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EP1992583B2 - Crane control, crane and method - Google Patents
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EP1992583B2 - Crane control, crane and method - Google Patents

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EP1992583B2
EP1992583B2 EP08008276.1A EP08008276A EP1992583B2 EP 1992583 B2 EP1992583 B2 EP 1992583B2 EP 08008276 A EP08008276 A EP 08008276A EP 1992583 B2 EP1992583 B2 EP 1992583B2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
crane
load
cable
rope
angle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP08008276.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP1992583B1 (en
EP1992583A2 (en
EP1992583A3 (en
Inventor
Klaus Dr.Dipl.-Ing. Schneider
Oliver Prof.Dr.-Ing. Sawodny
Jörg Dipl.-Ing. Neupert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Liebherr Werk Nenzing GmbH
Original Assignee
Liebherr Werk Nenzing GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=39577835&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP1992583(B2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Priority claimed from DE102007039408A external-priority patent/DE102007039408A1/en
Application filed by Liebherr Werk Nenzing GmbH filed Critical Liebherr Werk Nenzing GmbH
Priority to EP12004726.1A priority Critical patent/EP2502871B1/en
Publication of EP1992583A2 publication Critical patent/EP1992583A2/en
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66CCRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00Other constructional features or details
    • B66C13/18Control systems or devices
    • B66C13/46Position indicators for suspended loads or for crane elements
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66CCRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00Other constructional features or details
    • B66C13/04Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
    • B66C13/06Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads
    • B66C13/063Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads electrical
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66CCRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00Other constructional features or details
    • B66C13/04Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
    • B66C13/08Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for depositing loads in desired attitudes or positions
    • B66C13/085Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for depositing loads in desired attitudes or positions electrical

Definitions

  • the present invention relates to a crane according to the preamble of claim 1.
  • a crane is e.g FR 2445291 disclosed.
  • the crane is a jib crane which has a boom which can be pivoted about a horizontal axis and which is articulated on a tower which can be rotated about a vertical axis.
  • a luffing gear and a slewing gear are provided as signal boxes.
  • the rope for lifting the load runs over the tip of the boom, in particular over one or more deflection rollers arranged there, so that the load can be moved by rotating the tower in the tangential direction and by luffing the boom in the radial direction.
  • both rope strands run from the tip of the boom to a receiving element such as a hook.
  • the length of the rope can be adjusted using a corresponding drive in order to move the load in a vertical direction.
  • the crane control according to the invention generally relates to rotating cranes, as well as mobile harbor cranes, ship cranes, off-shore cranes, truck cranes and crawler cranes.
  • gyroscope units are used to determine the load oscillation, which are arranged in the crane hook and determine the angular velocity of the rope.
  • the rope angle is determined via an observer circuit, which integrates the movement of the rope.
  • a freely swinging pendulum is assumed whose rest position corresponds to a vertical cable angle.
  • Such a procedure is well suited for rope sway damping, as the movements of the rope must be monitored when the load swings freely on the rope.
  • determining the absolute alignment of the rope, especially before the load can swing freely is neither provided nor possible with the known crane controls.
  • known sensor arrangements and crane controls had the disadvantage that disruptive influences such as rope field twisting were not taken into account in the load sway damping to dampen the spherical pendulum oscillations of the load.
  • the object of the present invention is therefore to provide a crane control which enables easier and safer alignment of the crane, particularly before and during lifting of the load.
  • a further object of the present invention is to enable improved damping of the spherical pendulum oscillations of the load.
  • this object is achieved by a crane control according to claim 1.
  • this has a sensor unit for determining a rope angle relative to the direction of gravitational force.
  • the rope angle can be determined directly relative to the direction of gravitational force, so that the vertical alignment of the rope is considerably simplified. This also increases safety during the hub.
  • the sensor unit usually has an element which aligns itself under the influence of the gravitational force and through which the angle of the rope can be determined relative to the direction of the gravitational force.
  • any type of electric level can be used.
  • the sensor unit only determines whether the rope is aligned vertically or not.
  • the direction of the deviation from the vertical and in other versions the value of the deviation from the vertical can also be determined.
  • the sensor unit determines the rope angle in at least one direction relative to the direction of gravity, for example in the radial or tangential direction, in order to be able to determine and, if necessary, compensate for a deviation of the rope angle from the vertical in this direction.
  • the rope angle is determined both in the tangential and in the radial direction, since this is the only way an actually vertical alignment of the rope is possible.
  • the sensor unit advantageously has at least two sensors, each of which serves to determine the radial or tangential cable angle relative to the direction of the gravitational force.
  • Such a sensor unit enables the crane to be precisely aligned when lifting the load, so that the rope is aligned vertically.
  • the sensor unit can also be used for monitoring and security functions.
  • At least one gyroscope unit for measuring a rope angular speed is also advantageously provided.
  • this gyroscope unit can also be used to dampen vibrations when the load is freely swinging, for which the sensor unit for determining the cable angle relative to the direction of the gravitational force usually cannot provide sufficiently precise data.
  • the crane can then initially be aligned based on the sensor unit to determine the rope angle relative to the direction of gravitational force until the load hangs freely on the rope.
  • the automatic cable sway damping which works based on the gyroscope unit, can then be switched on.
  • the gyroscope unit measures the rope angular speed in at least one direction, e.g. in the radial or tangential direction.
  • both the tangential and the radial cable angular speed are advantageously determined, for which the gyroscope unit advantageously has at least two correspondingly arranged gyroscopes.
  • the crane control advantageously comprises at least two sensor units for determining the rope angles relative to the direction of gravitational force, which are assigned to different rope strands. This allows cable field twisting, which corresponds to a rotation of the load, to be taken into account. If only one sensor unit were used for several rope strands, a twist in the rope field would lead to falsified measured values.
  • the cable field twist and thus the twist of the load, can be determined by the at least two sensor units. This makes it possible to control the rope field twist, e.g. B. by rotating the load-carrying device relative to the load.
  • the crane has at least two rope strands for lifting the load, at least two gyroscope units are also advantageously provided for measuring the rope angular speeds, which are assigned to different rope strands. So the rope field twist can e.g. B. also be taken into account in the vibration damping control.
  • the gyroscope unit can advantageously be arranged on a cable follower element, which is connected in particular via a gimbal connection to a boom of the crane and which is guided on the cable.
  • the cable follower element is preferably connected to the boom head of the crane by the gimbal connection and follows the movements of the cable on which it is guided by rollers. By measuring the movement of the rope follower element, the movements of the rope can be determined.
  • the crane has at least two rope strands for lifting the load, at least two rope follower elements are advantageously provided, which are assigned to different rope strands. Since the crane's hook usually hangs on several rope strands, rope field twists can also be taken into account.
  • the crane control according to the invention advantageously has a display unit for displaying a deviation resulting from the measured cable angle, in particular for displaying a cable angle relative to the direction of gravitational force and/or a resulting horizontal deviation of the load.
  • This display makes it much easier for the crane operator to align the rope in a vertical position.
  • the display advantageously shows a vertical cable position visually and/or acoustically. This makes it possible for the crane operator to align the rope accordingly.
  • the display continues to show the direction in which the rope deviates from the vertical. Further advantageously, the display also shows the absolute value of the deviation. It is conceivable here, for example, B. a graphic display in which the angle of the rope relative to the direction of gravitational force and also advantageously the maximum permissible rope angle are displayed. Alternatively or additionally, the horizontal deviation of the load from the position at which the load would be if the rope was in a vertical position can also be displayed, advantageously together with the maximum permissible horizontal deviation. This means the crane operator can work with distance information he is familiar with and can align the crane more easily.
  • a warning device is advantageously provided which alerts the crane driver if the limit is exceeded a permissible value range for a deviation resulting from the measured rope angle, in particular for the rope angle relative to the direction of gravitational force and/or for the horizontal deviation of the load, in particular by means of an optical and/or acoustic signal.
  • the crane operator can react if the permissible value range is exceeded and avoid damage to the crane structure or accidents.
  • the crane operator can stop the movement of the crane if the permissible angular range is exceeded, or, if it is an off-shore crane, in which the e.g. B. a load on a ship is moved away from the offshore crane by a relative movement of the ship relative to the crane, avoiding an overload by partially releasing the rope or the slewing gear of the crane.
  • an overload protection is provided which automatically intervenes in the control of the crane when a permissible value range for a deviation resulting from the measured rope angle, in particular for the rope angle relative to the direction of gravitational force, and/or for the horizontal deviation of the load is exceeded, in order to achieve a To prevent overloading the crane.
  • the rope angle relative to the direction of gravitational force can be included in the automatic load moment limitation of the crane. This increases the safety of operation considerably, since known load moment limitations could not take this parameter into account and the loads resulting from excessive inclination of the rope had to be taken into account solely via the other sensors.
  • the overload protection at least partially releases the movement of the crane and/or the rope, particularly when it is an offshore crane.
  • the release is advantageously carried out in a controlled manner with a certain counterforce. Gets caught e.g. B. the hook of the crane on a ship that is driven away by the off-shore crane can z. B. the rope or the rotational movement of the crane can be released in a controlled manner to prevent the crane from being overloaded.
  • the sensor unit for determining a rope angle relative to the direction of gravitational force results in a very reliable overload protection, while known overload protection systems were solely dependent on a rope force sensor, which makes it difficult to distinguish an overload case from a load case.
  • the crane control according to the invention in particular the warning device and/or the overload protection, additionally evaluates data from a cable force sensor. This allows the data from the sensor unit to determine the rope angle to be checked relative to the direction of gravitational force, so that additional safety is provided through redundancy, particularly when the crane control automatically intervenes in the movement of the crane.
  • the crane has at least two rope strands for lifting the load, their rope field twist is advantageously determined. Since when the load is simply twisted, the outer ropes are deflected in opposite directions without the load being deflected from the vertical, this rope field twist is advantageously taken into account when determining the actual rope angle.
  • the rope angle which is used for the display, the warning device and/or the overload protection, corresponds to the actual deflection of the load relative to the direction of gravitational force, so that the load can be effectively prevented from oscillating and any twisting of the rope field does not lead to incorrect values.
  • the crane control according to the invention advantageously comprises a display unit for displaying the rope field rotation.
  • the rope field twist itself can also be shown on the display so that it can be compensated for by controlling a corresponding rotor unit on the load-carrying device.
  • the cable field twist can advantageously be incorporated into the control of the warning device and the overload protection.
  • a warning device is therefore advantageously provided in the crane control according to the invention, which warns the crane operator when a permissible value range for the rope field rotation is exceeded, in particular by means of an optical and/or acoustic signal. This warns the crane operator of the load swinging when lifting with a twisted rope field.
  • a safety device in particular an anti-twist device, is also advantageously provided, which automatically intervenes in the control of the crane if a permissible value range for the rope field rotation is exceeded. For example, lifting the load can be automatically prevented if the rope field is twisted too much.
  • the crane control according to the invention advantageously has automatic load sway damping.
  • the movement of the crane can be controlled in such a way that the freely swinging load is prevented from swinging when the crane moves.
  • the sensor unit for determining the rope angle relative to the direction of gravitational force can be used at the beginning of the stroke to align the rope vertically while the load sway control occurs when the load hangs freely on the rope. Correct alignment of the rope can prevent the load from swaying when being lifted, and load sway damping can prevent the load from swaying when it moves in a horizontal direction.
  • the load sway damping is advantageously based on the data of at least one gyroscope unit. Since the rope angular speed can be determined with a gyroscope, it is particularly suitable for use in load sway control.
  • the sensor unit is used to determine the cable angle relative to the direction of gravitational force to monitor and/or calibrate the gyroscope unit.
  • the load sway damping, which is usually based on a freely swinging load, would otherwise start with incorrect values.
  • the sensor units or gyroscope units can also be used for mutual monitoring in order to detect malfunctions.
  • a function for automatically aligning the crane is also provided, through which the rope is aligned vertically above the load.
  • the crane operator no longer has to operate the crane manually, for example. B. align based on the display, but this happens automatically when the crane driver makes a corresponding request via a control unit.
  • a safety function is advantageously provided here, which z. B. cooperates with a rope force sensor to prevent uncontrolled movement of the crane in the event of a malfunction of the sensor unit for determining the rope angle relative to the direction of gravitational force.
  • a function for automatic alignment of the crane is also advantageously provided, through which cable field rotation is compensated for.
  • This advantageously controls a rotor unit on the load-carrying device, for example on the spreader, through which the part of the load-carrying device connected to the ropes can be rotated relative to the load.
  • the crane control according to the invention advantageously has a memory for storing load data based on the rope angle, which is used for the service life calculation and/or the documentation, for example. B. from improper use.
  • load data based on the rope angle
  • Such machine data acquisition of the rope position for determining the load spectrum and for documentation enables a more precise service life calculation and thus increased safety while saving costs.
  • the present description further discloses a method for controlling a crane which has at least one rope for lifting a load.
  • the method is characterized in that a rope angle is determined relative to the direction of the gravitational force.
  • a rope angle is determined relative to the direction of the gravitational force.
  • the radial and/or tangential cable angles are determined relative to the direction of the gravitational force.
  • the rope field twist is also determined if several rope strands are used to lift the load.
  • the rope angles of at least two rope strands are determined relative to the direction of gravitational force. From this data, both the rope angle, which corresponds to the deflection of the load, and the rope field twist, which corresponds to the twist of the load, can be determined.
  • the rope is brought into a vertical orientation before the load is lifted.
  • This can prevent the rope from slipping sideways due to an inclined position when the load is being lifted, from being twisted in an uncontrolled manner due to uneven resting on the base, or from performing a pendulum movement when the load is being lifted.
  • the vertical alignment of the load can z. B. by the crane operator based on the display of the rope angle according to the invention relative to the direction of gravitational force. It is also conceivable that this alignment is carried out automatically by the crane control, as already described.
  • the rope field twist is brought to zero in order to avoid rotation of the load when lifting. This is done e.g. B. by appropriately rotating the load on the load-carrying device using a rotor arrangement.
  • the rope angle is advantageously determined relative to the direction of gravitational force while the load is being lifted, so that any deviations that may occur during the lifting process can be compensated for.
  • an imbalance in the load is determined by determining the deviation of a rope angle from the vertical. If the load has an imbalance, i.e. the center of gravity of the load is not below the load-bearing point, the load-bearing point initially moves above the center of gravity when the load is raised, so that the rope angle changes. By changing the rope angle, the imbalance in the load can be determined and, if necessary, compensated for. Such an imbalance in the load can also be displayed so that it can be compensated for by the crane driver can be. It is also conceivable to automatically compensate for such an imbalance.
  • the imbalance of the load is compensated for on the basis of the deviation of a rope angle from the vertical by a movement of the load on the load-carrying device, in particular on the spreader.
  • the spreader is used to hold containers and has a longitudinal adjustment, through which the load pick-up point can be adjusted relative to the container.
  • the crane operator can now e.g. B. based on the deviation of the rope angle from the vertical, which arises when the load is lifted due to the imbalance and is displayed on the display according to the invention, move the load-carrying point on the load-carrying device and thus compensate for the imbalance. If the imbalance of the load is also determined and displayed, this makes the crane operator's work easier. It is also conceivable that the imbalance will be automatically compensated.
  • the inclination of the rope caused by the imbalance of the load when lifting the load can also be compensated for by moving the crane. This can also be done manually by the crane operator, e.g. B. based on a display or automatically.
  • the strain on the crane structure when lifting the load can cause it to deform, causing the rope angle to change even without the load moving.
  • the yielding of the crane structure under the load is determined by determining a deviation of the rope angle from the vertical and / or the inclination of the rope caused by the yielding of the crane structure is compensated for by a movement of the crane.
  • the determination of the deviation or the compensation of this deviation can in turn be done by the crane operator, for example. B. based on a display, or automatically.
  • the crane structure is protected by countermeasures.
  • the movement of the crane can be stopped in order to avoid overloading.
  • the countermeasures advantageously include at least partial release of the crane movements and/or the rope, for example. B. to prevent the crane from being overloaded if the load handler gets caught on a ship that is moving away from the offshore crane.
  • the countermeasures can either be initiated by the crane driver, who is advantageously warned by a warning function, or automatically by a corresponding automatic overload protection.
  • the present description further discloses a crane control of a crane, which has at least one rope for lifting a load, for carrying out one of the methods described above.
  • the crane control is advantageously designed so that the methods described above are carried out at least partially automatically.
  • the present invention comprises a crane, in particular a mobile harbor crane, a ship's crane or an off-shore crane, which has a rope for lifting a load and is equipped with a crane control as described above.
  • the invention also includes corresponding jib and/or rotating cranes, as well as truck cranes and crawler cranes. Obviously, the same advantages already described for the crane control arise for such a crane.
  • the present description further discloses a crane control, which is also advantageous without such a sensor unit in cranes which have at least a first and a second rope strand for lifting the load can be used.
  • a crane control is not part of the present invention.
  • Such a crane control is shown in claim 37.
  • the crane control according to the invention is used to control the signal boxes of a crane, which has at least a first and a second cable strand for lifting a load, the crane control having a load sway damping for damping spherical pendulum oscillations of the load.
  • a first and a second sensor unit are now provided, which are assigned to the first and second rope strands in order to determine the respective rope angles and/or rope angular speeds of the first and second rope strands.
  • the load sway damping has a control system in which the cable angles and/or cable angular speeds determined by the first and second sensor units are included.
  • the signal boxes controlled by the crane control are advantageously the slewing gear for turning the crane and/or the luffing gear for luffing up the boom.
  • This control via the load sway damping, spherical vibrations of the load on the rope can be prevented.
  • the first and second sensor units each comprise a gyroscope unit.
  • the gyroscopes measure the cable angular speed, with two gyroscopes advantageously being provided in order to measure the cable angular speed in both the radial and tangential directions. Gyroscopes are particularly well suited to the requirements of controlling load sway damping.
  • the first and second sensor units are each arranged in a cable follower element.
  • the rope follower element follows the movement of the rope strand to which it is assigned.
  • the sensor unit measures the movement of the cable follower element, from which the movement of the cable strand can be determined.
  • the rope follower elements result in a particularly accurate and reliable rope angle measurement.
  • the cable follower elements are each connected to the boom of the crane via a gimbal joint and follow the movement of the cable strand to which they are assigned.
  • the connection of the cable follower elements via a gimbal joint advantageously only serves the mechanical connection and the guidance of the cable follower element, while the sensor units determine the movement of the cable follower elements via the gyroscope units.
  • the data measured by the first and second sensor units are evaluated by a first and a second observer circuit.
  • Such observer circuits are used to monitor offsets and interference, such as. B. cable harmonics to suppress.
  • the observer circuits serve to integrate the rope angular speeds measured by the gyroscopes and enable the rope angles to be reliably determined.
  • the data measured by the first and second sensor units with regard to the installation angle of the sensor units and the rotation angle of the crane are advantageously compensated for. This means that disruptive influences caused by incorrect assembly can be compensated for by software. If the sensitivity levels of the gyroscopes used are not exactly in the tangential and radial directions, but are tilted due to incorrect installation, the sensors measure the rotational speed of the crane proportionally. This is taken into account by the compensation.
  • sensor errors are advantageously detected in the crane control by comparing the data measured by the first and second sensor units. If one of the sensor units fails, the angular velocity is still detected by the other sensor unit. This means that the basic function of the crane control can continue to be ensured. By forming the difference between the angle signals of both sensor units in the respective directions, a sensor error can still be detected if a threshold value is exceeded. If a sensor error occurs, the crane can be immediately brought into a safe state.
  • the torsional vibration of the rope field is taken into account in the load sway damping by averaging the rope angles and/or rope angular speeds determined by the first and second sensor units. If only one sensor unit is used, such a cable field twist would influence the control used to dampen the spherical pendulum oscillation of the load. If a torsional vibration of the rope field occurs during the crane control, the sensor units on the two rope follower elements measure exactly the opposite interference vibration in both the tangential and radial directions. However, the influence of this torsional vibration can be eliminated by averaging.
  • the regulation of the crane control is non-linear.
  • a non-linear control is particularly advantageous because, particularly in the case of jib cranes, the entire system consists of the crane, signal boxes such as. B. hydraulic cylinders and load is non-linear and therefore significant errors occur with purely linear control.
  • the entire control system consisting of non-linear control and the non-linear behavior of the crane results in a linear system, so that the control of the system is considerably simplified.
  • control is advantageously based on the inversion of a physical model of the movement of the load as a function of the movements of the signal boxes.
  • this physical model is a non-linear model, so that the non-linear control results from its inversion.
  • the combination of the inverted physical model and the actual movement of the load depending on the movement of the signal boxes then results in the linear route described above.
  • the input variables of the physical model are the state vector of the crane. Based on these input variables, the non-linear model then specifies the movement of the load as an output variable. By inverting such a system, the movement of the load serves as an input variable to control the crane's signal boxes.
  • the load sway damping advantageously has a path planning module, which specifies target trajectories for the control. These target trajectories specify the movements that the load should perform and then serve as input variables for the control, especially when using an inverted model.
  • the non-linear control results in a particularly simple implementation of the path planning module, as it only has to specify target trajectories for the linear system of non-linear control and non-linear crane behavior. This makes it possible to achieve extremely fast crane control with an excellent response to the specifications entered by the crane operator using input elements.
  • the current system state of the crane in particular the position of the boom and/or the rope angle and/or rope angle speeds determined by the first and second sensor units, is included as an input variable in the path planning module.
  • the position of the boom is particularly important here, since e.g. B. the maximum radial speed that can be achieved depends on this.
  • the rope angles and/or rope angular speeds determined by the first and second sensor units are also included in the path planning module from input variables. This additional control loop thus enables even more precise path planning, taking into account the actual rope angle and/or the actual rope angular speed.
  • limitations of the system when generating the target trajectories are advantageously taken into account in the path planning module. This prevents the reference variables calculated from the crane operator's specifications from exceeding the system's manipulated variable limitations, such as: B. violate the maximum speed.
  • system limitations that depend on this system state can also be taken into account. For example, the maximum possible radial speed depends on the position of the boom.
  • trajectory generation is advantageously based on optimal control.
  • optimal control can be implemented particularly well in real time, as the non-linear control allows the path planning module to be implemented particularly easily.
  • the path planning module advantageously works in the prediction within the time horizon with an increasing length of the calculation intervals.
  • Such non-equidistant base points for the prediction also make it possible to significantly shorten the computing time. Short intervals between the base points are chosen for the near future, while larger intervals are chosen for the more distant future, so that overall there is a significantly reduced number of calculation steps.
  • the position and speed of the boom head are also advantageously included in the control of the load sway damping. This results in control loops in the crane control for both the position and speed of the boom head, as well as for the rope angle and/or rope angular speed of the rope.
  • the second embodiment of the present disclosure with the use of two sensor units, each of which is assigned to different rope strands of the crane, has previously been described independently of the first embodiment with a sensor unit for determining a rope angle relative to the direction of the gravitational force. According to the disclosure, protection is claimed for both versions independently of one another.
  • both versions of the present disclosure are combined.
  • the system with two sensor units advantageously has one or more of the features that were previously described in relation to the implementation of the invention.
  • the present description further discloses a crane for lifting a load, with signal boxes for moving the crane and the load and with a crane control for controlling the signal boxes, the crane control having a load sway damping for damping spherical pendulum oscillations of the load and the crane having at least two cable strands for lifting the load.
  • a crane control having a load sway damping for damping spherical pendulum oscillations of the load and the crane having at least two cable strands for lifting the load.
  • two sensor units which are assigned to the two rope strands, are provided in order to determine the respective rope angles and/or rope angular speeds.
  • the load sway damping has a control system in which the cable angles and/or cable angular speeds determined by the two sensor units are included.
  • this crane has a crane control as described above.
  • the crane advantageously has, as signal boxes, a slewing gear for rotating the crane and/or a luffing gear for luffing up a boom, which are controlled by the crane control.
  • a slewing gear for rotating the crane and/or a luffing gear for luffing up a boom, which are controlled by the crane control.
  • the present description further discloses a method for controlling the signal boxes of a crane, which has at least a first and a second cable strand for lifting the load, with spherical pendulum oscillations of the load being dampened by load sway damping.
  • a method for controlling the signal boxes of a crane which has at least a first and a second cable strand for lifting the load, with spherical pendulum oscillations of the load being dampened by load sway damping.
  • the rope angles and/or rope angular speeds of the first and second rope strands are determined via a first and a second sensor unit, which corresponds to the first and the second Rope strand are assigned, determined and included in the control of the load sway damping. This procedure results in the same advantages as those described above with regard to the crane control.
  • the data measured by the first and second sensor units regarding the installation angle of the sensor units and the rotation angle of the crane are compensated. This allows deviations in the installation angle of the sensor units from an exact radial or tangential alignment to be compensated for.
  • sensor errors are advantageously detected by comparing the data measured by the first and second sensor units.
  • the torsional vibration of the rope field is taken into account in the load sway damping by averaging the rope angles and/or rope angular speeds determined by the first and second sensor units.
  • load sway damping can be taken into account and torsional vibrations of the cable field also occur, which influence the data from the sensor units.
  • the method is advantageously carried out using a crane control as described above.
  • FIG. 0a An exemplary embodiment of a jib crane according to the invention is shown, here a mobile harbor crane, as is often used to handle cargo handling operations in ports.
  • Such jib cranes can have load capacities of up to 140t and a rope length of up to 80m.
  • the exemplary embodiment of the crane according to the invention includes a boom 1, which can be pivoted up and down about a horizontal axis 2, with which it is articulated on the tower 3.
  • the tower 3 can in turn be rotated about a vertical axis, as a result of which the boom 1 is also rotated.
  • the tower 3 is rotatably arranged on an undercarriage 6, which can be moved via wheels 7.
  • a load-carrying device is arranged on the rope 20 at a load-carrying point 25, e.g. B. a manipulator or spreader, via which the load 10 can be picked up.
  • the load-carrying device additionally has a rotator device, via which the load 10 can be rotated on the load-carrying device.
  • the crane further has at least a first and a second cable strand for lifting the load, with all cable strands running from the boom tip to the load-carrying device.
  • the load can be moved in the tangential direction by rotating the tower 3 and in the radial direction by luffing the boom 1.
  • the load 10 is moved by luffing the boom 1 and changing the length of the rope 20.
  • the load 10 can be rotated by the rotator unit on the load-carrying device.
  • a first embodiment of the in Figure 0a The mobile crane shown is now equipped with the crane control according to the invention, which has a sensor unit for determining the rope angle relative to the direction of gravitational force.
  • the sensor unit has two sensors, through which the radial or tangential cable angle can be determined relative to the direction of the gravitational force. This sensor unit significantly simplifies the alignment of the crane when lifting the load, since this sensor unit allows the rope to be easily aligned vertically above the load 10.
  • the crane control according to the invention can not only be used in the exemplary embodiment shown, i.e. a mobile harbor crane, but also advantageously in other cranes, such as. B. in ship cranes, off-shore cranes, truck cranes and crawler cranes.
  • the sensor unit according to the invention for determining the rope angle relative to the direction of gravitational force is particularly advantageous in the case of jib cranes, since they use known systems such as those used, for example. B. are used in cranes with a trolley that can only be moved in the horizontal direction and which work via measuring camera systems cannot be used. In the case of jib cranes, such measuring camera systems would move together with the boom and thus only determine the angle of the rope relative to the boom, but not relative to the vertical. In addition, such systems would always have to be arranged directly behind the rope fixation point on the boom head, which is hardly possible with a movable rope guided over a deflection roller on the boom head.
  • the sensor unit according to the invention for determining the rope angle relative to the direction of gravitational force is in a rope follower element 35, as shown in Figure 0b is shown, arranged and directly determines the rope angle relative to the direction of gravitational force in the tangential and radial directions. There is no need to determine the rope angle relative to the boom 1. However, if this angle of the rope relative to the boom 1 is of interest, a further sensor unit could also be arranged on the boom 1 to determine the angle of the boom relative to the direction of gravitational force in order to determine the angle between the rope using the difference between the respective angles of the rope and boom to the direction of the gravitational force and boom to determine.
  • Cable follower element 35 shown on which the sensor unit for determining the cable angle is arranged relative to the direction of gravitational force, is attached to the boom head 30 of the boom 1 by gimbal connections 32 and 33 under the main cable pulley 31.
  • the rope-following element 35 has rollers 36 through which the rope 20 is guided, so that the rope-following element 35 follows the movements of the rope 20.
  • the gimbal connections 32 and 33 allow the cable follower element to move freely about a horizontal and a vertical axis, but prevent rotational movements.
  • the orientation of the rope follower element 35 and thus the rope 20 relative to the direction of the gravitational force can thus be determined via the sensor unit arranged on the rope follower element 35 for determining the rope angle relative to the direction of the gravitational force.
  • a gyroscope unit is also arranged on the cable follower element 35, via which the cable angular speed can be measured in the radial and tangential directions, for which at least two correspondingly aligned gyroscopes are used.
  • load sway damping is available, which prevents the load from swaying when the crane moves.
  • the load-receiving element is suspended on the boom
  • at least two of these cable strands are advantageously assigned corresponding cable follower elements 35 in order to also be able to take into account the cable field rotation, which results from a rotation of the load-receiving element from the cable field plane.
  • the rope follower elements are advantageously arranged on the rope strands arranged on the outside, so that a rope field twist is expressed at most in the difference in the rope angles.
  • the actual rope angle relative to the direction of gravitational force, which corresponds to a deflection of the load from the vertical can be determined by averaging the values from the sensor units on the respective rope follower elements, and the rotation of the load from the difference in values.
  • the cardan joint 32 and 33 only serves to mechanically connect the cable follower element 35 to the boom head 30; the cable angle is measured solely via the sensor units integrated in the cable follower elements 35, but not by determining the angle between the cable follower element 35 and the boom 30. In this way, only the relative orientation of the rope with respect to the boom 30 could be determined, but not the rope angle of the rope 20 relative to the direction of the gravitational force.
  • corresponding cable follower elements 35 are also assigned to these, which are equipped with gyroscope units and thus determine the cable speed of these cable strands. Determining the rope speeds of the first and second rope strands makes it possible to take the rope field twist into account and correct measurement errors when swaying the load to dampen spherical pendulum oscillations of the load.
  • the sensor units for determining the cable angle relative to the direction of gravitational force can also be dispensed with and the cable follower elements 35 can only be equipped with gyroscope units.
  • this could also be z. B. can be arranged on the rope receiving means, although the rope follower elements offer an improved possibility for determining the rotation of the load, especially with several rope strands. Such an embodiment is not part of the present invention.
  • the crane according to the invention is now provided with the sensor unit according to the invention for determining a rope angle relative to the direction of gravitational force.
  • Figure 1a shows the basic problem when the rope 20 is not aligned vertically.
  • Such a vibration when lifting the load 10 is particularly dangerous because it occurs close to the ground and objects in the vicinity of the load 10 can easily be damaged.
  • the load 10 can slip uncontrollably before it is released or can be twisted uncontrollably due to uneven release.
  • FIGs 1a and 1b The deflection ⁇ Sr in the radial direction is shown as an example. The same problem also arises for a deflection of the cable 20 in the tangential direction, which is caused by an incorrect position of the tower 3.
  • the exemplary embodiment of the crane according to the invention therefore has a display which shows the rope angle ⁇ of the rope 20 relative to the direction of gravitational force, that is to say to the vertical.
  • the display can z. B. on the one hand, display a vertical rope position visually and / or acoustically and also indicate the direction in which the rope 20 is deflected from the vertical.
  • Such an ad can e.g. B. have display elements for a deflection to the front or rear and display elements for a deflection to the left or right, which indicate a deflection in the radial or tangential direction.
  • the horizontal deviation of the load from a zero position which corresponds to a vertical alignment of the rope, can also be displayed.
  • a graphical display of the zero position and the deviation of the load is conceivable, so that the absolute deflection of the load is directly displayed to the crane operator.
  • the crane operator can easily align the crane at the start of the lift so that that the rope 20 is arranged vertically above the load 10.
  • the correct vertical rope position can then be achieved e.g. B. be indicated acoustically by a signal tone.
  • a function for automatically aligning the rope in the vertical direction is provided, if necessary in addition to the display.
  • the crane automatically aligns itself after attaching the load handler to the load so that the rope is vertical.
  • this automatic function is advantageously z. B. connected to a rope force measuring device, which switches off automatic operation in the event of errors.
  • the rope field twist can also be determined using several sensor units.
  • This rope field twist corresponds to the twist of the load-carrying device, e.g. B. a spreader, and would cause the load to rotate when lifting the load.
  • the twist of the rope field is also advantageously displayed, if necessary in addition to the rope angle relative to the direction of the gravitational force or the horizontal deviation of the load.
  • the load-carrying device has a rotor device
  • the cable field twist can be set to 0 before the lift in order to prevent rotation of the load 10 when lifting.
  • a function for automatic alignment of the rotor device can also advantageously be provided for this purpose.
  • the exemplary embodiment of the crane according to the invention has, in addition to the display, a warning device which alerts the crane operator if the permissible value range is exceeded for a deviation resulting from the measured rope angle, in particular for the rope angle relative to the direction of gravitational force, for the horizontal deviation of the load and / or the rope field rotation warns with a visual and/or acoustic signal.
  • a warning device which alerts the crane operator if the permissible value range is exceeded for a deviation resulting from the measured rope angle, in particular for the rope angle relative to the direction of gravitational force, for the horizontal deviation of the load and / or the rope field rotation warns with a visual and/or acoustic signal.
  • an automatic safety device for example in the form of an overload protection, can be provided, if necessary in addition to the warning device, which automatically intervenes in the control of the crane when the permissible value range is exceeded.
  • the automatic overload protection stops the movement of the crane to prevent overload.
  • the overload protection can be integrated into the load moment limitation of the crane, which protects the crane against stress caused by a rope angle that is too large.
  • the deviation of the rope angle from the vertical is determined while the load 10 is being lifted.
  • the crane operator checks the cable angle or the horizontal deviation on the display and adjusts the crane during the lift in order to compensate for the deviation of the cable angle from the vertical due to the imbalance of the load.
  • the imbalance of the load is determined and displayed from the deviation of the cable angle from the vertical, so that the crane operator can react better.
  • the load-carrying means has a device for, in particular, linear movement of the load 10 relative to the load-carrying point 25, via which the center of gravity 26 of the load can be arranged below the load-carrying point 25 without tilting the load 10.
  • the load-carrying device e.g. B. a spreader, e.g. B. a longitudinal displacement of the load receiving point 25 relative to the load, e.g. B. a container.
  • the crane operator can move the load pick-up point relative to the load until the rope is aligned vertically again.
  • the imbalance of the load can also be determined based on the deviation of the rope angle from the vertical displayed so that the crane driver can control the longitudinal adjustment of the spreader using this display. Automatic adjustment of the spreader is also conceivable.
  • Such an adjustment of the spreader based on the deviation of the rope angle from the vertical is of particular advantage, since tilting of the containers, especially when loading into a ship, can lead to the containers jamming, which can significantly hinder loading.
  • this deviation is compensated for by the crane operator based on the display of the rope angle when lifting the load.
  • the deviation of the rope angle from the vertical can be determined by the yielding of the crane structure under the load, which can then be displayed to facilitate the crane operator's work.
  • automatic tracking of the crane for vertical alignment is also possible based on the data from the sensor unit for determining a rope angle relative to the direction of the gravitational force. If the rope angle is again aligned vertically, the load can be carried as in Figure 3c shown can be raised without vibrations.
  • FIG 4a Another embodiment of the crane according to the invention can be seen.
  • This is an off-shore crane, which is arranged on an off-shore platform 50 and z. B. is used to load a load 10 from a ship 60 onto the platform 50. Since the ship 60 can move relative to the platform 50, the rope angle of the rope 20 relative to the vertical can also be changed by moving the ship without moving the crane.
  • an overload function is provided in an exemplary embodiment of the crane according to the invention, which can optionally be used in addition to the warning and safety functions described above.
  • countermeasures are initiated if the rope angle exceeds a maximum permissible range.
  • the movement of the crane can be partially enabled, e.g. B. by releasing the rope 20 or the rotational movement of the tower 3. This release takes place in a controlled manner with a certain counterforce in order to avoid sudden force surges.
  • an easy-to-implement overload protection can be implemented based on the rope angle relative to the direction of the gravitational force, which is difficult to implement using a rope force sensor.
  • Such an overload protection which causes a partial release of the crane movement, can also prevent uncontrolled dragging of the load 10 over the ship 60.
  • the permissible range 70 for the rope angle in the X and Y directions is, for example, in Figure 4b shown hatched. If the rope angle exceeds this permissible range 70, either the warning function or one of the overload functions is triggered.
  • Figure 4b shows a display element for displaying a deviation from a vertical position of the rope, with a permissible range 70 for the rope angle or for the horizontal deviation in the X and Y directions, that is in the radial and tangential directions.
  • the cable angle is displayed graphically, for example by displaying the cable angle in the in Figure 4b shown diagram is represented as a point.
  • the horizontal deviation of the load from the zero position in the middle can also be shown, i.e. the distance of the load from the position in which it would be if the crane were in the same position but the rope was vertical. This means the crane driver can directly see the absolute deflection of the load and can therefore more easily estimate how far the crane needs to be moved to correctly align the rope.
  • the crane has at least a first and a second cable strand, which connect the load-carrying means to the boom tip.
  • the crane control provides improved damping of the spherical vibrations of the load.
  • the gyroscopes are attached to the rope under the boom tip using a mechanical structure. Two gyroscopes, which are arranged in tangential and radial directions, are necessary for recording the spherical load vibration.
  • Figure 0b shows a first cable follower element 35, on which the first sensor unit assigned to the first cable strand is arranged in the exemplary embodiment shown here.
  • the first cable follower element is attached to the boom head 30 of the boom 1 by gimbal connections 32 and 33 under a first cable pulley 31, over which the first cable strand 20 is guided.
  • the cable follower element 35 has rollers 36 through which the first cable strand 20 is guided, so that the cable follower element 35 follows the movements of the cable strand 20.
  • the gimbal connections 32 and 33 allow the cable follower element to move freely about a horizontal and a vertical axis, but prevent rotational movements.
  • the radial and tangential angular velocity of the first cable follower element 35 and thus of the first cable strand 20 can thus be determined via the first sensor unit arranged on the cable follower element 35, which is designed as a gyroscope unit.
  • a second cable follower element with a second sensor unit, which is assigned to a second cable strand, is constructed analogously to the first cable follower element and is connected to the boom tip. The second rope follower element accordingly measures the angular velocity of the second rope strand.
  • the gyroscope signals (angular velocities in tangential and radial directions) from both cable follower elements are prepared and processed using identical algorithms. First of all, disruptive influences caused by incorrect assembly are compensated for by software (see equation 0.1). If the sensitivity levels of the gyroscope sensors are not tilted exactly in the tangential and radial directions but are tilted due to incorrect installation, the sensors also measure the rotational speed of the crane proportionally.
  • each gyroscope sensor on both cable follower elements is respectively ⁇ installation , ⁇ D is the rotational speed of the crane, ⁇ t / rmess is the tangential or radial angular velocity and ⁇ t / rkomp is the resulting compensated gyroscope signal.
  • the compensated measurement signals are integrated offset-free into the cable angles using an observer circuit.
  • the rope angles are now available for both rope follower elements in the tangential and radial directions.
  • the expansion of the measuring concept to include the second rope-following element leads to two significant advantages compared to the variant with only one rope-following element or the variant with the gyroscope sensors in the hook.
  • the first advantage is the redundancy of the load swing measurement. If a sensor on one of the two cable follower elements fails, the angular velocity is still recorded by the sensor on the other holder. This allows the basic function of the crane control (sway damping and trajectory sequence) to be ensured. By forming the difference between the angle signals of both cable follower elements in the respective directions, a sensor error can still be detected if a threshold value is exceeded. This means that if a sensor error occurs, the crane can be immediately brought into a safe state.
  • the second advantage is the possibility of compensating the torsional vibration of the load. As shown in Equation 0.2, the mean value of the angle signals of the two rope follower elements is calculated in the corresponding direction.
  • the cable angle in the tangential direction ⁇ t is therefore calculated from the average of the observed angle signals of the holder 41 ⁇ tbeobH 1 and holder 42 ⁇ tbeobH 2 .
  • the gyroscopes on the cable follower elements 41 and 42 measure exactly an opposite spurious vibration in both the tangential and radial directions. This means that the influence of torsional vibration can be eliminated by averaging.
  • the control of the load sway damping, into which the data generated by the two gyroscope units are included, will now be described in more detail below.
  • the dynamics of the cantilever movement is characterized by some predominant nonlinear effects.
  • the use of a linear control device would therefore cause large errors in trajectory tracking and insufficient damping of the load oscillation.
  • the present invention utilizes a nonlinear control approach based on the inversion of a simplified nonlinear model.
  • This control procedure for the luffing movement of a jib crane allows a pivot-free load movement in the radial direction.
  • the resulting crane control according to the invention shows a high accuracy of trajectory tracking and good damping of the load sway. Measurement results are presented to validate the good performance of the nonlinear trajectory tracking controller.
  • Jib cranes such as the LIEBHERR mobile harbor crane LHM (see Fig. 1 ) are used to efficiently handle transshipment processes in ports.
  • This type of jib crane is characterized by a load capacity of up to 140 tons, a maximum radius of 48 meters and a rope length of up to 80 meters.
  • a spherical load oscillation is excited. This load oscillation must be avoided for safety and performance reasons.
  • such a mobile harbor crane consists of a mobile stage 6, to which a tower 3 is attached.
  • the tower 3 can be rotated about a vertical axis, its position being described by the angle ⁇ D.
  • a boom 1 is pivotally attached to the tower 3 and can be rocked by the actuator 4, its position being described by the angle ⁇ A.
  • the load 10 is suspended from the head of the boom 1 on a rope of length l S and can oscillate at the angle ⁇ Sr.
  • the following implementation uses a flatness-based control approach for the radial direction of a jib crane.
  • the approach is based on a simplified nonlinear model of the crane.
  • the law of linearizing control can thus be formulated.
  • the zero dynamics of the non-simplified nonlinear control loop guarantees sufficient damping properties.
  • Fig. 8 shows a schematic representation of the rocking movement, where ⁇ Sr is the radial cable angle, ⁇ Sr is the radial angular acceleration, l S is the cable length, r ⁇ A is the acceleration of the boom end and g is the gravitational constant.
  • the second part of the dynamic model describes the kinematics and dynamics of the actuator for the radial direction. Assuming that the hydraulic cylinder has first-order behavior, the differential equation of motion is obtained as follows:
  • T W is the time constant
  • a zyl is the cross-sectional area of the cylinder
  • u W is the input voltage of the servo valve
  • K VW is the proportional constant of flow rate to u w .
  • Fig. 9 shows a schematic representation of the kinematics of the actuator with the geometric constants d a , d b , ⁇ 1 , ⁇ 2 .
  • K Wz 1 and K Wz 3 describe the dependence on the geometric constants d a , d b , ⁇ 1 , ⁇ 2 and the rocking angle ⁇ A .
  • l A is the length of the boom.
  • the relative degree is defined by the following conditions:
  • the operator L f t represents the Lie derivative along the vector field f l or L g t along the vector field g l .
  • y l is a non-flat output.
  • an error feedback is derived between the reference trajectory and the derivatives of the output y *.
  • the tracking control unit is based on the simplified load oscillation ODE (8) and not on the load oscillation ODE (1). Furthermore, the fictitious output is used for the control unit design y l ⁇ used. The resulting internal dynamics are not yet published DE 10 2006 048 988 shown, the content of which forms part of the present application.
  • the trajectory generation problem is formulated as a constrained open chain optimal control problem for the linearized system with state feedback. Due to the relevant calculation time for solving the optimal control problem, the model predictive trajectory generation is carried out with a non-negligible sampling time.
  • the numerical solution method itself also introduces a discretization of the time axis. However, for the sake of simplicity, the optimal control problem is presented continuously in continuous time.
  • the model equations are given by:
  • the state variables x lin are the states of the integrator chain, which results from the linearized system, consisting of a flatness-based controller (equation (14)) and a nonlinear system (equation (6)), and the states of the integrator chain for the reference trajectory. Additional states are introduced to obtain a smooth input ⁇ .
  • the initial state x lin ,0 is derived from the states of these integrators, the current system output and its derivatives.
  • the outputs y lin of the linear system (Equation (15)) are variables that correspond to the flat output y* (Equation (12)) and its first and second derivatives. These variables are the position, velocity and acceleration of the load in the radial direction.
  • the quality functional takes into account, on the one hand, the squared deviation of the predicted outputs y lin from their reference forecast w ( t ) and, on the other hand, the squared change in the input variable u lin .
  • the optimization horizon t f - t 0 , the symmetrical, positive semi-definite weighting matrix Q and the weighting coefficient r > 0 are essential setting parameters for model predictive trajectory generation.
  • the optimization horizon t f - t 0 should capture the essential dynamic behavior of the process/system. This is defined by the period of the load swing (up to 18 seconds for the crane under consideration). Experiments show that 10 seconds is sufficient for the optimization horizon.
  • the reference forecast w ( t ) for the load position, speed and acceleration is generated from the crane driver's hand lever signals (target speeds).
  • the prediction takes into account speed reductions as the load approaches the limits of the work area.
  • the model predictive trajectory generation takes restrictions for the process variables into account as constraints of the optimal control problem.
  • the continuous-time, constrained, linear-quadratic optimal control problem (15)-(20) is discretized.
  • x lin k , u k and y lin k denote the values of the corresponding variables in the discretization points t k .
  • the matrices and vectors A k , b k and C k are obtained by solving the transition equation in [ t k , t k +1 ] from A, b and C .
  • the quality functional (Equation (20)) and the constraints (Equations (17)(18)) are also discretized accordingly. This makes the continuous-time optimal control problem a task of quadratic programming for the state variables and manipulated variables x lin k u lin k of the discrete problem and can be solved with a common "interior point" algorithm.
  • the structure of the discrete model equations is used in a RICCATI-like approach to obtain a solution of the NEWTON step equation with O( K ( m 3 + n 3 )) operations.
  • the illustration shows that the initial step size is determined by the rate of trajectory generation and then increases linearly within the prediction horizon.
  • Figure 11 shows the speed of the load, once as it is specified by the crane operator using an input element, and once as it is specified as a target trajectory via the path planning module using optimal control.
  • the limitations of the system are taken into account here, so that the upper limit for the speed of the load depends on the radial load position, since the geometry of the boom and the luffing cylinder allow different maximum speeds for different boom positions.
  • a constant limitation is specified for the maximum acceleration.
  • Figure 12a now compares this target trajectory with the measured speed of the load.
  • the control follows the target trajectory, with the path planning module compensating for uncertainties in the model through model-based path planning. This results in a fast and damped movement of the load without any significant overshoots.
  • Figure 12b then shows the corresponding trajectory of the load position.
  • the control dampens the spherical vibrations of the load by corresponding compensating movements of the boom during and at the end of each maneuver. This is in Figure 13 shown, from which the counter movements carried out by the boom tip result, which counteract the vibration of the load. This allows the rope angle to be limited to less than 3°.
  • the computing time required for the online calculation of the optimal solution problem in the path planning module is in Figure 14 shown. This results in calculation times between 54 ms and 66 ms.
  • the decisive factor for this extremely short response of the path planning to the crane operator's specifications is, on the one hand, the quick solvability through the downstream linear route consisting of non-linear control and non-linear crane system, as well as the increasing length of the intervals between the prediction base points within the prediction horizon.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Control And Safety Of Cranes (AREA)

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eineneinen Kran gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Kran wird z.B. durch FR 2445291 offenbart. Insbesondere handelt es sich bei dem Kran um einen Auslegerkran, welcher einen um eine horizontale Achse schwenkbaren Ausleger aufweist, der an einem um eine vertikale Achse drehbaren Turm angelenkt ist. Hierzu sind als Stellwerke ein Wippwerk und ein Drehwerk vorgesehen. Das Seil zum Heben der Last läuft dabei über die Spitze des Auslegers, insbesondere über eine oder mehrere dort angeordnete Umlenkrollen, so dass die Last durch ein Drehen des Turms in tangentialer Richtung und durch ein Aufwippen des Auslegers in radialer Richtung bewegt werden kann. Bei der Ausführung der Erfindung mit mindestens einem ersten und einem zweiten Seilstrang verlaufen beide Seilstränge von der Spitze des Auslegers zu einem Aufnahmeelement wie z.B. einem Hacken. Die Länge des Seils ist dabei durch einen entsprechenden Antrieb einstellbar, um die Last in vertikaler Richtung zu bewegen. Insbesondere betrifft die erfindungsgemäße Kransteuerung dabei allgemein Drehkrane, sowie Hafenmobilkrane, Schiffskrane, Off-Shore-Krane, Autokrane und Raupenkrane.The present invention relates to a crane according to the preamble of claim 1. Such a crane is e.g FR 2445291 disclosed. In particular, the crane is a jib crane which has a boom which can be pivoted about a horizontal axis and which is articulated on a tower which can be rotated about a vertical axis. For this purpose, a luffing gear and a slewing gear are provided as signal boxes. The rope for lifting the load runs over the tip of the boom, in particular over one or more deflection rollers arranged there, so that the load can be moved by rotating the tower in the tangential direction and by luffing the boom in the radial direction. When carrying out the invention with at least a first and a second rope strand, both rope strands run from the tip of the boom to a receiving element such as a hook. The length of the rope can be adjusted using a corresponding drive in order to move the load in a vertical direction. In particular, the crane control according to the invention generally relates to rotating cranes, as well as mobile harbor cranes, ship cranes, off-shore cranes, truck cranes and crawler cranes.

Aus DE100 64 182 und DE 103 24 692 , deren gesamter Inhalt einen Teil der vorliegenden Anmeldung darstellt, sind dabei Kransteuerungen bekannt, deren Steuer- und Automatisierungskonzepte die Pendelbewegung der Last am Seil bei einer Bewegung des Kranes verhindern.Out of DE100 64 182 and DE 103 24 692 , the entire content of which forms part of the present application, crane controls are known whose control and automation concepts prevent the oscillating movement of the load on the rope when the crane moves.

Aus DE 100 29 579 und DE 10 2006 033 277 , deren Inhalt ebenfalls einen Teil der folgenden Anmeldung bildet, sind weiterhin Kransteuerungen bekannt, welche eine Drehschwingung der Last am Seil verhindern.Out of DE 100 29 579 and DE 10 2006 033 277 , the content of which also forms part of the following application, crane controls are also known which prevent torsional vibration of the load on the rope.

Bei den oben genannten Kransteuerungen werden dabei zur Bestimmung der Lastschwingung Gyroskopeinheiten eingesetzt, welche im Kranhaken angeordnet sind und die Winkelgeschwindigkeit des Seils bestimmen. Der Seilwinkel wird dabei über eine Beobachterschaltung, welche die Bewegung des Seils aufintegriert, bestimmt. Um den dabei entstehenden Offset ausgleichen zu können, wird von einem frei schwingenden Pendel ausgegangen, dessen Ruhestellung einem lotrechten Seilwinkel entspricht. Ein solches Vorgehen ist zwar für die Seilpendeldämpfung gut geeignet, da hierzu vor allem die Bewegungen des Seils bei freiem Schwingen der Last am Seil überwacht werden müssen. Eine Bestimmung der absoluten Ausrichtung des Seils, insbesondere bevor die Last frei schwingen kann, ist bei den bekannten Kransteuerungen jedoch weder vorgesehen noch möglich. Weiterhin hatten bekannte Sensoranordnungen und Kransteuerungen den Nachteil, dass Störeinflüsse wie die Seilfeldverdrehung bei der Lastpendeldämpfung zur Dämpfung der sphärischen Pendelschwingungen der Last unberücksichtigt blieben.In the crane controls mentioned above, gyroscope units are used to determine the load oscillation, which are arranged in the crane hook and determine the angular velocity of the rope. The rope angle is determined via an observer circuit, which integrates the movement of the rope. In order to be able to compensate for the resulting offset, a freely swinging pendulum is assumed whose rest position corresponds to a vertical cable angle. Such a procedure is well suited for rope sway damping, as the movements of the rope must be monitored when the load swings freely on the rope. However, determining the absolute alignment of the rope, especially before the load can swing freely, is neither provided nor possible with the known crane controls. Furthermore, known sensor arrangements and crane controls had the disadvantage that disruptive influences such as rope field twisting were not taken into account in the load sway damping to dampen the spherical pendulum oscillations of the load.

Bekannte Systeme, wie sie z. B. bei Kränen mit einer lediglich in horizontaler Richtung bewegbaren Laufkatze zum Einsatz kommen und welche Meßkamerasysteme einsetzen, um den absoluten Seilwinkel zu bestimmen, sind aber insbesondere bei Auslegerkranen nicht einsetzbar. Meßkamerasysteme müssen immer direkt hinter dem Seilfixpunkt angeordnet seien, um den Seilwinkel bestimmen zu können. Bei Auslegerkranen, bei welchen das Seil beweglich über eine am Auslegerkopf angeordnete Umlenkrolle geführt ist, ist jedoch kein Seilfixpunkt gegeben, da sich der Seilaustrittspunkt mit dem Seilwinkel ebenfalls ändert. Meßwertgeber, welche den Seilwinkel relativ zum Ausleger mechanisch bestimmen, sind zur Messung des absoluten Seilwinkels ebenso wenig geeignet, da diese erstens ungenau arbeiten und außerdem bei einer Verformung des Kranes zu falschen Ergebnissen führen. Außerdem bestimmen all diese Systeme immer nur den Seilwinkel relativ zum Ausleger, und wären damit nur indirekt zur Bestimmung des absoluten Seilwinkels geeignet, so dass auf solche Lösungen bisher ganz verzichtet wurde.Well-known systems such as B. are used in cranes with a trolley that can only be moved in the horizontal direction and which use measuring camera systems to determine the absolute rope angle, but cannot be used, especially in jib cranes. Measuring camera systems must always be arranged directly behind the rope fixed point in order to be able to determine the rope angle. However, in jib cranes in which the rope is movably guided over a deflection roller arranged on the boom head, there is no rope fixed point, since the rope exit point also changes with the rope angle. Transducers that mechanically determine the rope angle relative to the boom are also unsuitable for measuring the absolute rope angle, as they work inaccurately and also lead to incorrect results if the crane is deformed. In addition, all of these systems only ever determine the rope angle relative to the boom, and would therefore only be indirectly suitable for determining the absolute rope angle, so that such solutions have so far been dispensed with entirely.

Der Kranführer muss deshalb vor dem Hub bzw. zu Beginn des Hubes den Kran weiterhin per Hand und auf Sicht so ausrichten, dass das Seil im wesentlichen lotrecht ausgerichtet ist. Gerade bei der großen Entfernung von der Last ist dies aber oftmals nur äußerst schwierig möglich, so dass sich Abweichungen des Seilwinkels von der Lotrechten ergeben, welche bei einem Anheben der Last zu ungewünschten Schwingungen führen. Die gleiche Problematik ergibt sich, wenn durch ein Ungleichgewicht der Last das Seil zwar vor dem Hub lotrecht ausgerichtet ist, der Seilwinkel beim Anheben der Last aber durch die Bewegung des Schwerpunkts der Last unter den Lastaufnahmepunkt verändert wird. Auch das Nachgeben der Kranstruktur unter der Belastung beim Anheben der Last kann den Seilwinkel ungewollt verändern. Bei Off-Shore-Kränen entsteht zusätzlich das Problem, dass durch eine Relativbewegung eines die Last tragenden Schiffs zum Off-Shore-Kran der Seilwinkel verändert werden kann.The crane operator must therefore continue to align the crane manually and visually before the lift or at the beginning of the lift so that the rope is essentially aligned vertically. However, this is often extremely difficult, especially given the great distance from the load, which results in deviations of the rope angle from the vertical, which lead to undesirable vibrations when the load is lifted. The same problem arises if, due to an imbalance in the load, the rope is aligned vertically before the lift, but the rope angle is changed when the load is lifted by the movement of the load's center of gravity below the load-bearing point. The crane structure giving way under the strain of lifting the load can also unintentionally change the rope angle. With off-shore cranes, the additional problem arises that the rope angle can be changed by a relative movement of a ship carrying the load to the off-shore crane.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kransteuerung zur Verfügung zu stellen, durch welche eine leichtere und sichere Ausrichtung des Krans insbesondere vor und während des Anhebens der Last ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Dämpfung der sphärischen Pendelschwingungen der Last zu ermöglichen.The object of the present invention is therefore to provide a crane control which enables easier and safer alignment of the crane, particularly before and during lifting of the load. A further object of the present invention is to enable improved damping of the spherical pendulum oscillations of the load.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe von einer Kransteuerung gemäß Anspruch 1 gelöst. Diese weist erfindungsgemäß eine Sensoreinheit zur Bestimmung eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung auf. Durch diese Sensoreinheit kann der Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung direkt bestimmt werden, so dass die lotrechte Ausrichtung des Seils erheblich vereinfacht wird. Hierdurch wird zudem die Sicherheit beim Hub erhöht.According to the invention, this object is achieved by a crane control according to claim 1. According to the invention, this has a sensor unit for determining a rope angle relative to the direction of gravitational force. With this sensor unit, the rope angle can be determined directly relative to the direction of gravitational force, so that the vertical alignment of the rope is considerably simplified. This also increases safety during the hub.

Die Sensoreinheit weisen dabei üblicherweise ein Element auf, welches sich unter Einfluss der Gravitationskraft ausrichtet und durch welches der Winkel des Seils relativ zur Gravitationskraftrichtung bestimmt werden kann. Insbesondere kann dabei jede Art von elektrischer Libelle zum Einsatz kommen. In der einfachsten Ausführung kann die Sensoreinheit dabei lediglich bestimmen, ob das Seil lotrecht ausgerichtet ist oder nicht. In aufwendigeren Ausführungen kann zudem die Richtung der Abweichung von der Lotrechten und in weiteren Ausführungen den Wert der Abweichung von der Lotrechten bestimmt werden.The sensor unit usually has an element which aligns itself under the influence of the gravitational force and through which the angle of the rope can be determined relative to the direction of the gravitational force. In particular, any type of electric level can be used. In the simplest version it can The sensor unit only determines whether the rope is aligned vertically or not. In more complex versions, the direction of the deviation from the vertical and in other versions the value of the deviation from the vertical can also be determined.

Erfindungsgemäß wird durch die Sensoreinheit der Seilwinkel in mindestens einer Richtung relativ zur Gravitationsrichtung bestimmt, z.B. in radialer oder in tangentialer Richtung, um eine Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten in diese Richtung bestimmen und gegebenenfalls ausgleichen zu können. Vorteilhafterweise wird der Seilwinkel dabei sowohl in tangentialer als auch in radialer Richtung bestimmt, da nur so eine tatsächlich lotrechte Ausrichtung des Seils möglich ist. Hierfür weist die Sensoreinheit vorteilhafterweise mindestens zwei Sensoren auf, welche jeweils der Bestimmung des radialen bzw. des tangentialen Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung dienen.According to the invention, the sensor unit determines the rope angle in at least one direction relative to the direction of gravity, for example in the radial or tangential direction, in order to be able to determine and, if necessary, compensate for a deviation of the rope angle from the vertical in this direction. Advantageously, the rope angle is determined both in the tangential and in the radial direction, since this is the only way an actually vertical alignment of the rope is possible. For this purpose, the sensor unit advantageously has at least two sensors, each of which serves to determine the radial or tangential cable angle relative to the direction of the gravitational force.

Durch eine solche Sensoreinheit wird eine genaue Ausrichtung des Kranes beim Anheben der Last möglich, so dass das Seil lotrecht ausgerichtet ist. Ebenso lässt sich die Sensoreinheit für Überwachungs- und Sicherungsfunktionen einsetzen.Such a sensor unit enables the crane to be precisely aligned when lifting the load, so that the rope is aligned vertically. The sensor unit can also be used for monitoring and security functions.

Weiterhin vorteilhafterweise ist neben der Sensoreinheit zur Bestimmung eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung weiterhin mindestens eine Gyroskopeinheit zur Messung einer Seilwinkelgeschwindigkeit vorgesehen. Insbesondere kann diese Gyroskopeinheit weiterhin zur Schwingungsdämpfung bei frei schwingender Last eingesetzt werden, wozu die Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung üblicherweise nicht ausreichend genaue Daten liefern kann. Die Ausrichtung des Krans kann dann zunächst auf Grundlage der Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung erfolgen, bis die Last frei am Seil hängt. Daraufhin kann die automatische Seilpendeldämpfung, welche auf Grundlage der Gyroskopeinheit arbeitet, zugeschaltet werden.Furthermore, in addition to the sensor unit for determining a rope angle relative to the direction of gravitational force, at least one gyroscope unit for measuring a rope angular speed is also advantageously provided. In particular, this gyroscope unit can also be used to dampen vibrations when the load is freely swinging, for which the sensor unit for determining the cable angle relative to the direction of the gravitational force usually cannot provide sufficiently precise data. The crane can then initially be aligned based on the sensor unit to determine the rope angle relative to the direction of gravitational force until the load hangs freely on the rope. The automatic cable sway damping, which works based on the gyroscope unit, can then be switched on.

Die Gyroskopeinheit misst die Seilwinkelgeschwindigkeit dabei in mindestens einer Richtung, z.B. in radialer oder in tangentialer Richtung. Vorteilhafterweise werden aber sowohl die tangentiale als auch die radiale Seilwinkelgeschwindigkeit bestimmt, wofür die Gyroskopeinheit vorteilhafterweise mindestens zwei entsprechend angeordnete Gyroskope aufweist.The gyroscope unit measures the rope angular speed in at least one direction, e.g. in the radial or tangential direction. However, both the tangential and the radial cable angular speed are advantageously determined, for which the gyroscope unit advantageously has at least two correspondingly arranged gyroscopes.

Weist der Kran mindestens zwei Seilstränge zum Heben der Last auf, umfasst die Kransteuerung vorteilhafterweise mindestens zwei Sensoreinheiten zur Bestimmung der Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung, welche unterschiedlichen Seilsträngen zugeordnet sind. Hierdurch kann eine Seilfeldverdrehung, welche einer Rotation der Last entspricht, berücksichtigt werden. Würde hier bei mehreren Seilsträngen lediglich eine Sensoreinheit eingesetzt, würde eine Seilfeldverdrehung dagegen zu verfälschten Meßwerten führen.If the crane has at least two rope strands for lifting the load, the crane control advantageously comprises at least two sensor units for determining the rope angles relative to the direction of gravitational force, which are assigned to different rope strands. This allows cable field twisting, which corresponds to a rotation of the load, to be taken into account. If only one sensor unit were used for several rope strands, a twist in the rope field would lead to falsified measured values.

Insbesondere kann durch die mindestens zwei Sensoreinheiten die Seilfeldverdrehung, und damit die Verdrehung der Last, bestimmt werden. Dies ermöglicht es, vor Beginn des Hubs auch die Seilfeldverdrehung z. B. durch eine Drehung des Lastaufnahmemittels relativ zur Last auszugleichen.In particular, the cable field twist, and thus the twist of the load, can be determined by the at least two sensor units. This makes it possible to control the rope field twist, e.g. B. by rotating the load-carrying device relative to the load.

Weist der Kran mindestens zwei Seilstränge zum Heben der Last auf, sind weiterhin vorteilhafterweise mindestens auch zwei Gyroskopeinheiten zur Messung der Seilwinkelgeschwindigkeiten vorgesehen, welche unterschiedlichen Seilsträngen zugeordnet sind. So kann die Seilfeldverdrehung z. B. auch bei der Schwingungsdämpfungsansteuerung berücksichtigt werden.If the crane has at least two rope strands for lifting the load, at least two gyroscope units are also advantageously provided for measuring the rope angular speeds, which are assigned to different rope strands. So the rope field twist can e.g. B. also be taken into account in the vibration damping control.

Weiterhin vorteilhafterweise kann dabei die Gyroskopeinheit an einem Seilfolgeelement angeordnet werden, welches insbesondere über eine kardanische Verbindung mit einem Ausleger des Krans verbunden ist und welches am Seil geführt wird. Das Seilfolgeelement ist dabei bevorzugt durch die kardanische Verbindung mit dem Auslegerkopf des Krans verbunden und folgt den Bewegungen des Seils, an dem es durch Rollen geführt ist. Durch Messen der Bewegung des Seilfolgeelementes können so die Bewegungen des Seils ermittelt werden.Furthermore, the gyroscope unit can advantageously be arranged on a cable follower element, which is connected in particular via a gimbal connection to a boom of the crane and which is guided on the cable. The cable follower element is preferably connected to the boom head of the crane by the gimbal connection and follows the movements of the cable on which it is guided by rollers. By measuring the movement of the rope follower element, the movements of the rope can be determined.

Weist der Kran mindestens zwei Seilstränge zum Heben der Last auf, sind weiterhin vorteilhafterweise mindestens zwei Seilfolgeelemente vorgesehen, welche unterschiedlichen Seilsträngen zugeordnet sind. Da der Haken des Krans meist an mehreren Seilsträngen hängt, können so auch Seilfeldverdrehungen berücksichtigt werden.If the crane has at least two rope strands for lifting the load, at least two rope follower elements are advantageously provided, which are assigned to different rope strands. Since the crane's hook usually hangs on several rope strands, rope field twists can also be taken into account.

Weiterhin vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Kransteuerung eine Anzeigeeinheit zur Anzeige einer sich aus dem gemessenen Seilwinkel ergebenden Abweichung auf, insbesondere zur Anzeige eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung und/oder einer daraus resultierenden horizontalen Abweichung der Last. Durch diese Anzeige wird dem Kranführer das Ausrichten des Seils in lotrechter Position erheblich erleichtert.Furthermore, the crane control according to the invention advantageously has a display unit for displaying a deviation resulting from the measured cable angle, in particular for displaying a cable angle relative to the direction of gravitational force and/or a resulting horizontal deviation of the load. This display makes it much easier for the crane operator to align the rope in a vertical position.

Vorteilhafterweise zeigt die Anzeige dabei eine lotrechte Seilstellung optisch und/oder akustisch an. Hierdurch ist es dem Kranführer möglich, das Seil entsprechend auszurichten.The display advantageously shows a vertical cable position visually and/or acoustically. This makes it possible for the crane operator to align the rope accordingly.

Weiterhin vorteilhafterweise zeigt die Anzeige weiterhin die Richtung an, in welcher das Seil von der Lotrechten abweicht. Weiterhin vorteilhafterweise zeigt die Anzeige zudem den Absolutwert der Abweichung an. Denkbar ist hier z. B. eine graphische Anzeige, in welcher der Winkel des Seils relativ zur Gravitationskraftrichtung sowie weiterhin vorteilhafterweise die maximal zulässigen Seilwinkel angezeigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die horizontale Abweichung der Last von der Position, an welcher sich die Last bei lotrechter Seilstellung befinden würde, angezeigt werden, vorteilhafterweise zusammen mit der maximal zulässigen horizontalen Abweichung. So kann der Kranführer mit ihm gut vertrauten Abstandsangaben arbeiten und den Kran leichter ausrichten.Further advantageously, the display continues to show the direction in which the rope deviates from the vertical. Further advantageously, the display also shows the absolute value of the deviation. It is conceivable here, for example, B. a graphic display in which the angle of the rope relative to the direction of gravitational force and also advantageously the maximum permissible rope angle are displayed. Alternatively or additionally, the horizontal deviation of the load from the position at which the load would be if the rope was in a vertical position can also be displayed, advantageously together with the maximum permissible horizontal deviation. This means the crane operator can work with distance information he is familiar with and can align the crane more easily.

Weiterhin vorteilhafterweise ist eine Warneinrichtung vorgesehen, welche den Kranführer bei Überschreiten eines zulässigen Wertebereichs für eine sich aus dem gemessenen Seilwinkel ergebende Abweichung, insbesondere für den Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung und/oder für die horizontale Abweichung der Last warnt, insbesondere durch ein optisches und/oder akustisches Signal. So kann der Kranführer bei einem solchen Überschreiten des zulässigen Wertebereichs reagieren und Schäden von der Kranstruktur bzw. Unfälle vermeiden. Z. B. kann der Kranführer bei einem Überschreiten des zulässigen Winkelbereichs die Bewegung des Krans stoppen, oder, wenn es sich um einen Off-Shore-Kran handelt, bei welchem die z. B. auf einem Schiff befindliche Last durch eine Relativbewegung des Schiffes relativ zum Kran vom Off-Shore-Kran wegbewegt wird, durch ein teilweises Freigeben des Seils oder der Drehwerke des Krans eine Überlast vermeiden.Furthermore, a warning device is advantageously provided which alerts the crane driver if the limit is exceeded a permissible value range for a deviation resulting from the measured rope angle, in particular for the rope angle relative to the direction of gravitational force and/or for the horizontal deviation of the load, in particular by means of an optical and/or acoustic signal. In this way, the crane operator can react if the permissible value range is exceeded and avoid damage to the crane structure or accidents. For example, the crane operator can stop the movement of the crane if the permissible angular range is exceeded, or, if it is an off-shore crane, in which the e.g. B. a load on a ship is moved away from the offshore crane by a relative movement of the ship relative to the crane, avoiding an overload by partially releasing the rope or the slewing gear of the crane.

Erfindungsgemäß ist eine Überlastsicherung vorgesehen, welche bei einem Überschreiten eines zulässigen Wertebereichs für eine sich aus dem gemessenen Seilwinkel ergebende Abweichung, insbesondere für den Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung, und/oder für die horizontale Abweichung der Last automatisch in die Steuerung des Kranes eingreift, um eine Überlast des Kranes zu verhindern. Insbesondere kann so der Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung in die automatische Lastmomentbegrenzung des Kranes einbezogen werden. Dies erhöht die Sicherheit des Betriebs beträchtlich, da bekannte Lastmomentbegrenzungen diesen Parameter nicht berücksichtigen konnten und die durch eine übermäßige Schrägstellung des Seils auftretenden Belastungen allein über die sonstigen Meßwertgeber berücksichtigt werden mußten.According to the invention, an overload protection is provided which automatically intervenes in the control of the crane when a permissible value range for a deviation resulting from the measured rope angle, in particular for the rope angle relative to the direction of gravitational force, and/or for the horizontal deviation of the load is exceeded, in order to achieve a To prevent overloading the crane. In particular, the rope angle relative to the direction of gravitational force can be included in the automatic load moment limitation of the crane. This increases the safety of operation considerably, since known load moment limitations could not take this parameter into account and the loads resulting from excessive inclination of the rope had to be taken into account solely via the other sensors.

Erfindungsgemäß gibt die Überlastsicherung die Bewegung des Kranes und/oder des Seils zumindest teilweise frei, insbesondere wenn es sich um einen Off-Shore Kran handelt. Die Freigabe erfolgt hierbei vorteilhafterweise kontrolliert mit einer gewissen Gegenkraft. Verhakt sich z. B. der Haken des Kranes an einem Schiff, welches von dem Off-Shore-Kran weggetrieben wird, kann so z. B. das Seil oder die Drehbewegung des Kranes kontrolliert freigegeben werden, um eine Überlastung des Kranes zu verhindern. Die Sensoreinheit zur Bestimmung eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung ergibt hier eine sehr zuverlässige Überlastsicherung, während bekannte Überlastsicherungen hier allein auf einen Seilkraftsensor angewiesen waren, durch welchen ein Überlastfall aber nur schwer von einem Lastfall unterschieden werden kann.According to the invention, the overload protection at least partially releases the movement of the crane and/or the rope, particularly when it is an offshore crane. The release is advantageously carried out in a controlled manner with a certain counterforce. Gets caught e.g. B. the hook of the crane on a ship that is driven away by the off-shore crane can z. B. the rope or the rotational movement of the crane can be released in a controlled manner to prevent the crane from being overloaded. The sensor unit for determining a rope angle relative to the direction of gravitational force results in a very reliable overload protection, while known overload protection systems were solely dependent on a rope force sensor, which makes it difficult to distinguish an overload case from a load case.

Weiterhin vorteilhafterweise wertet die erfindungsgemäße Kranssteuerung, insbesondere die Warneinrichtung und/oder die Überlastsicherung, jedoch zusätzlich Daten eines Seilkraftsensors aus. Hierdurch können die Daten von der Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung überprüft werden, so dass insbesondere bei einem automatischen Eingreifen der Kransteuerung in die Bewegung des Kranes eine zusätzliche Sicherheit durch eine Redundanz gegeben ist.Furthermore, advantageously, the crane control according to the invention, in particular the warning device and/or the overload protection, additionally evaluates data from a cable force sensor. This allows the data from the sensor unit to determine the rope angle to be checked relative to the direction of gravitational force, so that additional safety is provided through redundancy, particularly when the crane control automatically intervenes in the movement of the crane.

Weist der Kran mindestens zwei Seilstränge zum Heben der Last auf, wird vorteilhafterweise deren Seilfeldverdrehung bestimmt. Da bei einer reinen Verdrehung der Last die äußeren Seile jeweils in entgegengesetzte Richtungen ausgelenkt sind, ohne dass die Last aus der Lotrechten ausgelenkt wäre, wird diese Seilfeldverdrehung vorteilhafterweise bei der Bestimmung des tatsächlichen Seilwinkels berücksichtigt. Der Seilwinkel, welcher bei der Anzeige, der Warneinrichtung und/oder der Überlastsicherung zum Einsatz kommt, entspricht hierdurch der tatsächlichen Auslenkung der Last relativ zur Gravitationskraftrichtung, so dass ein Pendeln der Last effektiv verhindert werden kann und eventuelle Seilfeldverdrehungen nicht zu falschen Werten führen.If the crane has at least two rope strands for lifting the load, their rope field twist is advantageously determined. Since when the load is simply twisted, the outer ropes are deflected in opposite directions without the load being deflected from the vertical, this rope field twist is advantageously taken into account when determining the actual rope angle. The rope angle, which is used for the display, the warning device and/or the overload protection, corresponds to the actual deflection of the load relative to the direction of gravitational force, so that the load can be effectively prevented from oscillating and any twisting of the rope field does not lead to incorrect values.

Vorteilhafterweise umfasst die erfindungsgemäße Kransteuerung dabei eine Anzeigeeinheit zur Anzeige der Seilfeldverdrehung. So kann die Seilfeldverdrehung selbst ebenfalls auf der Anzeige angezeigt werden, so dass sie durch Ansteuerung einer entsprechenden Rotoreinheit an der Lastaufnahmevorrichtung ausgeglichen werden kann. Ebenso kann die Seilfeldverdrehung vorteilhafterweise in die Ansteuerung der Warneinrichtung sowie der Überlastsicherung eingehen.The crane control according to the invention advantageously comprises a display unit for displaying the rope field rotation. The rope field twist itself can also be shown on the display so that it can be compensated for by controlling a corresponding rotor unit on the load-carrying device. Likewise, the cable field twist can advantageously be incorporated into the control of the warning device and the overload protection.

In der erfindungsgemäßen Kransteuerung ist daher vorteilhafterweise eine Warneinrichtung vorgesehen, welche den Kranführer bei Überschreiten eines zulässigen Wertebereichs für die Seilfeldverdrehung warnt, insbesondere durch ein optisches und/oder akustisches Signal. So wird der Kranführer vor einem Drehpendeln der Last beim Anheben mit einem verdrehten Seilfeld gewarnt.A warning device is therefore advantageously provided in the crane control according to the invention, which warns the crane operator when a permissible value range for the rope field rotation is exceeded, in particular by means of an optical and/or acoustic signal. This warns the crane operator of the load swinging when lifting with a twisted rope field.

In der erfindungsgemäßen Kransteuerung ist ebenso vorteilhafterweise eine Sicherungseinrichtung, insbesondere eine Verdrehsicherung, vorgesehen, welche bei einem Überschreiten eines zulässigen Wertebereichs für die Seilfeldverdrehung automatisch in die Steuerung des Kranes eingreift. Zum Beispiel kann dabei ein Anheben der Last bei zu starker Verdrehung des Seilfeldes automatisch verhindert werden.In the crane control according to the invention, a safety device, in particular an anti-twist device, is also advantageously provided, which automatically intervenes in the control of the crane if a permissible value range for the rope field rotation is exceeded. For example, lifting the load can be automatically prevented if the rope field is twisted too much.

Weiterhin vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Kransteuerung eine automatische Lastpendeldämpfung auf. Insbesondere kann hierdurch die Bewegung des Kranes so angesteuert werden, dass bei einer Bewegung des Krans ein Pendeln der frei schwingenden Last verhindert wird. Die Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung kann dabei zu Beginn des Hubes zur lotrechten Ausrichtung des Seiles verwendet werden, während die Lastpendeldämpfung dann einsetzt, wenn die Last frei am Seil hängt. So kann durch die richtige Ausrichtung des Seils ein Pendeln der Last beim Anheben verhindert werden, durch die Lastpendeldämpfung ein Pendeln der Last bei deren Bewegung in horizontaler Richtung.Furthermore, the crane control according to the invention advantageously has automatic load sway damping. In particular, the movement of the crane can be controlled in such a way that the freely swinging load is prevented from swinging when the crane moves. The sensor unit for determining the rope angle relative to the direction of gravitational force can be used at the beginning of the stroke to align the rope vertically while the load sway control occurs when the load hangs freely on the rope. Correct alignment of the rope can prevent the load from swaying when being lifted, and load sway damping can prevent the load from swaying when it moves in a horizontal direction.

Vorteilhafterweise beruht die Lastpendeldämpfung dabei auf den Daten mindestens einer Gyroskopeinheit. Da mit einem Gyroskop die Seilwinkelgeschwindigkeit bestimmt werden kann, eignet es sich besonders gut zur Verwendung in einer Lastpendeldämpfung.The load sway damping is advantageously based on the data of at least one gyroscope unit. Since the rope angular speed can be determined with a gyroscope, it is particularly suitable for use in load sway control.

Vorteilhafterweise wird dabei die Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung zur Überwachung und/oder Kalibrierung der Gyroskopeinheit verwendet. Insbesondere wenn der Hub bei schräger Seilstellung und abgestützter Last begonnen wird, würde die Lastpendeldämpfung, welche üblicherweise von einer freischwingenden Last ausgeht, sonst mit falschen Werten starten. Auch können die Sensoreinheiten bzw. Gyroskopeinheiten zur jeweils wechselseitigen Überwachung eingesetzt werden, um Fehlfunktionen zu detektieren.Advantageously, the sensor unit is used to determine the cable angle relative to the direction of gravitational force to monitor and/or calibrate the gyroscope unit. In particular, if the lift is started with the rope in an inclined position and the load is supported, the load sway damping, which is usually based on a freely swinging load, would otherwise start with incorrect values. The sensor units or gyroscope units can also be used for mutual monitoring in order to detect malfunctions.

Vorteilhafterweise ist weiterhin eine Funktion zum automatischen Ausrichten des Kranes vorgesehen, durch welche das Seil lotrecht über der Last ausgerichtet wird. Der Kranführer muss damit den Kran nicht mehr manuell z. B. anhand der Anzeige ausrichten, sondern dies geschieht automatisch bei einer entsprechenden Anforderung des Kranfahrers über eine Bedieneinheit. Vorteilhafterweise ist hierbei eine Sicherheitsfunktion vorgesehen, welche z. B. mit einem Seilkraftsensor zusammenwirkt, um bei einer Fehlfunktion der Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung eine unkontrollierte Bewegung des Kranes zu verhindern.Advantageously, a function for automatically aligning the crane is also provided, through which the rope is aligned vertically above the load. The crane operator no longer has to operate the crane manually, for example. B. align based on the display, but this happens automatically when the crane driver makes a corresponding request via a control unit. A safety function is advantageously provided here, which z. B. cooperates with a rope force sensor to prevent uncontrolled movement of the crane in the event of a malfunction of the sensor unit for determining the rope angle relative to the direction of gravitational force.

Weiterhin vorteilhafterweise ist auch eine Funktion zum automatischen Ausrichten des Kranes vorgesehen ist, durch welche eine Seilfeldverdrehung ausgeglichen wird. Diese steuert vorteilhafterweise eine Rotoreinheit an der Lastaufnahmevorrichtung, z.B. am Spreader, an, durch welche der mit den Seilen verbundene Teil der Lastaufnahmevorrichtung relativ zur Last verdreht werden kann.Furthermore, a function for automatic alignment of the crane is also advantageously provided, through which cable field rotation is compensated for. This advantageously controls a rotor unit on the load-carrying device, for example on the spreader, through which the part of the load-carrying device connected to the ropes can be rotated relative to the load.

Weiterhin vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Kransteuerung einen Speicher zur Speicherung von Lastdaten auf Grundlage des Seilwinkels auf, welche der Lebensdauerberechnung und/oder der Dokumentation z. B. von unsachgemäßer Verwendung dienen. Eine solche Maschinendatenerfassung der Seilstellung zur Lastkollektiv-Ermittung und zur Dokumentation ermöglicht so eine genauere Lebensdauerberechung und damit eine erhöhte Sicherheit bei eingesparten Kosten.Furthermore, the crane control according to the invention advantageously has a memory for storing load data based on the rope angle, which is used for the service life calculation and/or the documentation, for example. B. from improper use. Such machine data acquisition of the rope position for determining the load spectrum and for documentation enables a more precise service life calculation and thus increased safety while saving costs.

Die vorliegende Beschreibung offenbart weiterhin ein Verfahren zur Ansteuerung eines Kranes, welcher mindestens ein Seil zum Heben einer Last aufweist. Das Verfahren ist dabei erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass ein Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung bestimmt wird. Durch eine solche Bestimmung eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung ergeben sich die bereits bezüglich der Kransteuerung näher beschriebenen Vorteile. Vorteilhaftreweise werden dabei die radialen und/oder tangentialen Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung bestimmt.The present description further discloses a method for controlling a crane which has at least one rope for lifting a load. According to the invention, the method is characterized in that a rope angle is determined relative to the direction of the gravitational force. Such a determination of a rope angle relative to the direction of gravitational force results in the advantages already described in more detail with regard to crane control. Advantageously, the radial and/or tangential cable angles are determined relative to the direction of the gravitational force.

Insbesondere wird hierdurch die Ausrichtung des Kranes vor und beim Anheben der Last erheblich vereinfacht. Vorteilhafterweise wird dabei neben einem Seilwinkel, welcher der tatsächlichen Auslenkung der Last gegen die Lotrechte entspricht, zusätzlich die Seilfeldverdrehung bestimmt, wenn mehrere Seilstränge zum Heben der Last verwendet werden. Hierzu werden die Seilwinkel mindestens zweier Seilstränge relativ zur Gravitationskraftrichtung bestimmt. Aus diesen Daten kann dann sowohl der Seilwinkel, welcher der Auslenkung der Last, als auch die Seilfeldverdrehung, welche der Verdrehung der Last entspricht, bestimmt werden.In particular, this significantly simplifies the alignment of the crane before and when lifting the load. Advantageously, in addition to a rope angle, which corresponds to the actual deflection of the load against the vertical, the rope field twist is also determined if several rope strands are used to lift the load. For this purpose, the rope angles of at least two rope strands are determined relative to the direction of gravitational force. From this data, both the rope angle, which corresponds to the deflection of the load, and the rope field twist, which corresponds to the twist of the load, can be determined.

Vorteilhafterweise wird dabei vor dem Anheben der Last das Seil in eine lotrechte Ausrichtung gebracht. Hierdurch kann verhindert werden, dass durch eine Schrägstellung des Seiles beim Anheben der Lastdiese seitlich verrutscht, durch ungleiches Aufliegen auf der Unterlage unkontrolliert verdreht oder bereits beim Anheben eine Pendelbewegung durchführt. Die lotrechte Ausrichtung der Last kann dabei z. B. durch den Kranführer anhand der erfindungsgemäßen Anzeige des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung erfolgen. Ebenso ist es denkbar, dass diese Ausrichtung wie bereits beschrieben automatisch durch die Kransteuerung erfolgt.Advantageously, the rope is brought into a vertical orientation before the load is lifted. This can prevent the rope from slipping sideways due to an inclined position when the load is being lifted, from being twisted in an uncontrolled manner due to uneven resting on the base, or from performing a pendulum movement when the load is being lifted. The vertical alignment of the load can z. B. by the crane operator based on the display of the rope angle according to the invention relative to the direction of gravitational force. It is also conceivable that this alignment is carried out automatically by the crane control, as already described.

Weiterhin vorteilhafterweise wird vor dem Anheben der Last die Seilfeldverdrehung auf Null gebracht, um eine Rotation der Last beim Anheben zu vermeiden. Dies erfolgt z. B. durch entsprechendes Rotieren der Last am Lastaufnahmemittel mittels einer Rotoranordnung.Furthermore, before lifting the load, the rope field twist is brought to zero in order to avoid rotation of the load when lifting. This is done e.g. B. by appropriately rotating the load on the load-carrying device using a rotor arrangement.

Auch während des Hubvorgangs können sich durch unterschiedliche Effekte Abweichungen des Seilwinkels von der Lotrechten ergeben. Vorteilhafterweise wird deshalb auch während dem Anheben der Last eine Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten ausgeglichen. Vorteilhafterweise wird hierzu während des Anhebens der Last der Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung bestimmt, so dass eventuell auftretende Abweichungen während dem Hubvorgang ausgeglichen werden können.Even during the lifting process, different effects can cause the rope angle to deviate from the vertical. Advantageously, any deviation of the rope angle from the vertical is compensated for even while the load is being lifted. For this purpose, the rope angle is advantageously determined relative to the direction of gravitational force while the load is being lifted, so that any deviations that may occur during the lifting process can be compensated for.

Vorteilhafterweise wird dabei beim Anheben der Last durch das Bestimmen der auftretenden Abweichung eines Seilwinkels von der Lotrechten ein Ungleichgewicht der Last bestimmt. Weist die Last ein Ungleichgewicht auf, d.h. befindet sich der Schwerpunkt der Last nicht unter dem Lastaufnahmepunkt, bewegt sich der Lastaufnahmepunkt beim Anheben der Last zunächst über dem Schwerpunkt, so dass sich der Seilwinkel verändert. Durch diese Veränderung des Seilwinkels kann das Ungleichgewicht der Last bestimmt und gegebenenfalls ausgeglichen werden. Ein solches Ungleichgewicht der Last kann dabei ebenfalls zur Anzeige gebracht werden, so dass es vom Kranfahrer ausgeglichen werden kann. Ebenso ist es denkbar, ein solches Ungleichgewicht automatisch auszugleichen.Advantageously, when lifting the load, an imbalance in the load is determined by determining the deviation of a rope angle from the vertical. If the load has an imbalance, i.e. the center of gravity of the load is not below the load-bearing point, the load-bearing point initially moves above the center of gravity when the load is raised, so that the rope angle changes. By changing the rope angle, the imbalance in the load can be determined and, if necessary, compensated for. Such an imbalance in the load can also be displayed so that it can be compensated for by the crane driver can be. It is also conceivable to automatically compensate for such an imbalance.

Vorteilhafterweise wird das Ungleichgewicht der Last dabei auf Grundlage der Abweichung eines Seilwinkels von der Lotrechten durch eine Bewegung der Last am Lastaufnahmemittel, insbesondere am Spreader, ausgeglichen wird. Der Spreader dient dabei der Aufnahme von Containern und weist eine Längsverstellung auf, durch welche der Lastaufnahmepunkt relativ zum Container eingestellt werden kann. Der Kranführer kann nun z. B. auf Grundlage der Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten, welche bei einem Anheben der Last durch das Ungleichgewicht entsteht und über die erfindungsgemäße Anzeige angezeigt wird, den Lastaufnahmepunkt am Lastaufnahmemittel bewegen und so das Ungleichgewicht ausgleichen. Wird zudem das Ungleichgewicht der Last bestimmt und angezeigt, erleichtert dies die Arbeit des Kranführers. Ebenso ist denkbar, dass ein automatischer Ausgleich des Ungleichgewichts erfolgt.Advantageously, the imbalance of the load is compensated for on the basis of the deviation of a rope angle from the vertical by a movement of the load on the load-carrying device, in particular on the spreader. The spreader is used to hold containers and has a longitudinal adjustment, through which the load pick-up point can be adjusted relative to the container. The crane operator can now e.g. B. based on the deviation of the rope angle from the vertical, which arises when the load is lifted due to the imbalance and is displayed on the display according to the invention, move the load-carrying point on the load-carrying device and thus compensate for the imbalance. If the imbalance of the load is also determined and displayed, this makes the crane operator's work easier. It is also conceivable that the imbalance will be automatically compensated.

Ein solcher Ausgleich des Ungleichgewichts der Last, durch welchen der Schwerpunkt der Last bei unveränderter Ausrichtung der Last unter den Lastaufnahmepunkt gebracht wird, ermöglicht so ein Bewegen der Container innerhalb der Führungen im Schiff, ohne dass diese durch eine Verkippung verkanten.Such a compensation of the imbalance of the load, through which the center of gravity of the load is brought below the load-bearing point while the orientation of the load remains unchanged, enables the containers to be moved within the guides in the ship without them tilting due to tilting.

Alternativ kann, wenn ein solcher Ausgleich des Ungleichgewichts der Last nicht möglich ist, oder wenn eine Verkantung der Last unproblematisch ist, die beim Anheben der Last durch das Ungleichgewicht der Last bedingte Schrägstellung des Seils auch durch eine Bewegung des Krans ausgeglichen werden. Auch dies kann entweder manuell über den Kranführer z. B. anhand einer Anzeige erfolgen oder automatisch.Alternatively, if such compensation for the imbalance of the load is not possible, or if tilting of the load is not a problem, the inclination of the rope caused by the imbalance of the load when lifting the load can also be compensated for by moving the crane. This can also be done manually by the crane operator, e.g. B. based on a display or automatically.

Durch die Belastung der Kranstruktur beim Anheben der Last kann sich diese verformen, so dass sich der Seilwinkel verändert, auch ohne dass sich die Last bewegen würde. Vorteilhafterweise wird deshalb erfindungsgemäß beim Anheben der Last durch Bestimmen einer Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten das Nachgeben der Kranstruktur unter der Belastung bestimmt und/oder die durch das Nachgeben der Kranstruktur bedingte Schrägstellung des Seils durch eine Bewegung des Krans ausgeglichen. Hierbei kann das Bestimmen der Abweichung bzw. das Ausgleichen dieser Abweichung wiederum über den Kranführer z. B. anhand einer Anzeige erfolgen, oder automatisch.The strain on the crane structure when lifting the load can cause it to deform, causing the rope angle to change even without the load moving. Advantageously, according to the invention, when lifting the load, the yielding of the crane structure under the load is determined by determining a deviation of the rope angle from the vertical and / or the inclination of the rope caused by the yielding of the crane structure is compensated for by a movement of the crane. Here, the determination of the deviation or the compensation of this deviation can in turn be done by the crane operator, for example. B. based on a display, or automatically.

Weiterhin vorteilhafterweise wird bei einem Überschreiten eines zulässigen Wertebereichs für eine sich aus dem gemessenen Seilwinkel ergebende Abweichung, insbesondere für den Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung und/oder für die horizontale Abweichung der Last, die Kranstruktur durch Gegenmaßnahmen geschützt. Insbesondere kann hierbei die Bewegung des Krans gestoppt werden, um eine Überlast zu vermeiden.Furthermore, if a permissible value range for a deviation resulting from the measured rope angle is exceeded, in particular for the rope angle relative to the direction of gravitational force and/or for the horizontal deviation of the load, the crane structure is protected by countermeasures. In particular, the movement of the crane can be stopped in order to avoid overloading.

Insbesondere bei der Ansteuerung eines Off-Shore-Krans umfassen die Gegenmaßnahmen dagegen vorteilhafterweise ein zumindest teilweises Freigeben der Kranbewegungen und/oder des Seils, um z. B. bei einem Verhaken des Lastaufnahmemittels mit einem Schiff, welches sich vom Off-Shore-Kran wegbewegt, eine Überlastung des Krans zu verhindern.In particular when controlling an off-shore crane, the countermeasures advantageously include at least partial release of the crane movements and/or the rope, for example. B. to prevent the crane from being overloaded if the load handler gets caught on a ship that is moving away from the offshore crane.

Die Gegenmaßnahmen können dabei entweder vom Kranfahrer eingeleitet werden, welcher hierzu vorteilhafterweise durch eine Warnfunktion gewarnt wird, oder aber automatisch durch eine entsprechende automatische Überlastsicherung.The countermeasures can either be initiated by the crane driver, who is advantageously warned by a warning function, or automatically by a corresponding automatic overload protection.

Die vorliegende Beschreibung offenbart weiterhin eine Kransteuerung eines Kranes, welcher mindestens ein Seil zum Heben einer Last aufweist, zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren. Insbesondere ist die Kransteuerung dabei vorteilhafterweise so ausgelegt, dass die oben beschriebenen Verfahren zumindest teilweise automatisch durchgeführt werden.The present description further discloses a crane control of a crane, which has at least one rope for lifting a load, for carrying out one of the methods described above. In particular, the crane control is advantageously designed so that the methods described above are carried out at least partially automatically.

Weiterhin vorteilhafterweise umfasst die vorliegende Erfindung einen Kran, insbesondere einen Hafenmobilkran, einen Schiffskran oder einen Off-Shore-Kran, welcher ein Seil zum Heben einer Last aufweist und mit einer Kransteuerung, wie sie oben beschrieben wurde, ausgerüstet ist. Ebenso umfasst die Erfindung entsprechende Ausleger- und/oder Drehkrane, sowie Autokrane und Raupenkrane. Offensichtlich ergeben sich für einen solchen Kran die gleichen, bereits bei der Kransteuerung beschriebenen Vorteile.Furthermore advantageously, the present invention comprises a crane, in particular a mobile harbor crane, a ship's crane or an off-shore crane, which has a rope for lifting a load and is equipped with a crane control as described above. The invention also includes corresponding jib and/or rotating cranes, as well as truck cranes and crawler cranes. Obviously, the same advantages already described for the crane control arise for such a crane.

Neben der bisher beschriebenen Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einer Sensoreinheit zur Bestimmung eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung offenbart die vorliegende Beschreibung weiterhin eine Kransteuerung, welche auch ohne eine solche Sensoreinheit bei Kranen, welche mindestens einen ersten und einen zweiten Seilstrang zum Heben der Last aufweisen, vorteilhaft zum Einsatz kommen kann. Eine solche Kransteuerung ist kein Teil der vorliegenden Erfindung.In addition to the previously described embodiment of the present invention with a sensor unit for determining a rope angle relative to the direction of gravitational force, the present description further discloses a crane control, which is also advantageous without such a sensor unit in cranes which have at least a first and a second rope strand for lifting the load can be used. Such a crane control is not part of the present invention.

Eine solche Kransteuerung ist dabei in Anspruch 37 gezeigt. Die erfindungsgemäße Kransteuerung dient dabei zur Ansteuerung der Stellwerke eines Kranes, welcher mindestens einen ersten und einen zweiten Seilstrang zum Heben einer Last aufweist, wobei die Kransteuerung eine Lastpendeldämpfung zur Dämpfung von sphärischen Pendelschwingungen der Last aufweist. In dieser Kransteuerung sind nun eine erste und eine zweite Sensoreinheit vorgesehen, welche dem ersten und dem zweiten Seilstrang zugeordnet sind, um die jeweiligen Seilwinkel und/oder Seilwinkelgeschwindigkeiten des ersten und des zweiten Seilstrangs zu bestimmen. Weiterhin weist die Lastpendeldämpfung eine Regelung auf, in welche die von der ersten und der zweiten Sensoreinheit bestimmten Seilwinkel und/oder Seilwinkelgeschwindigkeiten eingehen.Such a crane control is shown in claim 37. The crane control according to the invention is used to control the signal boxes of a crane, which has at least a first and a second cable strand for lifting a load, the crane control having a load sway damping for damping spherical pendulum oscillations of the load. In this crane control, a first and a second sensor unit are now provided, which are assigned to the first and second rope strands in order to determine the respective rope angles and/or rope angular speeds of the first and second rope strands. Furthermore, the load sway damping has a control system in which the cable angles and/or cable angular speeds determined by the first and second sensor units are included.

Im Vergleich zu bekannten Anordnungen, bei welchen eine Sensoreinheit am Haken des Kranes oder nur an einem Seil angebracht ist, ergeben sich hierdurch zahlreiche Vorteile: einerseits ergibt sich eine Redundanz dieses sicherheitskritischen Elementes, so dass bei einem Ausfall einer Sensoreinheit weiterhin eine Messung des Seilwinkels über die zweite Sensoreinheit möglich bleibt. Ebenso ergibt sich die Möglichkeit, Sensorfehler zu erkennen. Weiterhin ist es möglich, durch Differenzbildung der Meßwerte eine Rauschreduzierung zu erreichen, sowie durch Auswertealgoritmen eine Torsionskompensation, das heißt die Berücksichtigung einer Seilfeldverdrehung bei der Bestimmung des tatsächlichen Auslenkwinkels der Last, zu implementieren.Compared to known arrangements in which a sensor unit is attached to the hook of the crane or just to a rope, this results in numerous advantages: on the one hand, there is redundancy of this safety-critical element, so that if a sensor unit fails, a measurement of the rope angle continues remains possible via the second sensor unit. There is also the possibility of detecting sensor errors. Furthermore, it is possible to achieve a noise reduction by forming the difference between the measured values and to implement torsion compensation using evaluation algorithms, i.e. taking into account a rope field twist when determining the actual deflection angle of the load.

Die von der Kransteuerung angesteuerten Stellwerke sind dabei vorteilhafterweise das Drehwerk zum Drehen des Kranes und/oder das Wippwerk zum Aufwippen des Auslegers. Durch die entsprechende Regelung dieser Ansteuerung über die Lastpendeldämpfung können so sphärische Schwingungen der Last am Seil verhindert werden.The signal boxes controlled by the crane control are advantageously the slewing gear for turning the crane and/or the luffing gear for luffing up the boom. By appropriately regulating this control via the load sway damping, spherical vibrations of the load on the rope can be prevented.

Vorteilhafterweise umfasst die erste und die zweite Sensoreinheit dabei jeweils eine Gyroskopeinheit. Die Gyroskope messen dabei die Seilwinkelgeschwindigkeit, wobei vorteilhafterweise zwei Gyroskope vorgesehen sind, um die Seilwinkelgeschwindigkeit sowohl in radialer als auch in tangentialer Richtung zu messen. Gyroskope sind dabei für die Anforderungen der Regelung der Lastpendeldämpfung besonders gut geeignet.Advantageously, the first and second sensor units each comprise a gyroscope unit. The gyroscopes measure the cable angular speed, with two gyroscopes advantageously being provided in order to measure the cable angular speed in both the radial and tangential directions. Gyroscopes are particularly well suited to the requirements of controlling load sway damping.

Weiterhin vorteilhaftenrveise sind die erste und die zweite Sensoreinheit dabei jeweils in einem Seilfolgeelement angeordnet. Das Seilfolgeelement folgt dabei der Bewegung desjenigen Seilstrangs, welchem es zugeordnet ist. Die Sensoreinheit misst dann wiederum die Bewegung des Seilfolgeelementes, aus welcher die Bewegung des Seilstrangs bestimmt werden kann. Durch die Seilfolgeelemente ergibt sich eine besonders genaue und zuverlässige Seilwinkelmessung.Further advantageously, the first and second sensor units are each arranged in a cable follower element. The rope follower element follows the movement of the rope strand to which it is assigned. The sensor unit then measures the movement of the cable follower element, from which the movement of the cable strand can be determined. The rope follower elements result in a particularly accurate and reliable rope angle measurement.

Vorteilhafterweise sind die Seilfolgeelemente dabei jeweils über ein kardanisches Gelenk mit dem Ausleger des Kranes verbunden und folgen der Bewegung des Seilstranges, welchem sie zugeordnet sind. Die Verbindung der Seilfolgeelemente über ein kardanisches Gelenk dient dabei jedoch vorteilhafterweise lediglich der mechanischen Verbindung sowie der Führung des Seilfolgeelementes, während die Sensoreinheiten die Bewegung der Seilfolgeelemente über die Gyroskopeinheiten bestimmen.Advantageously, the cable follower elements are each connected to the boom of the crane via a gimbal joint and follow the movement of the cable strand to which they are assigned. However, the connection of the cable follower elements via a gimbal joint advantageously only serves the mechanical connection and the guidance of the cable follower element, while the sensor units determine the movement of the cable follower elements via the gyroscope units.

Vorteilhafterweise werden die von der ersten und der zweiten Sensoreinheit gemessenen Daten von einer ersten und einer zweiten Beobachterschaltung ausgewertet. Solche Beobachterschaltungen werden dabei eingesetzt, um Offsets und Störeinflüsse, wie z. B. Seiloberschwingungen, zu unterdrücken. Die Beobachterschaltungen dienen dabei der Integration der von den Gyroskopen gemessenen Seilwinkelgeschwindigkeiten und ermöglichen eine zuverlässige Bestimmung der Seilwinkel.Advantageously, the data measured by the first and second sensor units are evaluated by a first and a second observer circuit. Such observer circuits are used to monitor offsets and interference, such as. B. cable harmonics to suppress. The observer circuits serve to integrate the rope angular speeds measured by the gyroscopes and enable the rope angles to be reliably determined.

Weiterhin vorteilhafterweise erfolgt eine Kompensation der von der ersten und der zweiten Sensoreinheit gemessenen Daten bezüglich des Einbauwinkels der Sensoreinheiten und des Drehwinkels des Kranes. Hierdurch können Störeinflüsse, welche durch eine falsche Montage hervorgerufen werden, softwaretechnisch kompensiert werden. Befinden sich die Empfindlichkeitsebenen der verwendeten Gyroskope nicht exakt in tangentialer und radialer Richtung, sondern sind durch falsche Montage verkippt, messen die Sensoren die Drehgeschwindigkeit des Kranes anteilig mit. Dies wird durch die Kompensation berücksichtigt.Furthermore, the data measured by the first and second sensor units with regard to the installation angle of the sensor units and the rotation angle of the crane are advantageously compensated for. This means that disruptive influences caused by incorrect assembly can be compensated for by software. If the sensitivity levels of the gyroscopes used are not exactly in the tangential and radial directions, but are tilted due to incorrect installation, the sensors measure the rotational speed of the crane proportionally. This is taken into account by the compensation.

Weiterhin vorteilhafterweise werden bei der Kransteuerung durch einen Vergleich der von der ersten und der zweiten Sensoreinheit gemessenen Daten Sensorfehler erkannt. Fällt eine der Sensoreinheiten aus, wird die Winkelgeschwindigkeit immer noch von der anderen Sensoreinheit erfaßt. Damit kann die Grundfunktion der Kransteuerung weiterhin sichergestellt werden. Durch Differenzbildung der Winkelsignale beider Sensoreinheiten in die jeweiligen Richtungen lässt sich weiterhin bei Überschreiten eines Schwellwertes ein Sensorfehler detektieren. Dabei kann der Kran bei Auftreten eines Sensorfehlers sofort in einen sicheren Zustand gebracht werden.Furthermore, sensor errors are advantageously detected in the crane control by comparing the data measured by the first and second sensor units. If one of the sensor units fails, the angular velocity is still detected by the other sensor unit. This means that the basic function of the crane control can continue to be ensured. By forming the difference between the angle signals of both sensor units in the respective directions, a sensor error can still be detected if a threshold value is exceeded. If a sensor error occurs, the crane can be immediately brought into a safe state.

Weiterhin vorteilhafterweise werden in der Lastpendeldämpfung durch eine Mittelwertbildung aus den von der ersten und der zweiten Sensoreinheit bestimmten Seilwinkeln und/oder Seilwinkelgeschwindigkeiten die Torsionsschwingung des Seilfeldes berücksichtigt. Eine solche Seilfeldverdrehung würde bei Verwendung nur einer Sensoreinheit die zur Dämpfung der sphärischen Pendelschwingung der Last verwendete Regelung beeinflussen. Tritt nun bei der Kransteuerung eine Torsionsschwingung des Seilfeldes auf, messen die Sensoreinheiten auf den beiden Seilfolgeelementen exakt eine entgegengesetzte Störschwingung sowohl in tangentialer als auch in radialer Richtung. Durch die Mittelwertbildung kann der Einfluss dieser Torsionsschwingung jedoch eliminiert werden.Further advantageously, the torsional vibration of the rope field is taken into account in the load sway damping by averaging the rope angles and/or rope angular speeds determined by the first and second sensor units. If only one sensor unit is used, such a cable field twist would influence the control used to dampen the spherical pendulum oscillation of the load. If a torsional vibration of the rope field occurs during the crane control, the sensor units on the two rope follower elements measure exactly the opposite interference vibration in both the tangential and radial directions. However, the influence of this torsional vibration can be eliminated by averaging.

Weiterhin vorteilhafterweise ist die Regelung der Kransteuerung nicht-linear. Eine solche nicht-lineare Regelung ist von besonderem Vorteil, da insbesondere bei Auslegerkranen das Gesamtsystem aus Kran, Stellwerken wie z. B. Hydrozylindern und Last nicht-linear ist und somit bei einer rein linearen Regelung erhebliche Fehler auftreten. Die gesamte Regelungsstrecke aus nicht-linearer Regelung und dem nicht-linearen Verhalten des Kranes ergibt dagegen wiederum eine lineare Strecke, so dass die Ansteuerung des Systems erheblich vereinfacht wird.Furthermore, advantageously, the regulation of the crane control is non-linear. Such a non-linear control is particularly advantageous because, particularly in the case of jib cranes, the entire system consists of the crane, signal boxes such as. B. hydraulic cylinders and load is non-linear and therefore significant errors occur with purely linear control. On the other hand, the entire control system consisting of non-linear control and the non-linear behavior of the crane results in a linear system, so that the control of the system is considerably simplified.

Weiterhin vorteilhafterweise beruht die Regelung dabei auf der Inversion eines physikalischen Modells der Bewegung der Last in Abhängigkeit von den Bewegungen der Stellwerke. Vorteilhafterweise handelt es sich bei diesem physikalischen Modell dabei um ein nicht-lineares Modell, so dass sich aus seiner Inversion die nicht-lineare Regelung ergibt. Die Kombination aus dem invertierten physikalischen Model und der tatsächlichen Bewegung der Last in Abhängigkeit von den Bewegung der Stellwerke ergibt dann wieder die oben beschriebene lineare Strecke. Eingangsgrößen des physikalischen Modells sind dabei der Zustandsvektor des Kranes. Auf Grundlage dieser Eingangsgrößen gibt das nicht-lineare Modell dann die Bewegung der Last als Ausgangsgröße an. Durch die Invertierung eines solchen Systems dient die Bewegung der Last als eine Eingangsgröße, um die Stellwerke des Kranes anzusteuern.Furthermore, the control is advantageously based on the inversion of a physical model of the movement of the load as a function of the movements of the signal boxes. Advantageously, this physical model is a non-linear model, so that the non-linear control results from its inversion. The combination of the inverted physical model and the actual movement of the load depending on the movement of the signal boxes then results in the linear route described above. The input variables of the physical model are the state vector of the crane. Based on these input variables, the non-linear model then specifies the movement of the load as an output variable. By inverting such a system, the movement of the load serves as an input variable to control the crane's signal boxes.

Weiterhin vorteilhafterweise weist die Lastpendeldämpfung dabei ein Bahnplanungsmodul auf, welches der Regelung Soll-Trajektorien vorgibt. Diese Soll-Trajektorien geben die Bewegungen vor, welche die Last vollführen soll, und dienen dann insbesondere bei der Verwendung eines invertierten Modells als als Eingangsgrößen der Regelung. Durch die nicht-lineare Regelung ergibt sich dabei eine besonders einfache Umsetzung des Bahnplanungsmoduls, da dieses lediglich Soll-Trajektorien für das lineare System aus nicht linearer Regelung und nicht linearem Kranverhalten vorgeben muss. Hierdurch lässt sich eine extrem schnelle Kransteuerung mit einem hervorragendem Ansprechverhalten gegenüber den von dem Kranführer mittels Eingabeelementen eingegebenen Vorgaben erreichen.Furthermore, the load sway damping advantageously has a path planning module, which specifies target trajectories for the control. These target trajectories specify the movements that the load should perform and then serve as input variables for the control, especially when using an inverted model. The non-linear control results in a particularly simple implementation of the path planning module, as it only has to specify target trajectories for the linear system of non-linear control and non-linear crane behavior. This makes it possible to achieve extremely fast crane control with an excellent response to the specifications entered by the crane operator using input elements.

Vorteilhafterweise geht dabei der aktuelle Systemzustand des Krans, insbesondere die Position des Auslegers und/oder die von der ersten und der zweiten Sensoreinheit bestimmten Seilwinkel und/oder Seilwinkelgeschwindig keiten als Eingangsgröße in den Bahnplanungsmodul ein. Insbesondere ist die Position des Auslegers hierbei von Bedeutung, da z. B. die maximal zu erreichende Radialgeschwindigkeit von dieser abhängt. Vorteilhafterweise gehen zudem die von der ersten und der zweiten Sensoreinheit bestimmten Seilwinkel und/oder Seilwinkelgeschwindigkeiten aus Eingangsgrößen in den Bahnplanungsmodul ein. Dieser zusätzliche Regelkreis ermöglicht somit eine nochmals genauere Bahnplanung unter Berücksichtigung des tatsächlichen Seilwinkels und/oder der tatsächlichen Seilwinkelgeschwindigkeit.Advantageously, the current system state of the crane, in particular the position of the boom and/or the rope angle and/or rope angle speeds determined by the first and second sensor units, is included as an input variable in the path planning module. The position of the boom is particularly important here, since e.g. B. the maximum radial speed that can be achieved depends on this. Advantageously, the rope angles and/or rope angular speeds determined by the first and second sensor units are also included in the path planning module from input variables. This additional control loop thus enables even more precise path planning, taking into account the actual rope angle and/or the actual rope angular speed.

Weiterhin vorteilhafterweise werden bei dem Bahnplanungsmodul Beschränkungen des Systems bei der Erzeugung der Soll-Trajektorien berücksichtigt. Hierdurch wird verhindert, dass die aus den Vorgaben des Kranführers berechneten Führungsgrößen die Stellgrößenbeschränkungen des Systems wie z. B. die maximale Geschwindigkeit verletzen. Insbesondere wenn auch der aktuelle Systemzustand des Krans als Eingangsgröße in den Bahnplanungsmodul eingeht, können so auch Beschränkungen des Systems berücksichtigt werden, welche von diesem Systemzustand abhängen. Beispielsweise hängt dabei die maximal mögliche radiale Geschwindigkeit von der Position des Auslegers ab.Furthermore, limitations of the system when generating the target trajectories are advantageously taken into account in the path planning module. This prevents the reference variables calculated from the crane operator's specifications from exceeding the system's manipulated variable limitations, such as: B. violate the maximum speed. In particular, if the current system state of the crane is also included as an input variable in the path planning module, system limitations that depend on this system state can also be taken into account. For example, the maximum possible radial speed depends on the position of the boom.

Weiterhin vorteilhafterweise beruht die Trajektoriengenerierung dabei auf einer Optimalsteuerung. Eine solche Optimalsteuerung lässt sich besonders gut in Echtzeit umsetzen, da die nicht-lineare Regelung eine besonders einfache Umsetzung des Bahnplanungsmoduls erlaubt.Furthermore, the trajectory generation is advantageously based on optimal control. Such optimal control can be implemented particularly well in real time, as the non-linear control allows the path planning module to be implemented particularly easily.

Weiterhin vorteilhafterweise arbeitet das Bahnplanungsmodul bei der Prädiktion innerhalb des Zeithorizonts mit einer ansteigenden Länge des Berechnungsintervalle. Durch solche nicht äquidistanten Stützpunkte für die Prädiktion ist es ebenfalls möglich, die Rechenzeit erheblich zu verkürzen. Dabei werden für die nahe Zukunft kurze Intervalle zwischen den Stützpunkten gewählt, während für die fernere Zukunft größere Intervalle gewählt werden, so dass sich insgesamt eine erheblich reduzierte Anzahl von Berechnungsschritten ergibt.Furthermore, the path planning module advantageously works in the prediction within the time horizon with an increasing length of the calculation intervals. Such non-equidistant base points for the prediction also make it possible to significantly shorten the computing time. Short intervals between the base points are chosen for the near future, while larger intervals are chosen for the more distant future, so that overall there is a significantly reduced number of calculation steps.

Weiterhin vorteilhafterweise gehtauch die Position und die Geschwindigkeit des Auslegerkopfes in die Regelung der Lastpendeldämpfung ein. Hierdurch ergeben sich bei der Kransteuerung Regelkreise sowohl für die Position und die Geschwindigkeit des Auslegerkopfes, als auch für den Seilwinkel und/oder Seilwinkelgeschwindigkeit des Seiles.Furthermore, the position and speed of the boom head are also advantageously included in the control of the load sway damping. This results in control loops in the crane control for both the position and speed of the boom head, as well as for the rope angle and/or rope angular speed of the rope.

Die zweite Ausführung der vorliegenden offenbarung mit der Verwendung zweier Sensoreinheiten, welche jeweils unterschiedlichen Seilsträngen des Kranes zugeordnet sind, wurde bisher unabhängig von der ersten Ausführung mit einer Sensoreinheit zur Bestimmung eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung beschrieben. Offenbarungsgemäß wird dabei für beide Ausführungen unabhängig voneinander Schutz beansprucht.The second embodiment of the present disclosure with the use of two sensor units, each of which is assigned to different rope strands of the crane, has previously been described independently of the first embodiment with a sensor unit for determining a rope angle relative to the direction of the gravitational force. According to the disclosure, protection is claimed for both versions independently of one another.

In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind jedoch beide Ausführungen der vorliegenden offenbarung kombiniert. Weiterhin vorteilhafterweise weist das System mit zwei Sensoreinheiten dabei eines oder mehrere der Merkmale auf, welche vorher im Bezug auf die Ausführung der Erfindung beschrieben wurden.However, in a particularly advantageous exemplary embodiment, both versions of the present disclosure are combined. Furthermore, the system with two sensor units advantageously has one or more of the features that were previously described in relation to the implementation of the invention.

Die vorliegende Beschreibung offenbart weiterhin einen Kran zum Anheben einer Last, mit Stellwerken zum Bewegen des Kranes und der Last und mit einer Kransteuerung zur Ansteuerung der Stellwerke, wobei die Kransteuerung eine Lastpendeldämpfung zur Dämpfung von sphärischen Pendelschwingungen der Last aufweist und wobei der Kran mindestens zwei Seilstränge zum Heben der Last aufweist Eine solche Ausführung ist kein Teil der vorliegenden Erfindung. Beschreibungsgemäß sind dabei zwei Sensoreinheiten, welche den zwei Seilsträngen zugeordnet sind, vorgesehen, um die jeweiligen Seilwinkel und/oder Seilwinkelgeschwindigkeiten zu bestimmen. Weiterhin weist die Lastpendeldämpfung dabei eine Regelung auf, in welche die von den zwei Sensoreinheiten bestimmten Seilwinkel und/oder Seilwinkelgeschwindigkeiten eingehen. Durch einen solchen Kran ergeben sich die gleichen Vorteile, wie sie bereits weiter oben bezüglich der Kransteuerung beschrieben wurden.The present description further discloses a crane for lifting a load, with signal boxes for moving the crane and the load and with a crane control for controlling the signal boxes, the crane control having a load sway damping for damping spherical pendulum oscillations of the load and the crane having at least two cable strands for lifting the load. Such an embodiment is not part of the present invention. According to the description, two sensor units, which are assigned to the two rope strands, are provided in order to determine the respective rope angles and/or rope angular speeds. Furthermore, the load sway damping has a control system in which the cable angles and/or cable angular speeds determined by the two sensor units are included. Such a crane offers the same advantages as those already described above with regard to the crane control.

Weiterhin weist dieser Kran dabei eine Kransteuerung auf, wie sie weiter oben beschrieben wurde.Furthermore, this crane has a crane control as described above.

Weiterhin vorteilhafterweise weist der Kran als Stellwerke dabei ein Drehwerk zum Drehen des Kranes und/oder ein Wippwerk zum Aufwippen eines Auslegers auf, welche von der Kransteuerung angesteuert werden. Durch die entsprechende Regelung dieser Ansteuerung über die Lastpendeldämpfung können so sphärische Schwingungen der Last am Seil verhindert werden.Furthermore, the crane advantageously has, as signal boxes, a slewing gear for rotating the crane and/or a luffing gear for luffing up a boom, which are controlled by the crane control. By appropriately regulating this control via the load sway damping, spherical vibrations of the load on the rope can be prevented.

Die vorliegende Beschreibung offenbart weiterhin ein Verfahren zum Ansteuern der Stellwerke eines Kranes, welcher mindestens einen ersten und einen zweiten Seilstrang zum Heben der Last aufweist, wobei sphärische Pendelschwingungen der Last durch eine Lastpendeldämpfung gedämpft werden. Eine solche Ausführung ist kein Teil der vorliegenden Erfindung. Beschreibungsgemäß werden dabei die Seilwinkel und/oder Seilwinkelgeschwindigkeiten des ersten und des zweiten Seilstranges über eine erste und eine zweite Sensoreinheit, welche dem ersten und dem zweiten Seilstrang zugeordnet sind, bestimmt und gehen in die Regelung der Lastpendeldämpfung ein. Durch dieses Verfahren ergeben sich die gleichen Vorteile, wie sie weiter oben im Bezug auf die Kransteuerung beschrieben wurden.The present description further discloses a method for controlling the signal boxes of a crane, which has at least a first and a second cable strand for lifting the load, with spherical pendulum oscillations of the load being dampened by load sway damping. Such an embodiment is not part of the present invention. According to the description, the rope angles and/or rope angular speeds of the first and second rope strands are determined via a first and a second sensor unit, which corresponds to the first and the second Rope strand are assigned, determined and included in the control of the load sway damping. This procedure results in the same advantages as those described above with regard to the crane control.

Vorteilhafterweise erfolgt dabei eine Kompensation der von der ersten und der zweiten Sensoreinheit gemessenen Daten bezüglich des Einbauwinkels der Sensoreinheiten und des Drehwinkels des Kranes. Hierdurch können Abweichungen des Einbauwinkels der Sensoreinheiten von einer exakten radialen bzw. tangentialen Ausrichtung kompensiert werden.Advantageously, the data measured by the first and second sensor units regarding the installation angle of the sensor units and the rotation angle of the crane are compensated. This allows deviations in the installation angle of the sensor units from an exact radial or tangential alignment to be compensated for.

Weiterhin vorteilhafterweise wird durch einen Vergleich der von der ersten und der zweiten Sensoreinheit gemessenen Daten Sensorfehler erkannt. Dabei kann durch den Einsatz zweier Sensoreinheiten, welche den jeweiligen Seilsträngen zugeordnet sind, die hierdurch gewonnene Redundanz ausgenutzt werden.Furthermore, sensor errors are advantageously detected by comparing the data measured by the first and second sensor units. By using two sensor units, which are assigned to the respective rope strands, the resulting redundancy can be exploited.

Weiterhin vorteilhafterweise wird in der Lastpendeldämpfung weiterhin durch eine Mittelwertbildung aus den von der ersten und der zweiten Sensoreinheit bestimmten Seilwinkeln und/oder Seilwinkelgeschwindigkeiten die Torsionsschwingung des Seilfeldes berücksichtigt. So kann Lastpendeldämpfung berücksichtigt werden, dass auch Torsionsschwingungen des Seilfeldes auftreten, welche die Daten der Sensoreinheiten beeinflussen.Further advantageously, the torsional vibration of the rope field is taken into account in the load sway damping by averaging the rope angles and/or rope angular speeds determined by the first and second sensor units. In this way, load sway damping can be taken into account and torsional vibrations of the cable field also occur, which influence the data from the sensor units.

Vorteilhafterweise erfolgt das Verfahren dabei mit einer Kransteuerung, wie sie weiter oben beschrieben wurde.The method is advantageously carried out using a crane control as described above.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher dargestellt. Dabei zeigen:

Figur 0a:
ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hafenmobilkrans,
Figur 0b:
ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Seilfolgeelements der erfindungsgemäßen Kransteuerung,
Figuren 1a, 1b:
die Schwingung der Last, wenn das Seil vor dem Anheben der Last nicht lotrecht ausgerichtet wurde,
Figuren 2a - 2c:
ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem ein Ungleichgewicht der Last ausgeglichen wird,
Figuren 3a - 3c:
ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem das Nachgeben der Kranstruktur bei Belastung ausgeglichen wird,
Figur 4a:
ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Off-Shore-Krans mit entsprechender Auslenkung des Seiles aus der Lotrechten durch eine Bewegung eines Schiffs und
Figur 4b:
die grafische Darstellung eines zulässigen Seilwinkelbereiches.
Figur 5:
ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem zwei Seilstränge mit jeweils zugeordneten Sensoreinheiten vorgesehen sind,
Figur 6:
eine Torsionsschwingung des Seilfeldes aus erstem und zweitem Seilstrang,
Figur 7:
ein Prinzipschaubild der bei einer Torsionsschwingung des Seilfeldes gemessenen Seilgeschwindigkeiten,
Figur 8:
eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Kranes,
Figur 9:
eine Prinzipdarstellung des Wippwerkes des erfindungsgemäßen Kranes,
Figur 10:
eine Prinzipdarstellung einer nicht erfindungsgemäßen Kransteuerung,
Figur 11:
einen Vergleich der Vorgaben des Kranführers mit einer Soll-Trajektorie, welche von einen nicht erfindungsgemäßen Bahnplanungsmodul generiert wird,
Figur 12a:
einen Vergleich einer Soll-Trajektorie mit der tatsächlichen Bewegung der Last bezüglich der Lastgeschwindigkeit,
Figur 12b:
einen Vergleich einer Soll-Trajektorie mit der tatsächlichen Bewegung der Last bezüglich der Lastposition,
Figur 13:
die Geschwindigkeit des Auslegerkopfes im Vergleich mit der Sollgeschwindigkeit der Last sowie dem durch die Bewegung entstehenden radialen Seilwinkel und
Figur 14:
die Zeit, welche zur Berechnung der Soll-Trajektorien benötigt wird.
The present invention will now be illustrated in more detail using exemplary embodiments and drawings. Show:
Figure 0a:
an embodiment of a mobile harbor crane according to the invention,
Figure 0b:
an exemplary embodiment of a rope follower element according to the invention of the crane control according to the invention,
Figures 1a, 1b:
the oscillation of the load if the rope was not aligned vertically before lifting the load,
Figures 2a - 2c:
an embodiment of the method according to the invention, in which an imbalance in the load is compensated for,
Figures 3a - 3c:
an embodiment of a method according to the invention, in which the yielding of the crane structure under load is compensated for,
Figure 4a:
an embodiment of an off-shore crane according to the invention with a corresponding deflection of the rope from the vertical due to a movement of a ship and
Figure 4b:
the graphic representation of a permissible rope angle range.
Figure 5:
a further exemplary embodiment in which two cable strands are provided, each with assigned sensor units,
Figure 6:
a torsional vibration of the rope field made up of the first and second rope strands,
Figure 7:
a schematic diagram of the rope speeds measured during a torsional vibration of the rope field,
Figure 8:
a schematic representation of the crane according to the invention,
Figure 9:
a schematic representation of the luffing gear of the crane according to the invention,
Figure 10:
a schematic representation of a crane control not according to the invention,
Figure 11:
a comparison of the crane operator's specifications with a target trajectory, which is generated by a path planning module not according to the invention,
Figure 12a:
a comparison of a target trajectory with the actual movement of the load in terms of the load speed,
Figure 12b:
a comparison of a target trajectory with the actual movement of the load with respect to the load position,
Figure 13:
the speed of the boom head in comparison with the target speed of the load and the radial cable angle resulting from the movement and
Figure 14:
the time required to calculate the target trajectories.

In Figur 0a ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Auslegerkrans gezeigt, hier eines Hafenmobilkrans, wie sie häufig zum Abwickeln von Frachtumschlagvorgängen in Häfen eingesetzt werden. Solche Auslegerkräne können Lastkapazitäten von bis zu 140t und eine Seillänge von bis zu 80m aufweisen. Das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Krans umfasst dabei einen Ausleger 1, der um eine horizontale Achse 2, mit welcher er an dem Turm 3 angelenkt ist, auf und ab geschwenkt werden kann. Der Turm 3 kann wiederum um eine vertikale Achse gedreht werden, wodurch auch der Ausleger 1 mitgedreht wird. Der Turm 3 ist hierzu drehbar an einem Unterwagen 6 angeordnet, welcher über Räder 7 verfahrbar ist. Zum Verdrehen des Turmes 3 sind dabei nicht gezeigte Stellwerke vorhanden, zum Aufwippen des Auslegers 1 das Stellglied 4. Das Seil 20 zum Heben der Last 10 ist dabei über eine Umlenkrolle am Auslegerkopf geführt, wobei die Länge des Seiles 20 über Winden eingestellt werden kann. Am Seil 20 ist an einem Lastaufnahmepunkt 25 eine Lastaufnahmevorrichtung angeordnet, z. B. ein Manipulator oder Spreader, über welchen die Last 10 aufgenommen werden kann. Die Lastaufnahmevorrichtung weist dabei in dem Ausführungsbeispiel zusätzlich eine Rotatoreinrichtung auf, über welche die Last 10 an der Lastaufnahmevorrichtung gedreht werden kann. In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist der Kran weiterhin mindestens einen ersten und einen zweiten Seilstrang zum Heben der Last auf, wobei alle Seilstränge von der Auslegerspitze zur Lastaufnahmevorrichtung verlaufen.In Figure 0a An exemplary embodiment of a jib crane according to the invention is shown, here a mobile harbor crane, as is often used to handle cargo handling operations in ports. Such jib cranes can have load capacities of up to 140t and a rope length of up to 80m. The exemplary embodiment of the crane according to the invention includes a boom 1, which can be pivoted up and down about a horizontal axis 2, with which it is articulated on the tower 3. The tower 3 can in turn be rotated about a vertical axis, as a result of which the boom 1 is also rotated. For this purpose, the tower 3 is rotatably arranged on an undercarriage 6, which can be moved via wheels 7. There are signal boxes (not shown) for rotating the tower 3, and the actuator 4 for luffing up the boom 1. The rope 20 for lifting the load 10 is guided over a deflection roller on the boom head, whereby the length of the rope 20 can be adjusted using winches. A load-carrying device is arranged on the rope 20 at a load-carrying point 25, e.g. B. a manipulator or spreader, via which the load 10 can be picked up. In the exemplary embodiment, the load-carrying device additionally has a rotator device, via which the load 10 can be rotated on the load-carrying device. In a further embodiment of the invention, the crane further has at least a first and a second cable strand for lifting the load, with all cable strands running from the boom tip to the load-carrying device.

Wie insbesondere in der Draufsicht dargestellt, kann die Last durch Drehen des Turmes 3 in tangentialer Richtung und durch Aufwippen des Auslegers 1 in radialer Richtung bewegt werden. In vertikaler Richtung wird dir Last 10 dabei durch das Aufwippen des Auslegers 1 und die Veränderung der Länge des Seils 20 bewegt. Zu dem kann die Last 10 durch die Rotatoreinheit an der Lastaufnahmevorrichtung rotiert werden.As shown in particular in the top view, the load can be moved in the tangential direction by rotating the tower 3 and in the radial direction by luffing the boom 1. In the vertical direction, the load 10 is moved by luffing the boom 1 and changing the length of the rope 20. In addition, the load 10 can be rotated by the rotator unit on the load-carrying device.

Ein erstes Ausführungsbeispiel des in Figur 0a gezeigten Mobilkrans ist nun mit der erfindungsgemäßen Kransteuerung ausgerüstet, welche eine Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung aufweist. Die Sensoreinheit weist in dem Ausführungsbeispiel dabei zwei Sensoren auf, durch welche jeweils der radiale bzw. der tangentiale Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung bestimmt werden kann. Durch diese Sensoreinheit wird die Ausrichtung des Kranes beim Anheben der Last erheblich vereinfacht, da durch diese Sensoreinheit das Seil problemlos in der Lotrechten über der Last 10 ausgerichtet werden kann.A first embodiment of the in Figure 0a The mobile crane shown is now equipped with the crane control according to the invention, which has a sensor unit for determining the rope angle relative to the direction of gravitational force. In the exemplary embodiment, the sensor unit has two sensors, through which the radial or tangential cable angle can be determined relative to the direction of the gravitational force. This sensor unit significantly simplifies the alignment of the crane when lifting the load, since this sensor unit allows the rope to be easily aligned vertically above the load 10.

Die erfindungsgemäße Kransteuerung kann dabei jedoch nicht nur bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel, also einem Hafenmobilkran, zum Einsatz kommen, sondern ebenso vorteilhafterweise bei anderen Kranen, wie z. B. bei Schiffskranen, Off-Shore-Kranen, Autokranen und Raupenkranen.However, the crane control according to the invention can not only be used in the exemplary embodiment shown, i.e. a mobile harbor crane, but also advantageously in other cranes, such as. B. in ship cranes, off-shore cranes, truck cranes and crawler cranes.

Die erfindungsgemäße Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung ist dabei insbesondere bei Auslegerkränen von besonderem Vorteil, da bei diesen bekannte Systeme, wie sie z. B. bei Kränen mit einer lediglich in horizontaler Richtung bewegbaren Laufkatze zum Einsatz kommen und welche über Meßkamerasysteme arbeiten, nicht einsetzbar sind. Bei Auslegerkränen würden solche Meßkamerasysteme nämlich zusammen mit dem Ausleger mitbewegt und damit lediglich den Winkel des Seils gegenüber dem Ausleger, nicht aber gegenüber der Lotrechten bestimmen. Zudem müßten solche Systeme immer direkt hinter dem Seilfixpunkt am Auslegerkopf angeordnet sein, was bei einem über eine Umlenkrolle am Auslegerkopf geführten beweglichen Seil jedoch kaum möglich ist.The sensor unit according to the invention for determining the rope angle relative to the direction of gravitational force is particularly advantageous in the case of jib cranes, since they use known systems such as those used, for example. B. are used in cranes with a trolley that can only be moved in the horizontal direction and which work via measuring camera systems cannot be used. In the case of jib cranes, such measuring camera systems would move together with the boom and thus only determine the angle of the rope relative to the boom, but not relative to the vertical. In addition, such systems would always have to be arranged directly behind the rope fixation point on the boom head, which is hardly possible with a movable rope guided over a deflection roller on the boom head.

Die erfindungsgemäße Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung wird dagegen in einem Seilfolgeelement 35, wie es in Figur 0b dargestellt ist, angeordnet und bestimmt direkt den Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung in tangentialer und radialer Richtung. Auf eine Bestimmung des Seilwinkels relativ zum Ausleger 1 kann dabei vollkommen verzichtet werden. Ist dieser Winkel des Seils relativ zum Ausleger 1 jedoch von Interesse, könnte auch am Ausleger 1 eine weitere Sensoreinheit zur Bestimmung des Winkels des Auslegers relativ zur Gravitationskraftrichtung angeordnet werden, um über die Differenz der jeweiligen Winkel von Seil und Ausleger zur Gravitationskraftrichtung den Winkel zwischen Seil und Ausleger zu bestimmen.The sensor unit according to the invention for determining the rope angle relative to the direction of gravitational force, on the other hand, is in a rope follower element 35, as shown in Figure 0b is shown, arranged and directly determines the rope angle relative to the direction of gravitational force in the tangential and radial directions. There is no need to determine the rope angle relative to the boom 1. However, if this angle of the rope relative to the boom 1 is of interest, a further sensor unit could also be arranged on the boom 1 to determine the angle of the boom relative to the direction of gravitational force in order to determine the angle between the rope using the difference between the respective angles of the rope and boom to the direction of the gravitational force and boom to determine.

Das in Figur 0b gezeigte Seilfolgeelement 35, an welchem die Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung angeordnet ist, ist dabei am Auslegerkopf 30 des Auslegers 1 durch kardanische Verbindungen 32 und 33 unter der Hauptseilrolle 31 angebracht. Das Seilfolgeelement 35 weist dabei Rollen 36 auf, durch welche das Seil 20 geführt wird, so dass das Seilfolgeelement 35 den Bewegungen des Seils 20 folgt. Die kardanischen Verbindungen 32 und 33 erlauben dem Seilfolgeelement dabei, sich frei um eine horizontale und eine vertikale Achse zu bewegen, unterbinden jedoch Drehbewegungen. Die Ausrichtung des Seilfolgeelementes 35 und damit des Seils 20 relativ zur Gravitationskraftrichtung kann somit über die am Seilfolgeelement 35 angeordnete Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung bestimmt werden.This in Figure 0b Cable follower element 35 shown, on which the sensor unit for determining the cable angle is arranged relative to the direction of gravitational force, is attached to the boom head 30 of the boom 1 by gimbal connections 32 and 33 under the main cable pulley 31. The rope-following element 35 has rollers 36 through which the rope 20 is guided, so that the rope-following element 35 follows the movements of the rope 20. The gimbal connections 32 and 33 allow the cable follower element to move freely about a horizontal and a vertical axis, but prevent rotational movements. The orientation of the rope follower element 35 and thus the rope 20 relative to the direction of the gravitational force can thus be determined via the sensor unit arranged on the rope follower element 35 for determining the rope angle relative to the direction of the gravitational force.

Weiterhin vorteilhafterweise ist in dem Ausführungsbeispiel am Seilfolgeelement 35 zudem eine Gyroskopeinheit angeordnet, über welche die Seilwinkelgeschwindigkeit in radialer und tangentialer Richtung gemessen werden kann, wofür mindestens zwei entsprechend ausgerichtete Gyroskope verwendet werden. Die Daten der Gyroskope stehen dabei vorteilhafterweise einer Lastpendeldämpfung zur Verfügung, welche das Pendeln der Last bei einer Bewegung des Kranes verhindert.Further advantageously, in the exemplary embodiment, a gyroscope unit is also arranged on the cable follower element 35, via which the cable angular speed can be measured in the radial and tangential directions, for which at least two correspondingly aligned gyroscopes are used. The gyroscope data Advantageously, load sway damping is available, which prevents the load from swaying when the crane moves.

Sind mehrere Seilstränge vorgesehen, über welche das Lastaufnahmeelement am Ausleger aufgehängt ist, sind vorteilhafterweise mindestens zweien dieser Seilstränge entsprechende Seilfolgeelemente 35 zugeordnet, um auch die Seilfeldverdrehung, welche aus einer Verdrehung des Lastaufnahmeelements aus der Seilfeldebene resultiert, berücksichtigen zu können. Vorteilhafterweise sind die Seilfolgeelemente dabei auf den jeweils außen angeordneten Seilsträngen angeordnet, so dass sich eine Seilfeldverdrehung maximal in der Differenz der Seilwinkel ausdrückt. Der tatsächliche Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung, welcher eine Auslenkung der Last aus der Lotrechten entspricht, kann dabei durch eine Mittelung der Werte aus den Sensoreinheiten an den jeweiligen Seilfolgeelementen bestimmt werden, die Verdrehung der Last aus der Differenz der Werte.If several cable strands are provided, via which the load-receiving element is suspended on the boom, at least two of these cable strands are advantageously assigned corresponding cable follower elements 35 in order to also be able to take into account the cable field rotation, which results from a rotation of the load-receiving element from the cable field plane. The rope follower elements are advantageously arranged on the rope strands arranged on the outside, so that a rope field twist is expressed at most in the difference in the rope angles. The actual rope angle relative to the direction of gravitational force, which corresponds to a deflection of the load from the vertical, can be determined by averaging the values from the sensor units on the respective rope follower elements, and the rotation of the load from the difference in values.

Das Kardangelenk 32 und 33 dient dabei lediglich der mechanischen Verbindung des Seilfolgeelements 35 mit dem Auslegerkopf 30, die Messung des Seilwinkels erfolgt allein über die in den Seilfolgeelementen 35 integrierten Sensoreinheiten, nicht aber durch eine Bestimmung des Winkels zwischen dem Seilfolgeelement 35 und dem Ausleger 30. Hierdurch könnte nämlich lediglich die relative Ausrichtung des Seils bezüglich des Auslegers 30 bestimmt werden, nicht jedoch der Seilwinkel des Seils 20 relativ zur Gravitationskraftrichtung.The cardan joint 32 and 33 only serves to mechanically connect the cable follower element 35 to the boom head 30; the cable angle is measured solely via the sensor units integrated in the cable follower elements 35, but not by determining the angle between the cable follower element 35 and the boom 30. In this way, only the relative orientation of the rope with respect to the boom 30 could be determined, but not the rope angle of the rope 20 relative to the direction of the gravitational force.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei welchem mindestens ein erster und ein zweiter Seilstrang vorgesehen sind, über welche das Lastaufnahmeelement am Ausleger aufgehängt ist, sind diesen ebenfalls entsprechende Seilfolgeelemente 35 zugeordnet, welche mit Gyroskopeinheiten ausgestattet sind und so die Seilgeschwindigkeit dieser Seilstränge bestimmen. Die Bestimmung der Seilgeschwindigkeiten des ersten und des zweiten Seilstranges ermöglicht es, bei der Lastpendeldämpfung zur Dämpfung sphärischer Pendelschwingungen der Last die Seilfeldverdrehung zu berücksichtigen sowie Messfehler zu korrigieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann auch auf die Sensoreinheiten zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung verzichtet werden und die Seilfolgeelemente 35 lediglich mit Gyroskopeinheiten ausgestattet werden.In a further exemplary embodiment, in which at least a first and a second cable strand are provided, via which the load-bearing element is suspended on the boom, corresponding cable follower elements 35 are also assigned to these, which are equipped with gyroscope units and thus determine the cable speed of these cable strands. Determining the rope speeds of the first and second rope strands makes it possible to take the rope field twist into account and correct measurement errors when swaying the load to dampen spherical pendulum oscillations of the load. In this exemplary embodiment, the sensor units for determining the cable angle relative to the direction of gravitational force can also be dispensed with and the cable follower elements 35 can only be equipped with gyroscope units.

Alternativ zur Anordnung der erfindungsgemäßen Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung an einem Seilfolgeelement 35 könnte diese ebenso z. B. am Seilaufnahmemittel angeordnet werden, wobei die Seilfolgeelemente jedoch insbesondere bei mehreren Seilsträngen eine verbesserte Möglichkeit zur Bestimmung der Verdrehung der Last bieten. Eine solche Ausführung ist Kein Teil der vorliegenden Erfindung.As an alternative to arranging the sensor unit according to the invention for determining the cable angle relative to the direction of gravitational force on a cable follower element 35, this could also be z. B. can be arranged on the rope receiving means, although the rope follower elements offer an improved possibility for determining the rotation of the load, especially with several rope strands. Such an embodiment is not part of the present invention.

Da die Lastpendeldämpfungen, welche in DE 100 64 182 , DE 103 24 692 , DE 100 29 579 und DE 10 2006 033 277 gezeigt sind, und mit welchen der Kran des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels vorteilhafterweise ebenfalls ausgestattet ist, von einer frei am Seil hängenden Last ausgehen und auf Gyroskopdaten beruhen, welche zur Bestimmung absoluter Seilwinkel nicht geeignet sind, können diese Lastpendelsysteme lediglich ein Pendeln der zunächst frei und unbewegt am Seil hängenden Last bei einer Bewegung des Kranes verhindern.Since the load sway damping, which in DE 100 64 182 , DE 103 24 692 , DE 100 29 579 and DE 10 2006 033 277 are shown, and with which the crane of the exemplary embodiment according to the invention is advantageously also equipped, assume a load hanging freely on the rope and are based on gyroscope data, which are not suitable for determining absolute rope angles, these load pendulum systems can only oscillate the load which is initially free and stationary Prevent the load hanging from the rope when the crane moves.

Um das Seil nun vor dem Anheben der Last bzw. beim Anheben lotrecht auszurichten, so dass die Last ohne ein Ausschwingen angehoben werden kann, ist nunmehr der erfindungsgemäße Kran mit der erfindungsgemäßen Sensoreinheit zur Bestimmung eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung vorgesehen.In order to align the rope vertically before lifting the load or during lifting, so that the load can be lifted without swinging out, the crane according to the invention is now provided with the sensor unit according to the invention for determining a rope angle relative to the direction of gravitational force.

Figur 1a zeigt dabei das Grundproblem bei einer nicht lotrechten Ausrichtung des Seiles 20. Das Seil 20, welches bereits mit der noch aufliegenden Last 10 über ein Lastaufnahmemittel verbunden ist, weist durch die falsche Ausrichtung des Auslegers 1 dabei einen Winkel ϕSr relativ zur gestrichelt dargestellten Gravitationskraftrichtung auf. Wird die Last 10 nun aus dieser Position durch Verkürzung der Länge des Seils 20 angehoben, ergibt sich die in Figur 1b gezeigte Schwingung um die Lotrechte, wenn die Last 10 freikommt. Eine solche Schwingung beim Anheben der Last 10 ist dabei besonders gefährlich, da sie in Bodennähe erfolgt und Objekte in der Umgebung der Last 10 leicht beschädigt werden können. Figure 1a shows the basic problem when the rope 20 is not aligned vertically. The rope 20, which is already connected to the load 10 that is still lying on it via a load-carrying device, has an angle ϕ Sr relative to the direction of the gravitational force shown in dashed lines due to the incorrect alignment of the boom 1 . If the load 10 is now raised from this position by shortening the length of the rope 20, the result is the in Figure 1b shown oscillation about the vertical when the load 10 is released. Such a vibration when lifting the load 10 is particularly dangerous because it occurs close to the ground and objects in the vicinity of the load 10 can easily be damaged.

Zudem kann die Last 10, bevor sie freikommt, unkontrolliert verrutschen oder durch ein ungleichmäßiges freikommen unkontrolliert verdreht werden. In Figuren 1a und 1b ist dabei beispielhaft die Auslenkung ϕSr in radialer Richtung dargestellt. Die gleiche Problematik ergibt sich ebenfalls für eine Auslenkung des Seils 20 in tangentialer Richtung, welche durch eine fehlerhafte Stellung des Turmes 3 hervorgerufen wird.In addition, the load 10 can slip uncontrollably before it is released or can be twisted uncontrollably due to uneven release. In Figures 1a and 1b The deflection ϕ Sr in the radial direction is shown as an example. The same problem also arises for a deflection of the cable 20 in the tangential direction, which is caused by an incorrect position of the tower 3.

Um eine solche Auslenkung des Seiles 20 aus der Lotrechten zu Beginn des Hubes zu vermeiden, weist das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Krans deshalb eine Anzeige auf, welche den Seilwinkel ϕ des Seils 20 relativ zur Gravitationskraftrichtung, das heißt zur Lotrechten, anzeigt. Die Anzeige kann dabei z. B. zum einen eine lotrechte Seilstellung optisch und/oder akustisch anzeigen und zudem die Richtung angeben, in welche das Seil 20 von der Lotrechten ausgelenkt ist.In order to avoid such a deflection of the rope 20 from the vertical at the beginning of the stroke, the exemplary embodiment of the crane according to the invention therefore has a display which shows the rope angle φ of the rope 20 relative to the direction of gravitational force, that is to say to the vertical. The display can z. B. on the one hand, display a vertical rope position visually and / or acoustically and also indicate the direction in which the rope 20 is deflected from the vertical.

Eine solche Anzeige kann damit z. B. Anzeigeelemente für eine Auslenkung nach vorne bzw. hinten und Anzeigeelemente für eine Auslenkung nach links oder rechts aufweisen, welche eine Auslenkung in radialer bzw. in tangentialer Richtung anzeigen.Such an ad can e.g. B. have display elements for a deflection to the front or rear and display elements for a deflection to the left or right, which indicate a deflection in the radial or tangential direction.

Alternativ kann auch die horizontale Abweichung der Last aus einer Nullstellung, welcher einer lotrechten Ausrichtung des Seils entspricht, angezeigt werden. Insbesondere ist hierbei eine graphische Anzeige der Nullstellung und der Abweichung der Last denkbar, so dass dem Kranführer die absolute Auslenkung der Last direkt angezeigt wird.Alternatively, the horizontal deviation of the load from a zero position, which corresponds to a vertical alignment of the rope, can also be displayed. In particular, a graphical display of the zero position and the deviation of the load is conceivable, so that the absolute deflection of the load is directly displayed to the crane operator.

Durch eine solche Anzeige kann der Kranführer den Kran zu Beginn des Hubes problemlos so ausrichten, dass das Seil 20 lotrecht über der Last 10 angeordnet ist. Die korrekte lotrechte Seilstellung kann dann z. B. akustisch durch einen Signalton angezeigt werden.With such a display, the crane operator can easily align the crane at the start of the lift so that that the rope 20 is arranged vertically above the load 10. The correct vertical rope position can then be achieved e.g. B. be indicated acoustically by a signal tone.

In einer alternativen Ausführungsform ist dabei, gegebenenfalls zusätzlich zur Anzeige, eine Funktion zur automatischen Ausrichtung des Seils in lotrechter Richtung vorgesehen. Durch Betätigen dieser Funktion richtet sich der Kran nach Befestigung des Lastaufnahmemittels an der Last automatisch so aus, dass das Seil sich in der Lotrechten befindet. Um bei einer Fehlfunktion der erfindungsgemäßen Sensoreinheit ein unkontrolliertes Bewegen des Kranes zu vermeiden, ist diese automatische Funktion vorteilhafterweise z. B. mit einer Seilkraftmeßeinrichtung verbunden, welche bei Fehlern den automatischen Betrieb ausschaltet.In an alternative embodiment, a function for automatically aligning the rope in the vertical direction is provided, if necessary in addition to the display. By activating this function, the crane automatically aligns itself after attaching the load handler to the load so that the rope is vertical. In order to avoid uncontrolled movement of the crane in the event of a malfunction of the sensor unit according to the invention, this automatic function is advantageously z. B. connected to a rope force measuring device, which switches off automatic operation in the event of errors.

Bei Verwendung mehrerer Seilstränge zwischen Auslegerkopf und Lastaufnahmemittel kann zudem die Seilfeldverdrehung über mehrere Sensoreinheiten bestimmt werden. Diese Seilfeldverdrehung entspricht der Verdrehung des Lastaufnahmemittels, z. B. eines Spreaders, und würde beim Anheben der Last zu einer Rotation der Last führen. Um dies zu verhindern, wird vorteilhafterweise, gegebenenfalls neben dem Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung bzw. der horizontalen Abweichung der Last, auch die Verdrehung des Seilfeldes angezeigt. Weist das Lastaufnahmemittel eine Rotoreinrichtung auf, kann hierdurch vor dem Hub die Seilfeldverdrehung auf 0 gestellt werden, um eine Rotation der Last 10 beim Anheben zu verhindern. Auch hierzu kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel vorteilhafterweise eine Funktion zur automatischen Ausrichtung der Rotoreinrichtung vorgesehen sein.When using several rope strands between the boom head and the load-carrying device, the rope field twist can also be determined using several sensor units. This rope field twist corresponds to the twist of the load-carrying device, e.g. B. a spreader, and would cause the load to rotate when lifting the load. In order to prevent this, the twist of the rope field is also advantageously displayed, if necessary in addition to the rope angle relative to the direction of the gravitational force or the horizontal deviation of the load. If the load-carrying device has a rotor device, the cable field twist can be set to 0 before the lift in order to prevent rotation of the load 10 when lifting. In a further exemplary embodiment, a function for automatic alignment of the rotor device can also advantageously be provided for this purpose.

Weiterhin weist das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Krans neben der Anzeige eine Warneinrichtung auf, welche den Kranführer bei Überschreiten zulässigen Wertebereichs für eine sich aus dem gemessenen Seilwinkel ergebende Abweichung, insbesondere für den Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung, für die horizontale Abweichung der Last und/oder die Seilfeldverdrehung durch ein optisches und/oder akustisches Signal warnt. Hierdurch hat der Kranführer die Möglichkeit, eine zu starke Auslenkung des Seils zu verhindern und so den Kran z. B. vor Überlastung zu schützen. Ebenso kann so ein zu starkes Pendeln der Last beim Anheben vermieden werden.Furthermore, the exemplary embodiment of the crane according to the invention has, in addition to the display, a warning device which alerts the crane operator if the permissible value range is exceeded for a deviation resulting from the measured rope angle, in particular for the rope angle relative to the direction of gravitational force, for the horizontal deviation of the load and / or the rope field rotation warns with a visual and/or acoustic signal. This gives the crane operator the opportunity to prevent the rope from deflection too much and thus e.g. B. to protect against overload. This also prevents the load from swaying too much when being lifted.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann, gegebenenfalls zusätzlich zur Warneinrichtung, eine automatische Sicherungseinrichtung, z.B. in Form einer Überlastsicherung vorgesehen sein, welche beim Überschreiten des zulässigen Wertebereichs automatisch in die Steuerung des Kranes eingreift. Insbesondere stoppt die automatische Überlastsicherung dabei die Bewegung des Kranes, um eine Überlast zu verhindern. Die Überlastsicherung kann dabei in die Lastmomentbegrenzung des Kranes integriert sein, welche den Kran so gegen Belastung durch einen zu großen Seilwinkel schützt.In an alternative exemplary embodiment, an automatic safety device, for example in the form of an overload protection, can be provided, if necessary in addition to the warning device, which automatically intervenes in the control of the crane when the permissible value range is exceeded. In particular, the automatic overload protection stops the movement of the crane to prevent overload. The overload protection can be integrated into the load moment limitation of the crane, which protects the crane against stress caused by a rope angle that is too large.

Weiterhin ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass das Anheben der Last 10 nicht möglich ist, so lange sich der Seilwinkel bzw. die Seilfeldverdrehung nicht im zulässigen Bereich befindet. Hierdurch wird ein ungewolltes Pendeln der Last 10 beim Anheben effektiv verhindert.Furthermore, in a further exemplary embodiment it is provided that lifting the load 10 is not possible as long as the rope angle or the rope field twist is not within the permissible range. This effectively prevents unwanted swaying of the load 10 when being lifted.

In Figuren 2 und 3 sind nun zwei Situationen dargestellt, in welchen das Seil 20 zunächst lotrecht ausgerichtet ist, beim Anheben der Last 10 jedoch aus der Lotrechten wegbewegt wird.In Figures 2 and 3 Two situations are now shown in which the rope 20 is initially aligned vertically, but is moved away from the vertical when the load 10 is lifted.

In Figuren 2a bis 2c geschieht dies dadurch, dass der Schwerpunkt 26 der Last 10 sich zu Beginn des Hubvorgangs nicht unterhalb des Lastaufnahmepunkts 25 befindet. Wird die Last 10 nun, wie in Figur 2b dargestellt, angehoben, stellt sich diese schräg, bis der Schwerpunkt 26 der Last unter dem Lastaufnahmepunkt 25 angeordnet ist. Durch diese Verkantung der Last 10 wird der Lastaufnahmepunkt 25, an welchem das Seil 20 z. B. am Lastaufnahmemittel befestigt ist, jedoch in horizontaler Richtung bewegt, im hier gezeigten Fall in radialer Richtung nach innen. Hierdurch verändert sich der Seilwinkel relativ zur Lotrechten, was bei einem kompletten Freikommen der Last 10 zu einer ungewünschten Schwingung der Last führen würde.In Figures 2a to 2c This happens because the center of gravity 26 of the load 10 is not below the load receiving point 25 at the start of the lifting process. The load will now be 10, as in Figure 2b shown, raised, this is tilted until the center of gravity 26 of the load is arranged below the load receiving point 25. Due to this tilting of the load 10, the load receiving point 25, at which the rope 20 z. B. is attached to the load-carrying device, but moves in a horizontal direction, in the case shown here in a radial direction inwards. This changes the rope angle relative to the vertical, which would lead to an undesirable oscillation of the load if the load 10 were to come completely free.

Deshalb wird in einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens während des Anhebens der Last 10 die Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten bestimmt. Im einfachsten Ausführungsbeispiel überprüft der Kranführer dabei auf der Anzeige den Seilwinkel bzw. die horizontale Abweichung und stellt den Kran während dem Hub nach, um die Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten durch das Ungleichgewicht der Last wieder auszugleichen. Bei einem verbesserten Ausführungsbeispiel wird das Ungleichgewicht der Last aus der Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten bestimmt und angezeigt, so dass der Kranführer besser reagieren kann.Therefore, in one exemplary embodiment of a method, the deviation of the rope angle from the vertical is determined while the load 10 is being lifted. In the simplest exemplary embodiment, the crane operator checks the cable angle or the horizontal deviation on the display and adjusts the crane during the lift in order to compensate for the deviation of the cable angle from the vertical due to the imbalance of the load. In an improved embodiment, the imbalance of the load is determined and displayed from the deviation of the cable angle from the vertical, so that the crane operator can react better.

In der in Figur 2c gezeigten Stellung wurde der Kran nun so bewegt, dass die durch das Ungleichgewicht der Last bedingte Schrägstellung, bei welcher der Schwerpunkt 26 unterhalb des Lastaufnahmepunkts 25 angeordnet ist, ausgeglichen wurde. Beim kompletten Freikommen der Last 10 wird hierdurch eine ungewollte Schwingung der Last aufgrund des Ungleichgewichts der Last vermieden.In the in Figure 2c In the position shown, the crane was now moved in such a way that the inclination caused by the imbalance of the load, in which the center of gravity 26 is arranged below the load receiving point 25, was compensated for. When the load 10 is completely released, this avoids unwanted oscillation of the load due to the imbalance of the load.

In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Lastaufnahmemittel eine Vorrichtung zur insbesondere linearen Bewegung der Last 10 relativ zum Lastaufnahmepunkt 25 auf, über welche der Schwerpunkt 26 der Last ohne ein Verkippen der Last 10 unterhalb des Lastaufnahmepunkts 25 angeordnet werden kann. Hierzu weist das Lastaufnahmemittel, z. B. ein Spreader, z. B. eine Längsverschiebung des Lastaufnahmepunkts 25 relativ zur Last, z. B. einem Container, auf.In an exemplary embodiment not shown, the load-carrying means has a device for, in particular, linear movement of the load 10 relative to the load-carrying point 25, via which the center of gravity 26 of the load can be arranged below the load-carrying point 25 without tilting the load 10. For this purpose, the load-carrying device, e.g. B. a spreader, e.g. B. a longitudinal displacement of the load receiving point 25 relative to the load, e.g. B. a container.

Wird nun beim Anheben der Last eine Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten festgestellt, kann der Kranführer den Lastaufnahmepunkt so lange relativ zur Last verfahren, bis das Seil wieder lotrecht ausgerichtet ist. Ebenso kann anhand der Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten das Ungleichgewicht der Last bestimmt und angezeigt werden, so dass der Kranfahrer die Ansteuerung der Längsverstellung des Spreaders anhand dieser Anzeige vornehmen kann. Ebenso ist eine automatische Verstellung des Spreaders denkbar.If a deviation of the rope angle from the vertical is detected when lifting the load, the crane operator can move the load pick-up point relative to the load until the rope is aligned vertically again. The imbalance of the load can also be determined based on the deviation of the rope angle from the vertical displayed so that the crane driver can control the longitudinal adjustment of the spreader using this display. Automatic adjustment of the spreader is also conceivable.

Eine solche Verstellung des Spreaders anhand der Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten ist von besonderem Vorteil, da ein Verkippen der Container insbesondere beim Verladen in ein Schiff zu einem Verklemmen der Container führen kann, durch welches das Verladen erheblich behindert werden kann.Such an adjustment of the spreader based on the deviation of the rope angle from the vertical is of particular advantage, since tilting of the containers, especially when loading into a ship, can lead to the containers jamming, which can significantly hinder loading.

In Figuren 3a bis 3c ist nun ein weiterer Effekt zu sehen, durch welchen eine Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten beim Anheben der Last hervorgerufen werden kann. In Figur 3a ist vor Beginn des Hubs das Seil 20 noch lotrecht ausgerichtet. Da sich der Schwerpunkt 26 der Last unter dem Lastaufnahmepunkt 25 befindet, die Last also kein Ungleichgewicht aufweist, verschiebt sich der Lastaufnahmepunkt 25 beim Anheben der Last 10 in diesem Fall nicht. Wie in Figur 3b gezeigt, gibt jedoch die Kranstruktur durch die Belastung beim Anheben der Last nach, wobei in diesem Fall Turm 3 und Ausleger 1 leicht nach vorne gebeugt werden. Hierdurch wird die Auslegerspitze 30, über welche das Seil 20 läuft, relativ zum Lastaufnahmepunkt 25 bewegt, so dass sich eine Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten durch das Nachgeben der Kranstruktur ergibt.In Figures 3a to 3c Another effect can now be seen, which can cause a deviation of the rope angle from the vertical when lifting the load. In Figure 3a the rope 20 is still aligned vertically before the start of the stroke. Since the center of gravity 26 of the load is located below the load-bearing point 25, i.e. the load is not imbalanced, the load-bearing point 25 does not shift when the load 10 is lifted in this case. As in Figure 3b shown, however, the crane structure gives way due to the load when lifting the load, in which case tower 3 and boom 1 are bent slightly forward. As a result, the boom tip 30, over which the rope 20 runs, is moved relative to the load-bearing point 25, so that the rope angle deviates from the vertical due to the yielding of the crane structure.

Erfindungsgemäß wird diese Abweichung in einem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens vom Kranführer anhand der Anzeige des Seilwinkels beim Anheben der Last ausgeglichen. Ebenso kann die Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten durch das Nachgeben der Kranstruktur unter der Belastung bestimmt werden, welche dann angezeigt werden kann, um die Arbeit des Kranführers zu erleichtern. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist auch eine automatische Nachführung des Krans zur lotrechten Ausrichtung auf Grundlage der Daten der Sensoreinheit zur Bestimmung eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung möglich. Ist der Seilwinkel wieder in der lotrechten ausgerichtet, kann die Last, wie in Figur 3c gezeigt, ohne Schwingungen angehoben werden.According to the invention, in a first exemplary embodiment of the method, this deviation is compensated for by the crane operator based on the display of the rope angle when lifting the load. Likewise, the deviation of the rope angle from the vertical can be determined by the yielding of the crane structure under the load, which can then be displayed to facilitate the crane operator's work. In a further exemplary embodiment, automatic tracking of the crane for vertical alignment is also possible based on the data from the sensor unit for determining a rope angle relative to the direction of the gravitational force. If the rope angle is again aligned vertically, the load can be carried as in Figure 3c shown can be raised without vibrations.

In Figur 4a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Krans zu sehen. Hierbei handelt es sich um einen Off-Shore-Kran, welcher auf einer Off-Shore-Plattform 50 angeordnet ist und z. B. zum Verladen einer Last 10 von einem Schiff 60 auf die Plattform 50 dient. Da das Schiff 60 sich relativ zur Plattform 50 bewegen kann, kann auch der Seilwinkel des Seils 20 relativ zur Lotrechten ohne eine Bewegung des Krans durch eine Bewegung des Schiffes verändert werden.In Figure 4a Another embodiment of the crane according to the invention can be seen. This is an off-shore crane, which is arranged on an off-shore platform 50 and z. B. is used to load a load 10 from a ship 60 onto the platform 50. Since the ship 60 can move relative to the platform 50, the rope angle of the rope 20 relative to the vertical can also be changed by moving the ship without moving the crane.

Um dieser Situation Rechnung zu tragen, ist in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Krans eine Überlastfunktion vorgesehen, welche gegebenenfalls neben den oben beschriebenen Warn- und Sicherheitsfunktionen eingesetzt werden kann. Um z. B. eine Zerstörung des Krans zu verhindern, wenn sich das Seil 20 am Schiff 60 verhakt und die Bewegung des Schiffes 60 den Kran zu überlasten droht, werden Gegenmaßnahmen eingeleitet, wenn der Seilwinkel einen maximal zulässigen Bereich überschreitet. Insbesondere kann hierbei die Bewegung des Krans teilweise freigegeben werden, z. B. indem das Seil 20 freigegeben wird oder die Drehbewegung des Turmes 3. Diese Freigabe erfolgt dabei kontrolliert mit einer gewissen Gegenkraft, um plötzliche Kraftstöße zu vermeiden.In order to take this situation into account, an overload function is provided in an exemplary embodiment of the crane according to the invention, which can optionally be used in addition to the warning and safety functions described above. To e.g. B. to prevent destruction of the crane if the rope 20 gets caught on the ship 60 and the movement of the ship 60 threatens to overload the crane, countermeasures are initiated if the rope angle exceeds a maximum permissible range. In particular, the movement of the crane can be partially enabled, e.g. B. by releasing the rope 20 or the rotational movement of the tower 3. This release takes place in a controlled manner with a certain counterforce in order to avoid sudden force surges.

Hierdurch kann auf Grundlage des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung eine einfach auszuführende Überlastsicherung realisiert werden, welche nur anhand eines Seilskraftsensors nur schwierig zu realisieren ist. Durch eine solche Überlastsicherung, welche eine teilweise Freigabe der Kranbewegung bewirkt, kann zudem ein unkontrolliertes Schleifen der Last 10 über das Schiff 60 verhindert werden.As a result, an easy-to-implement overload protection can be implemented based on the rope angle relative to the direction of the gravitational force, which is difficult to implement using a rope force sensor. Such an overload protection, which causes a partial release of the crane movement, can also prevent uncontrolled dragging of the load 10 over the ship 60.

Der zulässige Bereich 70 für den Seilwinkel in X- und Y-Richtung ist z.B. in Figur 4b schraffiert gezeigt. Überschreitet der Seilwinkel diesen zulässigen Bereich 70, wird entweder die Warnfunktion oder eine der Überlastfunktionen ausgelöst.The permissible range 70 for the rope angle in the X and Y directions is, for example, in Figure 4b shown hatched. If the rope angle exceeds this permissible range 70, either the warning function or one of the overload functions is triggered.

Figur 4b zeigt dabei ein Anzeigeelement zur Anzeige einer Abweichung von einer lotrechten Stellung des Seils, mit einem zulässigen Bereich 70 für den Seilwinkel bzw. für die horizontale Abweichung in X- und Y-Richtung, das heißt in radialer und tangentialer Richtung. Die Anzeige des Seilwinkels erfolgt hierdurch graphisch, z.B. indem der Seilwinkel in dem in Figur 4b gezeigten Diagramm als Punkt dargestellt wird. Anstelle des Seilwinkels kann auch die horizontale Abweichung der Last aus der in der Mitte liegenden Nullstellung dargestellt werden, das heißt der Abstand der Last von der Position, in welcher sie sich bei gleicher Kranstellung, aber lotrechtem Seil befände. Der Kranfahrer kann so die absolute Auslenkung der Last direkt erkennen und so leichter abschätzen, wie weit der Kran zur korrekten Ausrichtung des Seils verfahren werden muss. Figure 4b shows a display element for displaying a deviation from a vertical position of the rope, with a permissible range 70 for the rope angle or for the horizontal deviation in the X and Y directions, that is in the radial and tangential directions. The cable angle is displayed graphically, for example by displaying the cable angle in the in Figure 4b shown diagram is represented as a point. Instead of the rope angle, the horizontal deviation of the load from the zero position in the middle can also be shown, i.e. the distance of the load from the position in which it would be if the crane were in the same position but the rope was vertical. This means the crane driver can directly see the absolute deflection of the load and can therefore more easily estimate how far the crane needs to be moved to correctly align the rope.

Durch die erfindungsgemäße Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Lotrechten durch eine Sensoreinheit zur Bestimmung eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung und die entsprechenden Kransteuerungen und Kransteuerungsverfahren ist neben einer einfacheren Bedienung und Ausrichtung des Kranes auch eine erheblich erhöhte Sicherheit beim Hub von Lasten möglich.Through the inventive determination of the rope angle relative to the vertical by a sensor unit for determining a rope angle relative to the direction of gravitational force and the corresponding crane controls and crane control methods, in addition to simpler operation and alignment of the crane, significantly increased safety when lifting loads is possible.

In einem weitern Ausführungsbeispiel, der kein Teil der vorliegenden Erfindung ist weist der Kran mindestens einen ersten und einen zweiten Seilstrang auf, welche das Lastaufnahmemittel mit der Auslegerspitze verbinden. Insbesondere ist dabei eine verbesserte Dämpfung der sphärischen Schwingungen der Last durch die Kransteuerung gegeben.In a further exemplary embodiment, which is not part of the present invention, the crane has at least a first and a second cable strand, which connect the load-carrying means to the boom tip. In particular, the crane control provides improved damping of the spherical vibrations of the load.

Regelungs- und Automatisierungskonzepte für Kräne, die die Pendelbewegung der Last am Seil bei einer Kranbewegung verhindern, sind auf die genaue Messung der Seilwinkel angewiesen. Insbesondere bei Auslegerkränen ist es dabei vorteilhaft, nicht direkt die Seilwinkel über beispielsweise Bildverarbeitende Methoden zu bestimmen, sondern die Winkelgeschwindigkeiten mittels Gyroskopen zu messen.Control and automation concepts for cranes that prevent the load on the rope from swinging during crane movement rely on the precise measurement of the rope angles. In the case of jib cranes in particular, it is advantageous not to determine the rope angle directly using, for example, image processing methods, but rather to measure the angular velocities using gyroscopes.

Da die Gyroskopsignale allerdings Offsetbehaftet sind und auch Störeinflüsse, wie Seiloberschwingungen, erfassen, werden Beobachterschaltungen für die Integration der Geschwindigkeiten zu den Seilwinkeln eingesetzt.However, since the gyroscope signals are subject to offset and also detect disruptive influences such as cable harmonics, observer circuits are used to integrate the speeds into the cable angles.

Um die Winkelgeschwindigkeiten der pendelnden Last zu erfassen, werden die Gyroskope mittels einer mechanischen Konstruktion am Seil unter der Auslegerspitze befestigt. Notwendig für die Erfassung der sphärischen Lastschwingung sind zwei Gyroskope, die in tangentialer und radialer Richtung angeordnet sind.In order to record the angular velocities of the oscillating load, the gyroscopes are attached to the rope under the boom tip using a mechanical structure. Two gyroscopes, which are arranged in tangential and radial directions, are necessary for recording the spherical load vibration.

Wie in Abbildung 5 dargestellt, wird zur verbesserten Lastpendeldämpfung nun vorgeschlagen, sowohl dem ersten als auch dem zweiten Seilstrang ein Seilfolgeelement, wie es in Fig. 0b gezeigt ist, zuzuordnen. Anstelle der Sensoreinheit zur Bestimmung eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung sind die Seilfolgeelemente jedoch mit Gyroskopeinheiten ausgestattet, welche zur Lastpendeldämpfung besser geeignet sind. Über diese erfolgt eine Winkelgeschwindigkeitserfassung der pendelnden Kranlast.As in Figure 5 shown, in order to improve load sway damping, it is now proposed to add a cable follower element to both the first and the second cable strand, as in Fig. 0b is shown to be assigned. However, instead of the sensor unit for determining a rope angle relative to the direction of gravitational force, the rope follower elements are equipped with gyroscope units, which are better suited for load sway damping. This is used to record the angular velocity of the oscillating crane load.

Figur 0b zeigt dabei ein erstes Seilfolgeelement 35, an welchem im hier gezeigten Ausführungsbeispiel die dem ersten Seilstrang zugeordnete erste Sensoreinheit angeordnet ist. Das erste Seilfolgeelement ist dabei am Auslegerkopf 30 des Auslegers 1 durch kardanische Verbindungen 32 und 33 unter einer ersten Seilrolle 31 angebracht, über welche der erste Seilstrang 20 geführt ist. Das Seilfolgeelement 35 weist dabei Rollen 36 auf, durch welche der erste Seilstrang 20 geführt ist, so dass das Seilfolgeelement 35 den Bewegungen des Seilstrangs 20 folgt. Die kardanischen Verbindungen 32 und 33 erlauben dem Seilfolgeelement dabei, sich frei um eine horizontale und eine vertikale Achse zu bewegen, unterbinden jedoch Drehbewegungen. Die radiale und tangentiale Winkelgeschwindigkeit des ersten Seilfolgeelementes 35 und damit des ersten Seilsstrangs 20 kann somit über die am Seilfolgeelement 35 angeordnete erste Sensoreinheit, welche als Gyroskopeinheit ausgeführt ist, bestimmt werden. Ein zweites Seilfolgeelement mit einer zweiten Sensoreinheit, welches einem zweiten Seilstrang zugeordnet ist, ist analog zum ersten Seilfolgeelement aufgebaut und mit der Auslegerspitze verbunden. Das zweite Seilfolgeelement misst dementsprechend die Winkelgeschwindigkeit des zweiten Seilstranges. Figure 0b shows a first cable follower element 35, on which the first sensor unit assigned to the first cable strand is arranged in the exemplary embodiment shown here. The first cable follower element is attached to the boom head 30 of the boom 1 by gimbal connections 32 and 33 under a first cable pulley 31, over which the first cable strand 20 is guided. The cable follower element 35 has rollers 36 through which the first cable strand 20 is guided, so that the cable follower element 35 follows the movements of the cable strand 20. The gimbal connections 32 and 33 allow the cable follower element to move freely about a horizontal and a vertical axis, but prevent rotational movements. The radial and tangential angular velocity of the first cable follower element 35 and thus of the first cable strand 20 can thus be determined via the first sensor unit arranged on the cable follower element 35, which is designed as a gyroscope unit. A second cable follower element with a second sensor unit, which is assigned to a second cable strand, is constructed analogously to the first cable follower element and is connected to the boom tip. The second rope follower element accordingly measures the angular velocity of the second rope strand.

Die Gyroskopsignale (Winkelgeschwindigkeiten in tangentialer und radialer Richtung) beider Seilfolgeelemente werden mit identischen Algorithmen aufbereitet und verarbeitet. Zunächst werden Störeinflüsse, die durch falsche Montage hervorgerufen werden, softwaretechnisch kompensiert (siehe Gleichung 0.1). Sind die Empfindlichkeitsebenen der Gyroskopsensoren nicht exakt in tangentialer und radialer Richtung sondern durch falsche Montage verkippt, messen die Sensoren die Drehgeschwindigkeit des Kranes anteilig mit.

Figure imgb0001
The gyroscope signals (angular velocities in tangential and radial directions) from both cable follower elements are prepared and processed using identical algorithms. First of all, disruptive influences caused by incorrect assembly are compensated for by software (see equation 0.1). If the sensitivity levels of the gyroscope sensors are not tilted exactly in the tangential and radial directions but are tilted due to incorrect installation, the sensors also measure the rotational speed of the crane proportionally.
Figure imgb0001

Der Einbau- oder Montagewinkel für jeden Gyroskopsensor auf beiden Seilfolgeelemente ist jeweils ϕeinbau , ϕ̇D ist die Drehgeschwindigkeit des Krans, ϕ̇ t/rmess ist die tangentiale oder radiale Winkelgeschwindigkeit und ϕ̇ t/rkomp ist das resultierende kompensierte Gyroskopsignal.The installation or mounting angle for each gyroscope sensor on both cable follower elements is respectively ϕ installation , ϕ̇ D is the rotational speed of the crane, ϕ̇ t / rmess is the tangential or radial angular velocity and ϕ̇ t / rkomp is the resulting compensated gyroscope signal.

Weiterhin werden die kompensierten Messsignale mit einer Beobachterschaltung offsetfrei zu den Seilwinkeln integriert. Nach dieser Aufbereitung stehen nun die Seilwinkel für beide Seilfolgeelemente in tangentialer und radialer Richtung zur Verfügung.Furthermore, the compensated measurement signals are integrated offset-free into the cable angles using an observer circuit. After this preparation, the rope angles are now available for both rope follower elements in the tangential and radial directions.

Die Erweiterung des Messkonzeptes um das zweite Seilfolgeelement führt zu zwei wesentlichen Vorteilen gegenüber der Variante mit nur einem Seilfolgeelement oder der Variante mit den Gyroskopsensoren im Haken.The expansion of the measuring concept to include the second rope-following element leads to two significant advantages compared to the variant with only one rope-following element or the variant with the gyroscope sensors in the hook.

Der erste Vorteil ist die Redundanz der Messung des Lastpendelns. Fällt ein Sensor auf einer der beiden Seilfolgeelemente aus, wird die Winkelgeschwindigkeit immer noch von dem Sensor der anderen Halterung erfasst. Damit kann die Grundfunktion der Kransteuerung (die Pendeldämpfung und Trajektorienfolge) sichergestellt werden. Durch Differenzbildung der Winkelsignale beider Seilfolgeelemente in die jeweiligen Richtungen lässt sich weiterhin bei Überschreiten eines Schwellwertes ein Sensorfehler detektieren. Somit kann der Kran bei Auftreten eines Sensorfehlers sofort in einen sicheren Zustand gebracht werden.The first advantage is the redundancy of the load swing measurement. If a sensor on one of the two cable follower elements fails, the angular velocity is still recorded by the sensor on the other holder. This allows the basic function of the crane control (sway damping and trajectory sequence) to be ensured. By forming the difference between the angle signals of both cable follower elements in the respective directions, a sensor error can still be detected if a threshold value is exceeded. This means that if a sensor error occurs, the crane can be immediately brought into a safe state.

Der zweite Vorteil ist die Möglichkeit der Kompensation der Torsionsschwingung der Last. Dabei wird, wie Gleichung 0.2 zeigt, der Mittelwert der Winkelsignale der beiden Seilfolgeelemente in die entsprechende Richtung berechnet.

Figure imgb0002
The second advantage is the possibility of compensating the torsional vibration of the load. As shown in Equation 0.2, the mean value of the angle signals of the two rope follower elements is calculated in the corresponding direction.
Figure imgb0002

Der Seilwinkel in tangentiale Richtung ϕt berechnet sich also aus dem Mittelwert der beobachteten Winkelsignale der Halterung 41 ϕ tbeobH1 und Halterung 42 ϕ tbeobH2. Gleiches gilt für den Seilwinkel in radiale Richtung symbolisiert durch den Indize r. Tritt eine Torsion der Last mit der Winkelgeschwindigkeit ϕ̇Torsion auf, messen die Gyroskope auf den Seilfolgeelemente 41 und 42 exakt eine entgegen gesetzte Störschwingung sowohl in tangentialer als auch in radialer Richtung. Damit kann durch die Mittelwertbildung der Einfluss der Torsionsschwingung eliminiert werden. Die Regelung der Lastpendeldämpfung, in welche die von den zwei Gyroskopeinheiten erzeugten Daten eingehen, wird nun im folgenden näher dargestellt.The cable angle in the tangential direction ϕ t is therefore calculated from the average of the observed angle signals of the holder 41 ϕ tbeobH 1 and holder 42 ϕ tbeobH 2 . The same applies to the rope angle in the radial direction, symbolized by the index r . If a torsion of the load occurs with the angular velocity ϕ̇ torsion , the gyroscopes on the cable follower elements 41 and 42 measure exactly an opposite spurious vibration in both the tangential and radial directions. This means that the influence of torsional vibration can be eliminated by averaging. The control of the load sway damping, into which the data generated by the two gyroscope units are included, will now be described in more detail below.

In dem betrachteten Fall ist die Dynamik der Auslegerbewegung durch einige vorherrschende nichtlineare Wirkungen gekennzeichnet. Die Verwendung eines linearen Steuergerät würde daher große Fehler bei der Trajektoriennachführung und ungenügende Dämpfung der Lastpendelung bewirken. Um diese Probleme zu überwinden, nutzt die vorliegende Erfindung ein nichtlineares Steuerungsvorgehen, das auf der Umkehr eines vereinfachten nichtlinearen Modells beruht. Dieses Steuerungsvorgehen für die Wippbewegung eines Auslegerkrans erlaubt eine schwenkfreie Lastbewegung in radialer Richtung. Durch Verwenden einer zusätzlichen stabilisierenden Regelungsschleife zeigt die sich ergebende erfindungsgemäße Kransteuerung eine hohe Genauigkeit der Trajektoriennachführung und eine gute Dämpfung der Lastpendelung. Messergebnisse werden vorgelegt, um die gute Leistung des nichtlinearen Trajektoriennachführungssteuergeräts zu validieren.In the case under consideration, the dynamics of the cantilever movement is characterized by some predominant nonlinear effects. The use of a linear control device would therefore cause large errors in trajectory tracking and insufficient damping of the load oscillation. To overcome these problems, the present invention utilizes a nonlinear control approach based on the inversion of a simplified nonlinear model. This control procedure for the luffing movement of a jib crane allows a pivot-free load movement in the radial direction. By using an additional stabilizing control loop, the resulting crane control according to the invention shows a high accuracy of trajectory tracking and good damping of the load sway. Measurement results are presented to validate the good performance of the nonlinear trajectory tracking controller.

Auslegerkrane wie der LIEBHERR Hafenmobilkran LHM (siehe Fig. 1) werden zum effizienten Handhaben von Umschlagprozessen in Häfen verwendet. Diese Art von Auslegerkranen ist durch eine Lastkapazität von bis zu 140 Tonnen, eine maximale Ausladung von 48 Metern und eine Seillänge von bis zu 80 Metern gekennzeichnet. Während des Umsetzungsprozesses wird eine kugelförmige Lastschwingung angeregt. Diese Lastschwingung muss aus Sicherheits- und Leistungsgründen vermieden werden.Jib cranes such as the LIEBHERR mobile harbor crane LHM (see Fig. 1 ) are used to efficiently handle transshipment processes in ports. This type of jib crane is characterized by a load capacity of up to 140 tons, a maximum radius of 48 meters and a rope length of up to 80 meters. During the implementation process, a spherical load oscillation is excited. This load oscillation must be avoided for safety and performance reasons.

Wie in Fig. 1 gezeigt besteht ein solcher Hafenmobilkran aus einer mobilen Bühne 6, an der ein Turm 3 angebracht ist. Der Turm 3 kann um eine vertikale Achse gedreht werden, wobei seine Position durch den Winkel ϕD beschrieben wird. An dem Turm 3 ist ein Ausleger 1 schwenkbar angebracht, der durch den Aktor 4 gewippt werden kann, wobei seine Position durch den Winkel ϕA beschrieben wird. Die Last 10 ist an einem Seil der Länge lS vom Kopf des Auslegers 1 abgehängt und kann bei dem Winkel ϕ Sr pendeln.As in Fig. 1 shown, such a mobile harbor crane consists of a mobile stage 6, to which a tower 3 is attached. The tower 3 can be rotated about a vertical axis, its position being described by the angle ϕ D. A boom 1 is pivotally attached to the tower 3 and can be rocked by the actuator 4, its position being described by the angle ϕ A. The load 10 is suspended from the head of the boom 1 on a rope of length l S and can oscillate at the angle ϕ Sr.

Im Allgemeinen sind Krane unteraktuierte Systeme, die Schwingverhalten zeigen. Daher wurden in der Literatur viele ungeregelte und geregelte Steuerlösungen vorgeschlagen. Diese Ansätze beruhen aber auf dem linearisierten dynamischen Modell des Krans. Die meisten dieser Beiträge berücksichtigen nicht die Aktordynamik und -kinematik. Bei einem Auslegerkran, der durch Hydraulikaktoren angetrieben wird, sind die Dynamik und Kinematik der Hydraulikaktoren nicht vernachlässigbar. Insbesondere bei dem Auslegeraktor (Hydraulikzylinder) muss die Kinematik berücksichtigt werden.In general, cranes are underactuated systems that exhibit oscillating behavior. Therefore, many unregulated and regulated control solutions have been proposed in the literature. However, these approaches are based on the linearized dynamic model of the crane. Most of these contributions do not consider actuator dynamics and kinematics. In a jib crane that is driven by hydraulic actuators, the dynamics and kinematics of the hydraulic actuators are not negligible. The kinematics must be taken into account, especially with the boom actuator (hydraulic cylinder).

Die folgende Ausführung nutzt einen auf Flachheit basierenden Steuerungsansatz für die radiale Richtung eines Auslegerkrans. Der Ansatz beruht auf einem vereinfachten nichtlinearen Modell des Krans. Somit kann das Gesetz der linearisierenden Steuerung formuliert werden. Ferner wird gezeigt, dass die Nulldynamik der nicht vereinfachten nichtlinearen Steuerschleife eine ausreichende Dämpfungseigenschaft garantiert.The following implementation uses a flatness-based control approach for the radial direction of a jib crane. The approach is based on a simplified nonlinear model of the crane. The law of linearizing control can thus be formulated. Furthermore, it is shown that the zero dynamics of the non-simplified nonlinear control loop guarantees sufficient damping properties.

1. NICHTLINEARES MODELL DES KRANS1. NON-LINEAR MODEL OF CRANE

Unter Berücksichtigen der Steuerungsziele der Verhinderung der Lastpendelung und des Nachverfolgens einer Bezugstrajektorie in radialer Richtung muss das nichtlineare dynamische Modell für die Wippbewegung abgeleitet werden. Der erste Teil des Modells wird erhalten durch

  • Vernachlässigen der Masse und der Elastizität des Seils
  • Annahme, dass Last eine Punktmasse ist
  • Vernachlässigen der Zentripetal- und Coriolis-Terme
Taking into account the control objectives of preventing load sway and tracking a reference trajectory in the radial direction, the nonlinear dynamic model for the rocking motion must be derived. The first part of the model is obtained by
  • Neglecting the mass and elasticity of the rope
  • Assumption that load is a point mass
  • Neglecting the centripetal and Coriolis terms

Das Verwenden des Newton/Eulerschen Verfahrens und das Berücksichtigen der vorgegebenen Annahmen führt zu der folgenden Differentialgleichung der Bewegung für die Lastpendelung in radialer Richtung:

Figure imgb0003
Using the Newton/Euler method and taking into account the given assumptions leads to the following differential equation of motion for the load oscillation in the radial direction:
Figure imgb0003

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der Wippbewegung, wobei ϕSr der radiale Seilwinkel, ϕ̈Sr die radiale Winkelbeschleunigung, lS die Seillänge, A die Beschleunigung des Auslegerendes und g die Gravitationskonstante ist. Fig. 8 shows a schematic representation of the rocking movement, where ϕ Sr is the radial cable angle, ϕ̈ Sr is the radial angular acceleration, l S is the cable length, A is the acceleration of the boom end and g is the gravitational constant.

Der zweite Teil des dynamischen Modells beschreibt die Kinematik und Dynamik des Aktors für die radiale Richtung. Unter der Annahme, dass der Hydraulikzylinder Verhalten erster Ordnung aufweist, wird die Differentialgleichung der Bewegung wie folgt erhalten:

Figure imgb0004
The second part of the dynamic model describes the kinematics and dynamics of the actuator for the radial direction. Assuming that the hydraulic cylinder has first-order behavior, the differential equation of motion is obtained as follows:
Figure imgb0004

Wobei zyl und zyl die Zylinderbeschleunigung und Geschwindigkeit, TW die Zeitkonstante, Azyl die Querschnittfläche des Zylinders, uW die Eingangsspannung des Servoventils und KVW die proportionale Konstante von Strömrate zu uw ist.Where zyl and ż zyl are the cylinder acceleration and speed, T W is the time constant, A zyl is the cross-sectional area of the cylinder, u W is the input voltage of the servo valve and K VW is the proportional constant of flow rate to u w .

Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung der Kinematik des Aktors mit den geometrischen Konstanten da ,db 12. Um eine Umwandlung von Zylinderkoordinaten (zzyl ) zu Ausladungskoordinaten (rA ) zu erhalten, wird die kinematische Gleichung

Figure imgb0005
differenziert.
Figure imgb0006
K Wz1 und K Wz3 beschreiben die Abhängigkeit von den geometrischen Konstanten da ,db ,α 1,α 2 und dem Wippwinkel ϕA . (siehe Figur 9) lA ist die Länge des Auslegers. Fig. 9 shows a schematic representation of the kinematics of the actuator with the geometric constants d a , d b , α 1 , α 2 . To obtain a conversion from cylindrical coordinates ( z zyl ) to radius coordinates ( r A ), the kinematic equation
Figure imgb0005
differentiated.
Figure imgb0006
K Wz 1 and K Wz 3 describe the dependence on the geometric constants d a , d b , α 1 , α 2 and the rocking angle ϕ A . (please refer Figure 9 ) l A is the length of the boom.

Das Formulieren des Verhaltens erster Ordnung des Aktors in Ausladungskoordinaten durch Verwenden der Gleichungen (4) führt zu einer nichtlinearen Differentialgleichung.

Figure imgb0007
Formulating the first-order behavior of the actuator in projection coordinates by using equations (4) results in a nonlinear differential equation.
Figure imgb0007

Zum Darstellen des nichtlinearen Modells in der Form

Figure imgb0008
werden die Gleichungen (1) und (6) verwendet. Hierdurch führen der als Eingabe verwendete Zustand x=[rAA ϕSr ϕ̇Sr ] T und die als Ausgabe vorgesehene radiale Position der Last y = rLA zu:
Figure imgb0009
To represent the nonlinear model in the form
Figure imgb0008
Equations (1) and (6) are used. As a result, the state x =[ r AA ϕ Sr ϕ̇ Sr ] T used as input and the radial position of the load y = r LA intended as output lead to:
Figure imgb0009

2. NICHT-LINEARER STEUERUNGSANSATZ2. NON-LINEAR CONTROL APPROACH

Die folgenden Überlegungen werden unter der Annahme getroffen, dass die rechte Seite der Differentialgleichung für die Lastpendelung linearisiert werden kann. Somit wird die Erregung des radialen Lastpendelung von dem radialen Seilwinkel ϕSr entkoppelt.

Figure imgb0010
The following considerations are made assuming that the right-hand side of the load swing differential equation can be linearized. The excitation of the radial load oscillation is therefore decoupled from the radial cable angle ϕ Sr.
Figure imgb0010

Um eine flache Ausgabe für das vereinfachte nichtlineare System zu finden, muss der relative Grad bestimmt werden.To find a flat output for the simplified nonlinear system, the relative degree must be determined.

2.1 Relativer Grad2.1 Relative degree

Der relative Grad wird durch die folgenden Bedingungen definiert:

Figure imgb0011
The relative degree is defined by the following conditions:
Figure imgb0011

Der Operator L ft stellt die Lie-Ableitung entlang des Vektorfelds f l bzw. L g t entlang des Vektorfelds gl dar. Mit der realen Ausgabe

Figure imgb0012
wird ein relativer Grad von r = 2 erhalten. Da die Ordnung des vereinfachten nichtlinearen Modells 4 ist, ist yl eine nicht flache Ausgabe. Doch mit einer neuen Ausgabe
Figure imgb0013
wird ein relativer Grad von r=4 erhalten. Angenommen, dass nur kleine radiale Seilwinkel eintreten, kann die Differenz zwischen der realen Ausgabe yl und der flachen Ausgabe y l ·
Figure imgb0014
vernachlässigt werden. Diese Vereinfachung wird gewählt, um die Rechenzeit für die in Kapitel 3 beschriebene Trajektoriengenerierung so gering wie möglich zu halten.The operator L f t represents the Lie derivative along the vector field f l or L g t along the vector field g l . With the real output
Figure imgb0012
a relative degree of r = 2 is obtained. Since the order of the simplified nonlinear model is 4, y l is a non-flat output. But with a new edition
Figure imgb0013
a relative degree of r =4 is obtained. Assuming that only small radial rope angles occur, the difference between the real output y l and the flat output y l ·
Figure imgb0014
be ignored. This simplification is chosen to keep the computing time for the trajectory generation described in Chapter 3 as short as possible.

2.2 Exakte Linearisierung2.2 Exact linearization

Da die vereinfachte Systemdarstellung differentiell flach ist, kann eine exakte Linearisierung vorgenommen werden. Daher wird eine neue Eingabe definiert als

Figure imgb0015
und das linearisierende Steuersignal ul wird berechnet durch
Figure imgb0016
Since the simplified system representation is differentially flat, exact linearization can be carried out become. Therefore, a new input is defined as
Figure imgb0015
and the linearizing control signal u l is calculated by
Figure imgb0016

Um das sich ergebende linearisierte System zu stabilisieren, wird eine Fehlerrückführung zwischen der Bezugstrajektorie und den Ableitungen der Ausgabe y* abgeleitet.

Figure imgb0017
To stabilize the resulting linearized system, an error feedback is derived between the reference trajectory and the derivatives of the output y *.
Figure imgb0017

Die Rückführungsverstärkungen kl,i werden durch die Polplatzierungstechnik erhalten. Figur 10 zeigt den sich ergebenden Aufbau des linearisierten und stabilisierten Systems.The feedback gains k l,i are obtained through the pole placement technique. Figure 10 shows the resulting structure of the linearized and stabilized system.

Das Nachführungssteuergerät beruht auf der vereinfachten Lastpendelung ODE (8) und nicht auf der Lastpendelung ODE (1). Ferner wird für die Steuergerätauslegung die fiktive Ausgabe y l ·

Figure imgb0018
verwendet. Die resultierende interne Dynamik ist dabei in der noch nicht veröffentlichten DE 10 2006 048 988 gezeigt, deren Inhalt einen Bestandteil der vorliegenden Anmeldung darstellt.The tracking control unit is based on the simplified load oscillation ODE (8) and not on the load oscillation ODE (1). Furthermore, the fictitious output is used for the control unit design y l ·
Figure imgb0018
used. The resulting internal dynamics are not yet published DE 10 2006 048 988 shown, the content of which forms part of the present application.

3. Bahnplanung / Trajektoriengenerierung3. Path planning/trajectory generation A. Formulierung des OptimalsteuerungsproblemsA. Formulation of the optimal control problem

Das Problem der Trajektoriengenerierung wird als beschränktes Optimalsteuerungsproblem der offenen Kette für das linearisierte System mit Zustandsrückführung formuliert. Aufgrund der relevanten Berechnungszeit für die Lösung des Optimalsteuerungsproblems wird die Modellprädiktive Trajektoriengenerierung mit einer nicht zu vernachlässigbaren Abtastzeit ausgeführt. Ebenfalls wird durch das numerische Lösungsverfahren selbst eine Diskretisierung der Zeitachse eingeführt. Der Einfachheit halber wird allerdings das Optimalsteuerungsproblem fortlaufend in kontinuierlicher Zeit dargestellt.
Die Modellgleichungen sind gegeben durch:

Figure imgb0019
The trajectory generation problem is formulated as a constrained open chain optimal control problem for the linearized system with state feedback. Due to the relevant calculation time for solving the optimal control problem, the model predictive trajectory generation is carried out with a non-negligible sampling time. The numerical solution method itself also introduces a discretization of the time axis. However, for the sake of simplicity, the optimal control problem is presented continuously in continuous time.
The model equations are given by:
Figure imgb0019

Die Zustandvariablen xlin sind die Zustände der Integratorkette, welche sich aus dem linearisierten System, bestehend aus Flachheitsbasiertem Regler (Gleichung (14)) und nichtlinearem System (Gleichung (6)), ergibt, und den Zuständen der Integratorkette für die Referenztrajektorie. Zusätzliche Zustände werden eingeführt, um einen glatten Eingang ν zu erhalten. Der Anfangszustand x lin,0 wird aus den Zuständen dieser Integratoren, dem aktuellen Systemausgang und dessen Ableitungen hergeleitet. Die Ausgänge ylin des linearen Systems (Gleichung (15)) sind Variablen, die dem flachen Ausgang y* (Gleichung (12)) und dessen erste und zweite Ableitung entsprechen. Diese Variablen sind die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Last in radialer Richtung.
Das Gütefunktional

Figure imgb0020
berücksichtigt zum einen die quadratische Abweichung der prognostizierten Ausgänge ylin von deren Referenzprognose w(t) und zum anderen die quadratische Änderung der Eingangsgröße ulin . Der Optimierungshorizont tf -t 0, die symmetrische, positiv semi-definite Wichtungsmatrix Q und der Wichtungskoeffizient r > 0 sind wesentliche Einstellungsparameter für die Modellprädiktive Trajektoriengenerierung.
Der Optimierungshorizont tf -t 0 sollte das wesentliche dynamische Verhalten des Prozesses/Systems erfassen. Dieses ist definiert durch die Periodendauer des Lastpendelns (bis 18 Sekunden für den betrachteten Kran). Versuche zeigen, dass 10 Sekunden für den Optimierungshorizont ausreichen.The state variables x lin are the states of the integrator chain, which results from the linearized system, consisting of a flatness-based controller (equation (14)) and a nonlinear system (equation (6)), and the states of the integrator chain for the reference trajectory. Additional states are introduced to obtain a smooth input ν. The initial state x lin ,0 is derived from the states of these integrators, the current system output and its derivatives. The outputs y lin of the linear system (Equation (15)) are variables that correspond to the flat output y* (Equation (12)) and its first and second derivatives. These variables are the position, velocity and acceleration of the load in the radial direction.
The quality functional
Figure imgb0020
takes into account, on the one hand, the squared deviation of the predicted outputs y lin from their reference forecast w ( t ) and, on the other hand, the squared change in the input variable u lin . The optimization horizon t f - t 0 , the symmetrical, positive semi-definite weighting matrix Q and the weighting coefficient r > 0 are essential setting parameters for model predictive trajectory generation.
The optimization horizon t f - t 0 should capture the essential dynamic behavior of the process/system. This is defined by the period of the load swing (up to 18 seconds for the crane under consideration). Experiments show that 10 seconds is sufficient for the optimization horizon.

Die Referenzprognose w(t) für die Lastposition, -geschwindigkeit und -beschleunigung wird aus den Handhebelsignalen des Kranfahrers (Sollgeschwindigkeiten) generiert. Die Prädiktion berücksichtigt Geschwindigkeitsreduzierungen, wenn sich die Last den Grenzen des Arbeitsbereiches nähert.
Die Modellprädiktive Trajektoriengenerierung berücksichtigt Restriktionen für die Prozessvariablen als Beschränkungen des Optimalsteuerungsproblems.

Figure imgb0021
The reference forecast w ( t ) for the load position, speed and acceleration is generated from the crane driver's hand lever signals (target speeds). The prediction takes into account speed reductions as the load approaches the limits of the work area.
The model predictive trajectory generation takes restrictions for the process variables into account as constraints of the optimal control problem.
Figure imgb0021

Beschränkungen der Änderung des Eingangs werden verwendet, um hochfrequente Anregungen des Systems zu vermeiden.

Figure imgb0022
Restrictions on changing the input are used to avoid high frequency excitations of the system.
Figure imgb0022

Damit müssen die Änderungsraten lin als Stellgrößen bei der Formulierung des Optimalsteuerungsproblems berücksichtigt werden.
Die Generierung der Referenztrajektorien führt zu einem äußeren Regelkreis (Figur (10)). Somit sind die Ergebnisse der Stabilitätsbetrachtungen von Modellprädiktiven Regelungen anwendbar. Bedingungen für die garantierte Stabilität des geschlossenen Regelkreises unter Nominalbedingungen benötigen im Normalfall stabilisierende Beschränkungen der Zustände am Ende des Optimierungshorizontes zusammen mit einer passenden Auswertung des Endzustandes. Für eine "zero-state terminal constraint" müsste man feste Endwerte, die von den stationären Zuständen in Verbindung mit den Referenzeingängen abhängen, für die nicht zu integrierenden Zustände einführen.

Figure imgb0023
This means that the rates of change lin must be taken into account as manipulated variables when formulating the optimal control problem.
The generation of the reference trajectories leads to an external control loop ( figure (10 )). The results of the stability considerations of model predictive controls are therefore applicable. Conditions for guaranteed stability of the closed control loop under nominal conditions normally require stabilizing restrictions on the states at the end of the optimization horizon together with an appropriate evaluation of the final state. For a "zero-state terminal constraint" one would have to introduce fixed end values, which depend on the stationary states in connection with the reference inputs, for the states that cannot be integrated.
Figure imgb0023

Beschränkungen von diesem Typ (Gleichung (19)) verursachen wahrscheinlich unlösbare Optimalsteuerungsprobleme unter nicht nominalen Bedingungen, wie Modellunsicherheiten oder Messrauschen, besonders für kurze Optimierungshorizonte. Somit wird die Gleichungsbeschränkung (19) als quadratischer Strafterm mit symmetrischer, positiv definiter Wichtungsmatrix Q approximiert, was das ursprüngliche Gütefunktional folgendermaßen erweitert:

Figure imgb0024
Constraints of this type (Equation (19)) are likely to cause intractable optimal control problems under non-nominal conditions, such as model uncertainties or measurement noise, especially for short optimization horizons. Thus, the equation constraint (19) becomes a quadratic penalty term with a symmetric, positive definite weighting matrix Q approximates, which extends the original quality functional as follows:
Figure imgb0024

B. Numerische Lösung des OptimalsteuerungsproblemsB. Numerical solution of the optimal control problem

Das zeitkontinuierliche, beschränkte, linear-quadratische Optimalsteuerungsproblem (15)-(20) wird diskretisiert.

Figure imgb0025
The continuous-time, constrained, linear-quadratic optimal control problem (15)-(20) is discretized.
Figure imgb0025

Wobei x lin k

Figure imgb0026
, uk and y lin k
Figure imgb0027
die Werte der entsprechenden Variablen in den Diskretisierungpunkten tk bezeichnen. Die Matrizen und Vektoren Ak , bk and Ck erhält man durch Lösen der Transitionsgleichung in [tk ,t k+1] aus A, b und C. Das Gütefunktional (Gleichung (20)) und die Beschränkungen (Gleichungen (17)(18)) werden ebenfalls entsprechend diskretisiert.
Damit wird das zeitkontinuierliche Optimalsteuerungsproblem als eine Aufgabe der quadratischen Programmierung für die Zustandvariablen und Stellgrößen x lin k u lin k
Figure imgb0028
des diskreten Problems approximiert und kann mit einem üblichen "Interior Point" Algorithmus gelöst werden. In dem Algorithmus wird die Struktur der diskreten Modellgleichungen in einem RICCATI-ähnlichen Ansatz genutzt, um eine Lösung der NEWTONschritt-Gleichung mit O(K(m 3+n 3)) Operationen zu erhalten. D.h. der Berechnungsaufwand steigt linear mit dem Optimierungshorizont K und kubisch mit der Anzahl der Stellgrößen(m) und Zustandsvariablen(n).
Nicht äquidistante Diskretisierungsschritte ΔTk =t k+l-tk im Prädiktionshorizont des MPC's helfen die Dimension des Optimalsteuerungsproblems zu begrenzen. Die Darstellung zeigt, dass die Anfangschrittweite durch den Takt der Trajektoriengenerierung bestimmt wird und sich dann innerhalb des Prädiktionshorizontes linear vergrößert.Where x lin k
Figure imgb0026
, u k and y lin k
Figure imgb0027
denote the values of the corresponding variables in the discretization points t k . The matrices and vectors A k , b k and C k are obtained by solving the transition equation in [ t k , t k +1 ] from A, b and C . The quality functional (Equation (20)) and the constraints (Equations (17)(18)) are also discretized accordingly.
This makes the continuous-time optimal control problem a task of quadratic programming for the state variables and manipulated variables x lin k u lin k
Figure imgb0028
of the discrete problem and can be solved with a common "interior point" algorithm. In the algorithm, the structure of the discrete model equations is used in a RICCATI-like approach to obtain a solution of the NEWTON step equation with O( K ( m 3 + n 3 )) operations. This means that the calculation effort increases linearly with the optimization horizon K and cubically with the number of manipulated variables ( m ) and state variables ( n ).
Non-equidistant discretization steps Δ T k = t k +l - t k in the prediction horizon of the MPC help to limit the dimension of the optimal control problem. The illustration shows that the initial step size is determined by the rate of trajectory generation and then increases linearly within the prediction horizon.

Durch die Kransteuerung mit der entsprechenden Lastpendeldämpfung, in welche Daten von den beiden den jeweiligen Seilsträngen zugeordneten Sensoreinheiten eingehen und welche wie oben beschrieben aufgebaut ist, lässt sich eine schnelle und sichere Dämpfung der sphärischen Pendelschwingungen der Last mit nur minimalen Pendelausschlägen erreichen. Dies zeigen die folgenden Messergebnisse, welche mit einer Seillänge von 57 m und einer Last von 3,5 t durchgeführt wurden.Through the crane control with the corresponding load sway damping, into which data from the two sensor units assigned to the respective rope strands are received and which is constructed as described above, a quick and safe damping of the spherical pendulum oscillations of the load can be achieved with only minimal pendulum deflections. This is shown by the following measurement results, which were carried out with a rope length of 57 m and a load of 3.5 t.

Figur 11 zeigt dabei die Geschwindigkeit der Last, einmal wie sie vom Kranführer mittels eines Eingabeelementes vorgegeben wird, und einmal wie sie über das Bahnplanungsmodul mittels Optimalsteuerung als Soll-Trajektorie vorgegeben wird. Hierbei werden die Beschränkungen des Systems berücksichtigt, so dass die obere Grenze für die Geschwindigkeit der Last von der radialen Lastposition abhängt, da die Geometrie des Auslegers sowie des Wippzylinders bei unterschiedlichen Auslegerstellungen unterschiedliche Maximalgeschwindigkeiten zulassen. Für die Maximal-Beschleunigung ist dagegen eine konstante Beschränkung vorgegeben. Figure 11 shows the speed of the load, once as it is specified by the crane operator using an input element, and once as it is specified as a target trajectory via the path planning module using optimal control. The limitations of the system are taken into account here, so that the upper limit for the speed of the load depends on the radial load position, since the geometry of the boom and the luffing cylinder allow different maximum speeds for different boom positions. However, a constant limitation is specified for the maximum acceleration.

Figur 12a vergleicht nun diese Soll-Trajektorie mit der gemessenen Geschwindigkeit der Last. Die Regelung folgt dabei der Soll-Trajektorie, wobei das Bahnplanungsmodul Unsicherheiten im Modell durch eine modellbasierte Bahnplanung kompensiert. Hieraus ergibt sich eine schnelle und gedämpfte Bewegung der Last ohne nennenswerte Überschwingungen. Figur 12b zeigt dann die entsprechende Trajektorie der Lastposition. Figure 12a now compares this target trajectory with the measured speed of the load. The control follows the target trajectory, with the path planning module compensating for uncertainties in the model through model-based path planning. This results in a fast and damped movement of the load without any significant overshoots. Figure 12b then shows the corresponding trajectory of the load position.

Die Regelung dämpft die sphärischen Schwingungen der Last durch entsprechende kompensierende Bewegungen des Auslegers während und am Ende jedes Manövers. Dies ist in Figur 13 gezeigt, aus welcher sich die von der Auslegerspitze ausgeführten Gegenbewegungen ergeben, welche der Schwingung der Last entgegenwirken. Hierdurch kann der Seilwinkel auf weniger als 3° begrenzt werden.The control dampens the spherical vibrations of the load by corresponding compensating movements of the boom during and at the end of each maneuver. This is in Figure 13 shown, from which the counter movements carried out by the boom tip result, which counteract the vibration of the load. This allows the rope angle to be limited to less than 3°.

Die für die Online-Berechnung des Optimallösungsproblems in dem Bahnplanungsmodul benötigte Rechenzeit ist dabei in Figur 14 gezeigt. Hierbei ergeben sich Rechenzeiten zwischen 54 msek und 66 msek. Entscheidend für dieses extrem kurze Ansprechen der Bahnplanung auf Vorgaben des Kranführers ist dabei zum einen die schnelle Lösbarkeit durch die nachgeschaltete lineare Strecke aus nicht-linearer Regelung und nicht-linearem Kransystem, sowie die innerhalb des Prädiktionshorizonts steigende Länge der Intervalle zwischen den Stützpunkten der Prädiktion.The computing time required for the online calculation of the optimal solution problem in the path planning module is in Figure 14 shown. This results in calculation times between 54 ms and 66 ms. The decisive factor for this extremely short response of the path planning to the crane operator's specifications is, on the one hand, the quick solvability through the downstream linear route consisting of non-linear control and non-linear crane system, as well as the increasing length of the intervals between the prediction base points within the prediction horizon.

Claims (24)

  1. A crane with a boom (1), a crane control and at least one cable (20) for lifting a load (10), wherein in the crane control at least one sensor unit is provided for determining a cable angle relative to the direction of gravitational force, wherein the at least one sensor unit is arranged on a cable follower (35) and is guided on the cable (20),
    characterized in that
    the cable follower (35) is mounted on the boom head (30) of the boom (1) by cardan joints (32) below a first pulley (31) and guided on the cable, wherein an overload protection is provided, which automatically intervenes in the control of the crane when an admissible range of values (70) for a deviation resulting from the measured cable angle and/or for the horizontal deviation of the load (10) is exceeded, to prevent an overload of the crane, wherein the overload protection at least partly enables the movement of the crane and/or the cable (20).
  2. The crane according to claim 1, wherein beside the sensor unit for determining a cable angle (70) relative to the direction of gravitational force at least one gyroscope unit is provided for measuring a cable angular velocity.
  3. The crane according to claim 1 or 2, wherein the crane includes at least two strands of cables for lifting the load (10), and at least two sensor units are provided for determining the cable angles relative to the direction of gravitational force, which are associated to different strands of cables.
  4. The crane according to any of the preceding claims, wherein the crane includes at least two strands of cables for lifting the load (10), and at least two gyroscope units are provided for measuring the cable angular velocities, which are associated to different strands of cables.
  5. The crane according to claim 4, wherein the gyroscope unit is arranged on the cable follower.
  6. The crane according to claim 5, wherein the crane includes at least two strands of cables for lifting the load (10), and at least two cable followers are provided, which are associated to different strands of cables.
  7. The crane according to any of the preceding claims, wherein a display unit is provided for indicating a deviation resulting from the measured cable angle, in particular for indicating a cable angle relative to the direction of gravitational force and/or a horizontal deviation of the load (10) resulting therefrom.
  8. The crane according to claim 7, wherein the display optically and/or acoustically indicates a perpendicular cable position.
  9. The crane according to any of the preceding claims, wherein a warning means is provided, which warns the crane operator when an admissible range of values (70) for a deviation resulting from the measured cable angle, in particular for the cable angle relative to the direction of gravitational force and/or for the horizontal deviation of the load (10) is exceeded, in particular by an optical and/or acoustic signal.
  10. The crane according to any of the preceding claims, wherein the crane control, in particular the warning means and/or the overload protection, additionally evaluates data of a cable force sensor.
  11. The crane according to any of the preceding claims, wherein the crane includes at least two strands of cables for lifting the load (10), whose cable field twisting is determined.
  12. The crane according to claim 11, wherein a display unit is provided for indicating the cable field twisting.
  13. The crane according to claim 11, wherein a warning means is provided, which warns the crane operator when an admissible range of values for the cable field twisting is exceeded, in particular by an optical and/or acoustic signal.
  14. The crane according to any of the preceding claims, wherein an antitwist protection is provided, which automatically intervenes in the control of the crane when an admissible range of values for the cable field twisting is exceeded.
  15. The crane according to any of the preceding claims, which includes an automatic load oscillation damping.
  16. The crane according to claim 15, wherein the load oscillation damping is based on the data of at least one gyroscope unit.
  17. The crane according to claim 15, wherein the sensor unit for determining the cable angle relative to the direction of gravitational force is used for monitoring and/or calibrating the gyroscope unit.
  18. The crane according to any of the preceding claims, wherein a function for automatically aligning the crane is provided, by means of which the cable (20) is perpendicularly aligned above the load (10).
  19. The crane according to any of the preceding claims, wherein a function for automatically aligning the crane is provided, by means of which a cable field twisting is compensated.
  20. The crane according to any of the preceding claims, comprising a memory for storing load data on the basis of the cable angle for service life calculation and/or for documentation.
  21. The crane according to any of the preceding claims, wherein the data measured by the first and the second sensor unit are evaluated by a first and a second observer circuit.
  22. The crane according to any of the preceding claims, wherein a compensation of the data measured by the first and the second sensor unit is effected with respect to the mounting angle of the sensor units and the slewing angle of the crane.
  23. The crane according to any of the preceding claims, wherein sensor errors are detected by a comparison of the data measured by the first and the second sensor unit.
  24. The crane according to any of the preceding claims, wherein the torsional oscillation of the cable field is considered in the load oscillation damping by forming an average from the cable angles and/or cable angular velocities determined by the first and the second sensor unit.
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