CN103781717B - 确定起重机的抓取构件的位置和偏斜度的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定起重机的抓取构件(2)的水平位置和偏斜度的系统，该系统包括：布置在抓取构件(2)上的至少两种类型的反射器(5，6)，至少两种类型的反射器的相对位置和形状是已知的；安装在起重机上的至少一个扫描距离传感器(7)，其用于测量从起重机到至少两种类型的反射器的距离(R)和方向(a)；和数据处理装置，其布置成在所述数据处理装置的存储器中存储反射器的相对位置和形状，并且至少根据反射器的相对位置和形状以及测量出的从起重机到反射器的距离和方向来确定出抓取构件(2)的水平位置和偏斜度。

Description

确定起重机的抓取构件的位置和偏斜度的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于确定起重机的抓取构件的水平位置和偏斜度的系统和方法。在本发明的上下文中，起重机指的是在人工控制或自动控制下能够提升和搬运例如集装箱的负载的设备。本发明的具体应用是定位集装箱起重机的集装箱抓手的位置。

背景技术

大多数国际货物运输通过集装箱1进行。集装箱为标准形状的运输装置，用来将货物包装在其中以便长时间运输。通常，集装箱有三种不同规格，长度为20英尺、40英尺或45英尺。集装箱大约宽2.5米。

集装箱在集装箱码头(港口或内陆)中由特定的集装箱起重机搬运，该集装箱起重机包括安装在轨道上的龙门起重机(RMG起重机)和带橡胶轮胎的龙门起重机(RTG起重机)。安装在轨道上的龙门起重机的一种特定类型是船对岸起重机，用于提起集装箱以将其从船上卸至码头以及因此用于将集装箱从码头装载至集装箱船上。

为了搬运集装箱，通常在集装箱起重机上安装有特定的用于抓取和提升集装箱的集装箱抓手。该集装箱抓手的长度可以根据所搬运的集装箱的长度而改变。

当前的目的在于使得集装箱起重机自动化，以便使得集装箱起重机操作人员的工作更简单快速，或集装箱搬运机完全不需要操作人员，在这种情况下集装箱搬运机将在没有操作人员的情况下进行无人工操作。

通常如果目的是为了便于操作人员的工作，则在工作循环中的工作阶段由计算机控制自动进行。该目的还在于加速特定的工作阶段，提高精度、可靠性或安全性，或仅仅是为了方便操作人员的工作。

如果集装箱搬运机的控制舱完全不需要操作人员并且该集装箱搬运机无需人工操作，则该集装箱搬运机的工作阶段的重要部分将由计算机控制自动进行。

当目的在于使得该集装箱起重机的操作自动进行时，需要被自动化的一个功能是将集装箱自动堆叠在彼此顶部上和/或将集装箱精确定位在地面上的所期望位置处。在这样的情况下，对于集装箱角部的位置目标实现通常5cm的精度。如果集装箱抓手通过提升缆绳或其它振荡悬挂装置悬挂在集装箱起重机上，则由于风和以及提升缆绳的不对称负载和拉伸以及其它因素，不可能实现集装箱抓手以足够的精度垂直悬吊在起重机下方的正确位置中。

本领域技术人员将理解的是，为了在计算机控制下将上面的集装箱安放在下方的集装箱顶部上的所期望位置处，例如需要能够精确测量出集装箱抓手的侧向位置、纵向位置以及集装箱的水平偏斜度，并且必要时将集装箱抓手引导至正确位置。如以前所知的一样，所述侧向和纵向位置和偏斜度例如通常可以通过安装在集装箱抓手上的牵引控制缆绳来控制。本领域技术人员将理解的是，根据现有技术通过在集装箱抓手的各个角部处安装例如四根牵引缆绳，从而可以通过调节控制缆绳的相对长度来使得集装箱抓手水平运动和转动。在使得起重机自动化时，可以尤其通过计算机来控制这些控制缆绳。

这样，例如可以通过使用计算机将上方集装箱平稳地下放至下方集装箱的顶部上，优选应该知道所下放的集装箱的精准高度和纵向倾角，以便能够通过提升缆绳的提升卷筒来调节纵向倾角从而与下方集装箱或地面对应，并且最好正好在集装箱接触下方集装箱或地面之前使得下降运动减慢。本领域内技术人员将理解的是，由于牵引缆绳的拉伸和在集装箱中可能出现的不平衡负载，对集装箱的纵向倾角的评估，特别是通过测量提升卷筒的偏斜度所作出的评估，是不可靠的。

能够确定集装箱抓手的方位和位置的一种现有技术系统包括安装在起重机上的摄像头和安装在集装箱抓手上的有源红外线发光警示灯。然而，该系统的缺点在于，安装在该集装箱抓取元件上的摄像头(至少两个)和警示灯(至少三个)数量很多并且复杂，并且因此设备造价高昂。另外，高度测量和纵向倾角的测量精度对于上述用途而言是不够的。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种系统和方法，以便能够减轻或消除上述问题中的至少一个。本发明的目的是通过在权利要求1和10中所披露的系统和方法来实现的。在从属权利要求中披露了本发明的优选实施方案。

根据本发明的集装箱抓手定位系统是基于安装在集装箱起重机上的扫描距离传感器和在集装箱抓手中的反射器。距离传感器通常为基于激光技术尤其是基于对激光束光行进时间的测量的传感器，但根据本发明的系统可采用另一种提供相应的测定值的传感器来实施。就本发明而言，反射器是集装箱抓手内的物件，并且具有一组明确的特征，从而使得该反射器能够与在扫描距离传感器的视野范围内的其它物体区分开。这一组特征至少包括该反射器的形状和/或相对位置。例如通过以使得能够忽略集装箱抓手在多个方向和距离的测量期间的运动(摆动)的足够短的时间间隔在多个方向上测量至物体的距离，从而可以确定在距离传感器的视野内的物体的形状。如果根据多个方向和距离检测出的物体的形状对应于存储在数据处理装置的存储器中的反射器的形状，则可以认为所检测到的物体是反射器。可选的是，可以根据其相对位置来确定该物体是反射器。除了形状和相对位置之外，这组反射器特征例如也可以包括颜色。

本发明及其优选实施方案使得能够将所述同一传感器用于确定集装箱抓手的水平方位和位置(x_spr，y_spr，偏斜度)及其垂直方位和倾角(h_spr，trim)。通过将同一传感器用于几个不同的目的，可以实现明显的成本节约并且便于设备校准。

附图说明

现将参照附图并且通过优选的工作实施例来对本发明进行更详细地描述，其中：

图1为集装箱起重机、集装箱抓手和安装在其上的反射器的侧视图，其中该集装箱起重机正在将一个集装箱堆叠在另一个集装箱顶部上；

图2为集装箱起重机抓手和安装在其上的反射器的顶视图；

图3显示出反射器的优选形状和在检测反射器中所使用的变量。

具体实施方式

下面将采用集装箱起重机10作为例举说明而非限定性实施例对本发明进行说明，其中负载构件在这里为集装箱抓手2通过特定的提升缆绳4和提升轮3(图1)悬挂在集装箱起重机10上(通常悬挂在特定的载重滑车上)。通过转动提升卷筒11，可以改变提升缆绳4的长度，并且因此使得集装箱抓手2上升和下降。通过使得前后端部提升缆绳4加长或缩短不同的长度，可以改变集装箱抓手2的纵向倾角。在要将所要移动的集装箱1按照上部集装箱的前后端部同时接触下部集装箱(或底面)的方式堆叠在下部集装箱1'的顶部上时，这是必须的。这在试图精确定位集装箱的情况下是最优选的。

图1、2和3显示出根据本发明的集装箱起重机10上的扫描激光传感器7和设备的操作原理。该激光距离传感器发射激光脉冲，该激光脉冲从碰到光束8的物体5、6反射，并且一些激光返回到激光距离传感器的光接收器。激光距离传感器确定出在发射和接收光脉冲之间的光的行进时间，并且根据该行进时间计算出反射物体的距离R。将激光距离传感器紧固在相对于激光束围绕着垂直轴14转动的转子上，并且以较高的速率发射激光脉冲8。然后，通常这些激光束8相互重叠，其中在这些激光束之间没有留下任何间隙，从而使得能够检测出很小的物体。扫描激光距离传感器7还采用其内部传感器测量出激光束8的发射角a。

如图2所示，在集装箱抓手2的各个角部处还安装有四根牵引控制缆绳12(只显示出一个)，并且可以通过改变控制缆绳12的相对长度来使得集装箱抓手2侧向运动并且使之水平转动。可以通过数据处理装置13(计算机)来操控这些控制缆绳12。

在本发明的方法实施方案中，将一个激光传感器7按照这样一种方式尽可能恰好安装在集装箱抓手2上方地安装在集装箱起重机10的框架上，从而由激光束8画出的轨迹8纵向地到达集装箱抓手的顶面(图2)，从而激光距离传感器检测到安装在集装箱抓取元件的顶面上的三个反射器5、6。该激光距离传感器能够可靠地检测到例如通常甚至处于30米处的由金属板制成并且浅色喷涂的反射器。这些反射器当然也可以由一些其它材料制成。

通常，传感器7为每个激光距离测量提供以下信息：测量角度a；测量距离R；可能还有反射强度I。如上所述，根据本发明的系统也可以采用提供测量变量{a,R)或{a,R,l}的其它传感器来实施，并且因此不局限于只使用激光技术。

本领域技术人员将理解的是，在如图3所示例如扫描激光传感器的激光束击中反射器时，可以根据公式(1)从传感器7测量出的角度值a和距离读数R计算出反射器表面相对于传感器7和集装箱起重机10的测量坐标(h，y)：

h=R cos(a)  (1)

y=R sin(a)

下面将对本发明的实施方式作更详细说明。第一步包括确定三角反射器6相关于传感器7和集装箱起重机10的纵向位置(y_taka)，图3。因为集装箱抓手2的纵向运动范围由于缆绳4、12而通常局限于+/-100cm，所以检查局限于由距离传感器7测量出的反射8(Rn，an)，通过公式(1)计算出的y值处于距离反射器6的已知纵向空闲位置+/-100cm的位置处(在集装箱抓手2恰好处于起重机10下方时)。假设在反射器6周围的集装箱抓手2的部分低于反射器6时，则可以通过从连续的反射(Rn，an)中选择具有由公式(1)计算出的最高高度值h的反射来大致定位反射器6的顶部：

y_taka=Rn sin(an)  (2)

n=使得条款[Rn cos(an)]最大的反射

本领域技术人员还将理解的是，必要时可以通过检查击中反射器6的几个反射(Rn，an)并且将反射器6的已知形状与所测量的数值相配合来进一步限定这样限定出的数值y_taka。本领域技术人员同样将理解的是，集装箱抓手2的可能的侧向位移(x_etu，x_taka)不会影响图3中所示类型的反射器6的探测。

在已经限定了集装箱抓手的纵向位置y_taka之后，第二步包括根据反射器5，6的相对纵向位置(y1...y4)计算楔形反射器5的理论纵向位置，如图3。然后从由距离传感器7测量出的反射(R1,a1...R4,a4)中选择由公式(1)计算出的纵向值y与理论值对应最好的反射。

第三步包括根据公式(1)从反射(R1,a1...R4,a4)中计算高度值h1...h4。当在定位过程中采用根据图3的楔形反射器5时，高度值h1和h2之间的差值(以及分别在h3和h4之间的差值)按如下关系与集装箱抓手的侧向位置线性相关：

x_etu=A(h1-h2)+B_etu  (3)

x_taka=A(h3-h4)+B_taka

其中常数A根据反射器5的形状确定，并且校准系数B_etu和B_taka根据反射器和距离传感器7的设置来确定。如果距离传感器7的侧向倾角和纵向不垂直，则本领域技术人员将理解的是，校准系数B_etu和B_taka与高度(h)线性相关，并需要单独校准。

根据本发明的方法实施方案，反射器的确切高度也可如下限定：

h_etu=(h1+h2)/2  (4)

h_taka=(h3+h4)/2

最后，限定出中心点的方位和集装箱抓手的位置。该集装箱抓手2的纵向位置由测量值y_taka根据下面公式确定：

y_spr=y_taka+C，  (5)

其中校准常数C根据反射器6的已知相对位置和距离传感器7的设置来确定。该中心点的位置和集装箱抓手2的偏斜度由值x_etu和x_taka根据下面公式计算出：

x_spr=(x_etu+x_taka)/2  (6)

skew=arctan2[x_etu-x_taka，D]

其中D是反射器5的已知距离。

根据本发明的方法的实施方案，可以通过采用数值h_etu和h_taka根据下面的公式计算出中心点的高度和起重机抓手2的纵向倾角：

h_T=(h_etu+h_taka)/2  (7)

trim=arctan2[h_etu-h_taka，D]

本领域技术人员将理解的是，随着技术的进步，本发明的基本构思可以通过许多不同方式实施。因此，本发明及其实施方案不局限于上面描述的实施例，而是可在权利要求范围内改变。例如，通过将距离传感器设置在起重机抓手上和起重机的反射表面上，从而可以实施本质上相同的操作并得到相同的结果。

Claims (18)

1.一种用于确定起重机(10)的抓取构件(2)的水平位置(x_spr,y_spr)和偏斜度(skew)的系统，其特征在于，该系统包括：

至少两种类型的三维反射器(5，6)，所述至少两种类型的三维反射器布置在所述抓取构件(2)上并且具有已知的相对位置和形状，其中所述三维反射器(5，6)的上表面包括至少一个相对于水平面倾斜的表面，其中当从所述三维反射器(5，6)的横向方向观察时，所述三维反射器(5，6)的侧轮廓是三角形或楔形的；

安装在所述起重机(10)上的至少一个扫描距离传感器(7)，所述扫描距离传感器布置成用于测量从起重机(10)到至少两种类型的三维反射器(5，6)的距离(R)和方向(a)；

数据处理装置(13)，所述数据处理装置配置成：

-在所述数据处理装置的存储器中存储所述至少两种类型的三维反射器(5,6)的相对位置和形状；并且

-至少根据所述至少两种类型的三维反射器(5,6)的相对位置和三维形状以及测量出的从所述起重机(10)到所述至少两种类型的三维反射器(5,6)的距离(R)和方向(a)来确定出所述抓取构件(2)的水平位置(x_spr,y_spr)和偏斜度(skew)。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还布置成确定所述抓取构件(2)的高度(h)和/或纵向倾角(trim)。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，在所述起重机(10)上安装有一个扫描距离传感器(7)。

4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，一个类型的三维反射器(6)确定所述抓取构件(2)的纵向位置(y_spr)，其中根据所述一个类型的三维反射器(6)的形状对所述一个类型的三维反射器(6)进行定位。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，另一个类型的三维反射器(5)用于确定所述抓取构件的侧向位置(x_spr)和偏斜度(skew)，并且根据至少两种类型的三维反射器(5，6)的相对位置信息对所述另一个类型的三维反射器(5)进行定位。

6.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述扫描距离传感器(7)为激光传感器。

7.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统布置成自动控制所述起重机(10)。

8.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述起重机(10)不需人工操作。

9.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述起重机(10)为集装箱起重机，并且所述抓取构件(2)为集装箱抓手。

10.一种用于确定起重机(10)的抓取构件(2)的水平位置(x_spr,y_spr)和偏斜度(skew)的方法，其特征在于，所述方法使用了：布置在所述抓取构件(2)上的至少两种类型的三维反射器(5，6)，所述至少两种类型的三维反射器(5，6)的相对位置和形状是已知的；其中所述三维反射器(5，6)的上表面包括至少一个相对于水平面倾斜的表面，其中当从所述三维反射器(5，6)的横向方向观察时，所述三维反射器(5，6)的侧轮廓是三角形或楔形的；安装在所述起重机(10)上的至少一个扫描距离传感器(7)，所述扫描距离传感器(7)用于测量从所述起重机(10)到所述至少两种类型的三维反射器(5，6)的距离(R)和方向(a)；以及数据处理装置(13)，所述数据处理装置(13)执行下列步骤：

从所述扫描距离传感器(7)接收从所述起重机到所述至少两种类型的三维反射器(5，6)的距离(R)和方向(a)；

在存储器中存储所述至少两种类型的三维反射器(5，6)的相对位置和形状；和

至少根据所述至少两种类型的三维反射器(5,6)的相对位置和三维形状以及测量出的从所述起重机(10)到所述至少两种类型的三维反射器(5,6)的距离(R)和方向(a)来确定出所述抓取构件(2)的水平位置(x_spr,y_spr)和偏斜度(skew)。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还确定出所述抓取构件(2)的高度(h)和/或纵向倾角(trim)。

12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在所述起重机(10)上安装有一个扫描距离传感器(7)。

13.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，一个类型的三维反射器(6)确定所述抓取构件(2)的纵向位置(y_spr)，其中根据所述一个类型的三维反射器(6)的形状对所述一个类型的三维反射器(6)进行定位。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，另一个类型的三维反射器(5)用于确定所述抓取构件的侧向位置(x_spr)和偏斜度(skew)，并且根据所述至少两种类型的三维反射器(5，6)的相对位置信息对所述另一个类型的三维反射器(5)进行定位。

15.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，激光传感器用作所述扫描距离传感器(7)。

16.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，自动地控制所述起重机(10)。

17.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述起重机(10)不需人工操作。

18.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述起重机(10)为集装箱起重机，并且所述抓取构件(2)为集装箱抓手。