特定区域。

如果该数量是无误的，或者如果没有执行检查403，则该过程以为每个相应区域更新405高度而继续。一旦每个区域的高度被更新，3D模型就随着相应高度被更新；或者至少是可进入区域的高度。如果区域被禁止、是禁止入内的或由于其他原因是不可进入的，则高度无关紧要，因为起重机可能不会在该区域上方行进或穿过该区域。

参照图5，示出了寻找路径的过程的流程图的示例。当用于将负载从起始位置运输到目标位置的新任务被请求501时，该过程被启动。然后，使用例如现有技术中已知的Dijkstra最短路径优先算法来计算初始路径502。然后，考虑到预期负载的尺寸，初始路径被调整503。

然后路径的可用性被检查504；例如，路径是否因为例如负载高度、直径或因为受限进入而没有被阻挡。如果不可用，则通知错误505，并且可以计算新路径502。如果初始路径可用，则可以通过确定穿过每个进入区域的加速和/或减速位置来针对行进时间优化506该路径。

被优化的路径可用于确定执行该路径所需的时间量507。计算出的行进时间对大厅的整体监控系统是可用的，以便允许规划所讨论的起重机和大厅中存在的其他机械(包括其他起重机)的进一步活动。因此，用执行时间更新508优化路径，以允许与所请求的其他任务进一步协调。

参考图6，示出了用于在升降区域中为起重机创建和执行轨迹的方法的一般示例。该方法包括提供601升降区域的3D模型，该模型可以表示为一组三维块或立方体。3D模型可以由坐标系定义，其中每个块具有X、Y和Z坐标。在3D模型中，通过指示定义每个障碍物所占空间的XYZ坐标来定位障碍物。对于已定位物体，3D模型可以定义一个或多个物体参数，例如物体的长度、高度、宽度和/或重量、速度、朝向和方向和/或物体的安全裕度。此外，3D模型可以包括与已定位物体之一相关的受限区域数据。该受限区域数据可以被获得为随时间递减的区域，或者可以被获得为在连续的时间实例处具有安全裕度的已定义位置。

该方法还包括例如由监控系统提供602负载参数，并且可以包括负载的重量和诸如长度、高度和宽度的尺寸。这些参数可以由操作员预先输入，或者由安装在起重机或升降设备上的扫描装备来提供。

接下来，使用升降区域的模型生成603用于导航通过升降区域的轨迹。轨迹生成603可以考虑已定位物体、负载参数和负载运动参数。负载运动参数可以包括带负载的升降设备的最大可达到速度。最大可达到速度可以取决于诸如重量和其他尺寸的负载参数。负载运动参数还可以包括与升降高度相关的负载的最大加速度、最大速度、最大减速度和/或最大摇摆。轨迹将包括起点、目标点以及连接起点和目标点的多条连续线段。该轨迹可以使用算法生成，其可以从预定的一组路径中选择，或者从其他先前存储的路径数据中选择。当使用算法(诸如Dijkstra算法)时，生成603轨迹可以包括从所有可能的路径中选择最短的路径。一般来说，Dijkstra算法或任何其他算法将提供从A点到B点的多种可能的路径。

所生成的轨迹可以通过最大化在主行进方向上的至少一条线段的长度来针对速度进行优化，以便在主行进方向上以带负载的升降设备的最大可达到速度行进，这将在下面进行解释。优化的轨迹由升降设备相应地执行605。

为了清楚起见，下面将使用同一高度平面内(意味着Z坐标或高度不变)的三维空间中的示例来进一步解释该方法。应该注意的是，该方法在三维空间中也同样适用，即在高度(即Z方向)有变化的情况下也同样适用。

参考图7，示出了经由Dijkstra算法获得的第一路径的示例。俯视图中的升降区域701由各种大小的立方体A1-A5、B1-B5和C1-C5建模而成。障碍物或受限区域用阴影指示。得到的从起始位置A1到目标位置A5的第一路径行进如下：A1-A2-B2-B3-B4-A4-A5。该路径可以通过考虑非受限区域来优化，如图8所示，导致非受限区域P、Q和R的合并。对于非受限区域P，这允许跳过点A1和B2之间的交叉点A2。类似地，对于非受限区域R，这允许跳过点B4和A5之间的交叉点A4。同样对于非受限区域Q，这允许跳过点B2和B4之间的交叉B3点，因为升降机不需要在该交叉点停止或减速。对于从点A1到B2和从B4到A5的路径，针对长度而优化的该路径产生对角线轨迹，从而减少了在直角处转弯的次数。

可以理解，除了减少线段之外，还可以以例如通过增加线段、通过移除线段或通过调整线段的其他方式来优化轨迹，如果这增强了升降设备可以在主行进方向上以最大速度行进的路径。

参考图9，示出了针对长度而优化的路径的另一示例。第一条Dijkstra路径可能是A2-B2-B3-B4-B5-A5-A6，或者A2-B2-B3-B4-A4-A5-A6。对于优化后的这两者，如图10所示，得到的优化轨迹可以是A2-B2-B4-A6。通过减少线段和相关联的转弯点的数量，针对长度而优化的第一路径可以针对最大行进速度而被进一步优化。从图11中可以看出，第一优化路径可以被进一步调整为A2-C2-B5-A6。这减少了线段的数量，从而允许起重机在相同方向上行进更长时间，这意味着更少的减速和以最大高速行进更长的时间段。因为在转弯之前起重机将需要减速并且在转弯之后将需要加速，所以减少线段和相关联的转弯将增加起重机可以以最大高速行进的路径长度。这减少了从起始位置行进到目标位置所需的总时间。

参考图12，路径优化还可以包括考虑下一个线段和在其上可达到的潜在最大速度。从起始位置A行进到目标位置C的起重机将需要行进距离Y和距离-X，从而跨过点B。为了使在-X方向上的速度最大化，可以计算出，为了使起重机在-X方向上以最大高速行进，起重机在向方向Y移动的同时将向+X方向移动，以使得在+X方向上行进的距离将足以使起重机在点B'处向-X方向移动时达到最大高速。

类似地，当到达点B'时，起重机可以延迟在Y方向上减速直到不再需要在Y方向上行进更多的距离为止，或者甚至超过所需的距离Y而延迟减速。在以最大高速在-X方向上行进期间，Y方向上的距离过冲可以被校正，因为Y方向不再是主行进方向。

因此，升降机可以通过在Y方向上减速来从点B'行进到点B，并且从点B行进到点C。或者升降机可以在Y方向上以最大速度从点B'行进到点B”，仅在穿过点B之后才减速，并从点B”行进到点C。

无论哪种方式，都利用了在X、Y和Z方向上的行进速度彼此独立的事实。然而，与此相反，例如，汽车转弯时，在X和Y方向上的速度是相互依赖的。

可以优化路径的行进时间的另一种方式是通过绕过移动的障碍物来扫清道路，而不是通过停下来并等待移动的障碍物来扫清道路。参照图13，升降区域1301中的受限区域S指示移动障碍物M将行进通过的区域。如图14和图15所示，对于监督控制系统来说，已知受限区域是作为时间的函数而递减的受限区域。因此，图13示出了在时间T1的受限区域S，图14示出了在时间T2的受限区域S'，图15示出了在时间T3的受限区域S”。

从起始位置A到目标位置B的最短路径长度是直线。但是由于在时间T1的限制区域S，没有可能的路径可用。第一个解决方案将在如图14所示的时间T2出现。从S到S'的受限区域的递减允许轨迹算法找到可能的路径。由于该方法将允许升降区域的3D模型中的受限区域的连续更新，一旦移动的障碍物已经如递减的受限区域S”所指示的那样扫清了道路，轨迹就可以如图15所示进行调整。

这种优化方式允许基于移动物体的路径进行优化，该路径可以从货场或大厅的监控系统中获知。另外，移动障碍物的行进时间可以是已知的，尽管不一定需要执行优化。

参照图16至图19，示出了用于生成路径的另一示例。在该示例中，移动障碍物M的受限区域被表示为在时间实例T1-T4的连续的小区域。尽管在图13至图15的示例中，监控系统仅预先知道移动障碍物M的路径和相关联的受限区域是随时间而递减的受限区域，但是该示例示出了当移动障碍物M的这种路径被更充分地预先知道时该方法如何执行，这意味着移动障碍物的轨迹和物体M在连续时间实例的已定义位置。物体M的已定义位置可以包括安全裕度。这种预测信息可以从能够预测或内插移动障碍物的路径的外部系统获得。这些系统可以采用人工智能或能够提供轨迹的其他合适的技术。

在图16中，示出了升降区域中的可移动物体M的轨迹，以及打算运送负载跨越升降区域的起重机的起点和目标点。移动物体或障碍物M的安全裕度用带点状轮廓的阴影框指示。

在图17中，示出了起重机从时间T1的起始位置E3到时间T4的目标位置A3的第一路径。移动障碍物M在时间T1处于位置C1。对移动障碍物路径和起重机最短路径的预测预见了在时间T3在位置C3处的碰撞。因此，使用Dijkstra算法建议的下一个起重机路径将意味着在时间T2从位置E3移动到位置D2。然后，起重机行进到位置C3可以被评估为下一个可能的移动，但是如图18所示，由于与时间T3的移动障碍物M的位置相关联的受限区域，这个移动将再次被阻止。因此，起重机进到位置C2可以被评估为下一个可能的移动，如图19所示，由于没有与移动物体M相关联的受限区域与之干涉，这个移动将不会被阻止。继续前进，用于生成路径的方法将在时间T4继续到位置B2，最终在时间T5到达目标位置A3。

这种使用例如Dijkstra算法的步进方法允许实时处理移动物体。当例如新识别的移动物体将中断当前正在执行的起重机路径时，这可以作为一个子例程使用。这种优化方式允许高级优化，即基于移动物体的路径和行进时间两者的优化，而这两者都可以从货场或大厅的监控系统中得知。

如上所述，使用如Dijkstra算法那样的算法生成轨迹的这些不同的或附加的方式可以通过关于图11所解释的针对速度的优化来进一步增强。因此，在三个主运动方向X、Y、Z之一上增加一条或多条线段的长度，以能够在沿该线段的相应方向上以最大速度行进。

尽管上文已经参考特定实施例描述了本发明，但是本发明并不限于本文阐述的特定形式。相反，本发明仅由所附权利要求限定，并且在这些所附权利要求的范围内，除了上述具体实施例之外的其他实施例同样是可能的。

特别应该理解的是，虽然上文描述的方法已经用其中高度(即，Z方向)没有变化的示例进行了解释，但是该方法可以同样适用于三维(即，3D)。

此外，尽管上面已经以组件和/或功能的一些示例性组合描述了示例性实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以通过构件和/或功能的不同组合来提供替代实施例。此外，特别地可以预期单独描述或作为实施例的一部分描述的特定特征可以与其他单独描述的特征或其他实施例的一部分进行组合。

Claims (14)

1.一种用于为由横跨升降区域的升降设备运输的负载生成轨迹的方法，所述方法包括：

提供升降区域的三维模型(601)，所述模型包括升降区域内的已定位物体；

提供负载参数(602)；

使用升降区域的所述模型并且考虑以下各项来生成用于导航通过升降区域的轨迹(603)：

已定位物体；

负载参数；和

负载运动参数，其包括带负载的升降设备的最大可达到速度；

其中，所述轨迹包括起点、目标点以及连接起点和目标点的多条连续线段；

通过最大化主行进方向上的至少一条线段的长度来针对速度优化轨迹(604)，以在主行进方向上以带负载的升降设备的最大可达到速度行进。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，使用Dijkstra算法生成所述轨迹。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述负载参数包括负载长度、高度、宽度和重量。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，还包括根据负载参数确定负载运动参数，所述负载运动参数包括：

负载的与升降高度相关的最大加速度、最大速度、最大减速度和/或最大摇摆。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述3D模型包括针对已定位物体的一个或多个物体参数，所述物体参数包括：

长度、高度、宽度和/或重量；

物体的速度、朝向和方向；和/或

物体的安全裕度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

获取与物体相关联的受限区域数据作为相应物体的物体参数；

其中，所述受限区域数据被提供为：

随时间递减的区域；或者

在连续的时间实例处具有安全裕度的已定义位置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

获取包括受限区域数据的所述3D模型的更新；

使用升降区域的所述模型生成用于导航通过升降区域的更新的轨迹；

针对速度优化所述更新的轨迹。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，针对速度的优化还包括考虑最佳升降高度。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，针对速度的优化还包括：

减少线段；

增加和/或移除线段；

调整线段。

10.一种用于升降设备的控制装置，被配置用于执行根据权利要求1-9中任一项所述的方法。

11.一种包括根据权利要求10所述的控制装置的升降设备。

12.一种包括根据权利要求11所述的升降设备的升降起重机。

13.一种可由处理器执行的计算机程序，其包括指令，当所述指令被处理器执行时，执行根据权利要求1-9中任一项所述的方法的步骤。

14.一种其上存储有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质，所述计算机程序包括指令，所述指令用于当被处理器执行时，执行根据权利要求1-9之一所述的方法的步骤。

Images