Zeitoptimale und energieoptimale Trajektorienplanung für autonome Turmdrehkrane mit Schwingungsunterdrückung

Core Concepts

Die Arbeit präsentiert eine Methode zur Trajektorienplanung für autonome Turmdrehkrane, die sowohl die Betriebszeit als auch den Energieverbrauch minimiert und gleichzeitig die Schwingungen des Lastaufnahmemittels unterdrückt.

Abstract

Die Studie analysiert zunächst die nichtlineare Dynamik von Turmdrehkranen und zeigt, dass das System differentiell flach ist. Anschließend werden mehrkriteriell optimierte Trajektorien für die einzelnen Kranoperationen (Heben, Fahren, Schwenken) formuliert, wobei sowohl die Betriebszeit als auch der Energieverbrauch minimiert werden. Dafür werden zwei evolutionäre Mehrkriteriumsoptimierungsalgorithmen (NSGA-II und GDE3) eingehend verglichen. Die geplanten Trajektorien unterdrücken effektiv die Schwingungen des Lastaufnahmemittels und erfüllen gleichzeitig die mechanischen und Sicherheitsanforderungen. Simulationsstudien zu realen Hebevorgängen belegen die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit des vorgeschlagenen Trajektorienplanungsmoduls.

Stats

Die maximale Geschwindigkeit des Hubwerks beträgt ˙dH.
Die maximale Beschleunigung des Hubwerks beträgt ¨dH.
Die maximale Geschwindigkeit des Fahrwerks beträgt ˙dT.
Die maximale Beschleunigung des Fahrwerks beträgt ¨dT.
Die maximale Geschwindigkeit des Schwenkwerks beträgt ˙θS.
Die maximale Beschleunigung des Schwenkwerks beträgt ¨θS.
Die maximale Auslenkung des Lastaufnahmemittels in radialer Richtung beträgt α.
Die maximale Auslenkung des Lastaufnahmemittels in tangentialer Richtung beträgt β.

Quotes

"Die geplanten Trajektorien unterdrücken effektiv die Schwingungen des Lastaufnahmemittels und erfüllen gleichzeitig die mechanischen und Sicherheitsanforderungen."
"Simulationsstudien zu realen Hebevorgängen belegen die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit des vorgeschlagenen Trajektorienplanungsmoduls."

Key Insights Distilled From

Design and Simulation of Time-energy Optimal Anti-swing Trajectory Planner for Autonomous Tower Cranes

by Souravik Dut... at arxiv.org 04-09-2024

https://arxiv.org/pdf/2404.05581.pdf

Deeper Inquiries

Wie könnte die vorgestellte Methode zur Trajektorienplanung auf andere Arten von Kransystemen, wie z.B. Portalkrane, erweitert werden?

Die vorgestellte Methode zur Trajektorienplanung für autonome Towerkrane könnte auf andere Arten von Kransystemen wie Portalkrane erweitert werden, indem die spezifischen kinematischen und dynamischen Eigenschaften dieser Krane berücksichtigt werden. Portalkrane haben in der Regel eine andere Struktur und Bewegungsfreiheit als Towerkrane, daher müssten die Gleichungen und Modelle entsprechend angepasst werden. Die Differentialflachheit des Systems könnte auf die spezifischen DOFs und Bewegungen von Portalkranen angewendet werden, um eine ähnliche Optimierungsmethode zu entwickeln. Darüber hinaus könnten die Parameterisierung der Trajektorien und die Optimierungsalgorithmen an die einzigartigen Merkmale von Portalkranen angepasst werden, um eine effektive Trajektorienplanung für diese Art von Kransystemen zu ermöglichen.

Welche zusätzlichen Kriterien, wie z.B. Sicherheitsaspekte oder Umwelteinflüsse, könnten in die Optimierung der Trajektorien einbezogen werden?

Bei der Optimierung der Trajektorien könnten zusätzliche Kriterien wie Sicherheitsaspekte und Umwelteinflüsse berücksichtigt werden, um die Effizienz und Zuverlässigkeit der Kranoperationen weiter zu verbessern. Sicherheitsaspekte könnten die Minimierung von Kollisionen mit Hindernissen, die Einhaltung von Tragfähigkeitsgrenzen und die Vermeidung von übermäßigen Belastungen der Kranstruktur umfassen. Umwelteinflüsse wie Windgeschwindigkeit, Niederschläge oder Temperaturänderungen könnten ebenfalls in die Trajektorienplanung einbezogen werden, um die Stabilität und Leistungsfähigkeit des Kransystems unter verschiedenen Bedingungen zu gewährleisten. Durch die Integration dieser zusätzlichen Kriterien in die Optimierung können die Sicherheit, Effizienz und Umweltverträglichkeit der Kranoperationen maximiert werden.

Wie könnte die Trajektorienplanung mit der Bahnplanung in einem integrierten System für autonome Kranoperationen kombiniert werden?

Die Trajektorienplanung und die Bahnplanung könnten in einem integrierten System für autonome Kranoperationen kombiniert werden, um eine nahtlose und effiziente Steuerung des Kransystems zu gewährleisten. Die Bahnplanung könnte die langfristige Planung der Kranbewegungen unter Berücksichtigung von Baustellenlayout, Hindernissen und Arbeitsaufträgen umfassen, während die Trajektorienplanung die kurzfristige Optimierung der Bewegungen zur Minimierung von Schwingungen, Energieverbrauch und Betriebszeit beinhaltet. Durch die Integration beider Planungsaspekte können optimale und kollisionsfreie Bewegungsabläufe für den Kran generiert werden. Darüber hinaus könnte ein Rückkopplungsmechanismus zwischen der Bahnplanung und der Trajektorienplanung implementiert werden, um Echtzeit-Anpassungen basierend auf sich ändernden Bedingungen oder Anforderungen zu ermöglichen und die Gesamteffizienz des autonomen Kranbetriebs zu maximieren.