EP3259221B1 - Positionsregelung einer mastspitze - Google Patents
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- EP3259221B1 EP3259221B1 EP16708951.5A EP16708951A EP3259221B1 EP 3259221 B1 EP3259221 B1 EP 3259221B1 EP 16708951 A EP16708951 A EP 16708951A EP 3259221 B1 EP3259221 B1 EP 3259221B1
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- B66C13/04—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
- B66C13/06—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads
- B66C13/066—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads for minimising vibration of a boom
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- E04G—SCAFFOLDING; FORMS; SHUTTERING; BUILDING IMPLEMENTS OR AIDS, OR THEIR USE; HANDLING BUILDING MATERIALS ON THE SITE; REPAIRING, BREAKING-UP OR OTHER WORK ON EXISTING BUILDINGS
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- E04G21/04—Devices for both conveying and distributing
- E04G21/0418—Devices for both conveying and distributing with distribution hose
- E04G21/0445—Devices for both conveying and distributing with distribution hose with booms
- E04G21/0463—Devices for both conveying and distributing with distribution hose with booms with boom control mechanisms, e.g. to automate concrete distribution
Definitions
- the invention relates to a large manipulator with a foldable mast arm, which has a turntable that can be rotated about a vertical axis and a plurality of mast segments, the mast segments on articulated joints being pivotable to a limited extent about horizontal articulation axes relative to an adjacent mast segment or the turntable by means of a drive unit, and wherein the mast arm means for inclination measurement are arranged, as well as a truck-mounted concrete pump with a large manipulator according to the invention.
- the DE 195 03 895 A1 discloses a simple position control loop that compensates for vertical movement. However, this proves to be problematic necessary measurement of the height.
- ultrasonic and laser sensors for measuring the distance of the boom tip to the ground are proposed.
- this measuring principle has proven to be unusable in practical use, since no obstacle-free space between the emitting source and the reference plane can be guaranteed during operation.
- the use of only the last mast joint is proposed for the implementation of the regulation.
- this control concept cannot be used if the mast is inclined in relation to the earth's gravity field close to the vertical.
- the height of the mast tip relative to the height of the vehicle can be detected by inclination sensors attached to all mast segments.
- the position of the mast tip can be calculated with a kinematic description of the system.
- the use of inclination sensors implicitly takes into account the deformation of the mast segments.
- the inclination sensors typically used cannot differentiate between a change in the inclination and a translational acceleration of the sensor. For dynamic movements, they therefore supply incorrect measured values. They can therefore not be used to implement a position control.
- the WO 2014/1658888 A1 or the WO 2014/1658889 A1 concern a large manipulator with an inertial sensor for measuring the inclination and acceleration of a mast segment.
- a position control for regulating the height of the mast tip is not provided here.
- a large manipulator is to be provided in which a vertical movement of a boom tip of a truck-mounted concrete pump can be effectively reduced during pump operation, which among other things leads to a significant relief for the operator of the end hose.
- the large manipulator according to the invention comprises a foldable mast arm that has a turntable that can be rotated about a vertical axis and a plurality of mast segments, wherein the mast segments on articulated joints can be pivoted to a limited extent about horizontal articulation axes relative to an adjacent mast segment or the turntable by means of one drive unit each.
- the large manipulator according to the invention has at least one inertial sensor for measuring the inclination and / or the acceleration of at least one mast segment.
- the large manipulator according to the invention With the large manipulator according to the invention, the falsifications known from the prior art for translational accelerations can be prevented.
- the large manipulator according to the invention thus has the advantage over the prior art that it can be used to achieve a statically and dynamically accurate measurement of the vertical movements of the mast tip.
- an inertial sensor is preferably an acceleration sensor that detects the vertical acceleration at the location of the sensor.
- the inertial sensor is particularly preferably a combined sensor which, in addition to a biaxial acceleration sensor, has a rotation rate sensor.
- the axis of the rotation rate sensor is orthogonal to the acceleration axes. Since translational movements have only a very slight influence on the yaw rate sensor, the measurement signals of the yaw rate sensor can be used to detect and correct a falsification of the inclination angle determined from the measurement signals of the acceleration sensor.
- the angle of inclination can be determined by integrating the measured rotation rate over time are used, the inclination angle determined by the acceleration sensors being used for the stationary adjustment.
- a gyroscope is advantageously used.
- the gyroscope measures the rate of rotation of the tilt, which is not influenced by the translational movement.
- an observer in the form of an extended Kalman filter or an approach with complementary filters can be used to combine the measurement signals from the acceleration sensors and the rotation rate sensor.
- At least one inertial sensor can be arranged on each mast segment. As a result, the measurement accuracy and reliability can be further improved.
- the inertial sensors are advantageously arranged essentially in the middle of a mast segment. Due to the slim design of the mast arm, the individual mast segments during operation have elastic deformations that are not negligible due to the static and dynamic forces that occur. Due to the arrangement of the sensors in the middle of the mast segments, the difference in the measured inclinations of two successive mast segments contains not only the exact joint angle but also a part of the elastic deformation. As a result, the kinematics of the mast arm can be viewed approximately as a rigid body problem. Ideally, each mast segment has an inertial sensor, which is arranged approximately in the middle of the respective mast segment.
- the inertial sensor is arranged on the last mast segment.
- the inertial sensor on the last mast segment is particularly preferably not arranged in the middle. Since the influence of the beam curvature of the last mast segment on the height of the mast tip is small in relation to that of the previous mast segments, such an arrangement leads to a sufficiently precise measurement result.
- the mast arm has an axial sensor at the top of the mast. As a result, the measurement of the height of the mast tip can continue during fast movements with high accelerations be improved.
- the double integration in time of the measurement signal representing the acceleration in the vertical direction provides a signal which is in good agreement with the dynamic components of the movement in the higher frequency band.
- two sensors can be arranged on the last mast segment.
- a sensor is preferably arranged essentially in the middle and another sensor at the mast tip, that is to say at the outer end of the mast segment. For a sufficiently precise measurement, however, it is also sufficient if a sensor is only arranged on the mast tip.
- At least one of the articulated joints of the mast arm is assigned an angle sensor which detects the angular position of this articulated joint.
- An angle sensor is particularly preferably assigned to each articulated joint.
- the large manipulator (using a suitable computer) can advantageously be set up to calculate the height of the mast tip from the angular positions of the articulated joints in combination with the acceleration detected by means of the inertial sensor arranged on the last mast segment, in particular on the mast tip.
- the angle sensors are not inertial sensors, but measuring sensors with geometric resolution (with mechanical, resistive, inductive, optical or magnetic principle of operation). In other words, the angle sensors serve to determine the (static) position of the mast arm.
- the height of the mast tip can first be determined via the angular positions of the articulated joints.
- the deflection of the mast segments can be taken into account. This can be done, for example, using mathematical models alone or in combination with other measurement signals, such as pressure sensors on the hydraulic drive units of the mast arm.
- the value of the height of the mast tip obtained in this way can then be combined with the high-pass filtered, twice temporally integrated vertical acceleration signal of the inertial sensor arranged on the last mast segment or on the mast tip, and thus gives a particularly precise measurement of the height of the mast tip.
- only exactly one inertial sensor in the form of an acceleration sensor is required in combination with a number of angle sensors which corresponds to the number of articulated joints.
- the measurement signals i.e. the measurement signal of the vertical acceleration and the height measurement signal determined via the inclination angle are combined with one another, preferably by suitably selected, preferably complementary, filters.
- the height of the mast tip determined via the inclinations of the mast segments is filtered with a low-pass filter with a suitable cut-off frequency in order to filter out high-frequency dynamic disturbances.
- the vertical acceleration signal integrated twice in time is filtered with a complementary high-pass filter with the same cut-off frequency.
- the two filtered signals are then combined and give an exact measurement of the height of the mast tip.
- their function can also be implemented by an observer or a Kalman filter.
- the large manipulator according to the invention has a position controller.
- the position controller can be used to effectively control the height of the mast tip, thereby compensating for an induced vertical movement of the mast tip.
- the height of the mast tip can in principle be manipulated with each joint. While there is great manipulation for the joint concerned when the assigned mast segment is close to the horizontal, this disappears when the mast is inclined close to the vertical.
- the measurement of the coordinates of the boom tip (height and radius) can be used for the implementation of a so-called Cartesian or cylindrical control of the boom tip.
- the user can specifically specify a stretching or shortening movement for the mast tip while maintaining the height or a lifting or lowering movement while maintaining the radius.
- an algorithm is used to calculate control signals for the hydraulic actuators of the individual joints, which initiate the desired movement.
- the position controller preferably feeds back the deviation of the measured height of the mast tip from its target value as a specification of a lifting or lowering movement of the Mast tip for a Cartesian or cylindrical control on the system.
- a control circuit for vibration damping of the mast is preferably implemented on the basis of a regulation of the joint angle.
- This control circuit preferably has a computer unit that calculates the height of the mast tip based on a kinematic description of the mast and the measurements of the angles of inclination of the individual mast segments with respect to the earth's gravity field.
- the angular velocities of the individual articulated joints are advantageously considered as manipulated variables of this vibration damping control loop.
- the position control according to the invention is preferably superimposed on the vibration damping.
- the position control preferably has a proportional / integral / differential controller (PID controller).
- PID controller proportional / integral / differential controller
- the controller determines a control output which is given to the mast tip in the form of a lifting or lowering movement as the target movement.
- the algorithm uses this to determine the control signals which are applied to the control inputs of the individual mast joints, ie in practice the control inputs of the proportional hydraulic valves of the hydraulic drives.
- the algorithm is designed in such a way that, based on the alignment of the individual mast arms and / or the distance of the individual mast joints from the turntable, a weighting takes place with which the control signals applied to the control inputs of the individual mast joints are weighted.
- the weight increases the further the joint is from the turntable or the closer the joint is to the boom tip. Controlling the mast joints farther away from the turntable has the advantage that the mass to be moved is less and thus a change in position can be counteracted faster and more effectively.
- the weighting increases the more horizontally the individual mast arms run. The control should act on the horizontally extending mast arms as far as possible in order to be able to influence the height of the jib tip effectively.
- the algorithm or the weighting according to the invention is therefore expediently carried out in such a way that the greatest control signal is generally applied to the last mast arm if it has an approximately horizontal profile having. However, if the last mast arm is essentially vertical, another mast arm with a horizontal profile is given a greater weight and a correspondingly larger actuating signal is applied. With the sensor and control concept according to the invention, an effective control of the height of the boom tip can thus be achieved overall.
- the setpoint for the height of the mast tip is preferably determined by the operator's method and therefore results from the rest position for the current position of the mast arm.
- the large manipulator according to the invention is preferably used for the distribution of thick matter. In particular, it serves to promote concrete.
- the invention further relates to a truck-mounted concrete pump.
- the truck-mounted concrete pump according to the invention has a vehicle frame, a thick matter pump, in particular a concrete pump, arranged on the vehicle frame, and a large manipulator with the inertial sensors described above.
- FIG. 1 shows a schematic representation of a mast arm 10 according to the invention with means 34, 36, 38 for inclination measurement in a first embodiment.
- the large manipulator has a foldable mast arm 10 with a turntable 12 rotatable about a vertical axis and a plurality of mast segments 14, 16, 18.
- the mast segments 14, 16, 18 can be pivoted to a limited extent on articulated joints 20, 22, 24 about horizontal articulation axes relative to an adjacent mast segment 14, 16, 18 or the turntable 12 by means of a drive unit 26, 28, 30.
- the mast arm 10 preferably has between three and five mast segments 14, 16, 18.
- the large manipulator according to the invention has at least one inertial sensor 34, 36, 38 for detecting the inclination of the mast segments 14, 16, 18 with respect to the earth.
- the inertial sensors 34, 36, 38 each preferably consist of a biaxial acceleration sensor and a rotation rate sensor. Ideally, the axis of the rotation rate sensor is orthogonal to the acceleration axes of the acceleration sensor. Since the translatory movements have only a very slight influence on the rotation rate sensors, their measurements are used to detect and correct falsifications of the inclination angles determined from the acceleration measurements. This reduces a measurement error when the mast moves.
- Mast arm 10 according to the invention shown has an inertial sensor 34, 36, 38 on each mast segment 14, 16, 18.
- the inertial sensors 34, 36, 38 are arranged essentially in the middle of the mast segments 14, 16, 18.
- the difference in the measured inclinations of two successive mast segments 14, 16, 18 also includes a portion in addition to the exact joint angle the elastic deformation.
- the kinematics of the mast arm can be viewed approximately as a rigid body problem.
- FIG. 2 shows a schematic representation of a mast arm 10 according to the invention with means for inclination measurement in a second embodiment.
- the mast segments 14, 16, 18 each have an inertial sensor 34, 36, 38, which are arranged essentially in the middle thereof.
- an additional measurement of the accelerations takes place directly on the mast tip 32.
- the double integration of the proportion of the acceleration in the vertical direction provides a measurement signal which is in good agreement with the dynamic parts of the movement in the higher frequency band.
- the mast segment 18, the outer end of which represents the mast tip 32 has an additional sensor 40 at its outer end, the mast tip 32.
- FIG. 3 shows a schematic representation of a mast arm 10 according to the invention with means for inclination measurement in a third embodiment.
- the mast segments 14, 16 each have an inertial sensor 34, 36, which are arranged essentially in the middle thereof.
- the mast segment 18 has an inertial sensor 40 at its outer end, the mast tip 32. Since the influence of the beam curvature of the last mast segment 18 on the height of the mast tip is small in relation to that of the preceding mast segments 14, 16, such an arrangement leads to a sufficiently precise measurement result.
- An additional sensor 38 can thus be dispensed with.
- FIG. 4 shows a schematic view of a mast arm 10 according to the invention in a fourth embodiment.
- the mast segments 14, 16, 18 each have an angle sensor 48, 50, 52.
- the angle sensors 48, 50, 52 detect the angular positions of the individual articulated joints 20, 22, 24.
- An inertial sensor 40 is also arranged on the mast tip 32 and detects the vertical acceleration of the mast tip 32.
- the vibration damping is superimposed on a position control based on a PID controller 46 and a module 47 for controlling the lifting or lowering movement of the mast tip 32.
- a position control based on a PID controller 46 and a module 47 for controlling the lifting or lowering movement of the mast tip 32.
- the position control uses the control deviation (deviation of the actual value of the height of the mast tip 32 from its target value) to determine a controller output A, which is specified as a target value in the form of a lifting or lowering movement of the mast tip for the module 47. This calculates the control signals which are applied to the manipulated variables U1, U2 and U3 of the individual joints 20, 22 and 24.
- the desired value for the height of the mast tip 32 is determined in practical operation by the operator's method and therefore results from the rest position for the current position of the mast arm 10.
- a simple high-pass filter 44 with a suitably selected cutoff frequency is therefore used for the PID controller 46 to determine the control deviation.
- a drifting of the height from the original position through the controller intervention is based on the prevents lying vibration damping control, which includes a control of the joint positions.
- the illustrated regulation can effectively reduce vertical movements of the mast tip 32, for example a truck-mounted concrete pump, during pump operation.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Großmanipulator mit einem ausfaltbaren Mastarm, der einen um eine Hochachse drehbaren Drehschemel und eine Mehrzahl von Mastsegmenten aufweist, wobei die Mastsegmente an Knickgelenken um jeweils horizontale Knickachsen gegenüber einem benachbarten Mastsegment oder dem Drehschemel mittels je eines Antriebsaggregates begrenzt verschwenkbar sind und wobei an dem Mastarm Mittel zur Neigungsmessung angeordnet sind, sowie eine Autobetonpumpe mit einem erfindungsgemäßen Großmanipulator.
- Bei modernen Autobetonpumpen, wie beispielsweise in
DE 10 2007 012 575 A1 beschrieben, werden im Allgemeinen Doppelkolbenpumpen zur Förderung des flüssigen Betons eingesetzt. Der Wechsel zwischen den aktiven Phasen der einzelnen Kolben verursacht eine Unterbrechung im Betonfluss. Gerade bei hohen Fördermengen kommt es hierbei zu einer stoßartigen Anregung des Auslegers. Diese zyklische Anregung verursacht Bewegungen an der Spitze des Auslegers, welche für den Führer des Endschlauchs eine Behinderung und Belastung im Betrieb darstellen. Aus dem Stand der Technik, beispielsweise ausEP 2 347 988 A1 oderJP S61 23212 A - Die
DE 195 03 895 A1 offenbart einen einfachen Lageregelkreis, welcher die vertikale Bewegung kompensiert. Als problematisch erweist sich hier jedoch die notwendige messtechnische Erfassung der Höhe. Hierzu werden Ultraschall- und Lasersensoren zur Messung des Abstands der Auslegerspitze zum Boden vorgeschlagen. Dieses Messprinzip hat sich jedoch im praktischen Einsatz als unbrauchbar herausgestellt, da im Betrieb kein hindernisfreier Raum zwischen der emittierenden Quelle und der Bezugsebene garantiert werden kann. Des Weiteren wird für die Umsetzung der Regelung die Verwendung des lediglich letzten Mastgelenks vorgeschlagen. Bei Neigungen des Mastes gegenüber dem Erdschwerefeld nahe der Vertikalen ist dieses Regelkonzept jedoch nicht einsetzbar. - Des Weiteren ist aus der
EP 1 537 282 B1 bekannt, dass die Höhe der Mastspitze relativ zur Höhe des Fahrzeugs durch an allen Mastsegmenten angebrachte Neigungssensoren erfasst werden kann. Durch die Messung der Neigungen gegenüber dem Erdschwerefeld kann mit einer kinematischen Beschreibung des Systems die Position der Mastspitze berechnet werden. Hierbei ist es von Vorteil, dass durch die Verwendung von Neigungssensoren die Deformation der Mastsegmente implizit mitberücksichtigt wird. Die typischerweise eingesetzten Neigungssensoren können jedoch nicht zwischen einer Änderung der Neigung und einer translatorischen Beschleunigung des Sensors unterscheiden. Bei dynamischen Bewegungen liefern diese daher falsche Messwerte. Sie sind daher für die Umsetzung einer Lageregelung nicht verwendbar. - Die
WO 2014 / 1658888 A1 WO 2014 / 1658889 A1 - Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannten Großmanipulatoren derart weiterzuentwickeln, dass die Dynamik des Systems messtechnisch erfassbar und regelungstechnisch verwertbar ist. Insgesamt soll ein Großmanipulator bereitgestellt werden, bei dem eine vertikale Bewegung einer Auslegerspitze einer Autobetonpumpe während des Pumpbetriebs effektiv reduziert werden kann, was unter anderem zu einer wesentlichen Entlastung für den Führer des Endschlauchs führt.
- Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Großmanipulator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Autobetonpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale auch in beliebiger und technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und somit weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen.
- Der erfindungsgemäße Großmanipulator umfasst einen ausfaltbaren Mastarm, der einen um eine Hochachse drehbaren Drehschemel und eine Mehrzahl von Mastsegmenten aufweist, wobei die Mastsegmente an Knickgelenken um jeweils horizontale Knickachsen gegenüber einem benachbarten Mastsegment oder dem Drehschemel mittels je eines Antriebsaggregates begrenzt verschwenkbar sind. Der erfindungsgemäße Großmanipulator weist wenigstens einen Inertialsensor zur Messung der Neigung und/oder der Beschleunigung wenigstens eines Mastsegmentes auf.
- Durch den erfindungsgemäßen Großmanipulator können die aus dem Stand der Technik bekannten Verfälschungen bei translatorischen Beschleunigungen unterbunden werden. Der erfindungsgemäße Großmanipulator weist somit gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass sich durch ihn eine statisch und dynamisch genaue Messung der vertikalen Bewegungen der Mastspitze erreichen lässt.
- Bevorzugt ist ein Inertialsensor im Sinne der Erfindung ein Beschleunigungssensor, der die vertikale Beschleunigung am Ort des Sensors erfasst. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Inertialsensor um einen kombinierten Sensor, der neben einem zweiachsigen Beschleunigungssensor einen Drehratensensor aufweist. Idealerweise steht die Achse des Drehratensensors orthogonal auf den Beschleunigungsachsen. Da translatorische Bewegungen nur einen sehr geringen Einfluss auf den Drehratensensor haben, können die Messsignale des Drehratensensors herangezogen werden, um eine Verfälschung des aus den Messsignalen des Beschleunigungssensors ermittelten Neigungswinkels zu erkennen und zu korrigieren. In einer praktischen Umsetzung kann der Neigungswinkel durch zeitliche Integration der gemessenen Drehrate ermittelt werden, wobei der durch die Beschleunigungssensoren ermittelte Neigungswinkel zum stationären Abgleich verwendet wird. Hierdurch wird bei dynamischen Bewegungen des Inertialsensors ein Messfehler reduziert. Vorteilhafterweise wird ein Gyroskop verwendet. Das Gyroskop misst die Drehrate der Neigung, die nicht durch die translatorische Bewegung beeinflusst wird. Zur Kombination der Messsignale der Beschleunigungssensoren und des Drehratensensors kann beispielsweise ein Beobachter in Form eines erweiterten Kalmanfilters oder ein Ansatz mit komplementären Filtern verwendet werden.
- An jedem Mastsegment kann wenigstens ein Inertialsensor angeordnet sein. Hierdurch kann die Messgenauigkeit und -zuverlässigkeit weiter verbessert werden.
- Vorteilhafterweise sind die Inertialsensoren im Wesentlichen in der Mitte eines Mastsegments angeordnet. Aufgrund der schlanken Konstruktion des Mastarms weisen die einzelnen Mastsegmente im Betrieb durch die auftretenden statischen und dynamischen Kräfte nicht zu vernachlässigende elastische Deformationen auf. Durch die Anordnung der Sensoren in der Mitte der Mastsegmente beinhaltet die Differenz der gemessenen Neigungen von zwei aufeinanderfolgenden Mastsegmenten neben dem exakten Gelenkwinkel auch einen Anteil der elastischen Deformation. Hierdurch kann die Kinematik des Mastarms annähernd als Starrkörperproblem betrachtet werden. Idealerweise weist jedes Mastsegment einen Inertialsensor auf, wobei dieser etwa in der Mitte des jeweiligen Mastsegmentes angeordnet ist.
- Vorteilhaft ist es, wenn der Inertialsensor am letzten Mastsegment angeordnet ist. Hiermit ist erfindungsgemäß das Mastsegment gemeint, das am weitesten vom Drehschemel entfernt angeordnet ist und an dessen äußerem Ende bevorzugt ein Endschlauch befestigt ist. Besonders bevorzugt ist der Inertialsensor am letzten Mastsegment nicht in der Mitte angeordnet. Da der Einfluss der Balkenkrümmung des letzten Mastsegments auf die Höhe der Mastspitze gering in Relation zu jenen der vorhergehenden Mastsegmente ist, führt eine derartige Anordnung zu einem ausreichend genauen Messergebnis. Erfindungsgemäß weist der Mastarm an der Mastspitze einen Intertialsensor auf. Hierdurch kann die Messung der Höhe der Mastspitze bei schnellen Bewegungen mit großen Beschleunigungen weiter verbessert werden. Die zweifache zeitliche Integration des die Beschleunigung in vertikaler Richtung wiedergebenden Messsignals liefert ein Signal, welches eine gute Übereinstimmung mit den dynamischen Anteilen des Bewegungsablaufs im höheren Frequenzband aufweist. Erfindungsgemäß können an dem letzten Mastsegment zwei Sensoren angeordnet sein. Bevorzugt ist ein Sensor im Wesentlichen in der Mitte angeordnet und ein anderer Sensor an der Mastspitze, also an dem äußeren Ende des Mastsegments. Für eine ausreichend genaue Messung ist es aber auch hinreichend, wenn nur an der Mastspitze ein Sensor angeordnet ist.
- Erfindungsgemäß ist wenigstens einem der Knickgelenke des Mastarms ein Winkelsensor zugeordnet, der die Winkelstellung dieses Knickgelenks erfasst. Besonders bevorzugt ist jedem Knickgelenk jeweils ein Winkelsensor zugeordnet. In dieser Ausgestaltung kann der Großmanipulator (mittels eines geeigneten Rechners) mit Vorteil zur Berechnung der Höhe der Mastspitze aus den erfassten Winkelstellungen der Knickgelenke in Kombination mit der mittels des am letzten Mastsegment, insbesondere an der Mastspitze, angeordneten Inertialsensors erfassten Beschleunigung eingerichtet sein. Bei den Winkelsensoren handelt es sich nicht um Inertialsensoren, sondern um Messaufnehmer mit geometrischer Auflösung (mit mechanischem, resistivem, induktivem, optischem oder magnetischem Wirkprinzip). Die Winkelsensoren, dienen, anders ausgedrückt, der Ermittlung der (statischen) Stellung des Mastarms. Erfindungsgemäß kann zunächst über die Winkelstellungen der Knickgelenke die Höhe der Mastspitze ermittelt werden. Um die Genauigkeit zu optimieren, kann dabei die Durchbiegung der Mastsegmente berücksichtigt werden. Dies kann z.B. anhand von mathematischen Modellen allein oder in Kombination mit weiteren Messsignalen, wie z.B. von Drucksensoren an den hydraulischen Antriebsaggregaten des Mastarms, erfolgen. Der so erhaltene Wert der Höhe der Mastspitze kann dann mit dem hochpassgefilterten, zweifach zeitlich integrierten vertikalen Beschleunigungssignal des am letzten Mastsegment bzw. an der Mastspitze angeordneten Inertialsensors zusammengeführt werden und ergibt so einen besonders genauen Messwert der Höhe der Mastspitze. Bei dieser Ausgestaltung wird nur genau ein Inertialsensor in Form eines Beschleunigungssensors in Kombination mit einer Anzahl von Winkelsensoren benötigt, die der Zahl der Knickgelenke entspricht.
- Alternativ können die Messsignale, d.h. das Messsignal der vertikalen Beschleunigung und das über die Neigungswinkel ermittelte Höhenmesssignal, vorzugsweise durch geeignet gewählte, bevorzugt komplementäre, Filter miteinander kombiniert werden. Die über die Neigungen der Mastsegmente ermittelte Höhe der Mastspitze wird mit einem Tiefpass mit geeigneter Grenzfrequenz gefiltert, um hochfrequente dynamische Störungen herauszufiltern. Das zweifach zeitlich integrierte vertikale Beschleunigungssignal wird mit einem komplementären Hochpass mit derselben Grenzfrequenz gefiltert. Die beiden gefilterten Signale werden anschließend zusammengeführt und ergeben einen genauen Messwert der Höhe der Mastspitze. Alternativ zu der Implementierung mittels komplementärer Filter kann deren Funktion ebenso durch einen Beobachter bzw. ein Kalman-Filter realisiert werden.
- Der erfindungsgemäße Großmanipulator weist einen Lageregler auf. Durch den Lageregler kann eine effektiv wirkende Regelung der Höhe der Mastspitze realisiert werden, wodurch eine induzierte vertikale Bewegung der Mastspitze kompensiert wird. In Abhängigkeit von den Neigungen der einzelnen Gelenke kann prinzipiell mit jedem Gelenk die Höhe der Mastspitze manipuliert werden. Während bei Neigungen des zugeordneten Mastsegments nahe der Waagerechten für das betreffende Gelenk eine große Manipulierbarkeit gegeben ist, verschwindet diese bei Neigungen nahe der Vertikalen. Dadurch ergibt sich jedoch für die Umsetzung der Lageregelung das Problem der Auswahl des zu verwendenden Stellglieds. Es ist bekannt, dass die Messung der Koordinaten der Auslegerspitze (Höhe und Radius) für die Umsetzung einer sogenannten kartesischen oder zylindrischen Steuerung der Auslegerspitze verwendbar ist. Hierbei kann der Benutzer mit einem einzelnen Joystick, welcher mindestens zwei Verstellrichtungen aufweist, für die Mastspitze gezielt eine Streck- oder Verkürzungsbewegung bei Beibehaltung der Höhe bzw. eine Hub- oder Senkbewegung bei Beibehaltung des Radius vorgeben. Anhand der Joystick-Vorgaben werden mit einem Algorithmus Stellsignale für die hydraulischen Aktoren der einzelnen Gelenke berechnet, welche die gewünschte Bewegung einleiten. Mit einem derartigen Algorithmus wird das Problem der Auswahl des zu verwendenden Stellglieds für die Lageregelung gelöst. Der Lageregler rückkoppelt dabei bevorzugt die Abweichung der gemessenen Höhe der Mastspitze von dessen Sollwert als Vorgabe einer Hub- oder Senkbewegung der Mastspitze für eine beispielsweise kartesische oder zylindrische Steuerung auf das System auf.
- Bevorzugt ist ein Regelkreis zur Schwingungsdämpfung des Mastes auf Basis einer Regelung der Gelenkwinkel implementiert. Dieser Regelkreis weist bevorzugt eine Rechnereinheit auf, die die Höhe der Mastspitze auf Basis einer kinematischen Beschreibung des Masts und der Messungen der Neigungswinkel der einzelnen Mastsegmente gegenüber dem Erdschwerefeld berechnet. Vorteilhafterweise werden die Winkelgeschwindigkeiten der einzelnen Knickgelenke als Stellgrößen dieses Schwingungsdämpfungsregelkreises betrachtet.
- Die erfindungsgemäße Lageregelung wird vorzugsweise der Schwingungsdämpfung überlagert. Die Lageregelung weist bevorzugt einen Proportional-/Integral-/Differentialregler (PID-Regler) auf. Der Regler bestimmt anhand einer Regelabweichung (Ist-/Sollwert der Höhe der Mastspitze) einen Regelausgang, welcher der Mastspitze in Form einer Hub- oder Senkbewegung als Sollbewegung vorgegeben wird. Der Algorithmus ermittelt daraus die Stellsignale, welche auf die Stelleingänge der einzelnen Mastgelenke, d.h. in der Praxis die Steuereingänge der proportionalen Hydraulikventile der Hydraulikantriebe aufgeschaltet werden. Erfindungsgemäß ist der Algorithmus so ausgebildet, dass anhand der Ausrichtung der einzelnen Mastarme und/oder der Entfernung der einzelnen Mastgelenke zum Drehschemel eine Wichtung stattfindet, mit der die auf die Stelleingänge der einzelnen Mastgelenke aufgeschalteten Stellsignale gewichtet werden. Zum einen steigt die Wichtung, je weiter das Gelenk vom Drehschemel entfernt ist bzw. je näher das Gelenk an der Auslegerspitze angeordnet ist. Das Ansteuern der vom Drehschemel weiter entfernten Mastgelenke bietet den Vorteil, dass die zu bewegende Masse geringer ist und somit schneller und effektiver einer Lageänderung entgegen gewirkt werden kann. Zum anderen steigt die Wichtung je horizontaler die einzelnen Mastarme verlaufen. Die Regelung sollte möglichst auf die horizontal verlaufenden Mastarme einwirken, um die Höhe der Auslegerspitze wirksam beeinflussen zu können. Der erfindungsgemäße Algorithmus bzw. die Wichtung wird zweckmäßig daher so ausgeführt, dass grundsätzlich der letzte Mastarm mit dem größten Stellsignal beaufschlagt wird, wenn er einen annähernd horizontalen Verlauf aufweist. Verläuft der letzte Mastarm allerdings im Wesentlichen vertikal, dann erhält ein anderer Mastarm mit horizontalerem Verlauf eine größere Wichtung und wird mit entsprechend größerem Stellsignal beaufschlagt. Mit dem erfindungsgemäßen Sensor- und Regelungskonzept kann so insgesamt eine effektiv wirkende Regelung der Höhe der Auslegerspitze realisiert werden.
- Der Sollwert für die Höhe der Mastspitze wird im praktischen Betrieb bevorzugt durch das Verfahren des Bedieners bestimmt und ergibt sich daher aus der Ruhelage für die jeweils aktuelle Stellung des Mastarms. Der erfindungsgemäße Großmanipulator wird bevorzugt zur Verteilung von Dickstoffen verwendet. Insbesondere dient er zur Förderung von Beton.
- Ferner ist Gegenstand der Erfindung eine Autobetonpumpe. Die erfindungsgemäße Autobetonpumpe weist ein Fahrzeuggestell, eine am Fahrzeuggestell angeordnete Dickstoffpumpe, insbesondere Betonpumpe, und einen Großmanipulator mit den oben beschriebenen Inertialsensoren auf.
- Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren jeweils eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die gezeigten Ausführungsvarianten beschränkt. Insbesondere umfasst die Erfindung, soweit es technisch sinnvoll ist, beliebige Kombinationen der technischen Merkmale, die in den Ansprüchen aufgeführt oder in der Beschreibung als erfindungsrelevant beschrieben sind.
- Es zeigen:
- Fig. 1
- schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Mastarms in einer ersten Ausgestaltung,
- Fig. 2
- schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Mastarms in einer zweiten Ausgestaltung,
- Fig. 3
- schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Mastarms in einer dritten Ausgestaltung.
- Fig. 4
- schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Mastarms in einer vierten Ausgestaltung.
- Fig. 5
- schematischer Regelkreis gemäß einer Ausgestaltungsform der Erfindung.
-
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mastarms 10 mit Mitteln 34, 36, 38 zur Neigungsmessung in einer ersten Ausgestaltung. Der Großmanipulator weist einen ausfaltbaren Mastarm 10 mit einem um eine Hochachse drehbaren Drehschemel 12 und einer Mehrzahl von Mastsegmenten 14, 16, 18 auf. Die Mastsegmente 14, 16, 18 sind an Knickgelenken 20, 22, 24 um jeweils horizontale Knickachsen gegenüber einem benachbarten Mastsegment 14, 16, 18 oder dem Drehschemel 12 mittels je eines Antriebsaggregats 26, 28, 30 begrenzt verschwenkbar. Der Mastarm 10 weist bevorzugt zwischen drei und fünf Mastsegmente 14, 16, 18 auf. Der erfindungsgemäße Großmanipulator weist wenigstens einen Inertialsensor 34, 36, 38 zur Erfassung der Neigung der Mastsegmenten 14, 16, 18 gegenüber der Erde auf. Die Inertialsensoren 34, 36, 38 bestehen jeweils bevorzugt aus einem zweiachsigen Beschleunigungssensor und einem Drehratensensor. Idealerweise steht die Achse des Drehratensensors orthogonal auf den Beschleunigungsachsen des Beschleunigungssensors. Da die translatorischen Bewegungen nur einen sehr geringen Einfluss auf die Drehratensensoren haben, werden deren Messungen herangezogen, um Verfälschungen der aus den Beschleunigungsmessungen ermittelten Neigungswinkel zu erkennen und zu korrigieren. Hierdurch wird bei Bewegungen des Mastes ein Messfehler reduziert. - Der in
Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Mastarm 10 weist an jedem Mastsegment 14, 16, 18 einen Inertialsensor 34, 36, 38 auf. Die Inertialsensoren 34, 36, 38 sind im Wesentlichen in der Mitte der Mastsegmente 14, 16, 18 angeordnet. Durch eine derartige Anordnung der Sensoren 34, 36, 38 beinhaltet die Differenz der gemessenen Neigungen von zwei aufeinanderfolgenden Mastsegmenten 14, 16, 18 neben dem exakten Gelenkwinkel auch einen Anteil der elastischen Deformation. Hierdurch kann die Kinematik des Mastarms annähernd als Starrkörperproblem betrachtet werden. -
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mastarms 10 mit Mitteln zur Neigungsmessung in einer zweiten Ausgestaltung. Die Mastsegmente 14, 16, 18 weisen jeweils einen Inertialsensor 34, 36, 38 auf, die im Wesentlichen in deren Mitte angeordnet sind. Um die Messung der Höhe der Mastspitze 32 insbesondere bei schnellen Bewegungen mit großen Beschleunigungen weiter zu verbessern, erfolgt eine zusätzliche Messung der Beschleunigungen direkt an der Mastspitze 32. Die zweifache zeitliche Integration des Anteils der Beschleunigung in vertikaler Richtung liefert ein Messsignal, welches eine gute Übereinstimmung mit den dynamischen Anteilen des Bewegungsablaufs im höheren Frequenzband aufweist. Hierzu weist das Mastsegment 18, dessen äußeres Ende die Mastspitze 32 darstellt, einen zusätzlichen Sensor 40 an seinem äußeren Ende, der Mastspitze 32, auf. - Für eine ausreichend genaue Messung ist es aber auch hinreichend, wenn nur an der Mastspitze ein Sensor angeordnet ist.
-
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mastarms 10 mit Mitteln zur Neigungsmessung in einer dritten Ausgestaltung. Die Mastsegmente 14, 16 weisen jeweils einen Inertialsensor 34, 36 auf, die im Wesentlichen in deren Mitte angeordnet sind. Das Mastsegment 18 weist einen Inertialsensor 40 an dessen äußerem Ende, der Mastspitze 32, auf. Da der Einfluss der Balkenkrümmung des letzten Mastsegments 18 auf die Höhe der Mastspitze gering in Relation zu jenen der vorhergehenden Mastsegmente 14, 16 ist, führt eine derartige Anordnung zu einem ausreichend genauen Messergebnis. Auf einen zusätzlichen Sensor 38 kann somit verzichtet werden. -
Figur 4 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Mastarms 10 in einer vierten Ausgestaltung. Die Mastsegmente 14, 16, 18 weisen jeweils einen Winkelsensor 48, 50, 52 auf. Die Winkelsensoren 48, 50, 52 erfassen die Winkelstellungen der einzelnen Knickgelenke 20, 22, 24. An der Mastspitze 32 ist ferner ein Inertialsensor 40 angeordnet, der die vertikale Beschleunigung der Mastspitze 32 erfasst. Durch Kombination der Signale der Winkelsensoren 48, 50, 52 mit den Signalen des Inertialsensors 40 lässt sich eine sehr genaue Bestimmung der momentanen Höhe der Mastspitze 32 realisieren. - Mit dem dargestellten Sensorkonzept kann eine effektiv wirkende Regelung der Höhe der Auslegerspitze realisiert werden. Dies ist in
Figur 5 schematisch gezeigt. - Es wird dabei davon ausgegangen, dass zur Schwingungsdämpfung des Mastarms 10 eine Regelung der Gelenkwinkel implementiert ist. Die Winkelgeschwindigkeiten der einzelnen Gelenke 20, 22, 24 sind dabei die Stellgrößen U1, U2, U3 des Systems.
- Der Schwingungsdämpfung wird erfindungsgemäß eine Lageregelung auf Basis eines PID-Reglers 46 und eines Moduls 47 zur Steuerung der Hub- oder Senkbewegung der Mastspitze 32 überlagert. Aus den Messsignalen der an dem Mast 10 angeordneten Inertialsensoren 34, 36, 38, 40 (siehe
Figur 2 ) oder aus den Signalen der Winkelsensoren 48, 50, 52 in Kombination mit dem Signal des Inertialsensors 40 (sieheFigur 4 ) wird wie oben beschrieben die momentane Höhe H der Mastspitze mittels eines Rechners 42 ermittelt. Die Lageregelung bestimmt anhand der Regelabweichung (Abweichung des Istwertes der Höhe der Mastspitze 32 von dessen Sollwert) einen Reglerausgang A, der als Sollwert in Form einer Hub- oder Senkbewegung der Mastspitze für das Modul 47 vorgegeben wird. Diese berechnet die Steuersignale, welche auf die Stellgrößen U1, U2 und U3 der einzelnen Gelenke 20, 22 und 24 aufgeschaltet werden. - Der Sollwert für die Höhe der Mastspitze 32 wird im praktischen Betrieb durch das Verfahren des Bedieners bestimmt und ergibt sich daher aus der Ruhelage für die jeweils aktuelle Stellung des Mastarms 10. Eine genaue Berechnung der Ruhelage der Höhe der Mastspitze 32 anhand der aktuellen stationären Werte der Gelenkwinkel ist aufgrund der Komplexität des Gesamtsystems und der nur ungenauen Kenntnis der Modellparameter für den praktischen Betrieb nicht möglich und auch nicht nötig. Daher wird für den PID-Regler 46 zur Bestimmung der Regelabweichung ein einfaches Hochpassfilter 44 mit einer geeignet gewählten Grenzfrequenz verwendet. Ein Wegdriften der Höhe von der ursprünglichen Position durch den Reglereingriff wird durch die zugrunde liegende Schwingungsdämpfungsregelung verhindert, welche eine Regelung der Gelenkpositionen beinhaltet. Durch die dargestellte Regelung können vertikale Bewegungen der Mastspitze 32, z.B. einer Autobetonpumpe während des Pumpbetriebs, effektiv reduziert werden.
-
- 10
- Mastarm
- 12
- Drehschemel
- 14
- erstes Mastsegment
- 16
- zweites Mastsegment
- 18
- drittes Mastsegment
- 20
- erstes Knickgelenk
- 22
- zweites Knickgelenk
- 24
- drittes Kickgelenk
- 26
- erstes Antriebselement
- 28
- zweites Antriebselement
- 30
- drittes Antriebselement
- 32
- Mastspitze
- 34
- erster Inertialsensor
- 36
- zweiter Inertialsensor
- 38
- dritter Inertialsensor
- 40
- Inertialsensor Mastspitze
- 42
- Rechner
- 44
- Hochpassfilter
- 46
- PID-Regler
- 47
- Modul zur Steuerung der Hub-und Senkbewegung der Mastspitze
- 48
- erster Winkelsensor
- 50
- zweiter Winkelsensor
- 52
- dritter Winkelsensor
Claims (12)
- Großmanipulator mit einem ausfaltbaren Mastarm (10), der einen um eine Hochachse drehbaren Drehschemel (12) und eine Mehrzahl von Mastsegmenten (14, 16, 18) aufweist, wobei die Mastsegmente (14, 16, 18) an Knickgelenken (20, 22, 24) um jeweils horizontale Knickachsen gegenüber einem benachbarten Mastsegment (14, 16, 18) oder dem Drehschemel (12) mittels je eines Antriebsaggregates (26, 28, 30) begrenzt verschwenkbar sind, mit wenigstens einem Inertialsensor (34, 36, 38, 40) zur Messung der Neigung und/oder der Beschleunigung wenigstens eines Mastsegmentes (14, 16, 18), gekennzeichnet durch wenigstens einen einem der Knickgelenke (20, 22, 24) zugeordneten Winkelsensor (48, 50, 52), der die Winkelstellung dieses Knickgelenks (20, 22, 24) erfasst, wobei wenigstens ein Inertialsensor (38, 40) an dem letzten Mastsegment (18), insbesondere an der Mastspitze (32), angeordnet ist und die Beschleunigung des letzten Mastsegmentes (18) erfasst, wobei eine Lageregelung zur Regelung der Höhe der Mastspitze (32) basierend auf den Messsignalen des wenigstens einen Inertialsensors (34, 36, 38, 40) vorgesehen ist, wobei die Lageregelung zur Berechnung der Höhe der Mastspitze (32) aus den gemessenen Neigungen der Mastsegmente (14, 16, 18) oder aus den erfassten Winkelstellungen der Knickgelenke (20, 22, 24) in Kombination mit der mittels des am letzten Mastsegment (18), insbesondere an der Mastspitze (32), angeordneten Inertialsensors (38, 40) erfassten Beschleunigung eingerichtet ist, wobei eine zweifache zeitliche Integration des Anteils der gemessenen Beschleunigung in vertikaler Richtung erfolgt.
- Großmanipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Inertialsensor (34, 36, 38, 40) einen zweiachsigen Beschleunigungssensor und einen Drehratensensor umfasst.
- Großmanipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Inertialsensor so ausgebildet ist, dass er die Messsignale des zweiachsigen Beschleunigungssensors mit dem zeitlich integrierten Messsignal des Drehratensensors kombiniert.
- Großmanipulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Verarbeitung der Messsignale des zweiachsigen Beschleunigungssensors und des Drehratensensors einen Beobachter, insbesondere ein erweitertes Kalmanfilter oder ein komplementäres Filter verwendet.
- Großmanipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Mastsegment (14, 16, 18) wenigstens ein Inertialsensor (34, 36, 38) angeordnet ist.
- Großmanipulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertialsensoren (34, 36, 38) im Wesentlichen in der Mitte eines Mastsegments (14, 16, 18) angeordnet sind.
- Großmanipulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Knickgelenk (20, 22, 24) jeweils ein Winkelsensor (48, 50, 52) zugeordnet ist.
- Großmanipulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Großmanipulator eine Regeleinrichtung zur Schwingungsdämpfung aufweist.
- Großmanipulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerregelung der Schwingungsdämpfung überlagert ist.
- Großmanipulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereglung so ausgebildet ist, dass sie Stellsignale, welche auf die Stelleingänge der einzelnen Mastgelenke aufgeschaltet werden, in Abhängigkeit von der Ausrichtung der einzelnen Mastarme und/oder der Entfernung der einzelnen Mastgelenke/Mastarme zum Drehschemel ermittelt.
- Großmanipulator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereglung so ausgebildet ist, dass sie die Stellsignale anhand einer kartesischen oder zylindrischen Steuerung der Mastspitze ermittelt.
- Autobetonpumpe aufweisend ein Fahrzeuggestell, eine am Fahrzeuggestell angeordnete Dickstoffpumpe, insbesondere Betonpumpe, und einen Großmanipulator nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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