一种用于集装箱起重机水平方向辅助制动的方法

摘要

本发明公开了一种用于集装箱起重机水平方向辅助制动的方法，用于辅助集装箱起重机(岸边桥式集装箱起重机和门式集装箱起重机)操作人员在吊装集装箱时控制吊具在水平方向减速制动，旨在实现减速制动过程的自动化。本方法涉及数据采集部分、数据处理部分和自动控制部分。数据采集部分通过安装在集装箱起重机吊具及电机轮轴处的传感器采集吊具与目标区域的位置关系、吊具运动状态等参数；数据处理部分对采集到的数据进行处理，输出电机运转指令；自动控制部分负责执行运转指令。以此提高集装箱的吊装效率和可靠性，同时降低对操作人员的专业性要求。

权利要求

1.一种用于集装箱起重机水平方向辅助制动的方法，其特征在于该方法在既有的集装箱起重机上加装传感器，用于辅助操作人员在集装箱吊装时完成水平方向减速和制动的控制，具体包括以下几部分，辅助制动模式下，完成制动动作的方式为：

1)操作人员根据需要吊具继续运动并且减速制动的方向，在人机交互界面上下达与上述方向相对应的指令；

2)接到指令后，吊具上与所需运动方向对应的传感器组进入主控状态，称为主控传感器组，其他传感器组进入待机状态，主控传感器组采集吊具当前的运动矢量V、吊具及其吊装集装箱的总质量M、吊具所在平面与下方目标区域所在平面的垂直高度差H、主控传感器组中心点与目标点的空间距离S，并传递给数据处理部分；

3)数据处理部分对收到的参数进行处理，得到：

a.吊具的主控传感器组中心点在下方目标区域所在平面的投影与目标点之间的距离b.吊具从当前速度减速到0时制动器的工作时间tbrake＝(|V|-0)/|α|，通过距离Lbrake＝

0.5αtbrake2，其中α为在制动器的速度相对制动力特性F作用下的加速度；

c.吊具在减速制动过程中的工作方式是先按照原速度V继续运行L-Lbrake的距离，用时tcontinue＝(L-Lbrake)/|V|，然后在制动器的作用下进行减速。

说明书

一种用于集装箱起重机水平方向辅助制动的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种针对既有的集装箱起重设备的升级改造方法，主要用于在集装箱吊装的最后阶段由计算机自动辅助完成减速制动动作。

背景技术

[0002] 目前，相当一部分集装箱搬运吊装作业仍然需要依赖人工操作完成。操作人员根据监视器传回的图像，或者依赖肉眼，判断起重设备吊具与集装箱箱体以及箱体与箱体之间的相对位置和运动状态，据此完成搬运吊装动作。随之而来的问题是，起重设备操作难度大、作业风险高；驾驶人员专业性强、培训周期长、劳动强度大；作业效率和准确性受到诸多限制。此外，一些其他因素，如天气状况，驾驶员的疲劳程度甚至情绪状况都会时时影响作业效果。针对这一缺陷，先后也有一些自动化码头系统投入使用，但是这些系统需要对已有的码头设施、场地进行大规模的改造，涉及巨额资金和专业化的设计与实施，难以满足规模和资金相对有限的中小型用户的需求；此外，在劳动力价格相对低廉，低水平劳动力数量充足的地区，自动化码头系统在一定时期内也不具有普遍竞争力。而综合整个集装箱起重设备搬运吊装的全过程，对操作人员的最主要考验在于吊装时对制动过程的把握。

发明内容

[0003] 技术问题：本发明的目标在于提供一种用于集装箱起重机水平方向辅助制动的方法，在集装箱装卸搬运的最后阶段，由计算机和自动控制设备辅助操作人员完成吊具与目标区域的对准和制动操作，即吊具及其吊装的负载在下方目标平面的投影与目标区域重合。

[0004] 技术方案：首先就一些将要用到的概念进行约定：

[0005] 1.目标区域：集装箱起重机吊具需要移向并对准的位置的顶视图。有以下几情况：(a)堆场标识线区域、下层集装箱顶部轮廓、运载拖车平板轮廓，均为矩形区域。

[0006] 2.顶角：(a)目标区域顶角，目标区域的四个角或特指其中的一个；(b)吊具顶角，集装箱起重机吊具的顶视图轮廓也是矩形，吊具顶角是指该矩形的四个角或特指其中的一个。

[0007] 3.目标点：吊具及其吊装的负载在下方目标平面的投影与目标区域重合时，目标区域中与吊具投影对应的点称为该点的目标点。

[0008] 数据采集部分：数据采集部分由各类传感设备接组成，负责采集以下参数：集装箱起重机吊具的运动状态、吊具及所吊装负载的总质量、工业相机与目标点之间的位置关系、吊具所在平面与下方目标区域所在平面的高度差。

[0009] 数据处理部分：负责对参数进行运算处理，得到以下结果：1)集装箱起重机吊具在下方目标平面上的投影与对应目标点之间的位置关系，2)根据当前吊具在水平方向上的运动状态以及吊具和其吊装负载的总质量，生成与目标区域进行对准并制动的操作方案，3)将操作方案分解为电机在水平面两个坐标轴方向上的运转指令传递给集装箱起重机的电机控制部分。

[0010] 自动控制部分：负责运转指令的执行。

[0011] 本发明的一种用于集装箱起重机水平方向辅助制动的方法在既有的集装箱起重设备上加装的传感器，用于辅助操作人员在集装箱吊装时完成水平方向减速和制动的控制，具体包括以下几部分，

[0012] 辅助制动模式下，完成制动动作的方式为：

[0013] 1)操作人员根据需要吊具继续运动并且减速制动的方向，在人机交互界面上下达与上述方向相对应的指令。

[0014] 2)接到指令后，吊具上与所需运动方向对应的传感器组进入主控状态，称为主控传感器组，其他传感器组进入待机状态。主控传感器组采集起重机吊具当前的运动矢量V、吊具及其吊装集装箱的总质量M、吊具所在平面与下方目标区域所在平面的垂直高度差H、主控传感器组中心点与目标点的空间距离S，并传递给数据处理部分。

[0015] 3)数据处理部分对收到的参数进行处理，得到：

[0016] a.吊具主控传感器组中心点

[0017] 在下方目标区域所在平面的投影与目标点之间的距离

[0018] b.吊具从当前速度减速到0时制动器的工作时间tbrake(|V|-0)/|α|，通过距离Lbrakex＝0.5αtbrake2，其中α为在起重机制动器的速度相对制动力特性F作用下的加速度；

[0019] c.吊具在减速制动过程中的工作方式是先按照原速度V继续运行L-Lbrake的距离，用时tcontinue＝(L-Lbrake)/|V|，然后在制动器的作用下进行减速。

[0020] 该辅助制动的方法能够在人工与辅助制动之间切换，辅助制动通过控制面板上与操作人员需要吊具继续运行并减速制动的方向相对应的按钮启动。

[0021] 发明效果：本发明针对集装箱起重机吊装作业中的难点——水平方向上的减速制动操作，通过提高其自动化程度来提高工作效率和可靠性。相对于自动化码头系统，本发明可以在已有的集装箱起重设备上进行升级，无需对已有设备进行彻底更换，节约了成本；同时，降低了对操作人员专业性的要求，缩短了操作人员培训上岗的周期并降低了劳动强度。

附图说明

[0022] 图1是吊具四个方位示意图。

[0023] 图2是人机交互界面示意图。

[0024] 图3是工业相机视野与目标区域的位置图。

[0025] 图4是工业相机中心与目标点的位置图。

[0026] 图5是吊具所在平面与下方目标区域所在平面的高度差H图。

[0027] 图6是待测距离L的空间关系图。

[0028] 图7是待测距离L的平面关系(操作人员视角)图。

具体实施方式

[0029] 人机交互方式与界面设定：

[0030] 如图1所示，集装箱起重机吊具有四个方位。

[0031] 如图2所示，人机交互界面由四个指令组成，分别控制吊具向2点、4点、8点、10点方向进行制动动作。系统包含人工和辅助制动两种工作方式。人工模式供系统故障、人员训练或者在其他特殊情况下使用。在辅助制动模式下，系统的工作流程是：

[0032] 如图3和图4所示，操作人员首先将吊具手动移动到目标区域上方的大致位置。这里的“大致位置”应当满足，能够让起重机吊具对应方位上的传感器组(主控传感器组)中的工业相机观测到对应方向目标点这个条件。“对应”指，图中吊具2点方位顶角上的相机能够观测到目标区域2点方位的目标点，其他的情况依此类推。

[0033] 操作人员根据工业相机传回的图像，判断此时需要向什么方向进行制动操作，并下达相应指令(在图中，需要向2点方向进行制动操作)

[0034] 在接到指令后，对应方位的传感器组进入主控状态，称为主控传感器组，其他三个传感器组进入待机状态。(图中，2点方位传感器组成为主控传感器组)传感器组采集在下文数据采集部分中将要提到的相关参数，并传递给数据处理部分。

[0035] 数据处理部分按照既定程序对收到的参数进行处理(具体过程在下文数据处理部分阐述)，并得出完成制动操作所需要的工作方式并传递给机械驱动部分。

[0036] 最后，垂直方向上码放集装箱的操作由起重机操作人员完成。

[0037] 数据采集部分：

[0038] 如图5所示，数据采集部分的任务是采集操作人员下达辅助制动指令时的各项相关参数。所需采集的参数类型如下：

[0039] (1)起重机吊具的运动矢量V。

[0040] 运动矢量V可以进一步分解成吊具在水平面两个坐标轴方向上的运动分量Vx和Vy。Vx和Vy由测速传感器测得。合成的运动矢量可以表示为

[0041] (2)吊具及其吊装集装箱的总质量M。由张力传感器测得。

[0042] (3)吊具所在平面与下方目标区域所在平面的垂直高度差H。

[0043] 高度差H指的是传感器组中心点C与其在下方目标平面的投影C’之间的距离，由传感器组中的激光测距传感器测出。

[0044] (4)主控传感器组中心点与目标点的空间位置关系S。由双目测距仪测得。

[0045] 数据处理部分：

[0046] 如图6和图7所示，数据处理部分负责目标点、吊具当前运动状态、主控传感器组中心点与目标点的相对位置关系的识别，最终形成引对准和制动的控制指令。对准和减速制动方案生成的基本过程如下：

[0047] (1)确定吊具主控传感器组中心点C在下方目标区域所在平面的投影C’与目标点P之间的距离L。

[0048] 吊具顶角中心点C在下方目标区域所在平面的投影C’与目标点P之间的距离[0049] (2)确定L在水平面两个坐标轴上的分量为：Lx＝Lsin0和Ly＝Lcos0(0为相机中心点与目标点P的连线与x轴之间的夹角)。

[0050] (3)确定吊具从当前速度减速到0时制动器的工作时间。

[0051] 由于集装箱起重机在水平面两个坐标轴方向上的运动分别由两组动力装置驱动。为了简化描述，以其中x轴方向上的制动过程为例进行阐述。设x轴方向上起重机制动器的速度相对制动力特性为Fx。则制动器作用时对吊具产生的加速度为αx＝Fx/M。理想情况下，吊具在水平面x轴方向上减速到0时制动器的运行时间为：tbrakex＝(|Vx|-0)/|αx|。

[0052] (4)确定吊具在整个制动过程中的工作方式。

[0053] 理想情况下，在水平面x轴方向上减速到0时吊具在x轴方向上经过的距离为：Lbrakex＝0.5αxtbrakex2。

[0054] 在Lx≥Lbrakex时，吊具在制动过程中的工作方式为：先按照原速度Vx继续运行Lx-Lbrakex的距离，耗时tcontinue＝(Lx-Lbrakex)/|Vx|，然后在制动器的作用下进行减速。

[0055] 对于Lx＜Lbrakex，在现实情况下，Lbrakex的距离很短，Lx＜Lbrakex实际上只会在起重机操作人员没有正确找到目标区域的情况下发生。这种情况严格上讲属于人为操作失误，系统提示操作人员处理。

[0056] 最终生成的对集装箱起重机在水平面x轴方向上的控制指令是，驱动装置在当前速度Vx下继续运行tcontinue后制动。

[0057] y轴方向的过程同理。