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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Einflusses von Wind auf einen Kran mittels einer Tool Center Point Estimation. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Rechengerät, welches eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Stand der Technik
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Krane sind Arbeitsmaschinen, bei denen das Werkzeug, z. B. ein Haken, mit einem beweglichen Ausleger verbunden ist. Je nach Art des Krans, z. B. als Turmkran, Mobilkran/Fahrzeugkran, Portalkran/Brückenkran usw., ist der Ausleger unterschiedlich befestigt und kann in zumindest eine Richtung bewegt werden.
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Krane, bei denen der Ausleger nur einseitig befestigt ist und das andere Ende des Auslegers meist weit vom Befestigungspunkt entfernt liegt, wie z. B. Turmkrane, Mobilkrane/Fahrzeugkrane und Ähnliche, sind besonders anfällig gegenüber Wind. Zum einen können stark wehender Wind und/oder kräftige Windböen dazu führen, dass sich der Kran neigt. Eine zu starke Neigung kann dazu führen, dass der Kran und/oder eine Last am Werkzeug kippen, was zu erheblichen Schäden bei Menschen, Maschinen und der Umgebung führen kann.
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Zum anderen können Windböen, insbesondere wenn diese periodisch auftreten, den Kran in Schwingung versetzen. Trifft die Schwindung des Krans die Resonanzfrequenz des Krans, kann es zu einer sogenannten Resonanzkatastrophe kommen, bei der sich die Schwingungsamplitude im Resonanzfall immer weiter vergrößert, bis die Stabilität des Krans überschnitten wird und der Kran bricht oder der Kran und/oder die Last am Werkzeug kippen, was zu erheblichen Schäden bei Menschen, Maschinen und in der Umgebung führen kann.
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Heutzutage werden bisweilen Windwächter (Anemometer), die am Kran angeordnet sind, verwendet, um den vorherrschenden Wind zu ermitteln. Außerdem werden Wettermodelle herangezogen, um den zu erwartenden Wind zu bestimmen. Anhand dieser Daten wird dann eingeschätzt, ob eine Gefahr für den Kran gegeben ist. Steht kein Windwächter zur Verfügung und/oder sind die Modelldaten zu ungenau, so muss der Kranführer die Gefahr aufgrund seiner eigenen Erfahrung abschätzen.
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Die Tool Center Point (TCP) Estimation ist ein Algorithmus zur Zustandsschätzung von Orientierung und Position eines Endeffektors. Der Endeffektor ist insbesondere ein Werkzeug oder ein Teil eines Werkezeugs, das einen Werkzeugarm mit mehreren Gliedern, die über Gelenke verbunden sind, aufweist. An jedem Glied des Werkzeugarms ist hierfür ein Sensor, vorzugsweise eine inertiale Messeinheit (IMU, inertial measuring unit), angeordnet, welcher Sensordaten an ein Rechengerät sendet. Die so ermittelten Sensordaten werden für jeden Sensor individuell gefiltert und zur Zustandsschätzung der Orientierung des jeweiligen Sensors relativ zu einem ortsfesten Inertialkoordinatensystem fusioniert.
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Typischerweise verwendete Verfahren sind in der Abhandlung von Nikolas Trawny und Stergios I. Roumeliotis. „Indirect Kalman filter for 3D attitude estimation“ University of Minnesota, Dept. of Comp. Sci. & Eng., Tech. Rep 2 (2005), in der Abhandlung von Robert Mahony, Tarek Hamel, und Jean-Michel Pflimlin, „Nonlinear complementary filters on the special orthogonal group“, IEEE Transactions on automatic control 53.5 (2008): 1203-1218, sowie in der Abhandlung von Sebastian Madgwick, „An efficient orientation filter for inertial and inertial/magnetic sensor arrays“ Report x-io and University of Bristol (UK) 25 (2010), beschrieben, auf die insoweit verwiesen wird.
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Aus der so geschätzten Orientierung des Sensors wird zunächst die Orientierung des Glieds, an dem der Sensor angeordnet ist, bestimmt. Dies wird für alle Glieder des Werkzeugarms durchgeführt. Aus der relativen Orientierung zweier aufeinanderfolgender Glieder lässt sich bei bekannter Kinematik (zum Beispiel bei bekannten Denavit-Hartenberg Parametern) der Gelenkwinkel des Gelenks, das die beiden Glieder verbindet, berechnen. Sind schließlich alle Gelenkwinkel und die Maße der Glieder bekannt, folgt die gesamte Konfiguration des Werkzeugarms direkt aus der Vorwärtskinematik und somit die Orientierung und Position des Endeffektors.
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Für eine detaillierte Beschreibung wird auf die Abhandlung von Mark W. Spong, Seth Hutchinson und Mathukumalli Vidyasagar, „Robot modeling and control", Vol. 3. New York: Wiley, 2006, verwiesen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zur Bestimmung des Einflusses von Wind auf einen Kran vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Die Position zumindest eines, insbesondere bewegbaren, Teils des Krans, insbesondere eines Werkzeugs, z. B. eines Hakens, und/oder eines Auslegers, insbesondere eines Hauptauslegers oder eines Hilfsauslegers, wird über die Zeit bzw. in Abhängigkeit der Zeit erfasst. Bevorzugt ist das zumindest eine Teil ein Glied eines mehrgliedrigen Auslegers eines Krans. Das zumindest eine Teil des Krans kann Teil bzw. Glied einer, insbesondere offenen oder geschlossenen, kinematischen Kette sein. Zur Erfassung der Position des Teils des Krans wird das an sich bekannte Tool Center Point Estimation Verfahren verwendet, das auf Sensorsignalen von Sensoren basiert, die wenigstens an dem zumindest einen Teil des Krans angeordnet sind. Vorzugsweise ist eine inertiale Messeinheit vorgesehen, die inertiale Sensoren aufweist, welche die obengenannten Sensorsignale bereitstellen und über welche die Tool Center Point Estimation erfolgt bzw. die zur Tool Center Point Estimation verwendet werden. Bevorzugt sind die Sensoren an jedem Glied der kinematischen Kette angeordnet. Inertiale Messeinheiten lassen sich leicht und kostengünstig nachrüsten und können für andere Verfahren verwendet werden.
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Aus der über die Zeit erfassten Position lässt sich die Änderung der Position (im Folgenden auch als „Positionsänderung“ bezeichnet) des zumindest einen Teils, bspw. des Auslegers 2, des Krans bestimmen. Die Positionsänderung kann unterschiedliche Ursachen haben. Die durch den Wind verursachten Änderungen der Position können von gewollten Änderungen, die von einem Kranführer befohlen wurden oder von einer automatischen Steuerung ausgeführt wurden, und von Änderungen, die typisch für den Kran sind, insbesondere typisch für die zu diesem Zeitpunkt ausgeführte Arbeitssequenz, wie z. B. ein auf den Kran wirkender Rückstoß beim Abladen einer Last, unterschieden werden. Hierfür kann die Steuerung des Krans, insbesondere für den zumindest einen Teil des Krans, betrachtet werden. Vergleicht man die Steuerung des Krans mit der Position des zumindest einen Teils des Krans bzw. mit der Änderung der Position, so lässt sich aus der Steuerung unmittelbar die gewollte Änderung ableiten. Des Weiteren können Referenzdaten oder Referenzmuster vorgesehen sein, mittels denen sich die für den Kran typischen Änderungen der Position bestimmen lassen. Diese Referenzdaten bzw. Referenzmuster sind beispielsweise in einer Datenbank gespeichert und können ein allgemeines Verhalten des Krans bzw. des zumindest einen Teils des Krans darstellen oder speziell auf die jeweilige Arbeitssequenz zugeschnitten sein, wobei die Arbeitssequenz wiederrum aus der Steuerung des Krans ermittelt werden kann.
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Die durch den Wind verursachten Änderungen der Position des zumindest einen Teils des Krans kann folgende Ursachen haben: Zum einen kann ein stark wehender Wind und/oder kräftige Windböen dazu führen, dass sich der Kran, der zumindest eine Teil des Krans und/oder eine Last, die durch den Kran bewegt wird, neigt. Zum anderen können Windböen, insbesondere wenn diese periodisch auftreten, dazu führen, dass der zumindest eine Teil des Krans und/oder die Last, die durch den Kran bewegt wird, in Schwingung versetzt wird. Auch nicht periodisch auftretende Windböen können eine periodische Anregung erzeugen und zu Schwingungen des Krans führen. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die Last durch den Wind ausgelenkt wird und dann in einen Windschatten z. B. eines Gebäudes tritt und beim Zurückschwingen wieder dem Wind ausgesetzt ist. Daraus resultiert eine periodische Anregung in Frequenz und Phasenlage der Schwingung. Bei einem anderen Fall wird die Last, z. B. eine große Platte durch den konstanten Wind bewegt. Wenn sich die Platte durch den Wind dreht, so ändert sich der Luftwiderstand. Dies hat zur Folge, dass der Kran eine periodische Anregung mit der doppelten Bewegungsfrequenz der Last erfährt. Sowohl die Neigung als auch die Schwingung des zumindest einen Teils des Krans und somit der Last sind Positionsänderungen, die durch die Tool Center Point Estimation erfasst werden können.
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Aus der durch den Wind verursachten Positionsänderung des zumindest einen Teils des Krans kann die durch den Wind verursachte Neigung des zumindest einen Teils des Krans, bspw. des Auslegers, ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann aus der durch den Wind verursachten Positionsänderung des zumindest einen Teils des Krans die Frequenz der durch den Wind verursachten Schwingung des zumindest einen Teils, bspw. des Auslegers, des Krans ermittelt werden.
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Hierbei kann das Verfahren einen Schritt des Auswertens der ermittelten Neigung des zumindest einen Teils des Krans und/oder der ermittelten Frequenz der Schwingung des zumindest einen Teils des Krans mittels einer Recheneinheit bzw. einer Auswerteeinheit umfassen, um eine Gefährdungsinformation zu erzeugen. Die Gefährdungsinformation kann eine Information umfassen, dass eine Gefährdung des Krans durch den Einfluss des Windes auf den Kran vorliegt. Die Gefährdungsinformation kann eine Information umfassen, dass die ermittelte Neigung des zumindest einen Teils des Krans eine vorgebbare zulässige Neigung übersteigt. Alternativ oder zusätzlich kann die Gefährdungsinformation eine Information umfassen, dass die ermittelte Frequenz der Schwingung des zumindest einen Teils des Krans innerhalb eines vorgebbaren kritischen Frequenzbereichs um die Resonanzfrequenz des Krans liegt. Alternativ ist denkbar, dass die Gefährdungsinformation eine Information umfasst, dass keine Gefährdung des Krans durch den Wind vorliegt. Die Gefährdungsinformation kann mittels einer Ausgabeeinheit, bspw. einer der Auswerteeinheit zugeordneten Ausgabeeinheit, ausgegeben werden. Zum Beispiel kann die Ausgabeeinheit die Gefährdungsinformation an eine Anzeigeeinheit und/oder eine Steuereinheit des Krans ausgegeben werden. Hierbei kann die Gefährdungsinformation mittels der Anzeigeeinheit für einen Bediener des Krans angezeigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Kran mittels der Steuereinheit abhängig von der an die Steuereinheit ausgegebenen Gefährdungsinformation gesteuert werden. Insbesondere ist denkbar, dass basierend auf der ausgegebenen Gefährdungsinformation Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden.
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Als Resultat kann der Einfluss des Winds auf den zumindest einen Teil des Krans unmittelbar direkt, in Echtzeit und vor Ort mit Hilfe der Tool Center Point Estimation, die auf den gemessenen Sensordaten des Krans basiert, bestimmt werden. Folglich sind keine zusätzlichen Windwächter nötig. Die bei der Tool Center Point Estimation verwendeten Sensoren sind im Vergleich zu den Windwächtern vielseitig einsetzbar. Darüber hinaus muss sich wegen dieses Verfahrens nicht auf Wettermodelle, die oftmals ungenau sind, verlassen werden.
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Es bieten sich zusätzliche Vorteile, wenn Sicherheitsmaßnahmen auf Grund des oben beschriebenen Einflusses des Winds auf den zumindest einen Teil des Krans ausgeführt werden.
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Gemäß einem Aspekt werden Sicherheitsmaßnahmen ausgeführt, wenn die ermittelte Neigung des zumindest einen Teils des Krans eine vorgebbare zulässige Neigung übersteigt. Die zulässige Neigung wird im Vorhinein so vorgegeben, dass bei einer Neigung des zumindest einen Teils des Krans, die kleiner oder gleich der zulässigen Neigung ist, keine Gefahr für ein Kippen des Krans oder Ähnlichem ausgeht, und dass bei einer Neigung des zumindest einen Teils des Krans, die größer als die zulässige Neigung ist, Gefahr für das Kippen des Krans oder Ähnlichem ausgeht. Die zulässige Neigung ist abhängig vor allem von der Struktur des Krans, kann aber zusätzlich von der aktuellen Arbeitssequenz, der Konfiguration des Auslegers sowie von der beförderten Last abhängen. Dadurch erfolgt die Bewertung der Gefahr direkt auf Grundlage des durch den Einfluss des Winds verursachten Effekts, sodass die Bewertung der Gefahr eine höhere Aussagekraft besitzt als auf Grundlage der ermittelten Windstärke. Wie bereits beschrieben, kann dadurch außerdem auf zusätzliche Windwächter verzichtet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt werden Sicherheitsmaßnahmen ausgeführt, wenn die Frequenz der Schwingung des zumindest einen Teils des Krans innerhalb eines vorgebbaren kritischen Frequenzbereichs um die Resonanzfrequenz des Krans liegt. Die Resonanzfrequenz des Krans kann im Vorhinein aus der Struktur des Krans ermittelt werden und um diese Resonanzfrequenz herum kann der kritische Frequenzbereich als Sicherheitsbereich vorgegeben werden. Sollte die Frequenz der Schwingungen die Resonanzfrequenz des Krans treffen, kann dies zu einer Resonanzkatastrophe führen, bei der sich die Schwingungsamplitude im Resonanzfall immer weiter vergrößert, bis die Stabilität des Krans überschritten wurde und der Kran bricht oder der Kran und/oder die Last am Werkzeug kippen, was zu erheblichen Schäden bei Menschen, Maschinen und der Umgebung führen kann. Die Bewertung der Gefahr auf Grundlage der Resonanz kann durch herkömmliche Windwächter nicht oder lediglich sehr eingeschränkt erfolgen.
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Als Sicherheitsmaßnahme kann allen voran vorgesehen sein, den Kranführer und Personen im Gefahrenbereich um den Kran herum zu warnen. Hierfür können optische Warnsignale, z. B. aus einer Warnleuchte oder aus Warnhinweis auf einem Display, und/oder akustische Warnsignale, z. B. ein Warnton, verwendet werden.
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Als weitere Sicherheitsmaßnahme kann vorgesehen sein, direkt Eingriff auf die Steuerung zumindest eines Teils des Krans (kann im Vergleich zu dem Obengenannten auch ein anderer Teil des Krans sein) zu nehmen. Für den Fall, dass die Frequenz der Schwingung innerhalb des kritischen Frequenzbereichs liegt, kann vorteilhafterweise der zumindest eine Teil des Krans derart angesteuert werden, dass der vom Wind verursachten Schwingung entgegengewirkt wird, insbesondere indem der zumindest eines Teils des Kran derart angesteuert wird, dass es zu einer Frequenzauslöschung der Schwingung kommt und somit eine Resonanzkatastrophe verhindert wird.
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Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät durchgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Rechengerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
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Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Rechengerät, wird das elektronische Rechengerät erhalten, welches eingerichtet ist, den Einfluss von Wind auf den Kran zu bestimmen und gegebenenfalls demgemäß Sicherheitsmaßnahmen einzuleiten.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Krans, bei dem eine durch den Wind verursachte Neigung des Krans mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt wird.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Krans, bei dem eine Frequenz einer durch den Wind verursachten Schwingung des Krans mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt wird.
- 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Die 1 und 2 zeigen jeweils schematische Darstellungen eines Krans 1, der Einflüssen von Wind ausgesetzt ist. Der Kran 1 weist einen mehrgliedrigen Ausleger 2 auf, der an einem Ende mit dem Kran 1 verbunden ist und sich von dort vom Kran 1 weg erstreckt. An seinem anderen Ende ist der Ausleger 2 über ein Seil mit einem Haken (nicht gezeigt) verbunden, an dem eine Last 3 hängt. An jedem Glied des Auslegers 2 und an dem Kran 1 ist jeweils ein inertialer Sensor 4 einer inertialen Messeinheit angeordnet, die alle mit einem elektronischen Rechengerät 5 verbunden sind. Das elektronische Rechengerät 5 ist eingerichtet, den Kran 1 und den Ausleger 2 zu steuern, entweder auf Befehl eines Kranführers hin oder automatisiert, und es ist mit einer Warnleuchte 6 verbunden, die ein optisches Warnsignal ausgeben kann. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das elektronische Rechengerät 5 zusätzlich oder alternativ mit einer Sirene verbunden sein, die einen Warnton ausgeben kann, oder mit einem Display verbunden sein, um einen Warnhinweis anzuzeigen.
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In 1 ist eine Situation dargestellt, in der ein starker Wind aus einer Richtung auf den Kran 1 weht, was durch den Pfeil 7 ausgedrückt wird. Durch den Einfluss des Winds wird der Kran 1 um den Winkel α geneigt. Es gilt zu beachten, dass der Einfluss des Winds ebenso bewirken kann, dass der Ausleger 2 gegenüber dem Kran 1 geneigt wird, ohne dass dies durch die Steuerung ausgeführt wurde und/oder beabsichtigt ist.
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In 2 ist eine andere Situation dargestellt, in der ein Wind böig aus einer oder mehreren Richtungen auf den Kran 1 weht, was durch den Pfeil 8 ausgedrückt wird. Durch den Einfluss der periodischen Windböen fängt der Kran 1, der Ausleger 2 und/oder die Last 3 an mit einer Frequenz f zu schwingen. Es gilt anzumerken, dass die Schwingungen auch durch nicht periodisch auftretende Windböen oder durch einen konstanten Wind angeregt werden können. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die Last 3 durch den Wind ausgelenkt wird und dann in einen Windschatten z. B. eines Gebäudes (hier nicht gezeigt) tritt und beim Zurückschwingen wieder dem Wind ausgesetzt ist. Daraus resultiert eine periodische Anregung in Frequenz und Phasenlage der Schwingung. Bei einem anderen Fall wird die Last 3 in Form einer großen Platte durch den konstanten Wind bewegt. Wenn sich die Platte durch den Wind dreht, so ändert sich der Luftwiderstand. Dies hat zur Folge, dass der Kran 1, insbesondere der Ausleger 2, eine periodische Anregung mit der doppelten Bewegungsfrequenz der Last erfährt.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Einflusses des Winds, wie er in den 1 und 2 dargestellt ist. Zu Beginn wird über eine vorgebbare Zeit aus einer Tool Center Point Estimation eine Positionsänderung Δx zumindest eines Teils des Krans 1 oder des Auslegers 2 bestimmt 10. Im Anschluss wird die Ursache für die Positionsänderung Δx ermittelt und unter Ausschluss von gewünschten Positionsänderungen des Krans 1 und/oder des Auslegers 2 und von für den Kran 1 und/oder den Ausleger 2 typische Positionsänderungen wird die durch den Wind verursachte Änderung ΔxW der Position des zumindest einen Teils des Krans 1 oder des Auslegers 2 bestimmt 11. Hierbei können die Steuerung des Krans 1 und/oder des Auslegers 2, mittels derer sich die gewünschten Positionsänderungen des Krans 1 und/oder des Auslegers 2 bestimmen lassen und Referenzdaten/-muster, mittels denen sich die für den Kran 1 und/oder für den Ausleger typischen Positionsänderungen bestimmen lassen, berücksichtigt werden.
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Im Anschluss daran wird zum einen aus der durch den Wind verursachten Positionsänderung ΔxW die durch den Wind verursachte Neigung α des Krans 1 (siehe 1) ermittelt 20. Diese Neigung α wird dann mit einer zulässigen Neigung akrit vergleichen 21. Die zulässige Neigung akrit repräsentiert die Neigung für die noch keine Gefahr besteht, dass der Kran 1 und/oder die Ladung 3 kippen, und wird im Vorhinein auf Grundlage der Struktur des Krans 1 ermittelt. Gleichwohl kann die zulässige Neigung akrit an die aktuelle Arbeitssequenz, die Konfiguration des Auslegers sowie die Last 3 angepasst werden. Liegt die ermittelte Neigung α unterhalb der zulässigen Neigung akrit oder entspricht dieser, liegt keine Gefahr vor und das Verfahren wird beendet 40. Nach Beendigung 40 des Verfahrens kann dieses wiederholt werden. Liegt die ermittelte Neigung α oberhalb der zulässigen Neigung αkrit , liegt eine Gefahr vor und es wird ein Warnsignal ausgegeben 50. Hierfür kann die Warnleuchte 6 verwendet werden. Zudem kann in diesem Fall aktiv in die Steuerung des Krans 1 und/oder des Auslegers 2 eingegriffen werden 51.
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Zum anderen werden aus der durch den Wind verursachten Positionsänderung ΔxW die Frequenzen f der durch den Wind verursachten Schwingungen des Auslegers 2 und der Last 3 (siehe 2) ermittelt 30. Diese Frequenzen f werden dann mit einem kritischen Frequenzbereich fkrit verglichen 31. Der kritische Frequenzbereich fkrit wird um eine Resonanzfrequenz des Krans 1, die wiederum aus der Struktur des Krans 1 ermittelt werden kann, herum festgelegt, sodass die Resonanzfrequenz auch durch kleine Änderungen der Frequenz nicht erreicht wird. Liegen die ermittelten Frequenzen f für alle Schwingungen außerhalb des kritischen Frequenzbereichs fkrit, liegt keine Gefahr vor und das Verfahren wird beendet 40. Nach Beendigung 40 des Verfahrens kann dieses wiederholt werden. Liegt eine der ermittelten Frequenzen f innerhalb des kritischen Frequenzbereichs fkrit, liegt eine Gefahr vor und es wird ein Warnsignal ausgegeben 50. Auch hierfür kann die Warnleuchte 6 verwendet werden. Speziell in diesem Fall wird aktiv in die Steuerung des Krans 1 und/oder des Auslegers 2 eingegriffen 51 und zwar derart, dass der vom Wind verursachten Schwingung entgegengewirkt wird und es zu einer Frequenzauslöschung der Schwingung kommt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Mark W. Spong, Seth Hutchinson und Mathukumalli Vidyasagar, „Robot modeling and control“, Vol. 3. New York: Wiley, 2006 [0009]
