EP4186848A1 - Trajectory planning with flexible obstacle planning functionality - Google Patents
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- EP4186848A1 EP4186848A1 EP22209919.4A EP22209919A EP4186848A1 EP 4186848 A1 EP4186848 A1 EP 4186848A1 EP 22209919 A EP22209919 A EP 22209919A EP 4186848 A1 EP4186848 A1 EP 4186848A1
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- B66C19/00—Cranes comprising trolleys or crabs running on fixed or movable bridges or gantries
- B66C19/002—Container cranes
Definitions
- the present invention relates to a method for controlling a lifting device that moves a load along a first direction of movement and along a second direction of movement within a predetermined working range of the lifting device according to a predetermined trajectory from a starting point to an end point.
- a trajectory is to be understood as the temporal progression of the movement of a body along a trajectory, a path or a path, which in the case of a rigid Body can be described, for example, by the course of the position of its center of gravity.
- the usual use of the term "trajectory" in control engineering as a time (setpoint) course of state or output variables of a (technical) system to be controlled deviates from this definition, but does not represent a contradiction to it.
- a trajectory planning corresponding to the above explanations represents a basic subtask in the automation of vehicles, such as passenger cars or trucks.
- trajectories which primarily describe the movement of a vehicle on a road, are initially planned in many cases and then implemented as target values by the regulation/control of the vehicle.
- target values by the regulation/control of the vehicle.
- Lifting devices are available in a wide variety of designs, which are used accordingly in a wide variety of applications.
- Overhead cranes are also used, for example, as indoor cranes in factory buildings, or gantry cranes, for example, for the manipulation of transport containers at transhipment points for intermodal goods handling.
- Goods to be transported are mainly stored in standardized containers, so-called ISO containers, which are equally suitable for road, rail and water transport modes.
- Objects to be transported by a lifting device such as a combination of containers with goods contained therein, are referred to below in particular simply as "load” or "loads”.
- a gantry crane has a supporting structure or a gantry on which a boom is arranged.
- the portal with wheels is movably arranged on a track, for example, and can be moved in one direction.
- the boom is firmly connected to the portal and usually has a trolley that can be moved along the boom.
- a load such as an ISO container
- the trolley is usually connected to a load-carrying element, a so-called spreader, by means of four cables.
- the spreader can be raised or lowered using cable winches.
- the spreader can also be adapted to containers of different sizes.
- cranes are operated by a crane operator, who usually controls the movement of a crane from a cab.
- a cabin can be arranged on a portal or on a movable trolley.
- high demands are placed on the crane driver, which is why at least one year of training or induction is usually necessary.
- the rapid movement of loads with small pendulum movements is a highly complex activity, which is why several years of practical experience are usually required for the successful exercise of the activity of a crane operator.
- the work of a crane driver is often made more difficult by the high physical strain, among other things due to the high level of concentration required in connection with long periods of sitting with a downward gaze.
- STS Chip-to-Shore
- the primary purpose of STS cranes is to offload containers from cargo ships onto trucks or so-called “Automated Guided Vehicles” for onward transport. It is often the case that a truck has not yet arrived in an area that can be reached by the lifting device or crane, but the movement of the load has to be started for reasons of efficiency. For obvious reasons, the actual position of a load-carrying truck can only be recorded after it has arrived and subsequently taken into account.
- An obstacle can be another ship, a stack of containers, for example on a ship or on land, or some other obstacle.
- an obstacle can only appear during the movement of a load.
- a first trajectory can be planned, which has to be adapted to the actual obstacles as part of a later replanning. It is therefore necessary to replan a trajectory depending on changed obstacles.
- the CN 111170153A describes, in contrast, a method for replanning a given trajectory on the basis of obstacles detected by measurement.
- the necessary metrological requirements represent a significant complication for the implementation of this method CN 111170153A does not state how obstacles that have changed during operation can be taken into account, and moreover makes no statements about the real-time capability of the method described.
- the starting point here is a lifting device which moves a load along a first direction of movement and along a second direction of movement within a predefined working area of the lifting device according to a predefined trajectory from a starting point to an end point.
- a new obstacle to the movement of the load which is located between the position assumed by the load at the time of the command and the end point, is specified for this lifting device at a command time during the movement of the load and/or an existing obstacle which is between the command time from the position assumed by the load and the end point, changed to a new obstacle for the movement of the load, taking into account predetermined kinematic restrictions of the lifting device for the first direction of movement and for the second direction of movement, at least one individual movement is planned, which further movement of the load along the respective direction of movement from the command time determines, with each In the direction of movement, at least one individual movement ends in a projection of the end point onto the respective direction of movement, and the planned individual movements are carried out according to a predetermined sequence of movements in order to move the load without colliding with the obstacle along the first direction of movement and along the second direction of movement according to a sequence of movements the replanning trajectory resulting from the planned individual movements.
- the numerical complexity is significantly reduced in comparison to methods known from the
- the individual movements planned for the first direction of movement and for the second direction of movement are planned as individual movements that are independent of one another, which means that no mutual dependencies have to be taken into account and the actual replanning task can be simplified even further.
- the position profiles of the load specified by the planned individual movements are specified as position profiles that can be continuously differentiated at least four times over time.
- the position curves specified by the individual movements are filtered by means of a filter with a specified time constant in order to generate the time-based at least quadruple continuous differentiability.
- a filter with a specified time constant in order to generate the time-based at least quadruple continuous differentiability.
- the time constant of the filter can advantageously be made dependent on the geometry of the lifting device in order to enable precise adjustment to the given lifting device.
- a second individual movement is planned for the second movement direction in order to move the load around the newly specified and/or changed obstacle.
- the individual movement planned for bypassing with other individual movements planned along the other movement directions, ie to combine horizontal and vertical movements with one another in a suitable manner.
- the load can be Obstacle can be moved and collisions of the load with the given obstacle can be avoided.
- the sequence of movements mentioned provides for an alternating start and, if necessary, an overlapping execution of the planned individual movements along the first direction of movement and of individual movements along the second direction of movement, which means that obstacles can be avoided on the one hand, and on the other hand to a sometimes significant degree time can be saved.
- the method according to the invention allows, before at least one planned individual movement is carried out, to check whether the replanning trajectory to be expected will lead to a collision of the load with an obstacle specified in the work area.
- This check can be carried out in an advantageous manner by comparing the collision times at which the respective individual movements reach projections onto the corresponding direction of movement of a support point derived from the specified obstacle, with the determination of these collision times at which the respective individual movements projections onto the corresponding Reach the direction of movement of a base point derived from the given obstacle, a numerical method for zero point search can be used.
- obstacles in the working area of the lifting device can be included in the replanning according to the invention, and possible collisions can be reacted to in good time. It should be noted here that the procedure according to the invention allows the described check to be carried out in a particularly efficient manner.
- a possible collision is detected by the advance calculation described, at least one individual movement cannot be carried out and instead a specified braking process can be carried out along the direction of movement for which the at least one individual movement which was not carried out was planned, for at least the duration of a specified minimum braking time.
- a specified braking process can be carried out along the direction of movement for which the at least one individual movement which was not carried out was planned, for at least the duration of a specified minimum braking time.
- a new individual movement can be planned in an advantageous manner instead of the at least one individual movement that was not carried out for the corresponding direction of movement, with a replanning trajectory to be expected from the at least one new individual movement being determined and it being checked whether the replanning trajectory to be expected leads to a collision of the load with an obstacle specified in the working area, and wherein the new individual movement is executed if no collision is detected, or the specified braking process is continued for at least one additional minimum braking time and a new planning of a single movement as well as a review of the replanning trajectory, which is carried out by the newly planned Individual movement is to be expected, is carried out if another collision with an obstacle is detected.
- the method according to the invention can be continued without a collision, even if a first replanning would have led to a collision, and it can be ensured that the transported load does not collide with obstacles during the entire movement of the load.
- the position of the load can be measured using measurement technology and the measurement of the position of the load can be used when carrying out the individual movements.
- the use of measurement data is usually particularly advantageous, particularly in the control-technical implementation of planned individual movements.
- the method according to the invention is in no way limited to movements in the plane, and that movements in (three-dimensional) space can also be planned using the present invention. In the case of more than two dimensions, the properties of the subject inventions are even more advantageous. The independence of the planned individual movements should be particularly emphasized, especially since three mutually dependent coordinates would further increase the complexity to be managed in a replanning - compared to the already challenging 2D case.
- Fig.1 shows a lifting device 1 in the form of a schematic container crane 2, as used for loading and unloading ships in a port.
- a container crane 2 usually has a supporting structure 3 which is either fixed or movable on the ground.
- the supporting structure 3 can be arranged on rails such that it can move in the Z direction, for example. Due to this degree of freedom in the Z-direction, the container crane 2 can be used flexibly in terms of location.
- a suitable displacement device can be arranged on the lifting device, for example driven wheels, a cable pull, a toothed drive or the like.
- the supporting structure 3 has a cantilever 4 which is firmly connected to the supporting structure 3 at a specific height y T .
- a running element 5 is usually arranged on this boom 4, which is movable in the longitudinal direction of the boom 4, in the example shown in the X-direction. Accordingly, a running element 5 can be mounted in guides by means of rollers.
- a running element drive is provided for the running element 5 in order to move the running element 5 in the X-direction.
- the running element drive can be provided on the running element 5 itself, but can also be arranged on the boom 4 or on the supporting structure 3 .
- the running element 5 is usually connected to a load bearing element 7 for bearing a load 8 with the aid of holding elements 6 .
- the load 8 is typically a container 9, in most cases an ISO container, 20, 40 or 45 feet long, 8 feet wide and 8 feet 6 inches high.
- the holding elements 6 are usually designed as ropes, with four holding elements 6 being arranged on the running element 5 in most cases, but more or fewer holding elements 6 can also be provided, in the simplest case just a single one Retaining element 6.
- a load 8 such as a container 9
- the distance between the running element 5 and the load-carrying element 7 can be adjusted using a lifting drive (not shown), in 1 accordingly in the Y-direction.
- the holding elements 6 are designed as cables, the lifting height is usually adjusted by means of one or more cable winches.
- the area in which a lifting device 1 can move a load 8 is referred to as the working area 15 in the present context. Depending on the size and structural design of the lifting device 1, the working area 15 can vary.
- the aim is to move the load 8 from the starting point A to the end point E.
- the starting point A can be, for example, a position of a container 9 on land, such as on a truck trailer, rail car or storage yard
- the end point E can be, for example, a predetermined position of the container 9 on a ship.
- the working area 15 can be defined in one plane or in the entire movement space and it can be checked whether a specified starting point A and a specified end point E are within the working area 15 and whether a continuous movement of the load 8 from Starting point A to end point E is possible.
- the lifting device 1 In order to move a load 8 along a trajectory T from the starting point A to the end point E, the lifting device 1 has a crane control 16 with a computing unit 12, e.g. in the form of an electronic control unit in the form of suitable hardware and/or software, by means of which the movement the load 8 can be controlled along the respective direction of movement X, Y, Z.
- a starting point A and/or ending point E is defined manually by a user, for example, the starting point A and/or ending point E can be transmitted to the processing unit 12, e.g. via a suitable interface.
- a starting point A and/or an end point E can also be determined in the computing unit 12 .
- a computing unit 12 Possible implementations of a computing unit 12 include microprocessor-based hardware, microcontrollers and integrated circuits (ASIC, FPGA).
- the crane controller 16 communicates with the drives provided for this purpose, such as a running element drive or a cable winch, and is usually designed in such a way that it transmits the current position of the running element 5, the position of the load receiving element 7 and can optionally also detect the position of the supporting structure 3 by measurement.
- the coordinates of the central point Pz which is arranged on the upper side of the load-carrying element 7 facing the boom 4, can be detected in the XY plane E XY using the coordinates x L and y L of the load-carrying element 7, but the coordinates x T and y T of the running element 5 are detected in the X and Y directions.
- the central point Pz can here be used to describe the position of the load 8, and accordingly can also be considered as a load position.
- the position y T of the running element in the Y-direction is often determined by the structural height of the supporting structure 3 or the cantilever 4 and is therefore constant.
- the coordinates are related to a given coordinate system.
- Fig.1 12 also shows an obstacle 11 located between the starting point A and the end point E.
- An obstacle 11 can be another ship, a stack of containers 9 or another obstacle 11.
- the obstacle 11 means that no direct connection between the starting point A and the end point E, ie no trajectory T in the form of a straight line, is possible.
- the load 8 In order to avoid collisions or to ensure a sufficient safety distance, the load 8 must avoid the specified obstacles 11 during its movement.
- obstacles 11 can be taken into account by so-called forbidden zones V i (the index i ⁇ 1 relates to the number of forbidden zones V i ), the forbidden zones V i enclosing the obstacles 11 .
- a prohibited zone V i can therefore also be noticeably larger than an obstacle 11 it encompasses.
- a prohibited zone can be defined manually by a user, for example via a suitable interface in the processing unit 12 , or it can be determined automatically by the processing unit 12 .
- a suitable laser scanning method can be used for this purpose, for example, which scans a working area 15 of the lifting device 1 and thereby detects and measures obstacles 11 and forwards the data determined to the computing unit 12 . Such methods are known in the art.
- FIGS Figures 2a-2d concretely shown.
- a new obstacle 11n is now specified instead of the previous obstacle 11a.
- the command time t K can be specified by an operator, such as a crane driver, and can therefore be chosen as freely as possible. However, the command time t K can also be generated internally in the processing unit 12 . Several consecutive command times t K for a repeated changing of an obstacle 11 are also conceivable.
- the load 8 is at the position P z (t K ). According to the invention, once the new obstacle 11n has been specified, the replanning of the movement of the load 8 begins immediately.
- the supporting points S 1n , S 2n are preferably, as shown, corner points of the forbidden zone V 1n .
- Support points S 1a , S 2a can of course also be specified for the forbidden zone V 1a .
- support points such as S 1n , S 2n can be used as intermediate targets, in particular when planning movements along the Y axis, in order to avoid collisions with a forbidden zone V 1n and thus with the obstacle 11 n .
- the projections of the position P z (t K ) assumed by the load 8 at the command time t K , the end point E and the support points S 1n , S 2n onto the X-axis are given as Pz', E', S 1n ' and S 2n ', while the projections onto the Y-axis are denoted Pz", E", S 1n " and S 2n ".
- the projections Pz', E', S1n ', S2n ' and the projections Pz", E", S1n ", S2n " are considered separately from one another.
- a single movement TE preferably defines a position, speed and acceleration profile along the respective direction of movement.
- the projections Pz′, E′, S 1n ′, S 2n ′ along the direction of movement X are connected by a single movement TEx for the direction of movement X.
- TEx for each of the directions of movement X, Y, there is initially at least one individual movement TE.
- Individual movements related to directions of movement such as X, Y are referred to as TEx, TE Y.
- lifting movements are usually carried out first, and lowering movements (“Hoist Down") are only carried out after a suitable horizontal movement along the X-axis (“Move Trolley”) to move the load 8 to move around an obstacle 11n or to lift the load 8 over an obstacle 11n.
- Move Trolley suitable horizontal movement along the X-axis
- the individual movement TE Y2 is provided as a lifting process for the load 8, which first lifts the load 8 along the direction of movement Y to such an extent that a collision with the obstacle 11n can be ruled out.
- an individual movement TEx along the direction of movement X that has already been planned to transfer the load 8 to the end point E is only started when a collision can be ruled out as described.
- supporting points S 1n , S 2n can be used for planning individual movements TE Y , TE Y2 .
- a single single movement TEx along the X-axis from the projection P Z '(t K ) to the projection E' is usually sufficient to ensure a collision-free movement of the load 8 to the end point E.
- the present invention also covers the case in which an obstacle 11a previously assumed for the planning of a trajectory T later turns out not to be present, ie the obstacle 11a disappears. in one In such a case, a single individual movement TE Y along the Y-axis is already sufficient to transfer the load 8 from its position P Z (t K ) to the end point E.
- the planned individual movements TE are executed in accordance with a predetermined sequence, hereinafter referred to as “movement sequence”, in order to move the load 8 further along the first direction of movement X and along the second direction of movement Y.
- a replanning trajectory TU thus results from the planned individual movements TE.
- the replanning trajectory TU is in 2 represented by the solid line.
- Figure 2c 12 shows a corresponding individual movement TE Y2 along the Y-direction, by means of which the projections P z "(t k ) and S 1n " onto the Y-direction are connected to one another.
- the individual movement TE Y2 accordingly represents a previously described lifting movement and ends at time t S1 in the projection S 1n ".
- the individual movement TE Y is shown, which begins at time t S2 and which lowers the load 8 starting from the projection S 2n "into the end point E".
- a load 8 is thus lifted above the projections S 1n ′′ or S 2n ′′, which increases the safety distance from obstacles 11 and is therefore advantageous.
- a resulting replanning trajectory TU usually does not go directly through the interpolation points S 1n or S 2n , but runs around them.
- the (re)planning task to be solved is significantly simplified compared to methods known from the prior art.
- the complex problem of planning an at least two-dimensional movement is reduced to planning several only one-dimensional movements. It is precisely this fact that proves to be advantageous in practical implementation, since the planning of one-dimensional movements is a problem that is known in control and automation technology and has already been solved in various ways.
- the concrete planning of the individual movements TE can be based on a variety of known approaches are used.
- the maximum possible positive acceleration of the load 8 is referred to as a + max , the maximum possible negative acceleration of the load 8 as a ⁇ max .
- the fastest possible individual movement TE along the X-axis is achieved by utilizing the maximum possible positive accelerations a + max and the maximum possible negative accelerations a ⁇ max along the X-axis.
- ⁇ ( x ) stands for the well-known sigma function from mathematics, which assumes the value one for arguments greater than or equal to zero (x ⁇ 0) and is equal to zero otherwise.
- v x0 stands for the initial speed at the beginning of the individual movement.
- the procedure shown is done by specifying points in time T a1 and T a2 , which limit the times of the acceleration phases mentioned.
- the speed curves v x and position curves s x associated with the acceleration curve a x adjust themselves in accordance with the specified acceleration curves.
- the widths of the acceleration phases delimited by the points in time T a1 and T a2 with accelerations other than zero are usually specified in this case in such a way that the resulting speeds do not exceed the specified limits v + max , v ⁇ max . It should be noted here that lower (constant) values than the maximum accelerations possible due to the kinematic limitations of the drives can also be specified for the acceleration of the load 8 along the movement directions X, Y.
- Kinematic and/or geometric limit values can, for example, be stored in the computing unit 12 or can be specified for the computing unit 12 . Further kinematic limit values are preferably a maximum speed v Tmax and/or a maximum acceleration a Tmax of the running element 5, or a maximum speed v Hmax and a maximum acceleration a Hmax of the lifting drive in the Y direction. A geometric limitation can be given, for example, by a maximum deflection angle ⁇ XYmax of the load bearing element 7 in the plane E XY .
- a maximum speed v Smax and a maximum acceleration a Smax of the supporting structure 3 can also be specified as kinematic limit values and a maximum deflection angle ⁇ ZYmax of the load bearing element 7 in the plane E ZY as a geometric limit value.
- a maximum speed v Smax and a maximum acceleration a Smax of the supporting structure 3 can also be specified as kinematic limit values and a maximum deflection angle ⁇ ZYmax of the load bearing element 7 in the plane E ZY as a geometric limit value.
- other approaches to planning individual movements TE can also be used.
- the planned individual movements TE are subsequently executed either simultaneously or at different times.
- a staggering of planned individual movements TE can be necessary in particular in the case of prohibited areas V i or obstacles 11 described above. So it may be necessary for driving around an obstacle 11 to begin a lowering movement in the Y-direction with a delay.
- An individual movement TE Y planned in the Y direction would therefore only be started with a time offset after the individual movement planned in the X direction had already started.
- the specification as to which individual movement TE is to be carried out first and which individual movement TE is to be carried out later, is expressed within the scope of the present invention by a so-called movement sequence, which is transmitted, for example, to crane controller 16 or the computing unit 12 provided in crane controller 16 via a suitable interface can be specified.
- a sequence of movements can thus be stored in the processing unit 12 .
- a sequence of movements therefore defines the order in which the planned individual movements TE are to be carried out.
- a movement sequence can read, for example: "First horizontal movement in the X direction, only then vertical movement in the Y direction.”
- a movement sequence can also be in the form of a table in which the planned individual movements TE are assigned start times at which they are started.
- a movement sequence can also include time intervals which define waiting times which must at least be provided between the start times of successive individual movements TE.
- rapid movement processes of lifting devices can often stimulate undesired vibrations and/or pendulum movements of transported loads 8 or of load-receiving elements. Vibrations of loads 8 can in turn delay handling and manipulation processes, since loads such as containers often cannot be placed at all or at least not with sufficient precision in such cases and it is first necessary to wait until a given vibration has subsided again.
- Fig.1 the possibility of the formation of oscillations and/or pendulum movements is represented by a double arrow in the XY plane E XY .
- flat trajectories i.e. trajectories that can be continuously differentiated sufficiently often depending on the specific structure of the lifting device, are an effective means of counteracting (load) vibrations and/or represent pendulum movements.
- This approach is based on the fact that a situation like that in 1 lifting devices 1 shown is a "flat system" in the control engineering sense.
- flat systems are systems which have a so-called flat output.
- the position curves of the load 8 along the directions of movement X, Y represent flat exits of the "lifting device” 1 system. This shows that it is sufficient to suppress vibrations and/or pendulum movements caused by the planned Individual movements TE specified position profiles s x (t), s y (t) as quadruple continuous temporally differentiable position profiles s x (t), s y (t). In this way, oscillations and/or pendulum movements can be suppressed without having to rely on measurements of the load position Pz.
- the use of trajectories that can be differentiated more often and continuously can ensure even smoother motion courses that are even gentler on the drives.
- the position curves s x (t), s y (t) defined by the specified individual movements TE can actually be continuously differentiated fourfold.
- the quadruple differentiability described can also be achieved in a different way than by filtering, for example by polynomial approaches for the predetermined position, speed and/or acceleration curves.
- the filtering of individual movements TE which are present as scalar curves, is significantly simpler than the filtering of multi-dimensional curves. This is another reason why the use of individual movements TE represents a significant advantage when controlling lifting devices 1.
- the variables x T , v T , a T stand for the movements of the running element 5, x L and y L on the other hand for the coordinates of the load 8, whose corresponding derivatives are denoted by ⁇ L , ⁇ L , x ⁇ L , x L 4 etc. are noted.
- the given equations represent a flat parameterization of the state variables x T , v T , a T as a function of the flat outputs ⁇ L , y L .
- the given relationship makes it clear that specifications regarding the courses of the coordination x L and y L affect the movement of the running element 5 in a direct manner.
- a suitable filter F can be used, for example, such as a moving average filter (MA filter, "moving average filter”).
- MA filter moving average filter
- FIG 3b shows a general filter F, which records position curves s, speed curves v and acceleration curves a, and outputs filtered position curves s ⁇ , speed curves ⁇ and acceleration curves ⁇ .
- the filter F can be designed to also output time derivatives of the variables mentioned, in particular of incoming acceleration curves.
- the filter F can be designed as a single-variable system, and can record only one of the named variables, position s, speed v and acceleration a, and output it again in filtered form. However, the filter F can also be designed as a multivariable system and process several variables at the same time.
- the filter F can be implemented in the control unit 12 in a known manner.
- the filter time ⁇ filt of a filter F implemented as an MA filter can be selected here in a particularly advantageous manner as a function of the geometry of the lifting device and the pendulum equations.
- the previously planned individual movements can be filtered even more and, for example, even more conservative curves can be specified for the running element.
- individual movements TE can be generated in an extremely advantageous manner, by which kinematic limitations specified for the drives of the lifting device 1, such as speed, acceleration, jerk limitations, are taken into account.
- prohibition zones V i can be done concretely is further explained in 4 shown closer.
- an envelope of an obstacle 11 in the form of a rectangle can be used, which completely encloses the obstacle 11 .
- the height H R1 of the rectangle corresponds at least to the maximum extent of the obstacle 11 in the Y direction and the width W R1 of the rectangle corresponds at least to the maximum extent of the obstacle 11 in the X direction.
- a single forbidden zone V 1 can enclose several obstacles 11 .
- a finer definition of several prohibited zones V i can also be applied, e.g. based on the concrete outlines of obstacles 11.
- a first possibility is to perform the planned individual movements TE at different times, ie to wait after the implementation of an individual movement TE and only to continue with the next individual movement TE according to the movement sequence after a predetermined waiting time.
- a sequence of movements can specify, for example, that in the in 4 In the situation shown, a lifting movement is first carried out in the Y direction as a single movement TE Y2 ("Hoist Up"), then the vertical single movement TE x is carried out in the X direction (“Move Trolley”), and only then the single movement TE Y1 in the Y-direction as a lowering movement (“Hoist Down”).
- the waiting time between these individual movements TEx, TE Y , TE Y2 can be predefined or determined depending on the situation.
- the planned individual movements TE can also be carried out with a time overlap in an advantageous manner.
- temporally overlapping means that, for example, an individual movement in the Y-direction has already started before an individual movement in the X-direction has been completely completed.
- Such an overlapping of individual movements TE can also be recorded in a sequence of movements within the scope of the present invention.
- Figures 5a-5c show on the one hand acceleration, speed and position profiles ( ax , vx , sx and ayvy , sy ) for the directions of movement X and Y , as they can be used for replanning the movement of a load 8 according to the invention.
- the load 8 is to the left of a newly specified obstacle 11n at the command time t K , as in FIG Fig.5c is evident.
- the individual movements TE Y1 , TE Y2 planned in the Y direction can be accepted without restriction.
- a collision cannot be brought about purely by a movement in the Y direction starting from the position P z (t k ).
- the braking process corresponds to that in Figure 5a initially planned phase with negative acceleration. Based on this, a new individual movement TE xn is planned in the X direction and this is carried out instead of the previously planned, old individual movement TE xa after the end of the braking process.
- a check as to whether a collision with an obstacle is to be expected can be carried out in the following way: Before at least one planned individual movement TE is carried out, so-called collision times t iX , t iY are determined and compared with one another. among the Collision times t iX , t iY are to be understood as the respective times at which the load 8 derived a projection Si ′ or S i “of a prohibition zone V i placed around an obstacle 11 by means of the respective planned individual movements TEx, TE Y , Support point S i (English "Keypoints") on the respective direction of movement X, Y would reach.
- support points S i are preferably corner points of forbidden zones V i .
- t iX ⁇ t iY applies (specifically to Figure 5c the inequality would be t iX ⁇ t iY ).
- the corresponding collision times t ix , t iy are here in the Figures 5a and 5b shown.
- the Y coordinate of the load position Pz i.e. the projection Pz" of the load position Pz onto the Y axis. It must be taken into account whether the Y coordinate Pz" of the load position Pz at the beginning of a single movement TE Y in the Y direction is larger or smaller than the projection S i " of the next supporting point S i in the Y direction on the Y axis.
- the load position Pz is at the beginning of a newly planned individual movement TE through the load position Pz at the command time t k , i.e. P Z (t k ).
- the acceleration curves a x and a y are initially specified as constant piece by piece as described.
- the associated position curves s x and s y can easily be calculated analytically for these piecewise constant acceleration curves a x and a y .
- the height and width of the load 8 can also be taken into account in the formulas f x (t) and f y (t), which is usually defined by the height H 7 of the load bearing element 7 plus the height Hg of a container 9 in the Y direction, as well as half the width B 7 of the load receiving element 7 (usually corresponds to half the width Bg of the container 9) are given.
- the function f x (t) can be increased or decreased by half the width Bg, for example.
- the position profiles s x (t) and sy (t) are filtered to form filtered position profiles s ⁇ x ( t ) and sy (t).
- the property of an MA filter can now be exploited that the zeros t x0 , t y0 determined from the function f x (t) shown above are filtered by a maximum of the filter time ⁇ filt of the MA filter used for filtering can be shifted.
- a time interval of length 2 ⁇ ⁇ filt can be placed around the previously determined zeros t x0 , t y0 , with the zeros t x0 , t y0 at the beginning of the interval at the left interval boundary.
- the collision time t iy can be calculated, which indicates when along the Y axis a planned individual movement TE Y in the Y direction will result in a projection of a specified support point S i "on the Y axis.
- the position s X (t iy ) can also be determined, which describes the position on the X axis specified at the time of collision t iy by the planned individual movement TE x in the X direction.
- the check as to whether a collision with an obstacle 11 is to be expected as a result of planned individual movements TE can then be carried out by comparing the position s x (t iy ) with the projection Si' of the support point Si on the X axis. in Figures 5a-5c
- a collision can be concluded, for example, if one of the conditions s x (t 1y )>S 1 'or s x (t 2y ) ⁇ S 2 ' is met. In this way, computing time can be saved compared to the procedure described above, since only a collision time t iy has to be determined.
- the individual movement TE that caused the collision is not carried out and instead is carried out along the direction of movement X, Y for which the at least one individual movement that has not been carried out is planned , in Figure 5c the individual movement TEx in the direction of movement X, a specified braking process is carried out.
- the braking process is carried out at least for the duration of a predefined minimum braking time T St .
- a braking process specifies accelerations for the movement of the load 8 in such a way that the speed of the load 8 is reduced along the direction along which braking is required. In the case of positive speeds, negative accelerations are specified and vice versa. In an advantageous manner, the maximum permissible accelerations can also be used during a braking process.
- At least one individual movement TE that has not been carried out is rescheduled to form a new individual movement TE in an advantageous manner in a replanning step.
- a predetermined braking process can advantageously be carried out again for at least one further minimum braking time T St . Thereafter, a replanning step and a verification step following this replanning step can be performed again.
- the load 8 can also be brought to a complete standstill.
- the further planning of individual movements TE then takes place based on the standstill of the load 8 .
- the standstill at the starting point A can be assumed/specified as the end of a braking process that has been carried out several times and by using the method according to the invention
- a first trajectory T for transferring the load 8 from a standstill at the starting point A to the end point E can also be planned using the method.
- a time interval can also be specified for a braking process, in which the load 8 can be completely brought to a standstill.
- the limits t k (command time) and t k +T TE can be specified for this time interval, with T TE describing the duration of a planned individual movement TE.
- Such a case is in 6 shown, where, as in the previous examples, at the command time tk starting from the position P z (t k ), new individual movements TE X1 , TE X2 , TE Y1 , TE Y2 , TE Y3 are planned.
- the important case is shown that several individual movements TE X1 , TE X2 are also planned in the X direction, which is also possible within the scope of the present invention.
- the obstacle 11a is avoided, for example, by a lifting movement TE Y3 and the obstacle 11b on the other hand by a lowering movement TE Y2 .
- the final transfer to the end point E takes place by means of a final lifting movement TE Y1 .
- optical measuring systems for detecting the load position P Z or obstacles 11, as is the case, for example, in FIG EP 3 653 562 A1 is described.
- Appropriate camera systems in particular, but also laser scanners, are to be mentioned here as optical measuring systems.
- a camera can be mounted/installed directly on the trolley of a lifting device 1 for the purpose of monitoring obstacles 11 whose position can be changed in the working area 15 .
- an optical detection of obstacles can supply information about how high and at which spatial positions obstacles 11 to be avoided are arranged. If a change in the position of an obstacle 11 is detected, a new forbidden zone V can be derived therefrom and, as described, a trajectory for the movement of a load can be replanned.
- automation or logistics systems implemented in software also provide information about obstacles to be taken into account 11.
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Abstract
Um ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Steuern einer Hebeeinrichtung (1), welche eine Last (8) entlang einer ersten Bewegungsrichtung (X) und entlang einer zweiten Bewegungsrichtung (Y) innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereichs (15) der Hebeeinrichtung (1) von einem Anfangspunkt (A) zu einem Endpunkt (E) bewegt, anzugeben, werden für die erste Bewegungsrichtung (X) und für die zweite Bewegungsrichtung (Y) Einzelbewegungen (TEX, TEY) geplant, mittels derer die Last (8) unter Vermeidung einer Kollision mit einem geänderten oder neu vorgegebenen Hindernis (11) weiterbewegt wird. A method for controlling a lifting device (1) which is improved compared to the prior art and which moves a load (8) along a first direction of movement (X) and along a second direction of movement (Y) within a predetermined working area (15) of the lifting device (1). moved from a starting point (A) to an end point (E), individual movements (TE X , TE Y ) are planned for the first direction of movement (X) and for the second direction of movement ( Y ), by means of which the load (8) under Avoiding a collision with a changed or newly specified obstacle (11) is moved on.
Description
Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Hebeeinrichtung, welche eine Last entlang einer ersten Bewegungsrichtung und entlang einer zweiten Bewegungsrichtung innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereichs der Hebeeinrichtung gemäß einer vorgegebenen Trajektorie von einem Anfangspunkt zu einem Endpunkt bewegt.The present invention relates to a method for controlling a lifting device that moves a load along a first direction of movement and along a second direction of movement within a predetermined working range of the lifting device according to a predetermined trajectory from a starting point to an end point.
Die Planung geeigneter Trajektorien stellt in den verschiedensten technischen Anwendungen einen oftmals wesentlichen Bestandteil von Betriebs- und Problemlösungskonzepten dar. Unter einer Trajektorie ist hierbei der zeitliche Verlauf der Bewegung eines Körpers entlang einer Bahnkurve, eines Pfades oder eines Weges zu verstehen, was im Fall eines starren Körpers beispielsweise durch den Positionsverlauf seines Schwerpunktes beschrieben werden kann. Die in der Regelungstechnik übliche Verwendung des Begriffs "Trajektorie" als zeitlicher (Soll-)Verlauf von Zustands- bzw. Ausgangsgrößen eines zu regelnden (technischen) Systems weicht von dieser Definition zwar ab, stellt aber keinen Widerspruch zu ihr dar. Verlangt ein technisches Problem zum einen die Planung einer Bewegung eines physikalischen Körpers, zum anderen aber ebenso die Umsetzung der geplanten Bewegung, beispielsweise durch eine geeignete Regelung oder (An-)Steuerung von zu diesem Zweck vorgesehenen Antriebselementen, fallen die genannten Bedeutungen des Begriffs "Trajektorie" zusammen, was in vielen Anwendungen und so auch im Rahmen der nachfolgenden Ausführungen der Fall ist.The planning of suitable trajectories is often an essential part of operational and problem-solving concepts in a wide variety of technical applications. A trajectory is to be understood as the temporal progression of the movement of a body along a trajectory, a path or a path, which in the case of a rigid Body can be described, for example, by the course of the position of its center of gravity. The usual use of the term "trajectory" in control engineering as a time (setpoint) course of state or output variables of a (technical) system to be controlled deviates from this definition, but does not represent a contradiction to it. Requires a technical problem on the one hand the planning of a movement of a physical body, but on the other hand also the implementation of the planned movement, for example through a suitable regulation or (control) of drive elements provided for this purpose, the meanings of the term "trajectory" mentioned coincide, what in many applications and is also the case in the context of the following explanations.
Eine den obigen Ausführungen entsprechende Trajektorienplanung stellt eine grundlegende Teilaufgabe in der Automatisierung von Fahrzeugen dar, wie von Personen- oder auch Lastkraftwagen. Mit Hilfe von karten- bzw. sensorbasierten Daten werden dabei in vielen Fällen Trajektorien, die in erster Linie die Bewegung eines Fahrzeugs auf einer Straße beschreiben, zunächst geplant und in weiterer Folge als Sollgrößen durch die Regelung / Steuerung des Fahrzeuges umgesetzt. Bei der Umsetzung dieser Vorgehensweise sind neben Komfortaspekten vielfach auch die Realisierbarkeit und Kollisionsfreiheit einer Trajektorie wichtige Kriterien.A trajectory planning corresponding to the above explanations represents a basic subtask in the automation of vehicles, such as passenger cars or trucks. With the help of map or sensor-based data, trajectories, which primarily describe the movement of a vehicle on a road, are initially planned in many cases and then implemented as target values by the regulation/control of the vehicle. When implementing this procedure, in addition to comfort aspects, the feasibility and freedom from collisions of a trajectory are often important criteria.
Ein anderer Bereich, in dem das Thema Trajektorienplanung große Bedeutung besitzt, ist das Gebiet der Transportlogistik. Unter anderem um die Wirtschaftlichkeit von Logistik-Prozessen zu erhöhen, ist in dieser Sparte ein rascher Güterumschlag gefordert. Daraus ergeben sich insbesondere Forderungen nach raschen Be- und Entladungsvorgängen von Frachtschiffen, sowie nach dementsprechend schnellen Bewegungsvorgängen von zur Be- und Entladung eingesetzten Hebeeinrichtungen. Auch solche Hebeeinrichtungen werden vermehrt automatisiert betrieben, wobei sich Forderungen nach schnellen Bewegungsvorgängen unmittelbar auf die im (automatisierten) Betrieb umzusetzenden Trajektorien niederschlagen.Another area in which the topic of trajectory planning is of great importance is the field of transport logistics. In order to increase the profitability of logistics processes, among other things, rapid goods handling is required in this sector. This results in particular in demands for rapid loading and unloading of cargo ships, and for correspondingly rapid movements of lifting devices used for loading and unloading. Such lifting devices are also increasingly operated in an automated manner, with demands for rapid movement processes being directly reflected in the trajectories to be implemented in (automated) operation.
Hebeeinrichtungen gibt es in den verschiedensten Ausführungsformen, die dementsprechend in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen. So gibt es Turmkrane, die vorwiegend für den Hoch- und Tiefbau verwendet werden, oder auch Mobilkrane, z.B. für die Montage von Windkraftanlagen. Weiters werden Brückenkrane z.B. als Hallenkrane in Fabrikhallen eingesetzt, oder Portalkrane z.B. für die Manipulation von Transportcontainern an Umschlagsorten für den intermodalen Güterumschlag. Zu transportierende Güter werden dabei vorwiegend in standardisierten Containern, sogenannten ISO-Containern, gelagert, welche gleichermaßen für die Transport-Modi Straße, Schiene, Wasser geeignet sind. Von einer Hebeeinrichtung zu transportierende Objekte, wie ein Verbund von Containern mit darin enthaltenen Gütern, werden nachfolgend insbesondere schlicht als "Last" bzw. "Lasten" bezeichnet.Lifting devices are available in a wide variety of designs, which are used accordingly in a wide variety of applications. There are tower cranes, which are mainly used for structural and civil engineering, or mobile cranes, e.g. for the assembly of wind turbines. Overhead cranes are also used, for example, as indoor cranes in factory buildings, or gantry cranes, for example, for the manipulation of transport containers at transhipment points for intermodal goods handling. Goods to be transported are mainly stored in standardized containers, so-called ISO containers, which are equally suitable for road, rail and water transport modes. Objects to be transported by a lifting device, such as a combination of containers with goods contained therein, are referred to below in particular simply as "load" or "loads".
Der Aufbau und die Funktionsweise insbesondere von Portalkranen ist hinlänglich bekannt und z.B. in der
Typischerweise werden Krane von einem Kranführer bedient, der die Bewegung eines Krans üblicherweise von einer Kabine aus steuert. Eine derartige Kabine kann an einem Portal oder an einer beweglichen Laufkatze angeordnet sein. Für eine genaue und kollisionsfreie Manipulation von Lasten sind hierbei hohe Anforderungen an den Kranführer gestellt, weshalb in der Regel eine zumindest einjährige Ausbildungs- bzw. Einschulungszeit nötig ist. Insbesondere das rasche Bewegen von Lasten mit geringen Pendelbewegungen stellt dabei eine höchst komplexe Tätigkeit dar, weshalb zur erfolgreichen Ausübung der Tätigkeit eines Kranführers zusätzlich eine meist mehrjährige Praxis-Erfahrung erforderlich ist. Erschwert wird die Tätigkeit eines Kranführers vielfach durch eine hohe körperliche Belastung, unter anderem aufgrund der geforderten hohen Konzentration in Verbindung mit langem Sitzen mit nach unten geneigtem Blick. Unter anderem aus diesen Gründen ist es ein erklärtes Ziel der Automatisierungstechnik, die komplexen Manipulationsvorgänge einer Hebeeinrichtung zumindest teilweise zu automatisieren und damit für den Kranführer zu vereinfachen. Untrennbar mit dem automatisierten Betrieb von Hebeeinrichtungen verbunden ist dabei die Planung von geeigneten Trajektorien, die von den Hebeeinrichtungen im automatisierten Betrieb umzusetzen sind.Typically, cranes are operated by a crane operator, who usually controls the movement of a crane from a cab. Such a cabin can be arranged on a portal or on a movable trolley. For a precise and collision-free manipulation of loads, high demands are placed on the crane driver, which is why at least one year of training or induction is usually necessary. In particular, the rapid movement of loads with small pendulum movements is a highly complex activity, which is why several years of practical experience are usually required for the successful exercise of the activity of a crane operator. The work of a crane driver is often made more difficult by the high physical strain, among other things due to the high level of concentration required in connection with long periods of sitting with a downward gaze. For these reasons, among others, it is a declared goal of automation technology to at least partially automate the complex manipulation processes of a lifting device and thus simplify it for the crane operator. Inseparably connected with the automated operation of lifting devices is the Planning of suitable trajectories to be implemented by the lifting devices in automated operation.
Eine bislang wenig betrachtete, aber zusehends an Bedeutung gewinnende Fragestellung betrifft in diesem Zusammenhang die Umplanung von bereits bestehenden Trajektorien. Ein für die Praxis relevantes Beispiel, in dem das Erfordernis der Trajektorienumplanung vermehrt auftritt, sind die bereits erwähnten STS ("Ship-to-Shore") Krane. Wie erwähnt ist es der primäre Zweck von STS-Kranen, Container von Frachtschiffen zum Weitertransport auf Lastkraftwagen (LKW) oder auf sogenanannte "Automated Guided Vehicles" zu verladen. Dabei tritt häufig der Fall ein, dass ein LKW noch nicht in einem von der Hebeeinrichtung bzw. vom Kran erreichbaren Bereich eingetroffen ist, die Bewegung der Last aus Effizienzgründen aber bereits begonnen werden muss. Die tatsächliche Position eines LKWs zur Lastaufnahme kann aus offensichtlichen Gründen erst nach dessen Eintreffen erfasst und in weiterer Folge berücksichtigt werden. Um die Bewegung eines Containers bzw. einer Last dennoch auch vor Eintreffen des LKWs beginnen zu können, ist es in derartigen Fällen erforderlich, zunächst eine geeignete Zielposition für die Planung einer ersten Trajektorie anzunehmen und die angenommene Zielposition später im Rahmen einer Umplanung an die wahre Zielposition anzupassen.In this context, a question that has so far received little attention but is becoming increasingly important concerns the replanning of existing trajectories. An example relevant to practice, in which the need to replan the trajectory occurs more frequently, is the already mentioned STS ("Ship-to-Shore") cranes. As mentioned, the primary purpose of STS cranes is to offload containers from cargo ships onto trucks or so-called "Automated Guided Vehicles" for onward transport. It is often the case that a truck has not yet arrived in an area that can be reached by the lifting device or crane, but the movement of the load has to be started for reasons of efficiency. For obvious reasons, the actual position of a load-carrying truck can only be recorded after it has arrived and subsequently taken into account. In order to be able to start the movement of a container or a load before the truck arrives, it is necessary in such cases to first assume a suitable target position for planning a first trajectory and later adjust the assumed target position to the true target position as part of a replanning to adjust.
Selbes gilt für Hindernisse, die während der Bewegung der Last von der Last vermieden werden müssen. Ein Hindernis kann hierbei ein anderes Schiff, ein Stapel aus Containern, beispielsweise auf einem Schiff oder an Land, oder ein sonstiges Hindernis sein. Diesbezüglich kann es aus Effizienzgründen vorteilhaft sein, die Bewegung eines Containers bzw. einer Last bereits zu beginnen, noch bevor beispielsweise die Abmessungen eines Hindernisses bekannt sind. Auch kann ein Hindernis erst während der Bewegung einer Last auftreten. In solchen Fällen ist es erforderlich, ebenso zunächst Annahmen zu treffen, insbesondere hinsichtlich Anzahl und Form von zu berücksichtigenden Hindernissen. Auf Basis dieser Annahmen kann eine erste Trajektorie geplant werden, welche im Rahmen einer späteren Umplanung an die tatsächlichen Hindernisse anzupassen ist. Es ist also eine Umplanung einer Trajektorie in Abhängigkeit von geänderten Hindernissen erforderlich.The same applies to obstacles that must be avoided by the load during the movement of the load. An obstacle can be another ship, a stack of containers, for example on a ship or on land, or some other obstacle. In this regard, for reasons of efficiency, it can be advantageous to start moving a container or a load before the dimensions of an obstacle are known, for example. Also, an obstacle can only appear during the movement of a load. In such cases, it is also necessary to make initial assumptions, particularly with regard to the number and shape of obstacles to be taken into account. On the basis of these assumptions, a first trajectory can be planned, which has to be adapted to the actual obstacles as part of a later replanning. It is therefore necessary to replan a trajectory depending on changed obstacles.
Obgleich das Thema Trajektorienplanung für Hebeeinrichtungen im Stand der Technik behandelt wird, finden Fragestellungen hinsichtlich einer Trajektorienumplanung, insbesondere aufgrund sich ändernder Hindernisse, bislang kaum Erwähnung in der einschlägigen Literatur.Although the topic of trajectory planning for lifting devices is dealt with in the prior art, questions regarding trajectory replanning, in particular due to changing obstacles, have so far hardly been mentioned in the relevant literature.
So beschreibt die
Die
Daneben zeigt der bekannte Stand der Technik eine Vielzahl weiterer Nachteile, wie die üblicherweise gegebene Notwendigkeit, dass sich durch eine Umplanung keine Richtungsänderungen entlang der vorgegebenen Bewegungsrichtungen ergeben dürfen. Ein weiterer wesentlicher Punkt ist die Echtzeitfähigkeit von Konzepten zur Trajektorienumplanung. Da die beschriebenen Umplanungen üblicherweise während des Betriebs einer Hebeeinrichtung vorgenommen werden müssen, darf der mit einer Umplanung verknüpfte Rechenaufwand den Betrieb einer Hebeeinrichtung nicht beeinträchtigen. Auch dieser Aspekt wird im Stand der Technik nicht berücksichtigt.In addition, the known state of the art shows a large number of other disadvantages, such as the usually given requirement that no changes in direction along the specified directions of movement may result from a replanning. Another essential point is the real-time capability of concepts for trajectory replanning. Since the replanning described usually has to be carried out during the operation of a lifting device, the computing effort associated with a replanning must not impair the operation of a lifting device. This aspect is also not considered in the prior art.
Es ist demnach eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Trajektorienumplanung für eine Hebeeinrichtung anzugeben, welches eine effiziente Umplanung einer Trajektorie, entlang derer eine Last bewegt wird, unter Berücksichtigung eines veränderlichen Hindernisses ermöglicht.It is therefore an object of the present invention to specify an improved method for replanning the trajectory for a lifting device, which method enables a trajectory along which a load is moved to be replanned efficiently, taking into account a variable obstacle.
Diese Aufgabe wird durch die gegenständliche Erfindung gelöst. Dabei wird von einer Hebeeinrichtung ausgegangen, welche eine Last entlang einer ersten Bewegungsrichtung und entlang einer zweiten Bewegungsrichtung innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereichs der Hebeeinrichtung gemäß einer vorgegebenen Trajektorie von einem Anfangspunkt zu einem Endpunkt bewegt.This object is achieved by the present invention. The starting point here is a lifting device which moves a load along a first direction of movement and along a second direction of movement within a predefined working area of the lifting device according to a predefined trajectory from a starting point to an end point.
Erfindungsgemäß wird für diese Hebeeinrichtung zu einem Kommandozeitpunkt während der Bewegung der Last ein für die Bewegung der Last neues Hindernis, welches zwischen der zum Kommandozeitpunkt von der Last angenommenen Position und dem Endpunkt angeordnet ist, vorgegeben und/oder ein bestehendes Hindernis, welches zwischen der zum Kommandozeitpunkt von der Last angenommenen Position und dem Endpunkt angeordnet ist, zu einem neuen Hindernis für die Bewegung der Last verändert, wobei unter Berücksichtigung von vorgegebenen kinematischen Beschränkungen der Hebeeinrichtung für die erste Bewegungsrichtung und für die zweite Bewegungsrichtung jeweils zumindest eine Einzelbewegung geplant wird, welche die weitere Bewegung der Last entlang der jeweiligen Bewegungsrichtung ab dem Kommandozeitpunkt festlegt, wobei je Bewegungsrichtung zumindest eine Einzelbewegung in einer Projektion des Endpunktes auf die jeweilige Bewegungsrichtung endet, und wobei die geplanten Einzelbewegungen entsprechend einer vorgegebenen Bewegungsabfolge ausgeführt werden, um die Last ohne Kollision mit dem Hindernis entlang der ersten Bewegungsrichtung und entlang der zweiten Bewegungsrichtung gemäß einer sich aus der Bewegungsabfolge der geplanten Einzelbewegungen ergebenden Umplanungstrajektorie weiterzubewegen. Durch die Planung von Einzelbewegungen wird hierbei die numerische Komplexität im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren signifikant reduziert, wodurch eine effiziente und flexible Umplanung auch während des Betriebs einer Hebeeinrichtung möglich wird.According to the invention, a new obstacle to the movement of the load, which is located between the position assumed by the load at the time of the command and the end point, is specified for this lifting device at a command time during the movement of the load and/or an existing obstacle which is between the command time from the position assumed by the load and the end point, changed to a new obstacle for the movement of the load, taking into account predetermined kinematic restrictions of the lifting device for the first direction of movement and for the second direction of movement, at least one individual movement is planned, which further movement of the load along the respective direction of movement from the command time determines, with each In the direction of movement, at least one individual movement ends in a projection of the end point onto the respective direction of movement, and the planned individual movements are carried out according to a predetermined sequence of movements in order to move the load without colliding with the obstacle along the first direction of movement and along the second direction of movement according to a sequence of movements the replanning trajectory resulting from the planned individual movements. By planning individual movements, the numerical complexity is significantly reduced in comparison to methods known from the prior art, as a result of which efficient and flexible replanning becomes possible even during operation of a lifting device.
In einer vorteilhaften Weise werden die für die erste Bewegungsrichtung und die für die zweite Bewegungsrichtung geplanten Einzelbewegungen als voneinander unabhängige Einzelbewegungen geplant, wodurch keine gegenseitigen Abhängigkeiten berücksichtigt werden müssen und die eigentliche Umplanungsaufgabe noch weiter vereinfacht werden kann.In an advantageous manner, the individual movements planned for the first direction of movement and for the second direction of movement are planned as individual movements that are independent of one another, which means that no mutual dependencies have to be taken into account and the actual replanning task can be simplified even further.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der gegenständlichen Erfindung werden die durch die geplanten Einzelbewegungen vorgegebenen Positionsverläufe der Last als zeitlich zumindest vierfach stetig differenzierbare Positionsverläufe vorgegeben. Dadurch können in einer bemerkenswerten Weise Schwingungen der bewegten Last prinzipbedingt vermieden werden.In a further advantageous embodiment of the present invention, the position profiles of the load specified by the planned individual movements are specified as position profiles that can be continuously differentiated at least four times over time. As a result, vibrations in the moving load can be avoided in a remarkable way.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der gegenständlichen Erfindung werden die durch die Einzelbewegungen vorgegebenen Positionsverläufe zur Erzeugung der zeitlich zumindest vierfach stetigen Differenzierbarkeit mittels eines Filters mit einer vorgebbaren Zeitkonstante gefiltert. Dadurch kann in einer besonders vorteilhaften Weise dafür Sorge getragen werden kann, dass vorgegebene kinematische Beschränkungen der Hebeeinrichtung eingehalten werden. Die Zeitkonstante des Filters kann hierbei in einer vorteilhaften Weise von der Geometrie der Hebeeinrichtung abhängig gemacht werden, um eine präzise Abstimmung auf die gegebene Hebeeinrichtung zu ermöglichen.In a further advantageous embodiment of the present invention, the position curves specified by the individual movements are filtered by means of a filter with a specified time constant in order to generate the time-based at least quadruple continuous differentiability. As a result, it can be ensured in a particularly advantageous manner that specified kinematic limitations of the lifting device are complied with. In this case, the time constant of the filter can advantageously be made dependent on the geometry of the lifting device in order to enable precise adjustment to the given lifting device.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der gegenständlichen Erfindung wird für die zweite Bewegungsrichtung eine zweite Einzelbewegung geplant, um die Last um das neu vorgegebene und/oder das geänderte Hindernis zu bewegen. Hierbei ist zu beachten, dass es zum Umfahren eines Hindernisses üblicherweise erforderlich ist, die zum Umfahren geplante Einzelbewegung mit entlang der anderen Bewegungsrichtungen geplanten, anderen Einzelbewegungen zu kombinieren, also Horizontal- und Vertikalbewegungen geeignet miteinander zu kombinieren. Hierbei kann es erforderlich sein, die neue Einzelbewegung auf gegebenenfalls bereits bestehende, andere Einzelbewegungen abzustimmen bzw. anzupassen. Auf die beschriebene Weise kann die Last um das Hindernis bewegt werden und es können Kollisionen der Last mit dem vorgegebenen Hindernis vermieden werden.In a further advantageous embodiment of the present invention, a second individual movement is planned for the second movement direction in order to move the load around the newly specified and/or changed obstacle. It should be noted here that, in order to bypass an obstacle, it is usually necessary to combine the individual movement planned for bypassing with other individual movements planned along the other movement directions, ie to combine horizontal and vertical movements with one another in a suitable manner. In this case, it may be necessary to coordinate or adapt the new individual movement to any other individual movements that may already exist. In the manner described, the load can be Obstacle can be moved and collisions of the load with the given obstacle can be avoided.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der gegenständlichen Erfindung wird durch die genannte Bewegungsabfolge ein abwechselnder Beginn und gegebenenfalls eine überlappende Ausführung der geplanten Einzelbewegungen entlang der ersten Bewegungsrichtung und von Einzelbewegungen entlang der zweiten Bewegungsrichtung vorgesehen, wodurch einerseits Hindernissen ausgewichen werden kann, andererseits in einem teils signifikanten Maß Zeit eingespart werden kann.In a further advantageous embodiment of the present invention, the sequence of movements mentioned provides for an alternating start and, if necessary, an overlapping execution of the planned individual movements along the first direction of movement and of individual movements along the second direction of movement, which means that obstacles can be avoided on the one hand, and on the other hand to a sometimes significant degree time can be saved.
Weiters erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren vor der Ausführung zumindest einer geplanten Einzelbewegung die Überprüfung, ob die zu erwartende Umplanungstrajektorie zu einer Kollision der Last mit einem im Arbeitsbereich vorgegebenen Hindernis führt. Diese Überprüfung kann dabei in einer vorteilhaften Weise durchgeführt werden, indem die Kollisionszeitpunkte verglichen werden, an denen die jeweiligen Einzelbewegungen Projektionen auf die entsprechende Bewegungsrichtung eines vom vorgegebenen Hindernis abgeleiteten Stützpunktes erreichen, wobei zur Ermittlung dieser Kollisionszeitpunkte, an denen die jeweiligen Einzelbewegungen Projektionen auf die entsprechende Bewegungsrichtung eines vom vorgegebenen Hindernis abgeleiteten Stützpunktes erreichen, ein numerisches Verfahren zur Nullstellensuche herangezogen werden kann. Auf diese Weise können Hindernisse im Arbeitsbereich der Hebeeinrichtung bei der erfindungsgemäßen Umplanung eingebunden werden, und rechtzeitig auf mögliche Kollisionen reagiert werden. Hierbei ist zu anzumerken, dass durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise die beschriebene Überprüfung in einer besonders effizienten Weise durchgeführt werden kann.Furthermore, the method according to the invention allows, before at least one planned individual movement is carried out, to check whether the replanning trajectory to be expected will lead to a collision of the load with an obstacle specified in the work area. This check can be carried out in an advantageous manner by comparing the collision times at which the respective individual movements reach projections onto the corresponding direction of movement of a support point derived from the specified obstacle, with the determination of these collision times at which the respective individual movements projections onto the corresponding Reach the direction of movement of a base point derived from the given obstacle, a numerical method for zero point search can be used. In this way, obstacles in the working area of the lifting device can be included in the replanning according to the invention, and possible collisions can be reacted to in good time. It should be noted here that the procedure according to the invention allows the described check to be carried out in a particularly efficient manner.
Wird durch die beschriebene Vorwegrechnung eine mögliche Kollision erkannt, kann zumindest eine Einzelbewegung nicht durchgeführt werden und stattdessen entlang jener Bewegungsrichtung, für welche die zumindest eine nicht durchgeführte Einzelbewegung geplant worden ist, für zumindest die Dauer einer vorgegebenen Minimalbremszeit ein vorgegebener Bremsvorgang durchgeführt werden. So können einerseits auf eine vorteilhafte Weise Kollisionen vermieden werden, andererseits wird auf die beschriebene Weise eine neue Ausgangssituation geschaffen, von der weg eine erneute Umplanung von Einzelbewegungen möglich gemacht wird.If a possible collision is detected by the advance calculation described, at least one individual movement cannot be carried out and instead a specified braking process can be carried out along the direction of movement for which the at least one individual movement which was not carried out was planned, for at least the duration of a specified minimum braking time. In this way, on the one hand, collisions can be avoided in an advantageous manner, and on the other hand, a new initial situation is created in the manner described, from which a new replanning of individual movements is made possible.
Entsprechend den vorangegangenen Ausführungen kann in einer vorteilhaften Weise anstelle der zumindest einen nicht durchgeführten Einzelbewegung für die entsprechende Bewegungsrichtung eine neue Einzelbewegung geplant werden, wobei eine durch die zumindest eine neue Einzelbewegung zu erwartende Umplanungstrajektorie ermittelt wird und überprüft wird, ob die zu erwartende Umplanungstrajektorie zu einer Kollision der Last mit einem im Arbeitsbereich vorgegebenen Hindernis führt, und wobei die neue Einzelbewegung ausgeführt wird, wenn keine Kollision erkannt wird, oder der vorgegebene Bremsvorgang für zumindest eine weitere Minimalbremszeit fortgesetzt wird und erneut eine Neuplanung einer Einzelbewegung sowie eine Überprüfung der Umplanungstrajektorie, welche durch die neu geplante Einzelbewegung zu erwarten ist, durchgeführt wird, falls eine erneute Kollision mit einem Hindernis erkannt wird. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne Kollision weitergeführt werden, auch wenn eine erste Umplanung zu einer Kollision geführt hätte und es kann sichergestellt werden, dass es während der gesamten Bewegung der Last zu keiner Kollision der transportieren Last mit Hindernissen kommt.In accordance with the above statements, a new individual movement can be planned in an advantageous manner instead of the at least one individual movement that was not carried out for the corresponding direction of movement, with a replanning trajectory to be expected from the at least one new individual movement being determined and it being checked whether the replanning trajectory to be expected leads to a collision of the load with an obstacle specified in the working area, and wherein the new individual movement is executed if no collision is detected, or the specified braking process is continued for at least one additional minimum braking time and a new planning of a single movement as well as a review of the replanning trajectory, which is carried out by the newly planned Individual movement is to be expected, is carried out if another collision with an obstacle is detected. In this way, the method according to the invention can be continued without a collision, even if a first replanning would have led to a collision, and it can be ensured that the transported load does not collide with obstacles during the entire movement of the load.
Weiters kann zur Unterstützung der gegenständlichen Erfindung die Position der Last messtechnisch erfasst werden und die Messung der Position der Last bei der Durchführung der Einzelbewegungen herangezogen werden. Insbesondere bei der regelungstechnischen Umsetzung von geplanten Einzelbewegungen ist die Verwendung von Messdaten üblicherweise besonders vorteilhaft.Furthermore, to support the present invention, the position of the load can be measured using measurement technology and the measurement of the position of the load can be used when carrying out the individual movements. The use of measurement data is usually particularly advantageous, particularly in the control-technical implementation of planned individual movements.
Weiters ist darauf hinzuweisen, dass das erfindungsgemäße Verfahren keineswegs auf Bewegungen in der Ebene beschränkt ist, und dass anhand der gegenständlichen Erfindung auch Bewegungen im (dreidimensionalen) Raum geplant werden können. Im Fall von mehr als zwei Dimensionen wirken sich die Eigenschaften der gegenständlichen Erfindungen sogar noch vorteilhafter aus. Die Unabhängigkeit der geplanten Einzelbewegungen ist dabei besonders hervorzuheben, insbesondere da drei voneinander abhängige Koordinaten die bei einer Umplanung zu bewältigende Komplexität - im Vergleich zum bereits herausfordernden 2D-Fall - noch weiter erhöhen würden.It should also be pointed out that the method according to the invention is in no way limited to movements in the plane, and that movements in (three-dimensional) space can also be planned using the present invention. In the case of more than two dimensions, the properties of the subject inventions are even more advantageous. The independence of the planned individual movements should be particularly emphasized, especially since three mutually dependent coordinates would further increase the complexity to be managed in a replanning - compared to the already challenging 2D case.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Containerkrans mit einer Trajektorie innerhalb eines Arbeitsbereichs des Containerkrans, -
Fig. 2a einen möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Vorgabe eines geänderten Hindernisses, -
Fig. 2b eine Einzelbewegung in X-Richtung, -
Fig. 2c eine Einzelbewegung in Y-Richtung, -
Fig. 2d eine weitere Einzelbewegung in Y-Richtung, -
Fig. 3a eine zeitoptimale Einzelbewegung für eine Bewegungsrichtung, -
Fig. 3b ein Blockschaltbild zur Filterung der zu einer Einzelbewegung gehörenden Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverläufe, -
Fig. 4 eine Trajektorie und eine Umplanungstrajektorie innerhalb eines Arbeitsbereichs mit einer Verbotszone, -
Fig. 5a Einzelbewegungen in X-Richtung bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Bremsvorganges, -
Fig. 5b Einzelbewegungen in Y-Richtung bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Bremsvorganges, -
Fig. 5c resultierende Trajektorien bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Bremsvorganges, -
Fig. 6 eine Umplanungstrajektorie zur Kollisionsvermeidung bei zwei Hindernissen.
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1 a schematic representation of a container crane with a trajectory within a working area of the container crane, -
Figure 2a a possible course of the method according to the invention when specifying a changed obstacle, -
Figure 2b a single movement in the X-direction, -
Figure 2c a single movement in the Y direction, -
Fig. 2d another single movement in the Y-direction, -
Figure 3a a time-optimal individual movement for one direction of movement, -
Figure 3b a block diagram for filtering the position, speed and acceleration curves associated with a single movement, -
4 a trajectory and a replanning trajectory within a work area with a no-go zone, -
Figure 5a Individual movements in the X-direction when carrying out a braking process according to the invention, -
Figure 5b Individual movements in the Y-direction when performing a braking process according to the invention, -
Figure 5c resulting trajectories when performing a braking process according to the invention, -
6 a replanning trajectory to avoid collisions with two obstacles.
Auf diesem Ausleger 4 ist üblicherweise ein Laufelement 5 angeordnet, das in Längsrichtung des Auslegers 4, im dargestellten Beispiel also in X-Richtung, beweglich ist. Dementsprechend kann ein Laufelement 5 mittels Rollen in Führungen gelagert sein. Für das Laufelement 5 ist ein nicht dargestellter Laufelementantrieb vorgesehen, um das Laufelement 5 in X-Richtung zu bewegen. Der Laufelementantrieb kann am Laufelement 5 selbst vorgesehen sein, kann aber auch am Ausleger 4 oder an der tragenden Struktur 3 angeordnet sein. Das Laufelement 5 ist üblicherweise mithilfe von Halteelementen 6 mit einem Lastaufnahmeelement 7 zur Aufnahme einer Last 8 verbunden. Im Falle eines Containerkrans 2 ist die Last 8 üblicherweise ein Container 9, in den meisten Fällen ein ISO-Container mit einer Länge von 20, 40 oder 45 Fuß, einer Breite von 8 Fuß und einer Höhe von 8 Fuß, 6 Zoll.A running
Die Halteelemente 6 sind üblicherweise als Seile ausgeführt, wobei in den meisten Fällen vier Halteelemente 6 am Laufelement 5 angeordnet sind, es können aber auch mehr oder weniger Halteelemente 6 vorgesehen sein, im einfachsten Fall auch nur ein einzelnes Halteelement 6. Zur Aufnahme einer Last 8, wie z.B. eines Containers 9, ist der Abstand zwischen dem Laufelement 5 und dem Lastaufnahmeelement 7 anhand eines Hubantriebs (nicht dargestellt) verstellbar, in
In der in
Um eine Last 8 entlang einer Trajektorie T vom Anfangspunkt A zum Endpunkt E zu bewegen, weist die Hebeeinrichtung 1 eine Kransteuerung 16 mit einer Recheneinheit 12 auf, z.B. in Form einer elektronischen Steuereinheit in Form von geeigneter Hardware und/oder Software, mittels derer die Bewegung der Last 8 entlang der jeweiligen Bewegungsrichtung X, Y, Z gesteuert werden kann. Wird ein Anfangspunkt A und/oder Endpunkt E beispielsweise manuell durch einen Benutzer definiert, kann der Anfangspunkt A und/oder Endpunkt E der Recheneinheit 12 z.B. über eine geeignete Schnittstelle übermittelt werden. Ein Anfangspunkt A und/oder ein Endpunkt E kann auch in der Recheneinheit 12 ermittelt werden. Mögliche Realisierungen einer Recheneinheit 12 sind unter anderem durch mikroprozessorbasierte Hardware, Mikrocontroller und integrierte Schaltungen (ASIC, FPGA) gegeben. Die Kransteuerung 16 kommuniziert zur Bewegungssteuerung und/oder -regelung der Last 8 mit den zu diesem Zweck vorgesehenen Antrieben, wie einem Laufelementantrieb oder einer Seilwinde, und ist üblicherweise so ausgeführt, dass sie die aktuelle Position des Laufelements 5, die Position des Lastaufnahmeelements 7 und gegebenenfalls auch die Position der tragenden Struktur 3 messtechnisch erfassen kann.In order to move a load 8 along a trajectory T from the starting point A to the end point E, the
In diesem Sinn können in der in
Von einer Trajektorie T, entlang derer die Last 8 bewegt wird, ist üblicherweise eine rasche Überführung der Last 8 vom Anfangspunkt A in den Endpunkt E gefordert. Wie eingangs ausgeführt, kann es während einer solchen Überführung aus mehreren Gründen erforderlich werden, eine vorgegebene Trajektorie T während der Bewegung der Last 8 an sich geänderte Umstände im Bereich der Hebeeinrichtung 1 zu adaptieren, die Trajektorie T also umzuplanen. Dieses Problem wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst. Wie das erfindungsgemäße Verfahren zur Umplanung einer Trajektorie T unter Berücksichtigung eines geänderten oder neu vorgegebenen Hindernisses 11n herangezogen werden kann, ist in den
Über der Zeitachse t sind hierbei drei Situationen aufgetragen, die bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens während der Bewegung einer Last 8 durch eine Hebeeinrichtung 1 entlang einer ersten und entlang einer zweiten Bewegungsrichtung auftreten können, hier entlang der Bewegungsrichtungen X und Y. In der in
Zum Zeitpunkt tK, nachfolgend auch als Kommandozeitpunkt tK bezeichnet, wird nun anstelle des bisherigen Hindernisses 11a ein neues Hindernis 11n vorgegeben. Der Kommandozeitpunkt tK kann hierbei von einem Bediener wie einem Kranführer vorgegeben und damit weitestgehend frei gewählt werden. Der Kommandozeitpunkt tK kann aber auch intern in der Recheneinheit 12 generiert werden. Auch sind mehrere, aufeinanderfolgende Kommandozeitpunkte tK für ein wiederholtes Ändern eines Hindernisses 11 denkbar. Zum Kommandozeitpunkt tK befindet sich die Last 8 an der Position Pz(tK). Erfindungsgemäß wird nach der Vorgabe des neuen Hindernisses 11n unmittelbar mit der Umplanung der Bewegung der Last 8 begonnen. Das erfolgt entsprechend den vorausgegangenen Ausführungen anhand von Projektionen der zum Kommandozeitpunkt tK von der Last 8 angenommenen Position Pz(tK) und des Endpunktes E auf die Bewegungsrichtungen X, Y, sowie anhand von Projektionen von Stützpunkten S1n,S2n, die vom neuen Hindernis 11n abgeleitet werden, auf die Bewegungsrichtungen X, Y. Bevorzugt sind die Stützpunkte S1n, S2n wie dargestellt Eckpunkte der Verbotszone V1n. Für die Verbotszone V1a können natürlich ebenso Stützpunkte S1a, S2a angegeben werden. Wie nachfolgend gezeigt wird, können Stützpunkte wie S1n, S2n insbesondere bei der Planung von Bewegungen entlang der Y-Achse als Zwischenziele eingesetzt werden, um Kollisionen mit einer Verbotszone V1n und damit mit dem Hindernis 11n zu vermeiden.At time t K , also referred to below as command time t K , a
Die Projektionen der zum Kommandozeitpunkt tK von der Last 8 angenommenen Position Pz(tK), des Endpunktes E und der Stützpunkte S1n, S2n auf die X-Achse werden hierbei als Pz', E', S1n' und S2n' bezeichnet, die Projektionen auf die Y-Achse werden demgegenüber als Pz", E", S1n" und S2n" bezeichnet. Erfindungsgemäß werden die Projektionen Pz', E', S1n', S2n' und die Projektionen Pz", E", S1n", S2n" getrennt voneinander betrachtet. Für jede dieser Gruppen von Projektionen werden jeweils Einzelbewegungen TE geplant, um die jeweiligen Projektionen Pz', E', S1n', S2n'bzw. Pz", E", S1n", S2n" entlang der entsprechenden Bewegungsrichtung X, Y miteinander zu verbinden. Eine Einzelbewegung TE legt dabei vorzugsweise einen Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverlauf entlang der jeweiligen Bewegungsrichtung fest. Durch eine Einzelbewegung TEx für die Bewegungsrichtung X werden beispielsweise die Projektionen Pz', E', S1n', S2n' entlang der Bewegungsrichtung X verbunden. Für jede der Bewegungsrichtungen X, Y ergibt sich so zunächst jeweils zumindest eine Einzelbewegung TE. Auf Bewegungsrichtungen wie X, Y bezogene Einzelbewegungen werden hierbei als TEx, TEY bezeichnet.The projections of the position P z (t K ) assumed by the load 8 at the command time t K , the end point E and the support points S 1n , S 2n onto the X-axis are given as Pz', E', S 1n ' and S 2n ', while the projections onto the Y-axis are denoted Pz", E", S 1n " and S 2n ". According to the invention, the projections Pz', E', S1n ', S2n ' and the projections Pz", E", S1n ", S2n " are considered separately from one another. Individual movements TE are planned for each of these groups of projections in order to move the respective projections Pz′, E′, S 1n ′, S 2n ′ or Pz", E", S 1n ", S 2n " along the corresponding direction of movement X, Y together. A single movement TE preferably defines a position, speed and acceleration profile along the respective direction of movement. For example, the projections Pz′, E′, S 1n ′, S 2n ′ along the direction of movement X are connected by a single movement TEx for the direction of movement X. For each of the directions of movement X, Y, there is initially at least one individual movement TE. Individual movements related to directions of movement such as X, Y are referred to as TEx, TE Y.
Um Hindernisse 11a, 11n zu umfahren, die zwischen der zum Kommandozeitpunkt tK von der Last 8 angenommenen Position PZ(tK) und dem Endpunkt E angeordnet sind, können insbesondere für die zweite Bewegungsrichtung Y mehrere Einzelbewegung TEY geplant werden. So können für die Last 8 entlang der Bewegungsrichtung Y einerseits Einzelbewegungen TEY in Form von Hebebewegungen ("Hoist Up") vorgesehen werden, und andererseits Einzelbewegungen TEY in Form von Senkbewegungen ("Hoist Down") vorgesehen werden. Zur Vermeidung von Hindernissen 11a, 11n, werden hierbei üblicherweise zunächst Hebebewegungen ("Hoist Up") durchgeführt, und Senkbewegung ("Hoist Down") erst nach einer geeigneten Horizontalbewegung entlang der X-Achse ("Move Trolley"), um die Last 8 um ein Hindernis 11n herum zu bewegen bzw. die Last 8 über ein Hindernis 11n zu heben. Dazu ist anzumerken, dass zum Bewegen einer Last 8 um ein Hindernis 11n Einzelbewegungen TE entlang der Bewegungsrichtungen X, Y kombiniert werden müssen.In order to avoid
In der in
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass entlang der X-Achse üblicherweise eine einzelne Einzelbewegung TEx von der Projektion PZ'(tK) zur Projektion E' ausreichend ist, um eine kollisionsfreie Bewegung der Last 8 in den Endpunkt E zu gewährleisten. Ebenso ist an dieser Stelle ist anzumerken, dass die gegenständliche Erfindung auch den Fall abdeckt, dass sich ein zuvor für die Planung einer Trajektorie T angenommenes Hindernis 11a im Nachhinein als nicht vorhanden herausstellt, das Hindernis 11a also verschwindet. In einem solchen Fall ist auch entlang der Y-Achse bereits eine einzelne Einzelbewegung TEY zur Überführung der Last 8 von ihrer Position PZ(tK) in den Endpunkt E ausreichend.In this connection it should be noted that a single single movement TEx along the X-axis from the projection P Z '(t K ) to the projection E' is usually sufficient to ensure a collision-free movement of the load 8 to the end point E. It should also be noted at this point that the present invention also covers the case in which an
Nach der Planung der Einzelbewegungen TE werden die geplanten Einzelbewegungen TE entsprechend einer vorgegebenen Reihenfolge, nachfolgend als "Bewegungsabfolge" bezeichnet, ausgeführt, um die Last 8 entlang der ersten Bewegungsrichtung X und entlang der zweiten Bewegungsrichtung Y weiterzubewegen. Aus den geplanten Einzelbewegungen TE ergibt sich so eine Umplanungstrajektorie TU. Die Umplanungstrajektorie TU ist in
Einzelbewegungen TE, wie sie im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auftreten können, sind in den
Durch die Auftrennung der neu zu planenden Gesamtbewegung in eine Mehrzahl von stattdessen zu planenden Einzelbewegungen TE wird die zu lösende (Um-)Planungsaufgabe im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren signifikant vereinfacht. So wird das komplexe Problem der Planung einer zumindest zweidimensionalen Bewegung auf die Planung mehrerer nur noch eindimensionaler Bewegungen reduziert. Gerade dieser Umstand erweist sich in der praktischen Umsetzung als vorteilhaft, da die Planung eindimensionaler Bewegungen ein in der Regelungs- und Automatisierungstechnik bekanntes und bereits auf verschiedene Weisen gelöstes Problem darstellt. Bei der konkreten Planung der Einzelbewegungen TE kann so auf eine Vielzahl von bekannten Ansätzen zurückgegriffen werden. Soll beispielsweise eine Überführung der Last 8 in den Endpunkt E anhand zeitoptimaler Einzelbewegungen TE sichergestellt werden, kann unter Verwendung der mittels der gegebenen Antriebe der Hebeeinrichtung 1 realisierbaren, maximalen Beschleunigungen entlang der Bewegungsrichtungen X, Y zum Beispiel der aus der regelungstechnischen Literatur hinlänglich bekannte Bang-Bang-Controller-Ansatz herangezogen werden.By dividing the overall movement to be newly planned into a plurality of individual movements TE to be planned instead, the (re)planning task to be solved is significantly simplified compared to methods known from the prior art. In this way, the complex problem of planning an at least two-dimensional movement is reduced to planning several only one-dimensional movements. It is precisely this fact that proves to be advantageous in practical implementation, since the planning of one-dimensional movements is a problem that is known in control and automation technology and has already been solved in various ways. In the concrete planning of the individual movements TE can be based on a variety of known approaches are used. If, for example, a transfer of the load 8 to the end point E is to be ensured using time-optimized individual movements TE, using the maximum accelerations along the directions of movement X, Y that can be realized by means of the given drives of the
In
Im in
Entsprechend den obigen Ausführungen müssen zur Planung einer zeitoptimalen Einzelbewegung TE Beschleunigungsphasen mit maximal positiver Beschleunigung a+ max, mit maximal negativer Beschleunigung a- max, sowie mit verschwindender Beschleunigung, also einer Beschleunigung ax=0, vorgegeben werden. In der in
Kinematische und/oder geometrische Grenzwerte können beispielsweise in der Recheneinheit 12 hinterlegt sein oder der Recheneinheit 12 vorgegeben werden. Weitere kinematische Grenzwerte sind dabei vorzugsweise eine Maximalgeschwindigkeit vTmax und/oder eine Maximalbeschleunigung aTmax des Laufelements 5, oder eine Maximalgeschwindigkeit vHmax und eine Maximalbeschleunigung aHmax des Hubantriebs in Y-Richtung. Eine geometrische Begrenzung kann z.B. durch einen maximalen Auslenkwinkel ΘXYmax des Lastaufnahmeelements 7 in der Ebene EXY gegeben sein. Bei einer dritten Bewegungsrichtung der Hebeeinrichtung in Z-Richtung können zusätzlich eine Maximalgeschwindigkeit vSmax und eine Maximalbeschleunigung aSmax der tragenden Struktur 3 als kinematische Grenzwerte und ein maximaler Auslenkwinkel ΘZYmax des Lastaufnahmeelements 7 in der Ebene EZY als geometrischer Grenzwert vorgegeben werden. Neben der Planung zeitoptimaler Einzelbewegungen TE können aber auch andere Ansätze zur Planung von Einzelbewegungen TE herangezogen werden.Kinematic and/or geometric limit values can, for example, be stored in the
In vielen Fällen erweist es sich in diesem Zusammenhang als vorteilhaft, die Einzelbewegungen TEx, TEy (und ggf. TEz) entlang der Achsen X, Y (und ggf. Z) voneinander unabhängig zu planen. Das bedeutet, dass kein Zusammenhang zwischen den geplanten Einzelbewegungen TEx, TEy (ggf. TEz) auf den jeweiligen Achsen besteht, der beispielsweise mathematisch ausgedrückt werden könnte und der bei einer Änderung der Position Pz der Last 8 entlang einer ersten Bewegungsrichtung, beispielsweise der X-Achse, eine Änderung der Position Pz der Last 8 auch entlang einer zweiten Bewegungsrichtung, beispielsweise der Y-Achse, bedingen würde.In many cases it proves to be advantageous in this connection to plan the individual movements TE x , TE y (and possibly TE z ) along the axes X, Y (and possibly Z) independently of one another. This means that there is no connection between the planned individual movements TE x , TE y (possibly TE z ) on the respective axes, which could be expressed mathematically, for example, and when there is a change in the position P z of the load 8 along a first direction of movement, for example the X-axis, a change of the position Pz of the load 8 also along a second direction of movement, for example the Y-axis.
Die geplanten Einzelbewegungen TE werden in weiterer Folge entweder gleichzeitig oder zeitlich zueinander versetzt ausgeführt. Ein zeitliches Versetzen von geplanten Einzelbewegungen TE kann insbesondere im oben beschriebenen Fall von verbotenen Bereichen Vi bzw. Hindernissen 11 erforderlich sein. So kann es für das Umfahren eines Hindernisses 11 erforderlich sein, eine Senkbewegung in Y-Richtung erst verzögert zu beginnen. Eine in Y-Richtung geplante Einzelbewegung TEY würde demnach erst zeitlich versetzt begonnen werden, nachdem die in X-Richtung geplante Einzelbewegung bereits begonnen worden ist. Die Vorgabe, welche Einzelbewegung TE zuerst und welche Einzelbewegung TE gegebenenfalls erst später auszuführen ist, wird im Rahmen der gegenständlichen Erfindung durch eine sogenannte Bewegungsabfolge zum Ausdruck gebracht, die beispielsweise der Kransteuerung 16 bzw. der in der Kransteuerung 16 vorgesehenen Recheneinheit 12 über eine geeignete Schnittstelle vorgegeben werden kann. Eine Bewegungsabfolge kann so in der Recheneinheit 12 hinterlegt werden. Eine Bewegungsabfolge legt demnach die Reihenfolge fest, in der die geplanten Einzelbewegungen TE auszuführen sind. Eine Bewegungsabfolge kann beispielsweise lauten: "Zuerst Horizontalbewegung in X-Richtung, erst danach Vertikalbewegung in Y-Richtung." Eine Bewegungsabfolge kann auch in Form einer Tabelle vorliegen, in welcher den geplanten Einzelbewegungen TE Startzeitpunkte zugewiesen werden, zu denen diese begonnen werden. Eine Bewegungsabfolge kann auch Zeitintervalle umfassen, welche Wartezeiten festlegen, die zwischen den Startzeitpunkten von aufeinanderfolgenden Einzelbewegungen TE zumindest vorgesehen werden müssen.The planned individual movements TE are subsequently executed either simultaneously or at different times. A staggering of planned individual movements TE can be necessary in particular in the case of prohibited areas V i or
Ein zentrales Problem bei der Manipulation von Lasten 8 durch Hebeeinrichtungen 1, welches durch eine geeignete Trajektorienplanung vielfach entweder gelöst, meist aber zumindest stark verringert werden kann, ist das Problem von Lastschwingungen. Vor allem schnelle Bewegungsvorgänge von Hebeeinrichtungen können oftmals unerwünschte Schwingungen und/oder Pendelbewegungen von transportierten Lasten 8 oder von Lastaufnahmeelementen anregen. Schwingungen von Lasten 8 können wiederum Umschlags- und Manipulationsvorgänge verzögern, da Lasten, wie z.B. Container, in derartigen Fällen oft gar nicht oder zumindest nicht ausreichend präzise platziert werden können und erst gewartet werden muss, bis eine gegebene Schwingung wieder abgeklungen ist. In
Im gegenständlichen Zusammenhang zeigt sich, dass sogenannte flache Trajektorien, also Trajektorien, die in Abhängigkeit vom konkreten Aufbau der Hebeeinrichtung hinreichend oft stetig differenzierbar sind, ein effektives Mittel gegen (Last-)Schwingungen und/oder Pendelbewegungen darstellen. Dieser Herangehensweise liegt der Umstand zugrunde, dass es sich bei einer wie in
Flache Ausgänge und deren Ableitungen erlauben im Fall eines flachen Systems, wie beispielsweise der gegenständlichen Hebeeinrichtung 1, die Darstellung (auch "Parametrierung") der inneren Zustands- bzw. Systemgrößen des flachen Systems. Die inneren Zustands- bzw. Systemgrößen eines flachen Systems können demnach als Funktionen der flachen Ausgänge und deren Ableitungen dargestellt werden, worüber der Fachmann auf dem Gebiet der Regelungstechnik natürlich Bescheid weiß. Für die Unterdrückung von Schwingungen einer von einer Hebeeinrichtung 1 transportierten Last 8 ist an dieser Stelle der Umstand von Bedeutung, dass (in einer idealen Betrachtung) eine mithilfe eines flachen Ausgangs konstruierte Steuerung keine Schwingungen bzw. Pendelbewegungen der Last anregen kann.In the case of a flat system, such as the
Im Fall der gegenständlich betrachteten Hebeeinrichtung 1 stellen die Positionsverläufe der Last 8 entlang der Bewegungsrichtungen X, Y flache Ausgänge des Systems "Hebeeinrichtung" 1 dar. Hierbei zeigt sich, dass es zur Unterdrückung von Schwingungen und/oder Pendelbewegungen ausreichend ist, die durch die geplanten Einzelbewegungen TE festgelegten Positionsverläufe sx(t), sy(t) als vierfach stetig zeitlich differenzierbare Positionsverläufe sx(t), sy(t) vorzugeben. Auf diese Weise können Schwingungen und/oder Pendelbewegungen unterdrückt werden, ohne auf Messungen der Lastposition Pz angewiesen zu sein. An dieser Stelle sei erwähnt, dass durch die Verwendung von noch öfter stetig differenzierbaren Trajektorien noch ruhigere und für die Antriebe noch schonendere Bewegungsverläufe sichergestellt werden können.In the case of the
Um sicherzustellen, dass die durch die vorgegebenen Einzelbewegungen TE festgelegten Positionsverläufe sx(t), sy(t) tatsächlich vierfach stetig differenzierbar sind, können die Positionsverläufe sx(t), sy(t) vor deren Ausführung gefiltert werden. Die beschriebene vierfache Differenzierbarkeit kann jedoch auch auf eine andere Art als durch eine Filterung erreicht werden, beispielsweise durch polynomielle Ansätze für die vorgegebenen Positions-, Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsverläufe. Die Filterung von Einzelbewegungen TE, die als skalare Verläufe vorliegen, ist hierbei wesentlich einfacher als die Filterung von mehrdimensionalen Verläufen. Auch deshalb stellt die Verwendung von Einzelbewegungen TE einen signifikanten Vorteil bei der Steuerung von Hebeeinrichtungen 1 dar.In order to ensure that the position curves s x (t), s y (t) defined by the specified individual movements TE can actually be continuously differentiated fourfold, the position curves s x (t), sy (t) can be filtered before they are executed. However, the quadruple differentiability described can also be achieved in a different way than by filtering, for example by polynomial approaches for the predetermined position, speed and/or acceleration curves. The filtering of individual movements TE, which are present as scalar curves, is significantly simpler than the filtering of multi-dimensional curves. This is another reason why the use of individual movements TE represents a significant advantage when controlling
Der beschriebene Ansatz zur Erzeugung flacher Trajektorien mittels einer geeigneten Filterung oder eines Polynomansatzes kann in einer besonders vorteilhaften Weise auch dazu eingesetzt werden, die weiter oben genannten kinematischen Begrenzungen für die Antriebe der Hebeeinrichtung sowie die geometrische Begrenzung des Auslenkungswinkels der Last einzuhalten. So stehen die Teilbewegungen der Last 8 über die bekannten Pendelgleichungen beispielsweise mit der Bewegung des Laufelements 5 in Beziehung:
Die Größen xT, vT, aT stehen hierbei für die Bewegungen des Laufelements 5, xL und y L demgegenüber für die Koordinaten der Last 8, deren entsprechende Ableitungen mit ẋL, ẍL,
Um die beschriebene Filterung zur Erzeugung flacher Trajektorien umzusetzen, kann beispielsweise auf ein geeignetes Filter F zurückgegriffen werden, wie ein Moving-Average Filter (MA-Filter, "Gleitender-Mittelwert-Filter"). Eine schematische Darstellung einer solchen Filterung ist in
Die Filterzeit τ filt eines als MA-Filter umgesetzten Filters F kann hierbei in einer besonders vorteilhaften Weise in Abhängigkeit der Geometrie der Hebeeinrichtung und der Pendelgleichungen gewählt werden. Durch die Wahl größerer Zeitkonstanten können die zuvor geplanten Einzelbewegungen noch stärker gefiltert werden und beispielsweise für das Laufelement noch konservativere Verläufe vorgegeben werden. Durch eine mehrmalige Filterung können in einer äußerst vorteilhaften Weise Einzelbewegungen TE erzeugt werden, durch welche für die Antriebe der Hebeeinrichtung 1 vorgegebene kinematische Begrenzungen berücksichtigt werden, wie Geschwindigkeits-, Beschleunigungs-, Ruckbeschränkungen.The filter time τ filt of a filter F implemented as an MA filter can be selected here in a particularly advantageous manner as a function of the geometry of the lifting device and the pendulum equations. By choosing larger time constants, the previously planned individual movements can be filtered even more and, for example, even more conservative curves can be specified for the running element. Through a repeated Filtering, individual movements TE can be generated in an extremely advantageous manner, by which kinematic limitations specified for the drives of the
Wie die Definition von Verbotszonen Vi konkret erfolgen kann, ist weiters in
Entscheidende Bedeutung kommt bei einer wie in den
Eine erste dahingehende Möglichkeit besteht darin, die geplanten Einzelbewegungen TE zeitlich voneinander beabstandet durchzuführen, also nach der Durchführung einer Einzelbewegungen TE zu warten und erst nach einer vorgegebenen Wartezeit mit der entsprechend der Bewegungsabfolge nächsten Einzelbewegung TE fortzufahren.A first possibility is to perform the planned individual movements TE at different times, ie to wait after the implementation of an individual movement TE and only to continue with the next individual movement TE according to the movement sequence after a predetermined waiting time.
Konkret kann eine Bewegungsabfolge beispielsweise festlegen, dass in der in
Im Zuge der Festlegung der Bewegungsabfolge, in der die geplanten Einzelbewegungen auszuführen sind, ist es vielfach von besonderem Vorteil, wenn zusätzlich geprüft wird, ob es im Zuge der resultierenden Umplanungstrajektorie TU gegebenenfalls zu einer Kollision der Last 8 mit einer Verbotszone Vi kommen kann.In the course of determining the sequence of movements in which the planned individual movements are to be carried out, it is often of particular advantage if it is also checked whether the resultant replanning trajectory TU may result in a collision of the load 8 with a prohibited zone V i .
Wie diesbezüglich vorgegangen werden kann, ist in
In X-Richtung zeigt sich allerdings, dass die Einzelbewegung TExa zu einer Kollision mit dem Hindernis 11 führen würde. Die zu Beginn geplante Einzelbewegung TExa ist in
Auf eine besonders elegante Art und Weise kann eine Überprüfung, ob eine Kollision mit einem Hindernis zu erwarten ist, auf folgende Weise durchgeführt werden: Vor der Ausführung zumindest einer geplanten Einzelbewegung TE werden sogenannte Kollisionszeitpunkte tiX, tiY ermittelt und miteinander verglichen. Unter den Kollisionszeitpunkten tiX, tiY sind dabei die jeweiligen Zeitpunkte zu verstehen, zu denen die Last 8 mittels der jeweiligen geplanten Einzelbewegungen TEx, TEY eine Projektion Si' bzw. Si" eines, von einer um ein Hindernis 11 gelegten Verbotszone Vi abgeleiteten, Stützpunktes Si (englisch "Keypoints") auf die jeweilige Bewegungsrichtung X, Y erreichen würden.In a particularly elegant way, a check as to whether a collision with an obstacle is to be expected can be carried out in the following way: Before at least one planned individual movement TE is carried out, so-called collision times t iX , t iY are determined and compared with one another. among the Collision times t iX , t iY are to be understood as the respective times at which the load 8 derived a projection Si ′ or S i “of a prohibition zone V i placed around an
Wie erwähnt sind Stützpunkte Si bevorzugt Eckpunkte von Verbotszonen Vi. Um zu überprüfen, ob eine zu erwartende Umplanungstrajektorie TU zu einer Kollision der Last 8 mit einem im Arbeitsbereich 15 vorgegebenen Hindernis 11 führen würde, kann in der in
Bei der beschriebenen Vorgehensweise ist insbesondere auf die Y-Koordinate der Lastposition Pz, also die Projektion Pz" der Lastposition Pz auf die Y-Achse zu achten. Dabei ist zu berücksichtigen, ob die Y-Koordinate Pz" der Lastposition Pz zu Beginn einer Einzelbewegung TEY in Y-Richtung größer oder kleiner als die Projektion Si" des in Y-Richtung nächsten Stützpunktes Si auf die Y-Achse ist. In vielen praktisch relevanten Fällen ist die Lastposition Pz zu Beginn einer neu geplanten Einzelbewegung TE durch die Lastposition Pz zum Kommandozeitpunkt tk, also PZ(tk), gegeben. Ist die Projektion Si" des in Y-Richtung nächsten Stützpunktes Si auf die Y-Achse kleiner als die Projektion Pz" der Lastposition PZ auf die Y-Achse, ist die Bedingung für eine Kollision genau dann erfüllt, wenn umgekehrt tiY<tiX gilt.In the procedure described, particular attention must be paid to the Y coordinate of the load position Pz, i.e. the projection Pz" of the load position Pz onto the Y axis. It must be taken into account whether the Y coordinate Pz" of the load position Pz at the beginning of a single movement TE Y in the Y direction is larger or smaller than the projection S i " of the next supporting point S i in the Y direction on the Y axis. In many practically relevant cases, the load position Pz is at the beginning of a newly planned individual movement TE through the load position Pz at the command time t k , i.e. P Z (t k ). If the projection S i " of the next supporting point S i in the Y direction on the Y axis is smaller than the projection Pz" of the load position P Z on the Y axis axis, the condition for a collision is met exactly when t iY <t iX applies.
Einzelbewegungen TEx, TEY liegen vielfach nicht in analytischer Form vor. In einer vorteilhaften Weise können in solchen Fällen auch numerische Verfahren zur Nullstellensuche zur Bestimmung der Kollisionszeitpunkte tiX, tiY herangezogen werden, wie das wohlbekannte Bisektionsverfahren oder das Newton-Verfahren.Individual movements TE x , TE Y are often not available in analytical form. In such cases, it is also advantageous to use numerical methods for searching for zeros in order to determine the collision times t iX , t iY , such as the well-known bisection method or the Newton method.
In der praktischen Umsetzung ist es hierbei oftmals von Vorteil, sowohl analytische als auch numerische Methoden zu kombinieren, um die gesuchten Kollisionszeitpunkte tiX, tiY zu ermitteln. Ein derartiger Fall wird nachfolgend beschrieben. Dabei werden die Beschleunigungsverläufe ax und ay zunächst wie beschrieben stückweise konstant vorgegeben. Zu diesen stückweise konstanten Beschleunigungsverläufen ax und ay können die zugehörigen Positionsverläufe sx und sy leicht analytisch berechnet werden. Für die sich daraus ergebenden analytischen Beschreibungen der Positionsverläufe sx(t) und sy(t) können die Kollisionszeitpunkte tiX, tiY mit geringem Aufwand berechnet werden, indem z.B. die Nullstellen tx0, ty0 der Funktionen fx(t) = sx(t)-Si', fy(t) = sy(t)-Si' bestimmt werden. Für diese Nullstellen tx0, ty0 gilt definitionsgemäß fx(tx0) = fy(ty0) =0. Natürlich können in den Formeln fx(t) und fy(t) auch die Höhe und Breite der Last 8 berücksichtigt werden, welche üblicherweise durch die Höhe H7 des Lastaufnahmeelements 7 zuzüglich der Höhe Hg eines Containers 9 in Y-Richtung, sowie der halben Breite B7 des Lastaufnahmeelements 7 (entspricht üblicherweise der halben Breite Bg des Containers 9) gegeben sind. Je nachdem ob sich die Last 8 von links, rechts, oben oder unten dem nächsten Stützpunkt Si nähert, kann beispielsweise die Funktion fx(t) um die halbe Breite Bg vergrößert oder verkleinert werden.In practical implementation, it is often advantageous to combine both analytical and numerical methods in order to determine the collision times t iX , t iY that are sought. Such a case will be described below. The acceleration curves a x and a y are initially specified as constant piece by piece as described. The associated position curves s x and s y can easily be calculated analytically for these piecewise constant acceleration curves a x and a y . For the resulting analytical descriptions of the position curves s x (t) and s y (t), the collision times t iX , ti Y can be calculated with little effort, for example by using the zeros t x0 , t y0 of the functions f x (t) = s x (t)-Si', f y (t) = s y (t)-Si' can be determined. For this Zeros t x0 , t y0 by definition f x (t x0 ) = f y (t y0 ) =0. Of course, the height and width of the load 8 can also be taken into account in the formulas f x (t) and f y (t), which is usually defined by the height H 7 of the
Werden die Einzelbewegungen TEx, TEY gefiltert, beispielsweise mittels eines eingangs beschriebenen MA-Filters, werden insbesondere die Positionsverläufe sx(t) und sy(t) zu gefilterten Positionsverläufen s̃x (t) und sy(t) gefiltert. Für solche gefilterten Positionsverläufe s̃x (t) und sy(t) kann nun die Eigenschaft eines MA-Filters ausgenützt werden, dass die aus der oben gezeigten Funktion fx(t) ermittelten Nullstellen tx0, ty0 durch eine Filterung um maximal die Filterzeit τfilt des zur Filterung eingesetzten MA-Filters verschoben werden können. Für den Fall einer zweifachen Filterung kann dementsprechend ein Zeitintervall der Länge 2 · τfilt um die zuvor ermittelten Nullstellen tx0, ty0 gelegt werden, mit den Nullstellen tx0, ty0 zu Beginn des Intervalls an der linken Intervallgrenze. In einem solchen Zeitintervall kann nun mittels eines Bisektionsverfahrens nach Nullstellen der Funktionen fx(t) =
Neben dem beschriebenen Vergleich zweier Kollisionszeitpunkte tiX, tiY, kann noch ein weiterer Ansatz zur Kollisionsüberprüfung genannt werden. So kann zunächst nur der Kollisionszeitpunkt tiy berechnet werden, der angibt, wann entlang der Y- Achse durch eine geplante Einzelbewegung TEY in Y-Richtung eine Projektion eines vorgegebenen Stützpunktes Si" auf die Y-Achse erreicht wird. Anhand dieses Kollisionszeitpunktes tiy kann weiters die Position sX(tiy) ermittelt werden, welche die zum Kollisionszeitpunkt tiy durch die geplante Einzelbewegung TEx in X-Richtung vorgegebene Position auf der X- Achse beschreibt.In addition to the described comparison of two collision times t iX , t iY , another approach to collision checking can be mentioned. First of all, only the collision time t iy can be calculated, which indicates when along the Y axis a planned individual movement TE Y in the Y direction will result in a projection of a specified support point S i "on the Y axis. Based on this collision time t iy, the position s X (t iy ) can also be determined, which describes the position on the X axis specified at the time of collision t iy by the planned individual movement TE x in the X direction.
Die Überprüfung, ob durch geplante Einzelbewegungen TE eine Kollision mit einem Hindernis 11 zu erwarten ist, kann dann erfolgen, indem die Position sx(tiy) mit der Projektion Si' des Stützpunktes Si auf die X-Achse verglichen wird. Im in
Andererseits ist es zur Überprüfung einer Kollision aber ebenso möglich, zunächst den Kollisionszeitpunkt tix zu ermitteln, anhand dieses Kollisionszeitpunktes tix, die korrespondierende Position auf der Y-Achse sy(tix) zu bestimmen, und die korrespondierende Position auf der Y-Achse sy(tx) mit einer Projektion Si" eines Stützpunktes Si auf die Y-Achse zu vergleichen. Im in
Ergibt eine der oben genannten Vorwegrechnungen vor der Ausführung zumindest einer Einzelbewegung TE, dass eine Kollision zu erwarten ist, wird die für die Kollision ursächliche Einzelbewegung TE nicht durchgeführt und stattdessen entlang jener Bewegungsrichtung X, Y, für welche die zumindest eine nicht durchgeführte Einzelbewegung geplant ist, in
Nach der Minimalbremszeit TSt wird in einer vorteilhaften Weise in einem Neuplanungsschritt zumindest eine nicht durchgeführte Einzelbewegung TE zu einer neuen Einzelbewegung TE umgeplant. In einem weiteren Überprüfungsschritt mit der zumindest einen neuen Einzelbewegung TE kann erneut überprüft werden, ob die auf Basis der neuen Einzelbewegung TE zu erwartende Umplanungstrajektorie TU zu einer Kollision führt. Wird keine Kollision erkannt, kann die neu geplante Einzelbewegung TE ausgeführt werden.After the minimum braking time T St , at least one individual movement TE that has not been carried out is rescheduled to form a new individual movement TE in an advantageous manner in a replanning step. In a further checking step with the at least one new individual movement TE, it can be checked again whether the replanning trajectory TU to be expected on the basis of the new individual movement TE leads to a collision. If no collision is detected, the newly planned individual movement TE can be carried out.
Wird im vorhergehenden Überprüfungsschritt allerdings erneut eine Kollision der Last 8 mit einem Hindernis 11 prädiziert, kann vorteilhafterweise erneut ein vorgegebener Bremsvorgang für zumindest eine weitere Minimalbremszeit TSt durchgeführt werden. Danach können erneut ein Neuplanungsschritt und ein Überprüfungsschritt, der diesem Neuplanungsschritt folgt, durchgeführt werden.However, if a collision of the load 8 with an
Durch ein wiederholtes Ausführen des oben beschriebenen Bremsvorganges kann die Last 8 auch zur Gänze in den Stillstand gebracht werden. Die weitere Planung von Einzelbewegungen TE findet dann ausgehend vom Stillstand der Last 8 statt. Die Möglichkeit, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgehend vom Stillstand der Last 8 entsprechende Einzelbewegungen TE und damit eine aus diesen Einzelbewegungen TE resultierende Trajektorie T zu planen, eröffnet unmittelbar die Option, anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens auch grundsätzlich neue Trajektorien T für die Bewegung einer Last 8 zu planen. Befindet sich die Last 8 zu Beginn eines Bewegungsvorganges im Stillstand und ist noch keine Trajektorie T für deren Bewegung vom Anfangspunkt A in den Endpunkt E bekannt, kann der Stillstand im Anfangspunkt A als Ende eines mehrfach ausgeführten Bremsvorganges angenommen / vorgegeben werden und durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch eine erste Trajektorie T zur Überführung der Last 8 vom Stillstand im Anfangspunkt A in den Endpunkt E geplant werden.By repeating the braking process described above, the load 8 can also be brought to a complete standstill. The further planning of individual movements TE then takes place based on the standstill of the load 8 . The possibility, by means of the method according to the invention, starting from the standstill of the load 8, corresponding individual movements TE and thus one of these individual movements TE Planning the resulting trajectory T immediately opens up the option of also planning fundamentally new trajectories T for the movement of a load 8 using the method according to the invention. If the load 8 is at a standstill at the beginning of a movement process and no trajectory T is known for its movement from the starting point A to the end point E, the standstill at the starting point A can be assumed/specified as the end of a braking process that has been carried out several times and by using the method according to the invention A first trajectory T for transferring the load 8 from a standstill at the starting point A to the end point E can also be planned using the method.
Ähnlich der zuvor beschriebenen Ermittlung der Kollisionszeitpunkte tiX, tiy kann auch für einen Bremsvorgang ein Zeitintervall angegeben werden, in dem die Last 8 vollständig in den Stillstand überführt werden kann. Konkret können für dieses Zeitintervall die Grenzen tk (Kommandozeitpunkt) und tk +TTE angegeben werden, wobei TTE die Dauer einer geplanten Einzelbewegung TE beschreibt. Innerhalb dieses Zeitintervalls kommt es bei wiederholter Ausführung eines Bremsvorganges zum Stillstand der Last 8, wobei der konkrete Zeitpunkt wie vorhin beispielsweise durch ein Bisektionsverfahren ermittelt werden kann.Similar to the previously described determination of the collision times t iX , t iy , a time interval can also be specified for a braking process, in which the load 8 can be completely brought to a standstill. Specifically, the limits t k (command time) and t k +T TE can be specified for this time interval, with T TE describing the duration of a planned individual movement TE. Within this time interval, if a braking process is carried out repeatedly, the load 8 comes to a standstill, with the specific point in time being able to be determined, as before, for example by a bisection method.
Auch wenn die gegenständliche Erfindung bislang anhand einer Trajektorie T in der X-Y-Ebene EXY beschrieben wurde, ist auch eine Erweiterung auf eine dreidimensionale Trajektorie T im Raum möglich. Das prinzipielle Verfahren zur Umplanung auch von dreidimensionalen Trajektorien T auf Basis von bevorzugt unabhängigen Einzelbewegungen bleibt hierbei unverändert. Wird die Last 8 durch die Hebeeinrichtung 1 zusätzlich entlang einer dritten Bewegungsrichtung Z bewegt, wird zur Umplanung der Trajektorie T entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren auch für die dritte Bewegungsrichtung Z zumindest eine Einzelbewegung TEZ geplant, welche gemäß einer vorgegebenen Bewegungsabfolge zusätzlich zu den für die erste Bewegungsrichtung X und für die zweite Bewegungsrichtung Y geplanten Einzelbewegungen TEx, TEY ausgeführt wird.Even though the present invention has so far been described using a trajectory T in the XY plane E XY , an extension to a three-dimensional trajectory T in space is also possible. The basic method for replanning three-dimensional trajectories T on the basis of preferably independent individual movements remains unchanged. If the load 8 is also moved by the
Zur Anwendung der gegenständlichen Erfindung bei der Planung von dreidimensionalen Trajektorien ist es vielfach vorteilhaft, anstelle eines zweidimensionalen Arbeitsbereichs 15 einen 3D-Arbeitsraum zur Beschränkung der Bewegung der Last 8 vorzugeben. Im Gegensatz zu einer rein zweidimensionalen Betrachtung kann es im 3D-Fall allerdings auch erforderlich sein, die Ausdehnung eines Hindernisses 11 sowie die Ausdehnung einer Last 8 in Z-Richtung zu berücksichtigen. Das kann beispielsweise in Montagehallen erforderlich sein, wo an den Wänden angeordnete Hindernisse 11 in den Raum der Montagehalle ragen. In derartigen Fällen können Situationen eintreten, in denen einem Hindernis 11 auch durch geeignete Senkbewegungen ausgewichen werden kann, was durch das erfindungsgemäße Verfahren jedoch ebenso umsetzbar ist.To use the present invention when planning three-dimensional trajectories, it is often advantageous to specify a 3D workspace to limit the movement of the load 8 instead of a two-
Ein derartiger Fall ist in
In vielen praktischen Anwendungen kann es in diesem Zusammenhang vorteilhaft sein, optische Messsysteme zur Erfassung der Lastposition PZ oder auch von Hindernissen 11 einzusetzen, wie dies beispielsweise in der
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20070289931A1 (en) | 2005-06-28 | 2007-12-20 | Abb Ab | Load control device for a crane |
EP2402280A1 (en) * | 2010-06-30 | 2012-01-04 | ABB Research Ltd. | Calculation of collision avoiding trajectory |
EP3461783B1 (en) | 2017-09-29 | 2019-11-13 | B&R Industrial Automation GmbH | Lifting device and method for controlling a lifting device |
WO2019229751A1 (en) * | 2018-05-30 | 2019-12-05 | Syracuse Ltd. | System and method for transporting a swaying hoisted load |
CN111170153A (en) | 2020-02-24 | 2020-05-19 | 上海驭矩信息科技有限公司 | Container loading and unloading method based on motion planning |
EP3653562A1 (en) | 2018-11-19 | 2020-05-20 | B&R Industrial Automation GmbH | Method and oscillating regulator for regulating oscillations of an oscillatory technical system |
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20070289931A1 (en) | 2005-06-28 | 2007-12-20 | Abb Ab | Load control device for a crane |
EP2402280A1 (en) * | 2010-06-30 | 2012-01-04 | ABB Research Ltd. | Calculation of collision avoiding trajectory |
EP3461783B1 (en) | 2017-09-29 | 2019-11-13 | B&R Industrial Automation GmbH | Lifting device and method for controlling a lifting device |
WO2019229751A1 (en) * | 2018-05-30 | 2019-12-05 | Syracuse Ltd. | System and method for transporting a swaying hoisted load |
EP3653562A1 (en) | 2018-11-19 | 2020-05-20 | B&R Industrial Automation GmbH | Method and oscillating regulator for regulating oscillations of an oscillatory technical system |
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