控制空中裝置的方法和有實(shí)現(xiàn)此方法的控制器的空中裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及控制空中裝置的方法以及包括實(shí)現(xiàn)此控制方法的控制器的空中裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 這種空中裝置是例如具有可彎曲鉸接臂(bendable articulated arm)的轉(zhuǎn)臺云 梯，該可彎曲鉸接臂附接至伸縮套管(telescopic boom)的上端。然而，本發(fā)明不限于這種 消防梯，而是還包括類似系統(tǒng)，例如，鉸接的或伸縮的平臺和空中救援設(shè)備。通常，這些系統(tǒng) 安裝在車輛上，使得這些系統(tǒng)可旋轉(zhuǎn)并且可直立。
[0003] 例如，根據(jù)文件DE 9416367 U1，鉸接臂附接至伸縮套管的最頂部元件的頂端并且 從完全縮回的伸縮套管突出，使得鉸接臂能夠在任何時(shí)候都可轉(zhuǎn)動(dòng)，而與套管的當(dāng)前伸出 長度無關(guān)。具有本身能夠伸縮的鉸接臂的梯子的示例由EP 1726733 B1公開。在另一備選設(shè) 計(jì)中，如在EP 2182164 B1中所公開的，鉸接臂被包括在伸縮套管的最頂部元件中，使得鉸 接臂可完全縮回伸縮套管中，但是從上部的特定長度起可轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0004] 此外，用于轉(zhuǎn)臺云梯、高架平臺等的控制裝置在EP 1138868 B1和EP 1138867 B1 中公開。在這些文件中討論的常見問題是在梯子運(yùn)動(dòng)期間對振動(dòng)的抑制。隨著梯子長度的 增加，該問題甚至變得更加重要。因此，已經(jīng)提出了將用于檢測當(dāng)前振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的傳感器沿伸 縮套管附接在不同位置。為此，使用了應(yīng)變計(jì)傳感器(下文中也稱為SG傳感器(使用SG作為 "應(yīng)變(strain gauge)"的縮寫））和附接在伸縮套管的上部、用于直接測量梯子的上端的角 速度的附加的兩軸或三軸陀螺儀，該陀螺儀最好接近鉸接臂的支點(diǎn)或者接近梯子的尖端。 提供了基于從SG傳感器和陀螺儀獲得的信號值來控制空中裝置的運(yùn)動(dòng)的控制器。在操作期 間，尤其是在用于移動(dòng)空中裝置的輸入命令被傳遞至控制器時(shí)，借助于處理信號值來將當(dāng) 前振動(dòng)狀態(tài)考慮在內(nèi)，使得梯子的運(yùn)動(dòng)可被校正，使得無論套管的彈性柔度如何，梯子的頂 端都達(dá)到并且保持目標(biāo)位置。
[0005] 用于主動(dòng)抑制轉(zhuǎn)臺云梯或類似裝置的套管的振動(dòng)的現(xiàn)有方法不適合于或不能應(yīng) 用于相對較大的鉸接臂，即，具有鉸接臂和尤其超過32m的最大可達(dá)高度的梯子。對于這些 梯子，由于其套管的長度與其橫截面相關(guān)，必須要考慮材料的空間關(guān)系，因此基于集總質(zhì)量 近似的集總參數(shù)模型不適合于充分描述這種梯子的彈性振動(dòng)。另外，不僅基本振動(dòng)，而且二 次諧振（以及可能更高次的諧振)需要被主動(dòng)抑制，并且需要考慮對鉸接臂的影響和尤其擺 角(pivot angle)的變化。另外，最多32m的梯子除外，不能假定在水平方向上的彈性彎曲與 扭轉(zhuǎn)是彼此獨(dú)立的。而是，如下面詳細(xì)描述的，所有振動(dòng)模式與轉(zhuǎn)臺的包括結(jié)合的彎曲偏轉(zhuǎn) 和扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)相關(guān)。
[0006] 從上文中已記載的EP 1138868 B1可知考慮每個(gè)俯仰旋轉(zhuǎn)軸（elevation and rotation axi s)的基本彎曲振動(dòng)的用于主動(dòng)振動(dòng)抑制和軌跡跟蹤的方法。這些方法僅可應(yīng) 用于無鉸接臂并且最大高度達(dá)32mde梯子，對于這種梯子，針對每個(gè)軸僅需考慮基本振動(dòng)。 從EP 1772588 B1可知用于鉸接梯的改進(jìn)方法，其中，使用集總參數(shù)模型來近似鉸接梯子的 振動(dòng)。該模型包括經(jīng)由彈性抑制元件彼此連接的三個(gè)質(zhì)量點(diǎn)。因此，該模型以及后來發(fā)展的 振動(dòng)抑制控制也不能識別出套管的空間分布屬性，因此設(shè)計(jì)中不包括水平彎曲和扭轉(zhuǎn)的結(jié) 合。另外，更高次的諧振并沒有被主動(dòng)抑制，而是被看作干擾，并且使用干擾觀測器將這些 諧振過濾掉。該方法使用在套管的下端的應(yīng)變計(jì)(SG)傳感器或致動(dòng)器的液壓的測量值以檢 測振動(dòng)。對于更大的鉸接梯子，這些測量值對在鉸接臂的所有梯長度和位置以足夠信噪比 測量二次諧振不夠敏感，而對于在本專利申請中考慮的梯子中，在鉸接臂的所有梯長度和 位置以足夠信噪比測量第二諧振尤其必要。
[0007] 從EP 2022749 B1可獲知識別出套管的空間走向的主動(dòng)振動(dòng)抑制。使用具有常數(shù) 參數(shù)的歐拉梁理論對套管的彎曲進(jìn)行建模，在套管的頂端的救援籠被建模為剛體，這得到 了梁的特別動(dòng)態(tài)邊界條件?；跓o窮維模型的模態(tài)近似，根據(jù)在套管的下端的SG傳感器的 測量值和在上端的慣性測量值，例如測量相同旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)速率的陀螺儀，來重建一次和二 次諧振。然后，振動(dòng)模式根據(jù)代數(shù)方程組的解來獲得，并且都被主動(dòng)抑制。在第二種方法中， 提出了基于一次和二次諧波彎曲運(yùn)動(dòng)的修改模型的干擾觀測器，對于該觀測器，假定使用 SG傳感器來僅測量基本振動(dòng)。使用觀測器信號，僅基本振動(dòng)被主動(dòng)抑制。該方法既不包括鉸 接臂也不包括在水平方向上彎曲和扭矩的結(jié)合。另外，觀察者并不考慮SG傳感器和陀螺儀 的不同信號幅度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于控制上面這種空中裝置的方法，該方法 通過考慮水平方向上的彎曲和扭轉(zhuǎn)的結(jié)合來為空中裝置提供有效的振動(dòng)抑制，該方法通過 較小的變動(dòng)能夠類似地應(yīng)用于抑制垂直方向上的振動(dòng)，垂直方向上的振動(dòng)可能包括鉸接臂 和附接至鉸接臂的端部的籠對兩個(gè)軸的影響。
[0009] 此目的通過用于控制空中裝置的方法來實(shí)現(xiàn)，
[0010]該控制裝置包括
[0011] -伸縮套管，
[0012] -應(yīng)變計(jì)傳感器，其用于檢測伸縮套管在水平方向和垂直方向上的彎曲狀態(tài)，
[0013]-陀螺儀，其附接至伸縮套管的頂部，以及
[0014] -控制設(shè)備，其基于從SG傳感器和陀螺儀獲得的信號值來控制空中裝置的運(yùn)動(dòng)，
[0015] 該方法包括下列步驟：
[0016] _從SG傳感器和陀螺儀獲得原始信號SGRajPGYRaw，
[0017] -根據(jù)原始信號SGRaw和GYRaw計(jì)算參考信號，所述參考信號包括表示應(yīng)變值的SG參 考信號SG Ref和表示角速度值的陀螺儀參考信號GYRef，并且計(jì)算從角位置值或角速度測量值 得出的角加速度參考信號AA Rrf，
[0018] -根據(jù)所述參考信號和與空中裝置的結(jié)構(gòu)有關(guān)的附加模型參數(shù)PAR來重構(gòu)第一振 動(dòng)模式fl和比所述第一振動(dòng)模式更高階的至少一個(gè)第二振動(dòng)模式f2，
[0019] -根據(jù)重構(gòu)的第一振動(dòng)模式h和至少一個(gè)第二振動(dòng)模式f2來計(jì)算補(bǔ)償角速度值 AVc〇mp，
[0020] -將所計(jì)算的補(bǔ)償角速度值八^_與前饋角速度值相加以得到驅(qū)動(dòng)控制信號。
[0021] 在根據(jù)本發(fā)明的方法中，獲得來自SG傳感器和陀螺儀的信號作為原始信號。下面， 根據(jù)這些原始信號來計(jì)算參考信號。這些參考信號包括與SG傳感器相關(guān)的SG參考信號和陀 螺儀參考信號。SG參考信號表示與彈性偏轉(zhuǎn)的角位置對于的信號，而陀螺儀參考信號表示 角速度值，每個(gè)參考信號用于相應(yīng)的空間軸。
[0022]根據(jù)這些參考信號和與空中裝置的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)相關(guān)的附加模型參數(shù)，所需數(shù)量的振 動(dòng)模式被重構(gòu)并且用于計(jì)算補(bǔ)償角速度值。在優(yōu)選實(shí)現(xiàn)中，第一振動(dòng)模式和第二振動(dòng)模式 被重構(gòu)。所計(jì)算的補(bǔ)償角速度值疊加于前饋角速度值以得到可以用于例如控制液壓驅(qū)動(dòng)的 驅(qū)動(dòng)控制信號。
[0023 ]在隱含該方法的動(dòng)態(tài)模式中，可以從諧波(over tone)分出梯子的基本振動(dòng)。另外， 每個(gè)軸的角加速度可以基于角位置測量值來計(jì)算，并且被饋送至梯子的動(dòng)態(tài)模型以預(yù)測每 個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)所引起的振動(dòng)。估計(jì)的振動(dòng)信號用于計(jì)算近似控制信號以抑制這些振動(dòng)。該控 制信號疊加在需要的運(yùn)動(dòng)命令上，需要的運(yùn)動(dòng)命令由前饋角速度值表示，基于從由人類操 作員操作的手動(dòng)操作桿讀取的參考信號來確定，或者由路徑跟蹤控制來命令?；趨⒖夹?號對需要的運(yùn)動(dòng)命令的計(jì)算被設(shè)計(jì)成提供平滑的反應(yīng)并且減少對梯子的振動(dòng)的激勵(lì)。得到 的驅(qū)動(dòng)控制信號傳遞至用于控制與各軸相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)裝置的致動(dòng)器。該原理可以用于升 高/降低(elevation/depression)并且用于旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)臺）軸。對于升高，所有振動(dòng)模式包括純 彎曲，而對于旋轉(zhuǎn)，所有振動(dòng)模式是結(jié)合的彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
[0024]根據(jù)依據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施例，計(jì)算SG參考信號包括根據(jù)測量伸縮套管的 垂直彎曲的SG傳感器的原始信號的平均值或者測量伸縮套管的水平彎曲的SG傳感器的原 始信號的差值來計(jì)算應(yīng)變值，以及對該應(yīng)變值進(jìn)行高通濾波。濾波有助于補(bǔ)償信號的偏置。 [0025]根據(jù)此方法另一優(yōu)選實(shí)施例，計(jì)算SG參考信號還包括:根據(jù)伸縮套管的俯仰角和 伸縮套管的伸出長度來插入（interpolate)應(yīng)變偏置值，在高通濾波之前通過從應(yīng)變值減 去應(yīng)變偏置值來校正該應(yīng)變值。應(yīng)變偏置值的計(jì)算補(bǔ)償了重力的影響。
[0026] 根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例，插入應(yīng)變偏置還基于附接至伸縮套管的端部的鉸接臂的伸 出長度和在伸縮套管與鉸接臂之間的傾斜角。
[0027] 根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例，插入應(yīng)變偏置值還基于附接至伸縮套管的端部或附接至鉸 接臂的端部的籠的質(zhì)量和籠內(nèi)的載荷。
[0028] 根據(jù)此方法的另一優(yōu)選實(shí)施例，計(jì)算陀螺儀參考信號包括:分別根據(jù)俯仰角和旋 轉(zhuǎn)角的角位置測量值來計(jì)算原始信號的后向差商以獲得角速度估計(jì)信號，由低通濾波器對 角速度估計(jì)信號進(jìn)行濾波，計(jì)算與陀螺儀的每個(gè)軸相關(guān)聯(lián)的經(jīng)濾波的角速度估計(jì)信號的個(gè) 別部分，從來自陀螺儀的最初的原始信號減去經(jīng)濾波的角速度估計(jì)信號的這個(gè)部分，以獲 得經(jīng)補(bǔ)償?shù)耐勇輧x信號，對經(jīng)補(bǔ)償?shù)耐勇輧x信號進(jìn)行低通濾波。這