利用起重机使负载无碰撞移动的方法
阅读说明：本技术 利用起重机使负载无碰撞移动的方法 (Method for collision-free movement of a load by means of a crane ) 是由 乌韦·拉德拉 阿洛伊斯·雷克滕瓦尔德 于 2020-02-26 设计创作，主要内容包括：一种用于在具有至少一个障碍物(18)的空间内利用起重机(2)使负载(4)无碰撞移动的方法。为了以尽可能简单的方式满足安全等级而提出,提供障碍物(18)的位置,其中,提供负载(4)的至少一个安全状态变量,其中,从该安全状态变量得出围绕该负载(4)的安全区域(20),其中,相对于障碍物(18)的位置动态地监视安全区域(20)。(A method for collision-free movement of a load (4) with a crane (2) in a space with at least one obstacle (18). In order to satisfy the safety level in the simplest possible manner, the position of an obstacle (18) is provided, at least one safety state variable of the load (4) is provided, a safety region (20) surrounding the load (4) is derived from the safety state variable, and the safety region (20) is monitored dynamically with respect to the position of the obstacle (18).)
技术领域
本发明涉及一种在具有至少一个障碍物的空间内利用起重机使负载无碰撞移动的方法。
本发明还涉及一种用于执行这种方法的控制器。
此外，本发明涉及一种具有这种控制器的、用于碰撞识别的自主的、安全的观察器模块。
此外，本发明涉及一种具有用于移动负载的起重机的系统，该起重机包括这种观察器模块。
背景技术
在起重机环境中，例如在港口区域中，当装载和卸载负载(例如集装箱)时，总能够一次又一次发生(特别是绳索引导的)负载与障碍物(也称为物体)之间的碰撞。对于手动运行的起重机，起重机及其引导的负载的全部责任在于起重机驾驶员。他必须确保负载不会与其他物体发生碰撞。
在自动化运行的起重机的情况下，在自动行驶时，以传感器辅助的方式引导(特别是绳索引导的)负载通过具有至少一个障碍物的2D或3D空间，其中，通过硬件解决方案和软件解决方案必须确保，负载不发生碰撞。例如，使用诸如摆动阻尼(也称为“摇摆控制”)、2D或3D空间中的轨迹计算的系统和用于检测障碍物和干扰变量的系统。
在安全技术方面对具有多个系统的此类解决方案进行全面认证需要付出相当大的成本，因为每个子系统都必须单独进行安全技术认证。如果所有子系统都满足安全相关的要求，才能确保整个系统的安全性能。
例如，公开文献WO 2005/049285 A1描述了一种用于振动控制的系统。该系统包括：第一装置，该第一装置被连接用于测量悬挂在第二物体上的第一物体的加速度，其中，第一装置产生代表第一物体的加速度的第一信号；第二装置，该第二装置被连接用于测量第二物体的加速度，其中，第二装置产生代表第二物体的加速度的第二信号；与第一装置和第二装置连接的处理器，该处理器被配置用于，至少部分地基于第一信号和第二信号得出第一物体相对于第二物体的振动，其中，该振动表示第一物体相对于第二物体的相对位移。
对于实时路线规划，即所谓的“Realtime Routenplanung”，在2D/3D空间中需要简化算法，对于安全认证，该简化代表了在安全性能的论证方面的相当大的成本。在诸如“摇摆控制(Sway-Control)”的系统中试图通过冗余来实现安全认证。
公开文献WO 2018/007203 A1描述了一种避免起重机负载与障碍物碰撞的方法。为了给出满足安全等级的用于避免碰撞的解决方案，提出了一种解决方案，在该解决方案中，负载沿轨迹移动，其中，借助至少两个用于距离测量的传感器至少沿轨迹检测高度轮廓，其中，传感器的信号经由至少两个通信通道发送到具有至少两个运行系统的控制器，两个运行系统中的至少一个在安全范围中具有安全程序，其中，基于高度轮廓沿轨迹识别障碍物。控制器还具有用于将信号从控制器传输到起重机控制装置的安全的通信接口。
发明内容
本发明的目的在于，给出一种利用起重机使负载无碰撞移动的方法，该方法以尽可能简单的方式满足安全等级。
根据本发明，该目的通过一种用于在具有至少一个障碍物的空间中利用起重机使负载无碰撞移动的方法来实现，其中，提供障碍物的位置，其中，提供负载的至少一个安全状态变量，其中，从该安全状态变量中得出围绕负载的安全区域，其中，相对于障碍物的位置动态地监视该安全区域。
此外，根据本发明，该目的通过一种用于执行这种方法的控制器来实现，该控制器包括在安全范围中的安全程序。
此外，根据本发明，该目的通过一种具有这种控制器的、用于碰撞识别的自主的、安全的观察器模块来实现。
此外，根据本发明，该目的通过一种具有用于移动负载的起重机的系统来实现，该起重机包括这样的观察器模块。
涉及该方法的下面引用的优点和优选设计方案能够类似地转移到控制器、观察器模块和系统。
本发明基于的思想在于，提供用于碰撞识别的自主的安全的观察器模块，以便通过自动化运行的起重机设施补充以传感器辅助的方式的负载移动，该起重机设施本身具有高的可靠性，但未经安全技术认证。通过这种碰撞识别，无需对实际起重机设施进行安全技术认证，即能够达到根据SIL(Safety Integrity Level，安全完整性等级)和/或PL(Performance Level，性能等级)的安全等级，例如至少为SIL3和/或PLe。
提供障碍物的位置。例如，经由合适的传感器系统，特别是激光距离传感器系统提供负载位置。此外，提供了通过起重机移动的负载的至少一个安全状态变量。状态变量例如是至少一个移动轴的位置、速度或加速度。例如通过安全的、特别是至少根据SIL认证的和/或PL认证的发送器系统和/或通过冗余的发送器系统提供负载的安全状态变量。基于负载的至少一个安全状态变量计算安全空间，与所得出的障碍物的位置信息相关地监视该安全空间。例如，将安全空间设计成球形或椭圆形的并且至少部分地围绕负载。例如，如果该安全空间受到侵犯，则会引入应对措施，以防止碰撞。
这种方法能够用非常简单的数学模型来描述，并且只需很少的计算成本即可实现。上面描述的安全认证被极大地简化了。另一个优点在于，为了以传感器辅助的方式的负载移动而在自动化起重机运行中使用的系统，诸如“摇摆控制”和轨迹计算，还能够用作移动引导的非安全系统。用于安全碰撞识别的自主的、安全的观察器(该观察器特别地被设计成为至少一个模块)以高可靠性将被归类为不安全的系统补充成安全的整体系统。根据上述方法工作的、自主的、安全的观察器模块确保了安全的自动化起重机运行，而与用于自动化起重机运行所使用的系统无关。
在一个优选的设计方案中，检测障碍物的安全位置，特别是借助用于距离测量的传感器。用于距离测量的传感器例如是激光传感器或雷达传感器。例如，借助安全的、特别是根据SIL和/或根据PL认证的用于距离测量的传感器来实现安全的位置检测。障碍物的安全位置检测提高了该方法的可靠性。
在另一有利的实施方式中，从起重机的至少一个行驶机构、提升机构和/或调运车的安全状态变量中得出负载的至少一个安全状态变量。例如，根据SIL和/或根据PL认证的相应的安全发送器系统可在市场上获得。
如果在围绕负载的安全区域中检测到障碍物，将停止信号特别有利地发送到起重机控制装置。通过由停止信号触发的起重机停止简单且可靠地防止碰撞。
在一个优选的设计方案中，安全区域的大小匹配于负载的安全状态变量。安全区域的大小特别地通过体积限定。例如，当负载的速度或加速度提高时，安全区域的体积增大，以便在实施应对措施的情况下，补偿较高的减速时间。以此方式，甚至更可靠地防止了碰撞。
在另一个有利的实施方式中，利用控制器得出安全区域，该控制器包括在安全范围中的安全程序。例如，能够通过冗余、多通道能力和/或内部检查算法和测试算法来实现安全范围中的安全程序，由此能够实现例如根据SIL和/或PL的安全认证。
如果在围绕负载的安全区域中检测到障碍物，特别有利地从安全程序向起重机控制装置发送安全的停止信号。借此限定了围绕负载的安全范围，在该范围内出现障碍物时，立即安全地停止起重机。
在一个优选的设计方案中，负载的安全状态变量包括位置和速度和/或加速度。例如，通过位置的变化的微分来得出速度和/或加速度。通过了解负载的位置和速度和/或加速度，优化负载的监视的可靠性。
特别有利地实时得出安全区域。实时得出是通过简单的数学模型实现的，该数学模型能够对障碍物的位置的变化做出可靠的反应。
在一个优选的设计方案中，以与负载的安全状态变量相关的时间间隔周期性地得出安全区域。例如，在较高负载速度时，时间间隔较小，以便对较长的制动路径做出反应。这种与状态变量相关的间隔能够对系统中的变化做出可靠的反应。
在另一个有利的实施方式中，利用摆动模型得出安全区域。例如，摆动模型模拟突然减速时的负载的振动衰减，从而在这种情况下，例如增大安全区域以防止碰撞。
该方法的执行能够特别有利地与负载的移动无关。因此，该方法不受起重机运行的影响，例如不受在运行期间出现的故障的影响，这导致可靠性的提高。
在另一个有利的设计方案中，借助用于距离测量的传感器产生用于得出障碍物位置的高度轮廓。例如，如果起重机是在集装箱码头卸载作为负载的集装箱的集装箱起重机，那么作为高度轮廓的集装箱的堆叠高度在某种程度上导致集装箱山。通过这样的高度轮廓使得借助起重机简化了负载的自动化移动的轨迹的计算。
附图说明
在下文中，将参照图中所示的实施例更详细地描述和解释本发明。
图1示出了起重机的立体示意图；
图2示出了起重机在负载区域的放大示意图；
图3示出了负载从起点到目标点的无碰撞移动的示意图，以及
图4示出了负载无碰撞移动的方法的流程图。
下面解释的实施例是本发明的优选实施方式。在实施例中，实施方式的所描述的部件分别代表本发明的各个、彼此独立地待考虑的特征，这些特征也分别彼此独立地改进本发明并且因此也被单独地或以不同于所示组合的组合形式视为本发明的组成部分。此外，所描述的实施方式还能够通过其他本发明的已经描述的特征来进行补充。
相同的附图标记在不同的附图中具有相同的含义。
具体实施方式
图1示出了起重机2的立体图，该起重机示例性地设计为桥式起重机。负载4，例如集装箱(该负载固定在集装箱吊架6处，也称为“吊具”处)，借助调运车8，也称为“吊车”，借助行驶机构10和/或借助提升机构12沿特别是三维设计的轨迹14移动。借助起重机2特别是自动化地实现负载4的移动。通过创建高度轮廓，通过用于距离测量的至少一个传感器16，检测到障碍物18、如图1中所示的“集装箱山”的安全位置。可替换地，提供障碍物18的已知位置。特别是通过至少SIL认证的和/或PL认证的传感机构得出障碍物18的安全位置。用于距离测量的这种至少SIL认证的和/或PL认证的传感器16例如以雷达方法和/或激光方法工作。特别地，用于距离测量的传感器16冗余地设计。例如通过周期性地更新高度轮廓，特别是动态地实现障碍物18的安全位置检测。障碍物18阻止了负载4能够以直接的，即以直线路径运输到负载的目的地。因此，根据高度轮廓来计算轨迹14，以便例如以抛物线移动来越过障碍物18。在沿轨迹14移动期间，通过摆动阻尼(也称为“摇摆控制”)使负载4的振动最小化，以避免负载的碰撞或损坏和/或增加负载运输效率。
图2示出了在负载4区域内起重机2的放大示意图，该负载移动越过障碍物18。为了可靠地确保负载4的无碰撞移动，起重机2包括用于碰撞识别的自主的、安全的观察器模块，负载4的安全状态变量被传输至该观察器模块，其中，安全状态变量包括负载4的位置、速度或加速度。例如，经由安全的、特别是至少根据SIL认证的和/或PL认证的、在调运车8、行驶机构10和提升机构12处的发送器系统得出负载4的安全位置，其中，能够直接从安全位置的变化中计算负载4的速度和/或加速度。
自主的安全观察器模块在安全的控制器中实时地从至少一个安全状态变量(例如由位置和速度)中计算出围绕负载4的安全区域20。例如，以与负载4的安全状态变量相关的时间间隔周期性地计算安全区域20。安全的控制器包括在安全范围中的安全程序。安全区域20例如，如在图2中可见，被设计成球形的或者椭圆形的。安全区域20的大小特别匹配于负载4的安全状态变量，例如匹配于速度或加速度。例如，如果负载4的速度或加速度提高，则安全区域20的体积增大。可选地，在安全区域20的计算中包括摆动模型，以便例如在突然减速的情况下考虑负载4的振动衰减。
如图1所示，实现障碍物18的安全位置检测。自主的、安全的观察器模块动态地监视与障碍物18的位置相关的安全区域20。例如，如果在围绕负载4的安全区域20中检测到障碍物18，向起重机控制装置发送停止信号。图2中起重机2的另一个实施方案对应于图1中的实施方案。
图3示出了负载4从起点22到目标点24的无碰撞移动的示意图，其中，借助起重机2特别是以自动化方式实现负载移动。示例性地示出了从作为起点22的集装箱船26到作为目标点24的卡车28的负载移动，其中，如图1中所述，在沿特别是预先计算好的轨迹14的抛物线移动中越过设计为“集装箱山”的障碍物18。为了可靠地确保无碰撞的移动，起重机2包括用于碰撞识别的自主的、安全观察器模块19，该观察器模块如在图2中示出的那样，在安全控制器19a中实时地计算围绕负载4的安全区域20。围绕负载4的安全区域20的大小例如匹配于速度和/或加速度。对于给出的障碍物18，示范性的球形示出的安全区域20的体积的时间上的变化示意性地在图2中示出，其中，如在图1中所示的轨迹14根据障碍物18得出的高度轮廓进行计算。起重机2，特别是自主的、安全的观察器模块在图3中的另一实施方案对应于图2中的实施方案。
图4示出了用于负载4的无碰撞移动的方法的流程图。通过具有高可靠性的摆动阻尼30、轨迹14的几何计算32、干扰变量监视34和特别是动态物体检测36实现了负载4的自动化移动28。如图1中所述，安全地、特别是根据高度轮廓通过至少SIL认证的和/或PL认证的传感器系统来实现物体检测36，即障碍物18的位置的检测。
如图2中所述的那样，例如通过例如根据SIL安全认证的和/或根据PL安全认证的发送器系统，在调运车8、行驶机构10和提升机构12处并行地实现负载4的安全状态变量检测38。自主的、安全的观察器模块40根据得出的安全状态变量执行安全区域计算42。通过监视与障碍物18的安全检测到的位置相关的安全检测到的安全区域20，实现动态的空间监视44。当在负载4的安全区域20中探测到障碍物18时，安全的暂停46(例如通过发送停止信号给起重机控制装置)由自主的、安全的观察器模块40来激活。
综上，本发明涉及一种用于在具有至少一个障碍物18的空间中利用起重机2使负载4无碰撞移动的方法。为了以尽可能简单的方式满足安全等级而提出，检测障碍物18的位置，其中，得出负载4的至少一个安全状态变量，其中，从安全状态变量中得出围绕负载4的安全区域20，其中，相对于障碍物18的位置动态地监视安全区域20。
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