FR2706438A1

FR2706438A1 - Crane comprising a distance measuring system and an anti-collision control system.

Info

Publication number: FR2706438A1
Application number: FR9401568A
Authority: FR
Inventors: Lepek Alexander
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-02-14
Filing date: 1994-02-11
Publication date: 1994-12-23
Also published as: NL9400211A; IL104723A0; DE4403898A1; BE1008089A3

Abstract

L'invention concerne une grue comportant un système de mesure de distance et un système de commande anti-collision. La grue comprenant des rails surélevés (3, 4), un chariot (2) mobile le long des rails et équipé d'un cadre de préhension (1), comporte des moyens de mesure de distance (12, 13), dirigés vers le bas et fixés au chariot, des moyens de mesure de la position du chariot par rapport aux rails, un processeur à mémoire pour mémoriser, évaluer et mettre en corrélation les distances mesurées vers le bas par rapport à des objets et au cadre de préhension (1) et sa charge (7), et la position mesurée par rapport aux rails (3, 4) empêchant une collision du cadre (1), de la charge (7) et d'autres objets. Application notamment aux grues portuaires.The invention relates to a crane comprising a distance measuring system and an anti-collision control system. The crane comprising raised rails (3, 4), a trolley (2) movable along the rails and equipped with a gripping frame (1), comprises distance measuring means (12, 13), directed towards the low and fixed to the carriage, means for measuring the position of the carriage relative to the rails, a memory processor for memorizing, evaluating and correlating the distances measured downwards relative to objects and to the gripping frame (1 ) and its load (7), and the measured position relative to the rails (3, 4) preventing collision of the frame (1), load (7) and other objects. Application in particular to port cranes.

Description

La présente invention concerne un système pourThe present invention relates to a system for

améliorer le fonctionnement et la sécurité dans des grues. improve operation and safety in cranes.

L'invention concerne en outre un type spécifique de système, dont le but est d'améliorer l'orientation de l'opérateur sur le site de travail et d'imposer des limitations au fonctionnement de la grue afin d'empêcher des collisions entre la grue, la charge et des objets situés dans la zone de travail. L'invention est applicable et est destinée à être utilisée dans des grues, des systèmes de levage, des monorails et analogues. Des applications typiques concernent de grues pour le transbordement de conteneurs, des grues à grappin, des grues portuaires, des grues installées sur des bateaux, The invention further relates to a specific type of system, the purpose of which is to improve the orientation of the operator at the work site and to impose limitations on the operation of the crane in order to prevent collisions between the crane and the crane. crane, load and objects located in the work area. The invention is applicable and is intended for use in cranes, hoisting systems, monorails and the like. Typical applications include cranes for container transhipment, grapple cranes, harbor cranes, cranes installed on boats,

des zones de stockage et analogues.storage areas and the like.

Le but principal de l'invention est de fournir un système qui permette à l'opérateur manoeuvrant la grue d'avoir une meilleure orientation sur le site de travail et qui impose des limitations au fonctionnement de la grue pour empêcher une collision entre la grue et son cadre de préhension, son crochet ou son grappin et la charge et d'autres objets, qui peuvent être présents dans la zone de travail. Ces objectifs ainsi que d'autres apparaîtront The main object of the invention is to provide a system which allows the operator operating the crane to have a better orientation on the work site and which imposes limitations on the operation of the crane to prevent a collision between the crane and the crane. its gripping frame, hook or grab hook and load and other objects that may be present in the work area. These goals and others will appear

dans la description qui va suivre.in the following description.

Conformément à l'invention, des moyens de mesure de distance sont montés sur le chariot, auquel est suspendu le cadre de préhension. Le chariot se déplace le long d'un ou de plusieurs rails. Les moyens de mesure de distance mesurent la distance verticale entre le chariot et des points spécifiques au sol, qui sont situés sur le trajet prévu du cadre de préhension jusqu'à sa destination. Des mesures additionnelles sont exécutées pour obtenir la position du chariot par rapport à ces According to the invention, distance measuring means are mounted on the carriage, to which the gripping frame is suspended. The carriage moves along one or more rails. The distance measuring means measures the vertical distance between the carriage and specific ground points, which are located on the intended path of the gripping frame to its destination. Additional measurements are performed to obtain the position of the carriage with respect to these

rails, et sa distance par rapport au cadre de préhension. rails, and its distance from the gripping frame.

Les distances, qui sont fonction de la position du Distances, which are a function of the position of the

chariot, sont mémorisées dans une mémoire d'ordinateur. trolley, are stored in a computer memory.

Lorsque le chariot se déplace et que la position anticipée devient la position actuelle du cadre de préhension, la distance entre le cadre de préhension et sa charge à partir du sol, au-dessous de lui, peut être calculée. On obtient une carte des hauteurs des objets situés dans la As the carriage moves and the anticipated position becomes the current position of the gripping frame, the distance between the gripping frame and its load from the ground below it can be calculated. We obtain a map of the heights of objects located in the

zone du site respectif, au-dessous du cadre de préhension. area of the respective site, below the gripping frame.

La connaissance acquise de ces hauteurs d'objets est utilisée pour limiter la vitesse du cadre de préhension en direction d'objets proches afin d'empêcher une collision entre le cadre de préhension et sa charge d'une part et ces objets d'autre part. Il est relativement aisé de reconstituer une carte des objets s'ils possèdent quelques formes et tailles standards, comme par exemple dans le cas d'une grue de transbordement de conteneurs, qui charge ou décharge des conteneurs d'expédition. Dans le cas de conteneurs d'expédition, il est avantageux de mesurer les distances anticipées, comme dans la présente invention, et non les distances effectives étant donné que le cadre de préhension et son conteneur chargé peuvent masquer la ligne de vision entre les moyens de mesure de distance et la zone située directement au- dessous du cadre de préhension. Une carte des hauteurs des objets dans la zone de travail est affichée à l'opérateur pour qu'il ait une The acquired knowledge of these heights of objects is used to limit the speed of the gripping frame towards nearby objects in order to prevent a collision between the gripping frame and its load on the one hand and these objects on the other hand . It is relatively easy to reconstruct a map of objects if they have some standard shapes and sizes, such as in the case of a container transhipment crane, which loads or unloads shipping containers. In the case of shipping containers, it is advantageous to measure the anticipated distances, as in the present invention, and not the actual distances since the gripping frame and its loaded container can hide the line of sight between the means of transport. distance measurement and the area directly below the grip frame. A map of the heights of the objects in the work area is displayed to the operator so that he has a

meilleure orientation sur le site de travail. L'infor- better orientation on the job site. The infor-

mation de la carte des hauteurs est appropriée pour le stockage dans un enregistrement désigné sous l'expression "boîte noire", pour une inspection ultérieure dans le cas height map is appropriate for storage in a record referred to as "black box", for later inspection in the case

d'un accident.of an accident.

De façon plus précise, la présente invention More specifically, the present invention

concerne un grue équipée de moyens de mesure et de comman- a crane equipped with measuring and control

de, comprenant une structure supportant un ou des rails surélevés, un chariot mobile le long desdits rails et équipé d'un cadre de préhension ou d'un grappin suspendu audit chariot, caractérisée en ce que la grue est équipée de moyens de mesure de distance, dirigés vers le bas et rés audit chariot à proximité du bord tourné dans sa direction de déplacement, des moyens de mesure de position pour mesurer la position du chariot par rapport aux rails, un processeur d'ordinateur éqruipé de moyens de mémoire pour mémoriser, évaluer et mettre en corrélation les distances mesurées vers le bas par rapport à des objets et par rapport au cadre de préhension et sa charge, et la position mesurée par rapport aux rails et pour produire un modèle géométrique de la zone de travail et des objets situés dans cette zone, et des moyens aptes à coopérer avec les unités de commande de la grue pour empêcher automatiquement une collision du cadre de préhension, de of, comprising a structure supporting one or more elevated rails, a carriage movable along said rails and provided with a gripping frame or grapple suspended from said carriage, characterized in that the crane is equipped with distance measuring means downwardly directed to said carriage near the edge turned in its direction of movement, position measuring means for measuring the position of the carriage relative to the rails, a computer processor with a memory means for storing, Evaluate and correlate the distances measured downwards with respect to objects and with respect to the gripping frame and its load, and the position measured with respect to the rails and to produce a geometrical model of the work area and objects located in this zone, and means able to cooperate with the control units of the crane to automatically prevent a collision of the gripping frame, of

la charge et d'autres objets.the load and other objects.

e 5 D'autres caractéristiques et avantages de la e 5 Other features and advantages of

présente invention ressortiront de la description donnée present invention will emerge from the description given

ci-après prise en référence aux dessins annexés, non à l'échelle, sur lesquels: - la figure 1 est un dessin schématique d'une grue de transbordement de conteneurs, comportant des moyens de mesure de distance qui sont fixés au chariot; - la figure 2 est un dessin de la grue de la figure 1, dans le cas o la charge est amenée jusqu'à son emplacement de déchargement; - la figure 3 représente une vue de face de la grue de la figure 2 comportant des moyens particuliers de mesure de distance qui utilisent la parallaxe entre un dispositif de pointage utilisant une lumière et une caméra vidéo; - la figure 3 est une --ue en plan de la trace du spot lumineux du dispositif de désignation de la figure 3; - la figure 4 est un schéma-bloc du dispositif de commande du traitement de l'information et de commande du système; et BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic drawing of a crane for transferring containers, comprising distance measuring means which are fixed to the carriage; - Figure 2 is a drawing of the crane of Figure 1, in the case where the load is brought to its unloading location; FIG. 3 represents a front view of the crane of FIG. 2 comprising particular means of distance measurement which use the parallax between a pointing device using a light and a video camera; FIG. 3 is a plan view of the light spot of the designation device of FIG. 3; FIG. 4 is a block diagram of the control device for information processing and control of the system; and

- la figure 5 est une représentation particu- FIG. 5 is a particular representation

lière de la carte des hauteurs affichée à l'opérateur et montrant le cadre de préhension et sa position de charge, the height map displayed to the operator showing the gripping frame and its load position,

et les conteneurs aeis qu'indiqués sur la figure 2. and containers as indicated in Figure 2.

La figure I représente une grue de transbordement de conteneurs, qui est équipée d'un système selon la présente invention. Dans cette forme de réalisation spécifique de l'invention, le cadre de préhension 1 est suspendu au chariot 2, la distance verticale entre le cadre de préhension et le chariot peut être commandée et le chariot 2 est conçu de manière à se déplacer le long des rails 3 et 4. Le déplacement transversal du chariot de préhension est obtenu au moyen du déplacement de la grue sur ses rails 5 et 6. Sur ce dessin, on a représenté le cadre de préhension comme étant chargé par un conteneur 7, qui est destiné à être déposé à l'emplacement 8 entre les conteneurs 9, 10 et 11. Dans cette forme de réalisation de l'invention, les moyens de mesure de distance sont constitués par un dispositif de désignation optique 12 et par une caméra vidéo 13, qui sont tous deux dirigés vers le bas et sont tous deux fixés au chariot 2 sur le côté, qui est tourné dans la direction de déplacement du chariot et est situé au-delà dudit chariot de préhension 1 et de sa charge 7 de sorte que le chariot de préhension 1 et sa charge 7 ne créent aucune obstruction dans la ligne de visée entre le dispositif de désignation 12 et les points qu'il désigne, et la ligne de Figure 1 shows a container transhipment crane, which is equipped with a system according to the present invention. In this specific embodiment of the invention, the gripping frame 1 is suspended from the carriage 2, the vertical distance between the gripping frame and the carriage can be controlled and the carriage 2 is designed to move along the rails 3 and 4. The transverse displacement of the gripping carriage is obtained by means of the displacement of the crane on its rails 5 and 6. In this drawing, the gripping frame is shown as being loaded by a container 7, which is intended to to be deposited at the location 8 between the containers 9, 10 and 11. In this embodiment of the invention, the distance measuring means are constituted by an optical designation device 12 and a video camera 13, which both are downwardly directed and are both attached to the carriage 2 on the side, which is rotated in the direction of travel of the carriage and is located beyond said gripper 1 and its load 7 so that the gripping carriage 1 and its load 7 do not create any obstruction in the line of sight between the designation device 12 and the points it designates, and the line of sight

visée entre lesdits points désignés et la caméra vidéo 13. referred to between said designated points and the video camera 13.

Sur la figure 2, on a représenté la grue de la figure 1, dans le cas o ledit chariot 2 s'est déplacé sur ses rails 3 et 4 et est situé au- dessus de l'emplacement In Figure 2, there is shown the crane of Figure 1, in the case where said carriage 2 has moved on its rails 3 and 4 and is located above the location

8, o ledit récipient 7 doit être déposé. 8, where said container 7 must be deposited.

Les figures 3 et 3A représentent la forme de réalisation des moyens de mesure de distance vertical selon l'invention, qui comprennent un dispositif de désignation et une caméra vidéo. Sur la figure 3, on a représenté une vue de face de la grue. La figure 3a représente une vue en plan de la surface au sol respective. Sur la figure 3, le chariot 2 se trouve entre ses positions des figures 1 et 2, et le dispositif de désignation 12 éclaire le site de déchargement 8 et le conteneur voisin 1i en appliquant un éclairement au niveau du spot 31 au moyen des rayons lumineux 36 et 37. Le cadre de préhension et sa charge sont éclairés par ledit dispositif de désignation avec le rayon lumineux 35 au niveau du spot 32. Lesdits spots 31 et 32 sont observés par ladite caméra vidéo 13, et les distances verticales du conteneur 11, du site 8 et du cadre de préhension et de sa charge 7 sont calculés moyennant l'utilisation du procédé de la parallaxe. Lorsque le chariot 2 se déplace pour venir de sa position représentée sur la figure 1 dans sa position représentée sur la figure 3, le spot lumineux 31 balaye la piste 33. Lorsque le cadre de préhension 1 est situé au-dessus de son site de déchargement 8, le Figures 3 and 3A show the embodiment of the vertical distance measuring means according to the invention, which comprise a designation device and a video camera. In Figure 3, there is shown a front view of the crane. Figure 3a shows a plan view of the respective ground surface. In FIG. 3, the carriage 2 is located between its positions of FIGS. 1 and 2, and the designation device 12 illuminates the unloading site 8 and the neighboring container 1i by applying an illumination at the spot 31 by means of the light rays. 36 and 37. The gripping frame and its load are illuminated by said designation device with the light beam 35 at the spot 32. Said spots 31 and 32 are observed by said video camera 13, and the vertical distances of the container 11, the site 8 and the gripping frame and its load 7 are calculated using the method of parallax. When the carriage 2 moves to come from its position shown in Figure 1 in its position shown in Figure 3, the light spot 31 scans the track 33. When the gripping frame 1 is located above its unloading site 8, the

dispositif de désignation éclaire la zone 34. designation device illuminates area 34.

Conformément à une conception préférée de la présente invention, pour la mesure de distances verticales lorsque le chariot se déplace dans la direction inverse, des seconds moyens de mesure de distance comme par exemple un second dispositif de désignation 22 et une seconde caméra vidéo 23, sont fixés au chariot sur son côté arrière, au-delà dudit cadre de préhension et de sa charge de sorte que ledit cadre de préhension et sa charge n'obstrue pas la ligne de visée du dispositif de According to a preferred design of the present invention, for the measurement of vertical distances when the carriage moves in the reverse direction, second distance measuring means such as for example a second designation device 22 and a second video camera 23, are attached to the carriage on its rear side, beyond said gripping frame and its load so that said gripping frame and its load does not obstruct the line of sight of the

désignation 22 et de la caméra vidéo 23 jusqu'au sol. designation 22 and the video camera 23 to the ground.

Conformément à un agencement préféré, des moyens similaires de mesure sont fixés au chariot sur ses côtés de manière à mesurer des distances vers le bas, lorsque la According to a preferred arrangement, similar measuring means are attached to the carriage on its sides so as to measure distances downwards, when the

grue se déplace latéralement sur ses rails. crane moves sideways on its rails.

Lors de la mesure desdites distances verticales, la position du chariot le long de ces rails est mesurée moyennant i 'utilisation d'une technique connue pour exécuter de telles mesures. Conformément à une forme de réalisation préférée, la position de la grue sur ces rails est également mesurée, moyennant l'utilisation d'une technique connue. Lesdites positions sont corrélées auxdites distances verticales, comme cela apparaîtra à When measuring said vertical distances, the position of the carriage along these rails is measured by using a known technique to perform such measurements. According to a preferred embodiment, the position of the crane on these rails is also measured using a known technique. Said positions are correlated to said vertical distances, as will be

l'évidence à la lecture de la description qui va suivre. the evidence on reading the description that follows.

La figure 4 représente un schéma-bloc du système selon la présence invention. Un processeur d'ordinateur 40 reçoit et mémorise, dans une mémoire 41, une série 42 des positions mesurées du chariot 2, le long de ces rails, et les distances verticales au sol, mesurées dans ces positions du chariot. En outre, ledit processeur 40 reçoit et mémorise, dans ladite mémoire 41, une série 43 des positions du chariot le long de ces rails, et les distances par rapport au cadre de préhension 2 et à la charge 7 mesurées dans ces positions du chariot. En outre, ledit processeur 41 reçoit l'information mémorisée 44 concernant le modèle géométrique des composants concernés de la grue, des positions concernées des moyens de mesure de distance et les tailles standards des conteneurs. Cette information est suffisante pour produire une carte formant modèle mathématique 45, dans laquelle la hauteur au sol, la hauteur d'objets voisins et du cadre de préhension et ses positions de charge par rapport à ces objets sont enregistrées. La carte modèle 45 est utilisée pour appliquer les limitations aux unités de commande de la grue, moyennant l'utilisation d'une technique connue, afin de limiter la vitesse du cadre de préhension dans la direction d'un obstacle proche ou pour limiter la vitesse d'abaissement du cadre de préhension de sorte qu'une collision entre le cadre de préhension ou sa charge et des objets situés alentour ou bien le site de déchargement est empêchée. Conformément à une forme de réalisation préférée de la présente invention, ce système interfère avec l'activité de 'opérateur manoeuvrant la grue uniquement lorsqu'une telle activité peut conduire à une telle collision. Conformément à une forme de réalisation préférée, plusieurs rétroréflecteurs sont positionnés en des points connus de façon précise, comme par exemple sur les parties inférieures de la grue, et peuvent être aisément identifiés par les moyens de mesure de distance, lesdits points étant utilisés pour un autocalibrage du système pendant le fonctionnement normal. Le processeur 40 commande un dispositif d'affichage vidéo 47 qui fournit un affichage à l'opérateur manoeuvrant la grue et affiche l'état du système et les images vidéo provenant des Figure 4 shows a block diagram of the system according to the present invention. A computer processor 40 receives and stores, in a memory 41, a series 42 of the measured positions of the carriage 2, along these rails, and the vertical distances to the ground, measured in these positions of the carriage. In addition, said processor 40 receives and stores, in said memory 41, a series 43 of the positions of the carriage along these rails, and the distances relative to the gripping frame 2 and the load 7 measured in these positions of the carriage. In addition, said processor 41 receives the stored information 44 concerning the geometric model of the relevant components of the crane, the relevant positions of the distance measuring means and the standard sizes of the containers. This information is sufficient to produce a mathematical model map 45, in which the height of the ground, the height of neighboring objects and the gripping frame and its load positions relative to these objects are recorded. The model card 45 is used to apply the limitations to the control units of the crane, by using a known technique, in order to limit the speed of the gripping frame in the direction of a nearby obstacle or to limit the speed lowering the gripping frame so that a collision between the gripping frame or its load and surrounding objects or the unloading site is prevented. According to a preferred embodiment of the present invention, this system interferes with the activity of operator operating the crane only when such activity can lead to such a collision. According to a preferred embodiment, several retroreflectors are positioned at precisely known points, for example on the lower parts of the crane, and can be easily identified by the distance measuring means, said points being used for autotune the system during normal operation. The processor 40 controls a video display device 47 which provides a display to the operator operating the crane and displays the state of the system and the video images from the

caméras vidéo 13 et 23.video cameras 13 and 23.

Conformément à une forme de réalisation préférée, la mémoire 40 est une mémoire non volatile et par consequent peut être utilisée comme "boîte noire" pour According to a preferred embodiment, the memory 40 is a non-volatile memory and therefore can be used as a "black box" for

une inspection ultérieure dans le cas d'accidents. a subsequent inspection in the case of accidents.

La figure 5 montre une représentation graphique particulière 50, affichée sur le dispositif d'affichage 47, de la carte modèle 45 affichée à l'opérateur manoeuvrant la grue pour une meilleure orientation et une meilleure vision de la zone de travail. Dans ce cas particulier, la zone de travail de la figure 2 est affichée. Dans cette conception particulière de la représentation 50, 51, on a une indication de la présence du conteneur 11, qui doit être situé à droite du site de Figure 5 shows a particular graphical representation 50, displayed on the display device 47, of the model card 45 displayed to the operator operating the crane for better orientation and better vision of the work area. In this particular case, the work area of Figure 2 is displayed. In this particular design of the representation 50, 51, there is an indication of the presence of the container 11, which must be located to the right of the site of

déchargement 8.unloading 8.

Claims

Crane equipped with measuring and control means, comprising a structure supporting one or more raised rails (3,4), a carriage (2) movable along said rails and equipped with a gripping frame (1) or a grapple suspended from said carriage, characterized in that the crane is equipped with distance measuring means (12, 13), directed downwards and fixed to said carriage near the edge turned in its direction of travel, measuring means position for measuring the position of the carriage (2) relative to the rails, a computer processor (40) equipped with memory means (41) for storing, evaluating and correlating the measured distances downwards with respect to objects and with respect to the gripping frame (1) and its load (7), and the position measured with respect to the rails (3,4) and for producing a geometric model of the work area and objects located in this area, and means capable of cooperating with the comunication units the crane to automatically prevent a collision

grasping, load and other objects.

2. Crane according to claim 1, characterized in that it comprises rails (3,4) arranged on the ground and is movable on these rails, and that there is provided position measuring means for measuring the position of the crane relative to the rails (3,4), and means for producing the geometrical model of the working area, said model including the position of the crane on its rails.

Crane according to one of claims 1 or 2,

characterized in that the one or more rails (3,4) of the carriage (2) or the rails (5,6) of the crane are arranged in a

predetermined angle with respect to the horizontal direction.

4. Crane according to any one of the claims

1 to 3, characterized in that means are provided for transmitting to the processor information (44) concerning the sizes of standard objects and loads, which are present in the work area, and means for producing the geometric model (45) of the work area.

Crane according to any one of the claims

1 to 4, characterized in that the distance measuring means (12, 13) comprises one or more downward illuminating designation optical devices (12) and a video camera or CCD charge-coupled device observing the locations. designated, and means for evaluating the pixel information in the form of a

vertical distance by means of the parallax process.

6. Crane according to claim 5, characterized in that it comprises retroreflectors mounted in predetermined positions and forming means for performing the automatic calibration of the distance measuring means.

7. Crane according to any one of the claims

1 to 6, characterized in that said processor (40) is equipped with a non-volatile memory so that new information does not erase the contents of the memory, formed by older information, and that said memory non-volatile is used as a "black box" for the analysis of operations performed by

the crane.

8. Crane according to any one of the claims

1 to 7, characterized in that it comprises means for presenting to the operator operating the crane,

the geometric model updated.

Crane according to any one of the claims

5, characterized in that means (47) are provided for the images provided by the video camera to be displayed in a manner displayed to the operator.

maneuvering the crane.

10. According to the number of claims

1 to 9, characterized in that additional means are

distance measuring means (22, 23) are installed on said carriage (2), said additional distance measuring means being arranged on the opposite side from the side where the carriage (2) is located, for measuring the distances when the gripping frame (1) is moved in the opposite direction to said direction

indicated in claims 1 or 2.

11. Crane according to any one of the claims

1 to 10, characterized in that it is equipped with

additional processors in addition to said processor.