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Die
Erfindung betrifft ein Stapelgerät,
insbesondere einen Reachstacker, und ein Verfahren zum Greifen und
Stapeln von Lasten, vorzugsweise Container, mit diesem Stapelgerät.
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Reachstacker
sind gummibereifte Fahrzeuge mit Dieselmotoren und Fahrerkabine.
Sie sind in der Lage Lasten, insbesondere Container, Trailer, Blech-Coils,
Stückgut,
usw., zu transportieren und zu stapeln. Bisher bekannte Reachstacker
sind mit einem am Teleskoparm als Lastaufnahmemittel angeordneten
Containerspreader ausgestattet, d. h. ein Heben und Senken des Spreaders
erfolgt nur über den
Teleskoparm. Sie können
Container mehrreihig hintereinander und übereinander handhaben bzw. stapeln.
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Beim
Betrieb eines Reachstackers ist zumeist das Greifen von Containern,
die nicht unmittelbar im Sichtfeld des Bedieners liegen, zeitaufwendig, da
der Spreader mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern über dem
Container positioniert werden muß, damit dieser den Container
aufnehmen kann. In der 1 ist
eine An ordnung von Containern gezeigt, wobei der Bereich unterhalb
der gestrichelten Linie vom Bediener nicht eingesehen werden kann. Beim
Greifen des linken oben liegenden Containers kann lediglich die
Position des Spreaders anhand der Stellung des Auslegers geschätzt werden.
Ist die Längsorientierung
von diesem Container nicht genau senkrecht zum Ausleger, kann unter
Umständen
der Container gar nicht aufgenommen werden.
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Werden
Container gestapelt, begegnen dem Fahrer ähnliche Probleme. Der Container
muß möglichst
positionsgenau angefahren werden. Ein ungenaues schräges Ablegen
kann zur Verklemmung von benachbarten Containern führen, so
daß diese
nicht mehr angehoben werden können.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein gattungsgemäßes Stapelgerät, vorzugsweise
einen Reachstacker, derart weiterzubilden, daß das Greifen und Stapeln von
Containern für
den Bediener vereinfacht wird.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Stapelgerät
gemäß Anspruch
1 gelöst.
Dabei sind an dem Stapelgerät,
insbesondere dem Reachstacker, das aus einem Fahrzeugfahrwerk und
einem auf diesem verschwenkbar angeordneten Teleskopausleger mit
einem Lastaufnahmemittel besteht, Sensoren zur Erfassung eines Bereichs
aus einer nichtbekannten Anordnung von Lasten, vorzugsweise Container,
vorgesehen. Weiterhin ist ein computergesteuertes Bilderkennungssystem
zur Verarbeitung der Sensordaten enthalten.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Stapelgeräts ergeben
sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen. Hier
sind insbesondere bevorzugte Verfahren zum Greifen und Stapeln von
Containern mit dem erfindungsgemäßen Stapelgerät enthalten.
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Die
Erfindung betrifft im Einzelnen Stapelgeräte zum Greifen und Stapeln
von Lasten, wie beispielsweise Containern, die mindestens drei Freiheitsgrade
aufweisen. Derartige Geräte
verfügen üblicherweise
als Lastaufnahmemittel über
ein Contai neraufnahmegerät
(sogenannte Spreader), ein Fahrwerk und einen Ausleger. Das am Ausleger
angebrachte Containeraufnahmegerät
kann um eine Achse gedreht β(t),
translatorisch bewegt T(t) und teleskopiert werden l(t). Der Ausleger
umfaßt
einen Antrieb, um Auslegerlänge
l(t) und Aufrichtwinkel Θ(t)
zu verändern.
Mit Hilfe des Fahrwerks, das über
eine Lenkung und über
einen Vortrieb verfügt,
kann die Position und die Orientierung des Stapelgeräts v (t) variiert werden.
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Um
einen Container vom Standort zum Zielort zu transportieren, muß das Stapellgerät den Container
positionsgenau anfahren. Soll ein Container am Zielort gestapelt
werden, so muß dies
bündig zum
Zielcontainer geschehen. Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben bei
Stapelgeräten
mit einem computergestützten
Verfahren gelöst.
Dabei kann aus zwei Betriebsarten gewählt werden. Im ersten Modus
manövriert
der Computeralgorithmus das Stapelgerät automatisch zum Zielobjekt.
Im zweiten Modus dirigiert die Rechnereinheit mit optischen oder akustischen
Signalen den Bediener zum Zielobjekt.
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Anhand
der 5 kann die Gesamtstruktur des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Greifen und Stapeln von Containern beschrieben werden. Hier
ist die Gesamtstruktur des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Greifen
und Stapeln von Lasten, vorzugsweise Containern, gezeigt. Das erfindungsgemäße Verfahren
umfaßt
folgende Schritte:
- – Erfassen der Sensordaten
- – Abschätzen der
dreidimensionalen Lage und Orientierung von Umweltmerkmalen der
Lasten schon während
des Verfahrens des Stapelgerätes,
- – Rekonstruktion
der Lastkonturen aus den zuvor gewonnenen Schätzdaten,
- – Erstellen
eines Containerumweltmodells,
- – Auswahl
der Last.
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Von
besonderer Bedeutung ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,
daß die
von den im Fahrzeug installierten Sensorelementen aufgenommenen
Daten von einem Zustandsbeobachter fusioniert werden. Diese fusionierten
Sensordaten S(t) dienen dem
Zustandsbeobachter dazu die dreidimensionale Lage und Orientierung
von Umweltsmerkmalen M(t) wie
Containerecken, -kanten und -flächensegmenten
abzuschätzen.
Dabei ist es wesentlich, daß dieser
Detektionsalgorythmus permanent, also schon während des manuellen Fahrens zum
Zielcontainer, ausgeführt
wird. Aus den ermittelten Daten werden Containerkonturen C(t) rekonstruiert und dazu verwendet,
sukzessive das dreidimensionale Modell des Containerszenario U aufzubauen. In der Regel
umfaßt
das Modell nur Teilbereiche des gesamten Stapelszenarios und beinhaltet
mehrere Container. Anhand von Plausibilitätsbedingungen wird daraus der
Zielcontainer Z gewählt.
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Bei
Wahl eines vollautomatischen Betriebs berechnet das Modul zur Bahnplanung
aus der dreidimensionalen Lage des Containers sowie aus dem Abstand
und der Orientierung des Aufnahmegerätes (oder Containerunterseite
des zu stapelnden Containers) erfindungsgemäß eine zeitindizierte Trajektorie für jede Gelenkvariable.
Ein Achsregler sorgt dabei für
eine stabilisierte Umsetzung der Sollbahn.
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Wird
der halbautomatische Betrieb gewählt, berechnet
das Modul zur Bahnplanung aus der dreidimensionalen Lage des Zielcontainers
sowie aus dem Abstand und der Orientierung des Aufnahmegerätes (oder
Containerunterseite des zu stapelnden Containers) optische oder
akustische Signale, um den Fahrer zum Ziel zu navigieren.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
einen Reachstacker während
des Aufnehmens eines Containers zur Verdeutlichung der Problemstellung,
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2:
einen Reachstacker in schematischer Darstellung gemäß einer
Ausführungsvariante
der vorliegenden Erfindung während
des Aufnehmens eines Containers von einem Containerstapel,
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3:
eine schematische Darstellung eines Reachstackers,
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4:
eine Draufsicht auf einen Containerspreader, wie er als Lastaufnahmemittel
in einem Reachstacker der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird
und
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5:
eine diagrammartige Darstellung der Gesamtstruktur des ertindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt
eine Anordnung von Containern 10 und einen Reachstacker 12,
mit dem die Container umgeschlagen werden sollen. Der Bereich unterhalb
der gestrichelten Linie 13 kann vom Bediener nicht eingesehen
werden. Ohne besondere Maßnahmen
kann daher beim Greifen des links oben liegenden Containers, wie
hier in der Figur dargestellt, die Position des Spreaders lediglich
anhand der Stellung des Auslegers 14 des Reachstackers 12 geschätzt werden.
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In
der 3 ist ein Reachstacker 12 dargestellt,
der ein Fahrzeugfahrwerk 13 aufweist, in dem in üblicher
und hier nicht näher
dargestellter Weise ein Dieselmotor als Antriebsmotor angeordnet
ist. Der hier dargestellte Reachstacker weist ein hinteres gummibereiftes
Räderpaar 16 und
zwei vordere Räderpaare 18 auf.
Die vorderen Räderpaare
sitzen auf den Antriebsachsen, während
das hintere Räderpaar auf
einer Längsachse
sitzt. An dem Fahrzeugfahrwerk 13 ist heb- und senkbar
ein Teleskopausleger 20 angeordnet. Der Teleskopausleger 20 ist
in der hier dargestellten Ausführungsform
in sich gekrümmt,
wie insbesondere aus der 1 ersichtlich.
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Der
Teleskopausleger 20 ist über einen einzigen entsprechend
dimensionierten Wippzylinder 22 heb- und senkbar. An der
Spitze des Teleskopauslegers 20 ist als Lastaufnahmemittel
im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
ein Spreader 24 angelenkt, mittels dem als Last beispielsweise
ein Container 10 aufgenommen werden kann. Auf dem Fahrzeugfahrwerk 13 ist
seitlich auch eine Fahrerkabine 28 angeordnet.
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4 zeigt
eine Draufsicht auf das Lastaufnahmemittel in Form des Spreaders 24.
In den 3 und 4 sind die im folgenden verwendeten
Bewegungsfreiheitsgrade, die von der Regeleinrichtung verarbeitet
werden müssen
näher bezeichnet.
So kann der Spreader 24 um die Achse 26 um den
Winkel β(t)
gedreht werden, in der Richtung T(t) translatorisch bewegt werden
und entsprechend bei Veränderung
der Länge
des Auslegers 20 um die Auslegerlänge l(t) teleskopiert werden.
Der Ausleger selbst umfaßt
einen Antrieb um die Auslegerlänge
l(t) zu verändern. Über den
Zylinder 22 wird der Aufrichtwinkel Θ(t) variiert. Mit Hilfe des
Fahrwerks, das über eine
Lenkung und über
einen Vortrieb verfügt
kann die Position und Orientierung des Stapelgerätes v(t) variiert werden.
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In
der 2 ist ein erfindungsgemäßer Reachstacker 12 gezeigt,
in welchem eine erste CCD-Kamera 30 und eine zweite CCD-Kamera 32 zur
Vermessung der Container, die sich im Nahfeld des Spreaders befinden,
angeordnet sind.
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Im
Folgenden wird auf die Funktionsweise der einzelnen Module genauer
eingegangen.
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Am
Gerät montierte
Sensorelemente wie Kameras, Laserscanner oder Radarscanner erfassen permanent
einen Bereich aus einer nicht bekannten Anordnung von Containern.
Die Bilddaten des Kamerasystems werden einer digitalen Bildvorbereitung unterzogen,
so dass daraus Bildinformationen wie Containerecken, -kanten oder
Stabilisationsstreben detektiert werden können. Es besteht prinzipiell
auch die Möglichkeit,
die Eckbeschläge
der Container mit Hilfe von Mustererkennungsverfahren zu detektieren. Die
zweidimensionale Bildinformation wird im nächsten Schritt einer dreidimensionalen
Lage und Orientierung zugeordnet und in das Zielkoordinatensystem transformiert.
Dabei ist es erforderlich, den relativen Abstand der extrahierten
Merkmale zum Kamerasystem zu ermitteln. Dafür werden, je nach Systemkonfiguration,
drei unterschiedliche Messprinzipien in entsprechender Kombination
verwendet:
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Stereokamera
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Die
Bildmerkmale der beiden Kamerabilder werden zugeordnet und die räumliche
Position der Merkmale durch das Triangulationsverfahren berechnet.
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Einzelkamera
bei Verwendung des perspektivischen Abbildungsverhältnisses
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Die
Breite der Container ist eine genormte Größe. Da die optischen Eigenschaften
der Kamera bekannt sind, können
die Merkmale, die der Quer- und Deckseite der Container zugeordnet
sind, mittels des perspektivischen Abbildungsverhältnisses
dreidimensional vermessen werden.
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Kamerasystem
mit Laserscanner
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Am
Gerät werden
zusätzlich
zum Kamerasystem ein oder mehrere Laserscanner angebracht, die dreidimensionale
Meßdaten
in Form einer Punktwolke liefern. Dabei ist mindestens ein Laserscanner so
ausgerichtet, dass mindestens ein Messstrahl parallel zur optischen
Achse verläuft.
Da die Scanner mit einem bestimmten Abstand vom Kamerasystem montiert
sind, werden die dreidimensionalen Messpunkte der Lasersensoren
mit Hilfe einer Koordinatentransformation in das Kamerakoordinatensystem überführt, so
dass den entsprechenden Pixel eine dreidimensionale Lage zugesprochen
werden können.
Zusätzlich
werden diese Daten dazu verwendet, um Containerflächensegmente
zu detektieren.
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Die
relative Lage und Orientierung der Umweltmerkmale M(t) ändern
sich während
der Bewegung des Stapelgerätes.
Aus diesem Grund wird zur schnelleren Schätzung der Umweltzustände ein
Zustandsbeobachter eingesetzt, der zum einen die Daten der unterschiedlichen
Sensoren fusioniert und zum anderen die Odometrie verwendet. Dabei
werden die Gelenkvariablen x (i) (t) des Gerätes erfaßt und dem Beobachter nach
einer Transformation in das entsprechende Sensorkoordinatensystem
zur Verfügung
gestellt (Vektor O(t)).
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Die
Merkmalsinformation M(t) ist
die Basis für
die Rekonstruktion von Containerkonturen C(t). Zunächst werden die vermessenen
Kanten und Flächensegmente
vertikalen und horizontalen Ebenen zugesprochen. Anschließend wird
die Schnittmenge berechnet, die aus Geraden oder Punkten besteht. Punkte
werden dabei als mögliche
Containerecken und Geraden werden als Kandidaten für Containerkanten
interpretiert. Zusätzlich
werden die Umweltmerkmale M(t)
selektiert, die zur Beschreibung der Kontor (Containerecken und
-kanten) verwendet werden können.
Anhand von geometrischen Plausibilitätsbedingungen werden aus diesen
Informationen Teilbereiche des Containerkontors rekonstruiert. Dabei
ist es hilfreich, die im Containerumweltmodell U bereits vorhandenen rekonstruierten Konturen
zu berücksichtigen.
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Die
rekonstruierten Teilbereiche der Containerkonturen C(t) werden dazu verwendet, um ein dreidimensionales
Containerumweltmodell U zu
generieren. Dabei spiegelt das Modell das während einer manuellen oder
automatischen Fahrt erfaßte Containerszenarios
wieder, indem die Konturinformationen sukzessive ergänzt werden.
Es wird darüber
hinaus versucht, nicht rekonstruierte Konturen derart zu ergänzen, dass
die Container in Größe und Position
dreidimensional beschrieben werden können. Die Lage und Orientierung
von den Containern, die nicht im unmittelbaren Lichtraumprofil der
Sensoren liegen, werden anhand der rekonstruierten Nachbarcontainer
geschätzt.
Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass schon vor der
eigentlichen Positionierung das Szenario der Containeranordnung
bekannt ist. Dadurch können
schlecht einsehbare Verladesituationen mit Hilfe des Containerumweltmodells
rekonstruiert oder abgeschätzt
werden. Zudem bietet das Umweltmodell eine Sicherheitsfunktion,
da falsch detektierte Containermerkmale mit Hilfe einer Plausibilitätsüberprüfung ausgeschlossen
werden können.
Ein weiterer Vorteil des Umweltmodells liegt darin, dass die Lageinformation
der dreidimensionalen erfaßten
Container auch dann verwendet werden können, wenn Sensoren ausfallen oder
ihr optischer Erfassungsbereich bei der Zielannäherung z. B. durch Hindernisse
eingeschränkt wird.
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Da
das Containerumweltmodell U in
der Regel mehrere Container umfaßt, muß daraus der Zielcontainer Z ausgewählt werden. Dies kann dadurch geschehen,
indem das modellierte Containerszenario auf einem Touchscreen dargestellt
wird und der Gerätebediener
den Zielcontainer auswählt.
Des weiteren kann der Zielcontainer auch automatisch gewählt werden.
Dazu fährt
der Bediener eigenständig den
Zielbereich an. Da durch die Odometrie und einer entsprechenden
Transformation in das Greiferkoordinatensystem stets bekannt ist,
wo sich der Spreader im Containerumweltmodell befindet, wird der
Zielcontainer dann ausgewählt,
wenn ein bestimmter Abstand vom Zielcontainer zum Spreader (oder
zur Containerunterseite beim Stapeln) unterschritten wird.
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Die
Zielkoordinaten des zu stapelnden oder des zu greifenden Containers
sind die Basis für
den Bahnplaner. Dabei kann zwischen einem vollautomatischen Betrieb,
bei dem das Gerät
den Spreader selbstständig
zum detektierten Zielobjekt führt,
und einem halbautomatischen Betrieb, bei dem der Bediener das Positionieren
manuell durchführt,
gewählt werden.
Beim halbautomatischen Betriebsmodus wird der Bediener mit optischen
oder akustischen Hinweisen zum Ziel navigiert. Bei Greifoperationen bestimmt
der Bahnplaner im halbautomatischen Betrieb den relativen dreidimensionalen
Abstand und Orientierungsversatz vom Spreader zum Zielcontainer
anhand der Zielkoordinate Z und
den aktuellen Gelenkvariablen x(t).
Beim Stapeln berechnet der Bahnplaner im halbautomatischen Betrieb
den Abstand von der Unterseite des zu stapelnden Containers zum
Zielcontainer. Dabei werden die geometrischen Daten des zu stapelnden
Containers aus der letzten Greifoperation ermittelt. Wesentlich
ist beim halbautomatischen Betrieb, dass der Bediener eigenständig das
Gerät nach
seinen Vorstellungen steuert und kontinuierlich Richtungshinweise
zum Zielcontainer erhält.
Wählt der
Bediener den automatischen Betrieb, fährt das Gerät selbstständig zum Zielcontainer. Unter
der Berücksichtigung,
ob gestapelt oder aufgenommen werden soll, generiert der Bahnplaner für jeden
Freiheitsgrad des Gerätes
eine zeitindizierte Trajektorie. Verfügt das Gerät über mehr kinematische Freiheitsgrade
als der Arbeitsraum, ist die Berechnung der Sollgelenkswinkel der
Antriebe nicht eindeutig. Diese zusätzlichen Freiheitsgrade werden ausgenutzt,
um die Bahn nach vorgebbaren Gütekriterien
zu optimieren. Ein mögli ches
Gütekriterium
gewährleistet
einen zeitoptimalen Verlauf der Sollbahn, wobei geometrische Nebenbedingungen
aus dem Umweltmodell U und
antriebsbedingte Nebenbedingungen, wie die maximale Antriebsdynamik
und kinematische Beschränkungen,
berücksichtigt
werden. Die generierte Solltrajektorie der Antriebsgelenke x (i) soll(t) wird mit einem nichtlinearen Achsregler
nach dem Verfahren der „inverse
torque methode" umgesetzt.