用于集装箱锁定的装置和控制方法
【专利说明】用于集装箱锁定的装置和控制方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求在2013年4月12日提交的美国专利申请S/N 61/811，207的权益，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
[0003]本文描述的是一种辅助操作员利用装配有扭锁(twistlock)的机器处理负载的装置和控制方法。该机器可以是诸如伸缩臂，起重机或集装箱正面吊运机(reach stacker)上的吊具(spreader)之类，但其它设备也都是允许的。更具体地，描述了一种将扭锁放置在iso-集装箱的扭锁孔内并执行锁定操作的方法和装置。仅利用操作员输入、控制装置输入或两者的组合就可完成扭锁的放置。
【背景技术】
[0004]集装箱正面吊运机是用于在小型和中型港口处理联运货物集装箱(ISO集装箱)的车辆。集装箱正面吊运机能短距离非常迅速地运输集装箱并堆积它们。集装箱正面吊运机由于它们的灵活性被广泛地用于集装箱堆积，当与叉车相比时，集装箱正面吊运机具有更高的堆积、提升和集装箱处理能力。使用集装箱正面吊运机，由于第二 /第三排的获取能力，集装箱组可具有4至6排集装箱的深度。此外，集装箱通常可被堆积到5个集装箱高。
[0005]当排的顶部上的集装箱要被操作时，操作员必须将集装箱正面吊运机操纵到集装箱组的前面，延伸悬臂并将吊具放置在该集装箱表面上。最后，在吊具上的扭锁机构必须被放置在该集装箱的角部的匹配孔上方且随后移动到该孔中并锁定。
[0006]图1示出具有扭锁孔12的集装箱10的一个实施例。图2A示出扭锁14处于解锁位置且没有与扭锁孔12啮合而图2B示出扭锁14处于锁定位置而且也没有与扭锁12啮合。
[0007]可从图2A和2B理解到，扭锁14具有上部16和下部18。该下部18是固定的，而上部16可被选择性地旋转。在解锁位置，上部16与下部18对准。在锁定位置，上部16相对于下部18转动，使得该上部16在该下部18上延伸并超出该下部18。上部16可相对于下部18转动大约90度，使得该上部16延伸超过该下部18的周界。
[0008]按特定尺寸形成扭锁14以配合扭锁孔12。一旦在孔12中，上部16旋转。经旋转的上部16与孔12周围的材料啮合以将上部16锁定到集装箱10。
[0009]操作员必须从地面执行整个操作，而集装箱10位于超过15米的高度。通常操作员在操作期间没有反馈，然而一旦扭锁14啮合了，操作员就得到确认。因此可以理解到，将扭锁14定位到孔12中的时间很大程度上取决于操作员经验。即使有经验的，受过训练的操作员也可能花费相当大量的时间来将扭锁14定位到集装箱孔12中。
[0010]虽然上述讨论集中在集装箱正面吊运机上，但是扭锁14不限于集装箱正面吊运机。相反，若干其他种类的车辆，诸如空集装箱处理机，集装箱堆积机和材料处理设备(诸如门式起重机)也使用扭锁。本文提出的对使用扭锁的现行不利方法的解决办法也应用于上述应用。
[0011]市场上的若干公司提供在锁定操作中帮助操作员的系统。这样的商用系统中的一个被Orlaco称为“查看扭锁(View-on_twistlocks) ”。“查看扭锁”系统包括装配在吊具的任一侧上并且对准扭锁的相机。每个相机在它自己的监视器上显示其图像。
[0012]该系统具有一些主要的缺点，包括，但不限于:使用多个高分辨率相机的需要；每个相机需要它自己的显示器或者能够结合所有相机图像的一个显示器；相机和显示器是昂贵的；由操作员完全地执行操作；以及操作员必须集中他的全部注意力在屏幕上，这可能会导致事故，因为司机不能同时注意他的周围环境。
[0013]因此期望一种检测扭锁孔、朝向这些孔移动吊具扭锁以及获得锁定的自动化方法。然而在大多数情况下完全自主的锁定是没有必要的，因为操作员出于安全原因需要保持控制而且需要获得全部操作的流畅处理顺序。
[0014]为了解决与现有技术的相关联的问题，可以使用三个步骤。首先，检测扭锁孔位置的定位。第二，需要将扭锁导向孔位置的控制方法。最后，需要结合必要的传感器输入、操作员输入、控制算法和致动器信号的致动机构。
【发明内容】
[0015]一种用于基于两个输入选择轨迹的方法在机器上使用至少一个扭锁传感器来感测扭锁孔在物体上的位置。所感测的位置被发送到处理器以计算用于扭锁啮合扭锁孔的感测轨迹。使用至少一个操作员输入传感器来感测用于使扭锁与扭锁孔啮合的操作员创建轨迹。感测轨迹与操作员创建轨迹相比较。确定有多少感测轨迹和操作员创建轨迹将被用于把扭锁定位到物体的扭锁孔中。
【附图说明】
[0016]本公开的示例性实施例现在将参照附图通过示例的方式来描述，其中:
[0017]图1是集装箱和扭锁孔的一个实施例的透视图；
[0018]图2A是处于解锁位置的扭锁的一个实施例；
[0019]图2B是处于锁定位置的扭锁的一个实施例；
[0020]图3是邻近图1的集装箱的本文中描述的设备和方法的一个实施例的示意图；
[0021]图4是传感器、控制单元、操作员输入和致动器的一个实施例的示意图；
[0022]图5是传感器、控制单元、操作员输入和致动器的另一个实施例的示意图；以及
[0023]图6是传感器、控制单元、操作员输入和致动器的又一个实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0024]本文描述的是一种在电子控制器和人类操作员之间可选地获得共享控制的方法。为此目的，从单个传感器或检测系统的组合中提取数据。传感器系统20可以是单个或多个数字相机，可通过使用优选的刷新速率从这些数字相机中捕捉图像来精确地监测集装箱10。刷新速率可以是诸如每秒10-30帧，但其它的刷新率也是可允许的，只要它们提供关于下面描述的操作的准确和同时的信息。
[0025]如图3所示，传感器系统20可以被安装在集装箱正面吊运机悬臂22上。悬臂22可具有伸缩功能且可以以各种角度上下移动。
[0026]吊具24附连到悬臂22。吊具与悬臂22的附连可以允许吊具24相对于悬臂22从一边移动到另一边，垂直地移动和/或以某一角度移动。吊具24具有横向于悬臂22延伸的臂26。横杆28位于每个臂26的端部。至少一个扭锁14位于每个横杆28上。可邻近每个扭锁14设置至少一个传感器30。
[0027]传感器系统20还可以包括倾斜传感器，能提供关于悬臂22的位置和角度的信息。倾斜传感器测量斜坡或斜面的角度，诸如悬臂相对于重力的仰角或俯角。来自倾斜传感器的信息结合控制算法可基于先前的车辆信息计算悬臂22的位置和角度，该先前的车辆信息包括在原来位置上的每个成分的大小和/或长度。
[0028]传感器系统20还可以包括近程传感器，诸如感应传感器、超声波传感器或雷达传感器，当传感器被适当地放置时，通过这些传感器可以识别集装箱10的一些特定特征(例如距离或存在)。
[0029]多种传感器之间的选择将主要取决于准确监测与可靠性和增加的系统成本之间的折衷。可通过融合来自多个传感器(诸如通过卡尔曼(Kalman)滤波或立体视觉)和/或多个类型的传感器的数据来进一步增加准确度。
[0030]不管传感器的类型，可利用诸如微处理器或用于信号调节的可编程数字硬件来处理来自传感器的信号，在照相机的情况下，以用于图像处理和特征识别，或者在超声波传感器的情况下，以用于距离计算。从第一处理器32将经处理的信号发送到第二处理器34以用于该系统的更高级别控制。
[0031]来自所选择的传感器的数据或来自多个传感器的“直接融合”的数据被发送到第二处理器34以计算吊具24的适当的锁定轨迹。适当的锁定轨迹考虑到安全性、速度和准确度。安全考虑包括集装箱10及其内含物的安全，机器、环境中的对象和人员的安全。速度考虑是通过增大用先前的方法锁定集装箱的速度使锁定轨迹成为效率高的过程的那些考虑。准确度考虑涉及将扭锁14准确地放置到集装箱10上的孔12内要花费的时间。
[0032]传感器数据，将包括集装箱10相对于悬臂22的相对位置和角度，该传感器数据被用于确定悬臂22和/或附连的吊具24的必要致动(诸如电动液压致动、液压、气动致动)以创建感测锁定轨迹。感测锁定轨迹是基于感测信息产生的轨迹。
[0033]计算感测锁定轨迹可包括级联控制器结构中的若干算法步骤。该步骤可包括计算至要到达的点的距离。基于所提取的图像特征和传感器信息，确定吊具24对于扭锁孔12的相对位置。接着，计算将吊具24移动到扭锁孔12的参考轨迹。可以使用路径规划方法，其使目标的快速接近与平稳移动平衡，这赋予它自己低的加速度。接着，进行与参考轨迹相比的实际吊具24位置的闭环控制。为了增加稳定性和便于实时应用，可使用不同类型的闭环控制，诸如预测的或在线优化的控制，或PI