ES2928550T3 - Procedimiento de estimación de una posición de un dispositivo de control para controlar máquinas de trabajo - Google Patents
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Abstract
Un método para estimar una actitud de un dispositivo de control para controlar máquinas operativas, donde el dispositivo de control comprende una pluralidad de botones pulsadores para controlar el movimiento de una máquina operativa a lo largo de direcciones respectivas, comprendiendo el método los siguientes pasos: - estimación preliminar de la actitud del dispositivo de control usando datos de un acelerómetro y un magnetómetro a bordo del dispositivo de control; - actualización de la estimación preliminar de la actitud del dispositivo de control usando datos de un giroscopio a bordo del dispositivo de control. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento de estimación de una posición de un dispositivo de control para controlar máquinas de trabajo
Campo de la invención
La presente invención versa acerca de un procedimiento de estimación de una posición de un dispositivo de control para controlar máquinas de trabajo.
Antecedentes de la invención
En la descripción de la presente invención, la expresión máquina de trabajo hará referencia a cualquier máquina que tenga una aplicación industrial que sea controlable mediante control remoto (o mediante cable), tales como máquinas de movimiento de tierra, máquinas herramienta, equipos de izado tales como puentes grúa o similares.
Como es sabido, los puentes grúa son máquinas destinadas a levantar y desplazar materiales y productos, tanto al aire libre como en entornos cerrados, y, en general, están constituidas por un puente que es horizontalmente móvil a lo largo de un par de vías y está dotado de una barra transversal en la que se monta un carro de rodadura (carro), carro de rodadura que puede moverse horizontalmente a lo largo de la barra transversal. Hay conectada una polea con el carro de rodadura, dotada de un gancho para agarrar y levantar objetos.
Se aplican uno o más cables en el carro de rodadura, que mediante un sistema que incluye poleas, derivaciones y ganchos, permiten que se levanten o desplacen pesos. Los movimientos del puente grúa pueden ser controlados por un operario dotado de un dispositivo de control remoto.
Los dispositivos conocidos de control remoto permiten, utilizando botones pulsadores dedicados, llevar a cabo todas las maniobras de posicionamiento del puente grúa, tales como “Adelante”, “Atrás”, “Derecha”, “ Izquierda”, “Ascenso”, “Descenso”, etcétera.
Estos botones pulsadores se corresponden con las señales aplicadas al propio puente grúa e indican, con flechas apropiadas, la dirección de movimiento del puente grúa o del carro de rodadura.
A modo de explicación, el botón pulsador “Adelante”, cuando es pulsado, se corresponde con el avance del puente grúa en la dirección de la flecha Adelante en el cartel o señales aplicados al puente grúa; este también es el caso para el movimiento “Atrás” y para los movimientos “Derecha” e “Izquierda” del carro de rodadura.
La primera dificultad que generalmente encuentran los operarios es que el dispositivo de control es amovible, siendo transportado a mano por el operario sigue al propio operario en sus movimientos y, en el caso en el que el operario está orientado en un sentido contrario con respecto a la dirección mostrada en las señales aplicadas al puente grúa, el botón “Adelante” se corresponderá con un movimiento exactamente contrario al que esperaría el operario, en concreto “Atrás”.
Para aclararlo mejor, si el operario mira en la dirección indicada por la flecha “Adelante”, pulsar el botón pulsador correspondiente hará que el puente grúa se mueva en la misma dirección de visión del operario; pero si el operario está girado 180° con respecto a la dirección indicada por la flecha “Adelante”, pulsar el mismo botón pulsador provocará el movimiento en la dirección contraria con respecto a la dirección observada por el operario. Lo mismo puede decirse de los botones “Derecha” e “Izquierda” que se corresponden con la derecha y la izquierda del operario únicamente en el caso en el que el operario también esté orientado hacia la misma dirección indicada por señales relacionadas con la grúa.
Si el operario está girado 180° con respecto a dichas direcciones, el botón pulsador “Derecha” se correspondería con la izquierda del operario y viceversa.
Todo esto provoca, y puede provocar, problemas de seguridad cuando se maniobra con cargas que podrían golpear y provocar daños a personas o a la propiedad.
Se ilustrará ahora un segundo ejemplo de los problemas que las técnicas conocidas dejan sin resolver con referencia a problemas relacionados con máquinas herramienta.
Como es sabido, de hecho, en máquinas herramienta para las que pueden controlarse los ejes X e Y, es decir todas las máquinas herramienta que tienen un mando para la aproximación manual del portahusillo con indicaciones tales como X y - e Y y -, el operario debe prestar mucha atención a dónde se encuentran tanto el como el - debido a que son fijos, mientras que el dispositivo de control u otro miembro de control en mano del operario está conectado con un cable y puede girar junto con el operario. Por lo tanto, se repiten problemas similares a los expuestos en el caso de aparatos de izado.
En la solicitud de patente italiana n° M12014A001129 se describe una solución a estos problemas, describiendo tal solicitud un sistema que hace posible el cálculo, mediante el uso de una plataforma inercial que comprende un acelerómetro de tres ejes y un giroscopio, la orientación de un dispositivo de control con respecto a una máquina de
trabajo o a un puente grúa controlado mediante tal dispositivo y, cuando proceda, reasignar las funciones “Adelante”, “Atrás”, “Derecha”, “ Izquierda”, etc..., como una función de la orientación real del dispositivo de control con respecto a la máquina de trabajo o al puente grúa.
Para mejorar el cálculo de la orientación del dispositivo de control, tal solicitud de patente permite el uso de una brújula magnética adecuada para proporcionar una señal representativa de la orientación del dispositivo de control con respecto al norte magnético, además de una plataforma inercial que comprende un acelerómetro y un giroscopio. Sin embargo, especialmente en el campo industrial en el que se utilizan el puente grúa y otras máquinas de izado, es posible que las mediciones magnéticas se vean influidas por la presencia de masas metálicas de tamaño significativo o por otros factores que puedan distorsionar estas mediciones.
El documento D1: DE 102012021 422 da a conocer un dispositivo para controlar aparatos de izado, tales como, en particular, una grúa. El dispositivo proporciona un control remoto dotado de medios de comunicación con los elementos de accionamiento de la grúa y un elemento de control para controlar el movimiento, por ejemplo una palanca de mando, operable por un operario y medios para determinar el ángulo de rotación del control remoto con respecto a la vertical.
La unidad de control del control remoto recibe señales relacionadas con la orientación del control remoto con respecto a la vertical procedentes de una brújula no magnética ubicada en el mismo control remoto, por ejemplo, un giróscopo o giroscopio y calcula instrucciones apropiadas que han de ser enviadas a los elementos de movimiento del aparato de izado, de tal forma que una instrucción de movimiento emitida según una cierta dirección se corresponda con un movimiento de los miembros amovibles del aparato de izado en la misma dirección o en una dirección paralela a ella. Un objeto de la presente invención es garantizar que los botones pulsadores del dispositivo de control siempre se correspondan con la dirección del movimiento de la carga, o de operación en el caso de máquinas herramienta, que es más natural para el operario, compensando a la vez en tiempo real las posibles perturbaciones magnéticas que puedan producirse.
Un objetivo adicional de la invención es aumentar la seguridad en el uso de aparatos de izado.
Sumario de la invención
Se logran tales objetivos mediante un procedimiento de estimación de una posición de un dispositivo de control para controlar máquinas de trabajo según la reivindicación 1.
Entre las ventajas de la solución descrita puede considerarse el hecho de que hace robusta la función de reasignación de los botones pulsadores con respecto a posibles perturbaciones magnéticas que puedan distorsionar la estimación de la orientación.
En particular, las dos etapas de estimación preliminar de la posición del dispositivo de control y de actualizar tal estimación están intercorrelacionadas estrictamente entre sí debido a que la estimación preliminar obtenida mediante datos procedentes del acelerómetro y del magnetómetro es luego filtrada utilizando las mediciones del giroscopio para compensar posibles perturbaciones magnéticas que puedan afectar al magnetómetro.
Se pueden encontrar características adicionales de la invención en las reivindicaciones dependientes.
Breve descripción de los dibujos
Surgirán características y ventajas adicionales de la invención tras una lectura de la siguiente descripción, proporcionada a modo de ejemplo no limitante, con la ayuda de las figuras ilustradas en las figuras adjuntas de los dibujos, en los que:
- La figura 1 es una representación esquemática de un operario equipado con un dispositivo de control para operar un puente grúa;
- las figuras 2-4 son una representación adicional de un operario que tiene distintas orientaciones con respecto al puente grúa de la figura 1;
- la figura 5 representa el área de operación de un dispositivo de control para un puente grúa o para una máquina de trabajo, según una realización de la presente invención;
- la figura 6 representa conceptualmente el hecho de que el dispositivo de control puede ser operado en cualquier dirección espacial;
- la figura 7 muestra los componentes principales de un dispositivo de control según una realización de la presente invención;
- la figura 8 representa una rotación de un sistema B de referencia con respecto a un sistema A de referencia de un ángulo 0 con respecto a un vector unitario Ar, definido en el sistema A de referencia;
- la figura 9 representa un diagrama de flujo de las etapas del procedimiento según la presente invención; y
- la figura 10 representa la evolución en el tiempo de una perturbación magnética que influye en la medición de un magnetómetro.
Descripción detallada de realizaciones ejemplares
En las Figuras 1-7 se representa un dispositivo 10 de control que opera sobre un aparato de izado, en particular un puente grúa 20.
El puente grúa 20 está dotado de un puente 21 amovible en una primera dirección horizontal y un carro 22 de rodadura amovible en una segunda dirección horizontal perpendicular a la primera y que porta una carga levantada, al igual que, a modo de ejemplo, una señal 23 asociada con el puente grúa 20, estando formada la señal de un conjunto de instrucciones legibles por el operario que ilustra, en particular, cuatro direcciones de trabajo, en concreto “Adelante”, “Atrás”, “Derecha”, “ Izquierda”. Por ejemplo, las indicaciones “Adelante” y “Atrás” pueden indicar los posibles movimientos del puente grúa en su conjunto, mientras que las indicaciones “Derecha” e “Izquierda” pueden indicar los posibles movimientos de una parte del puente grúa 20, en particular del carro 22 de rodadura.
Aún en la figura 1 es visible un operario 40 que utiliza el dispositivo 10 de control según una realización de la presente invención y también es visible una ampliación de un cuadrante 12 del dispositivo 10 de control, mostrando el cuadrante botones 1, 2, 3 y 4 para el accionamiento del puente grúa 20 según cuatro direcciones de trabajo.
El dispositivo 10 de control también puede incluir un medio 60 de visualización utilizado para informar al operario 40 acerca de las funciones de los diversos botones incluyendo los botones pulsadores 1-4 de dirección, o para representar otra información, tal como señales de alarma o de funcionamiento defectuoso, u otras.
Con referencia a la figura 7, se describen los componentes principales de la circuitería del dispositivo 10 de control, según una realización de la presente invención.
En particular, en el interior de la carcasa 14, el dispositivo de control incluye una unidad 100 de control conectada con una plataforma inercial 26, controlando la unidad 100 de control un módulo 27 de reasignación de funciones para los botones pulsadores 1, 2, 3 y 4 del dispositivo 10 de control.
En particular, la plataforma inercial 26 que incluye un acelerómetro 34 de tres ejes y un giroscopio triaxial 36, pudiendo ser gestionados ambos componentes anteriores por la unidad 100 de control, dotada de un microprocesador.
La plataforma inercial 26 está colocada en el interior de su carcasa 14 del dispositivo 10 de control y está fijada, por lo tanto, al mismo dispositivo de control y registra sus movimientos. Con referencia ahora a la plataforma inercial 26, se observa que el acelerómetro 34 de tres ejes es capaz de medir el ángulo de balanceo (en concreto, el ángulo de rotación del dispositivo de control con respecto al eje X en la Figura 6) y el ángulo de cabeceo (en concreto, el ángulo de rotación del dispositivo de control con respecto al eje Y del dispositivo en la figura 6) del dispositivo 10 de control.
Sin embargo, las mediciones del acelerómetro de tres ejes únicamente indican la inclinación del dispositivo 10 de control en el espacio, pero no contienen la información relativa a la dirección hacia la que está orientado el dispositivo 10 de control, debido a que una rotación del dispositivo 10 de control en torno al eje vertical Z (figura 6) no provoca variaciones en el ángulo que forman los ejes X e Y con respecto al plano horizontal.
Para completar la representación en el espacio de los movimientos del dispositivo 10 de control, la plataforma inercial 30 también incluye un giroscopio 36.
Como es sabido, el giroscopio 36 es un instrumento que tiene la tendencia de mantener su eje de rotación orientado en una dirección fija y, por lo tanto, permite medir una velocidad angular con respecto a tal dirección fija.
En el caso específico, el giroscopio triaxial 36 tiene sus tres ejes integrales con los tres ejes del acelerómetro 34.
Por lo tanto, se puede utilizar la combinación de la información derivada de mediciones realizadas por el acelerómetro 34 y por el giroscopio 36 para determinar completamente la orientación del control en el espacio.
Finalmente, la plataforma inercial 26 también incluye un magnetómetro 38 de tres ejes. Como es sabido, un magnetómetro es un instrumento que mide la componente del campo magnético en una dirección particular del espacio.
Gracias al magnetómetro triaxial 38 es posible proceder a la medición de las componentes del campo en tres direcciones independientes, de manera que se defina unívocamente el vector del campo magnético en el punto en el que se realiza la medición.
En resumen, para estimar la orientación del dispositivo de control con respecto a una referencia fija que consiste en tres ejes cartesianos mutuamente ortogonales, el dispositivo de control descrito incluye tres tipos de instrumentos: - Acelerómetro triaxial: mide las aceleraciones experimentadas por el dispositivo de control en los tres ejes;
- Magnetómetro triaxial: mide las componentes del campo magnético en tres ejes;
- Giroscopio triaxial: mide la velocidad angular de rotación del dispositivo de control en torno a los tres ejes.
La unidad 100 de control también es capaz de representar visualmente mensajes en el medio 60 de visualización del dispositivo 10 de control, por ejemplo, mensajes que hacen coincidir la dirección asignada a los botones pulsadores con el mensaje correspondiente que aparece en señales del puente grúa, o mensajes de aviso o de alarma.
De hecho, la unidad 100 de control también puede activar una alarma visual y/o acústica 25 en caso de necesidad, como se explicará mejor a continuación.
En la realización descrita, la unidad 100 de control, junto con la plataforma inercial 26, está contenida en el dispositivo 10 de control.
Además, el dispositivo 10 de control puede ser operado de forma remota o estar conectado por cable a la máquina. En una primera fase del uso del dispositivo 10 de control es necesario proseguir a una fase de configuración del mismo que puede tener lugar, por ejemplo, según el siguiente modo (Figura 1).
El botón pulsador 1 está asociado con la función “Adelante” que se corresponde con la indicación con la flecha “Adelante” impresa en señales y el área incluida entre 315° y 45° considerando el valor de 360° el dirigido hacia arriba en la Figura 1.
El botón pulsador 2 está asociado con la función “Derecha” que se corresponde, con referencia a la orientación de la Figura 1, con el sector incluido entre 45° y 135°.
El botón pulsador 3 está asociado con la función “Atrás” que se corresponde, con referencia a la orientación de la Figura 1, con el sector incluido entre 135° y 225°.
El botón pulsador 4 está asociado con la función “Izquierda” que se corresponde, con referencia a la orientación de la Figura 1, con el sector incluido entre 225° y 315°.
Al hacer uso de la combinación de las direcciones detectables por la plataforma inercial 26 y por el magnetómetro 38, es posible crear un dispositivo de control que modifique las funciones de los botones pulsadores del aparato de izado, como una función de la orientación del dispositivo 10 de control.
De hecho, los botones pulsadores asociados con los movimientos “Adelante” “Atrás” “Derecha” “Izquierda” se convierten en botones pulsadores que determinan funciones de movimiento que son variables como una función de la orientación en el espacio del dispositivo de control.
En un caso en el que se gira el dispositivo de control, los botones pulsadores 1, 2, 3 y 4 adoptarán y activarán un movimiento del aparato de izado que es coherente con la dirección indicada por los botones pulsadores en ese momento preciso.
Esta función de movimiento permanecerá activa siempre que el botón pulsador relativo permanezca pulsado.
Por lo tanto, una vez se lleva a cabo la configuración bajo la cual se asocia el botón pulsador 1 con la función “Adelante” de desplazamiento, dado que la orientación del dispositivo 10 de control varía según lo detectado por la plataforma inercial, el mismo botón pulsador adoptará la distinta función asignada al sector.
Tras la rotación del dispositivo de control los botones pulsadores direccionales siempre se corresponderán con la dirección adoptada por el operario.
Entonces, lo mismo ocurrirá cuando se pulsa el botón pulsador cuya flecha indica la dirección hacia la derecha, el puente grúa 20 o el carro de rodadura llevará a cabo un desplazamiento hacia la derecha del operario.
De hecho, el movimiento de la carga siempre se corresponderá con la dirección indicada por los botones pulsadores de flecha, con independencia de cómo estén orientados el dispositivo de control y/o el operario.
En la práctica, cualquiera que sea la orientación del dispositivo de control con respecto al puente grúa 20, los movimientos llevados a cabo por el propio puente grúa y por el carro de rodadura siempre se corresponderán con la indicación de la flecha en el dispositivo 10 de control mientras se correspondan con las señales de cartel aplicadas al puente grúa.
Una vez que se ha llevado a cabo la configuración, hasta que el operario 40 mantenga el dispositivo 10 de control orientado sustancialmente según la dirección F1 en la Figura 1, los botones pulsadores asignados por el módulo 27 de reasignación de los botones pulsadores, continuarán funcionando de la misma forma.
En cambio, en el caso en el que el operario gira 90° grados hacia la derecha junto con el propio dispositivo 10 de control o gira únicamente el dispositivo 10 de control 90° grados hacia la derecha (dirección F2 en la Figura 2):
- al botón pulsador 4, el módulo 27 de reasignación de los botones pulsadores asignará la función del botón pulsador 1, en concreto “Adelante”;
- al botón pulsador 3, el módulo 27 de reasignación de los botones pulsadores asignará la función del botón pulsador 4, en concreto “Izquierda”;
- al botón pulsador 2, el módulo 27 de reasignación de los botones pulsadores asignará la función del botón pulsador 3, en concreto “Atrás”; y
- al botón pulsador 1, el módulo 27 de reasignación de los botones pulsadores asignará la función del botón pulsador 2, en concreto “Derecha”.
Esta reasignación de funciones puede tener lugar automáticamente debido a que, tras la rotación en el plano horizontal del dispositivo 10 de control, el algoritmo descrito a continuación calcula el nuevo valor de dirección y lo comunica a la unidad 100 de control que luego proporciona las instrucciones apropiadas al módulo 27 de reasignación de los botones pulsadores.
En cambio, en un caso en el que el operario gira 180° grados con respecto a la dirección inicial junto con el propio dispositivo 10 de control o gira únicamente el dispositivo 10 de control 180° grados con respecto a la dirección inicial (dirección F3 en la Figura 3):
- al botón pulsador 3, el módulo 27 de reasignación de los botones pulsadores asignará la función “Adelante”;
- al botón pulsador 4, el módulo 27 de reasignación de los botones pulsadores asignará la función “Derecha”;
- al botón pulsador 1, el módulo 27 de reasignación de los botones pulsadores asignará la función “Atrás”; y
- al botón pulsador 2, el módulo 27 de reasignación de los botones pulsadores asignará la función “Izquierda”.
Finalmente, en un caso en el que el operario gira 270° grados con respecto a la dirección inicial (o hacia su izquierda de 90°) junto con el propio dispositivo 10 de control o gira únicamente el dispositivo 10 de control 270° grados con respecto a la dirección inicial (dirección F4 en la Figura 4):
- al botón pulsador 4, el módulo 27 de reasignación de los botones pulsadores asignará la función “Atrás”;
- al botón pulsador 1, el módulo 27 de reasignación de los botones pulsadores asignará la función “Izquierda”;
- al botón pulsador 2, el módulo 27 de reasignación de los botones pulsadores asignará la función “Adelante”; y
- al botón pulsador 3, el módulo 27 de reasignación de los botones pulsadores asignará la función “Derecha”.
Como puede adivinarse, el dispositivo 10 de control siempre lleva a cabo los movimientos correspondientes a la dirección indicada por el botón pulsador o por el botón pulsador de flecha con respecto a la dirección adoptada por el propio dispositivo 10 de control con respecto al puente grúa 20.
Los botones pulsadores, cualquiera que sea la orientación del dispositivo de control con respecto al puente grúa 20, siempre se corresponden con lo que se indica en los carteles.
El botón pulsador 1 adoptará la función “Siguiente” por defecto correspondiente a las señales.
Tras una rotación de 90° del dispositivo de control o en una orientación dentro del sector de actividad de 45° o -45° con respecto al eje de 90°, el botón pulsador 1 adoptará la función “ Izquierda” correspondiente a los carteles.
Una variación adicional de 180° del dispositivo de control o en una orientación dentro del sector de actividad de 45° o -45° con respecto al eje de 180° el botón pulsador 1 adoptará la función “Atrás” correspondiente a los carteles. Una variación adicional de 270° del dispositivo de control o en una orientación dentro del sector de actividad de 45° o -45° con respecto al eje de 270° el botón pulsador 1 adoptará la función “Derecha” correspondiente a los carteles. Tras una rotación de 360° el botón pulsador 1 adoptará la función “Adelante” por defecto.
Se han definido los sectores de actividad en términos de 45° o -45° con respecto a un eje central, pero esto se hizo únicamente a modo de ejemplo no limitante, dado que los requisitos para determinar la reasignación de las direcciones
de movimiento impartidas por todos los botones pulsadores al aparato de izado o a un componente en función de información proporcionada por la plataforma inercial con respecto a la orientación en el espacio del dispositivo de control son configurables mediante soporte lógico.
El dispositivo de control puede estar dotado de un medio de visualización que muestra las nuevas funciones adoptadas por los botones pulsadores o por los botones pulsadores de flecha.
En un caso de fallo o de error del sistema, el medio de visualización mostrará la función adelante por defecto y el botón pulsador o el botón pulsador de flecha relativo adoptará la función por defecto correspondiente a los carteles.
Esto simplifica mucho el modus operandi del operario 40, aunque no sea un experto, para evitar que los errores de operación puedan provocar un daño a personas o a la propiedad.
La orientación de los botones pulsadores siempre y en cualquier caso indicará la dirección que se desea que adopte la carga.
La unidad 100 de control del dispositivo 10 de control también puede tener medios para determinar su propia distancia con respecto a una posición de referencia en el aparato de izado, por ejemplo por medio de un telémetro ultrasónico 80, en concreto un telémetro que utiliza el tiempo lleva a un paquete de impulsos acústicos a frecuencia elevada emitidos por el propio telémetro para alcanzar una diana colocada en el puente grúa y volver al telémetro. De forma alternativa, se pueden utilizar otros medidores 44 de distancia conocidos en la técnica.
Otro dispositivo incluido en el dispositivo 10 de control es un botón 50 de alarma que, cuando es activado, puede desencadenar una alerta por medio del ordenador instalado en la máquina y conectado mediante Wi-Fi al dispositivo de control.
Si el ordenador recibe la señal activará alarmas apropiadas 25 de sonido y/o visuales, y enviará una solicitud de ayuda mediante SMS o mediante la Web apuntando a su ubicación.
Dado que el dispositivo 10 de control opera en el espacio X, Y, Z (según se representa esquemáticamente en la figura 6), gracias a la plataforma inercial 26, la unidad 100 de control siempre está informada de la orientación del dispositivo 10 de control, en particular cuando no es perfectamente horizontal, y en tal caso efectuará las correcciones apropiadas. Así, cualquiera que sea su orientación en el espacio, el dispositivo 10 de control es capaz de operar como si estuviese en los dos ejes X e Y que definen el plano horizontal.
En un caso de un funcionamiento defectuoso del dispositivo 10 de control, la unidad 100 de control es capaz de controlar el medio 60 de visualización del dispositivo 10 de control para representar visualmente un mensaje de aviso, por ejemplo: “Dispositivo de control inoperativo” o “Dispositivo de control operando únicamente en la forma convencional”, pudiendo mostrarse visualmente este último mensaje cuando se ha deshabilitado el sistema de control del botón pulsador que funciona utilizando la plataforma inercial.
En una variante de la invención, en caso de funcionamiento defectuoso del dispositivo de control, puede fijarse mediante cable al aparato de izado o máquina de trabajo, continuando, por lo tanto, operando como un dispositivo de control cableado.
En otra realización de la invención, en lugar de un dispositivo 10 de control según se ha descrito anteriormente, es posible emplear un único botón pulsador operable según distintas direcciones, siendo aplicables también en este caso los conceptos inventivos descritos anteriormente, en particular pudiendo llevar a cabo dicho único botón pulsador las funciones de “Adelante”, “Atrás”, “Derecha” e “Izquierda”.
En una realización adicional de la invención, en lugar de un dispositivo 10 de control según se ha descrito anteriormente, es posible emplear una palanca de mando u otro dispositivo similar, comprendiendo el miembro de instrucción de tal dispositivo una palanca sobre la que se puede actuar en varias direcciones, por ejemplo “Adelante”, “Atrás”, “Derecha” e “Izquierda”.
El algoritmo desarrollado es capaz de estimar la orientación del dispositivo de control y, por consiguiente, cambiar la función de los botones pulsadores.
Según la presente invención, el sistema también proporciona una metodología para hacer que el sistema sea robusto a posibles perturbaciones magnéticas, provocadas, por ejemplo, por masas metálicas de tamaño significativo en el entorno del dispositivo 10 de control o por otros factores que pueden distorsionar la estimación de la orientación, afectando, en particular, las mediciones del magnetómetro 38.
El algoritmo puede dividirse en dos fases:
1. Estimación de la posición que es robusta hacia perturbaciones magnéticas.
2. Cálculo del ángulo de orientación, en concreto de la orientación del dispositivo de control.
Más en detalle, con referencia a la figura 9, el procedimiento comprende las siguientes etapas:
- estimación preliminar de la posición del dispositivo de control utilizando datos procedentes del acelerómetro 34 y procedentes del magnetómetro 38 (bloque 200);
- actualización de la estimación preliminar de la posición del dispositivo de control utilizando datos procedentes del giroscopio (bloque 300).
Para representar matemáticamente de una forma compacta las rotaciones del dispositivo de control, el procedimiento descrito en la presente memoria permite representar orientaciones y rotaciones del dispositivo de control utilizando cuaternios, en concreto números hipercomplejos, teniendo cada uno tres componentes imaginarias y una componente real que permiten representar orientaciones tridimensionales de un objeto sin problemas de singularidad, tales como el fenómeno conocido como “bloqueo de suspensión cardánica” que puede producirse con el uso de los denominados ángulos de Euler conocidos como balanceo, cabeceo y guiñada.
Los cuaternios también tienen la ventaja de utilizar únicamente cuatro parámetros.
Como es sabido, un cuaternio es un número hipercomplejo definido de la siguiente forma:
q = q
0 + iq1+ j q 2 + kq3
Por lo tanto, el cuaternio q tiene una parte real, en concreto qo, y una parte vectorial q = iqi+jq 2 + kq3, pudiendo considerarse tal parte compuesta por las componentes de un vector normal en un espacio tridimensional.
La principal propiedad de los cuaternios es proporcionada por las siguientes relaciones:
Estas relaciones se muestran en detalle en la siguiente tabla multiplicativa:
TABLA 1
Además, se puede definir el conjugado complejo q* de un cuaternio como:
en la que el conjugado complejo q*tiene las direcciones de su propia parte vectorial que están opuestas con respecto al cuaternio original q.
El producto de un cuaternio q por su conjugado complejo q* da lugar a un número real que es calculable con la siguiente fórmula:
Se utilizan cuaternios para representar, de una forma compacta, orientaciones arbitrarias de un sistema B de referencia con respecto a un sistema A de referencia, por ejemplo rotaciones de un ángulo 0 con respecto a un vector unitario Ar definido en el sistema A de referencia, según se ilustra, por ejemplo, en la figura 8.
El cuaternio que describe tal orientación puede indicarse como 
y se define mediante la siguiente ecuación:
en la que rx, ry y rz definen las componentes del vector unitario Ar con respecto a los ejes X, Y y Z del sistema A de referencia.
Finalmente, la multiplicación de dos cuaternios es indicada, en general, con el símbolo 0 y puede ser utilizado para definir la composición de dos o más orientaciones.
Por ejemplo, considerando dos orientaciones Aa y B CaH la orientación compuesta, indicada con A C a *í i puede definirse como:
Aq = gí¡ ® Bq
En términos de componentes, se puede calcular el producto de dos cuaternios a y b con la regla de Hamilton:
El producto de dos cuaternios no es conmutativo, en concreto en general a®b t bg)a.
Esto refleja el hecho de que la composición de dos orientaciones puede proporcionar, en general, una orientación resultante que es distinta dependiendo del orden en el que se llevan a cabo las orientaciones.
Un vector tridimensional puede ser girado mediante un cuaternio utilizando la siguiente relación:
Bv = jq ®Av®§q*
en la que Av y Bv representan el mismo vector, respectivamente, en el sistema A de referencia y en el sistema B de referencia.
Para proseguir con la estimación preliminar de la orientación del dispositivo de control, partiendo de las mediciones obtenidas del acelerómetro 34 y del magnetómetro 38, es necesario obtener el cuaternio que permite alinear las mediciones magnéticas y del acelerómetro con sus campos gravitatorio y magnético respectivos.
Para hacer esto se utiliza un algoritmo de minimización, en particular un algoritmo de gradiente descendente, entendiéndose esta expresión como un algoritmo que hace uso de una función que ha de ser minimizada tomando el gradiente, partiendo de un punto de inicio dado, hacia el punto mínimo deseado, iterando etapas negativas que son proporcionales al gradiente calculado en el punto actual.
La función que ha de ser minimizada es la siguiente:
en la que Ed es una referencia fija de tres ejes integral con el sistema de referencia de la Tierra y q *® Ed 0 q es el vector de referencia en la referencia de tres ejes de los sensores.
En particular, para el acelerómetro 34 la función que ha de ser minimizada puede expresarse como mín(f(g, Ed, Bs)), siendo el término Bs el vector compuesto por las mediciones del sensor acelerométrico.
De forma similar, para el magnetómetro 38 la función que ha de ser minimizada puede expresarse como mín (j(q , Eb , Bm )), siendo Eb una referencia fija de tres ejes integral con el campo magnético de la Tierra y siendo el término Bm el vector compuesto de las mediciones del magnetómetro 38.
Por lo tanto, para encontrar el cuaternio que expresa la orientación del dispositivo de control obtenido partiendo únicamente de las mediciones del magnetómetro 38 y del acelerómetro 34, es necesario combinar entre sí las funciones que han de ser minimizadas y proseguir con la estimación del cuaternio utilizando ambos sensores, por ejemplo por medio de un algoritmo de gradiente descendente. En este caso, el vector de referencia estará compuesto de 6 valores, al igual que el vector de las mediciones de los sensores.
El resultado es un único cuaternio qAcei.uag que representa de forma óptima tal rotación con tales datos.
La segunda parte del procedimiento según una realización de la presente invención permite la actualización de la estimación preliminar del cuaternio que representa la orientación del dispositivo de control mediante el uso de datos procedentes del giroscopio.
Una realización preferida permite fusionar la información procedente del giroscopio con la procedente de la estimación preliminar de la orientación obtenida mediante las mediciones del acelerómetro 34 y del magnetómetro 38, utilizando un filtro de Kalman extendido.
Como es sabido, un filtro de Kalman es un algoritmo recurrente que permite la estimación del estado que caracteriza un sistema dinámico, partiendo de observaciones del propio estado que no son completamente fiables debido a que están afectadas por ruido.
En este caso, el modelo utilizado para definir el filtro de Kalman es el siguiente:
en el que X es un vector de estado compuesto por las cuatro componentes del cuaternio q = [qo qi q 2 qá\ que representa la orientación obtenida partiendo únicamente de las mediciones del magnetómetro 38 y del acelerómetro 34, H es una matriz 4x4 de identidad de 4x4, Vi,k representa el ruido del proceso que se supone que se produce de una distribución normal con una varianza expresada por una matriz Q, V2,k representa el ruido de la medición que se supone que se produce de una distribución normal con una varianza expresada por una matriz R.
La función de transición f(Xk-1, wk) se basa en la siguiente ecuación que conecta las mediciones giroscópicas w con la derivada del cuaternio:
Para hacer que la estimación sea robusta también en el caso de ruido magnético, se ha estudiado una solución basada en la evolución del módulo del campo magnético.
El campo magnético de la Tierra tiene un módulo casi constante de aproximadamente 45 nT. Cuando un ruido magnético aumenta o disminuye (curva M de la Figura 10), se aplican mediciones correctivas a las mediciones magnetométricas.
Como puede verse en la Figura 10, se pueden definir dos áreas de operación:
- en un área de seguridad en torno al valor definido por la curva A, definida por los valores umbral B y C, se hace que las matrices Q y R varíen linealmente, para proporcionar más confianza a la estimación del magnetómetro;
- fuera del área definida por los umbrales B y C, se considera que la perturbación magnética es demasiado intensa y las mediciones magnetométricas ya no son utilizadas en la fase de estimación preliminar. En cambio, en el filtro de Kalman se utilizan esas matrices Q y R que proporcionan menos confianza a la estimación preliminar.
Estas mediciones permiten que una perturbación magnética no afecte a la estimación de la posición del dispositivo de control.
De esta forma, se estima un cuaternio q = [qo,qi,q2,q3] que expresa la posición del dispositivo de control.
El ángulo de orientación, en concreto el ángulo formado por el sistema de referencia escogido y la dirección hacia la que apunta el dispositivo de control, puede calcularse empleando las componentes del cuaternio estimado anteriormente utilizando la siguiente ecuación:
en la que q0, q1, q2 y q3 son las componentes del cuaternio q = [qo,qi,q2,q3] estimado mediante el filtro de Kalman.
En función del ángulo de orientación se definen cuatro cuadrantes, cada uno de 90°, que permiten identificar la dirección hacia la cual está apuntando el dispositivo de control y, por consiguiente, si es necesario, permiten cambiar la dirección asociada con cada botón pulsador según los modos descritos anteriormente.
Una vez se obtiene el ángulo de orientación, se definen, preferiblemente, zonas de tolerancia en torno a los límites de los cuadrantes mostrados en la Figura 5 y son colocadas, con respecto al ángulo de orientación, a 45°, 135°, 225° y 315°.
Cuando el ángulo de orientación del dispositivo de control está ubicado en las zonas de tolerancia, preferiblemente se mantiene la anterior configuración hasta que la zona de control gira, saliendo de la zona de tolerancia al cuadrante adyacente.
Para garantizar una mayor seguridad durante su uso, también es posible añadir distintas señales de luz, sonido o vibración, según la situación del dispositivo de control inercial como, por ejemplo, una señal que avisa del cambio de configuración de los botones pulsadores y del cambio y una señal que avisa cuándo el dispositivo de control está orientado sobre uno de los 4 límites que determinan el cambio del cuadrante.
Los dispositivos de control descritos anteriormente pueden aplicarse, además de a aparatos de izado, a cualquier otra máquina de trabajo, equipos de construcción, máquinas herramienta o similares.
Evidentemente, se pueden realizar modificaciones o mejoras a la invención según se ha descrito anteriormente en la presente memoria, dictadas por motivos contingentes o especiales sin que la invención renuncie al ámbito de protección según se reivindica a continuación en la presente memoria.
Claims (4)
1. Un procedimiento de estimación de una posición de un dispositivo (10) de control para controlar máquinas (20) de trabajo, comprendiendo el dispositivo (10) de control una pluralidad de botones pulsadores para controlar el movimiento de una máquina de trabajo en direcciones respectivas, comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas:
- definir un área de seguridad en torno a un valor del campo magnético de la Tierra definido por una curva (A), estando definida el área de seguridad por los valores umbral (B) y (C);
- estimar preliminarmente la posición del dispositivo (10) de control, teniendo lugar dicha estimación preliminar en función de datos procedentes de un acelerómetro (34) y un magnetómetro (38) a bordo del dispositivo (10) de control cuando las mediciones magnetométricas se encuentran en el área de seguridad, y en función únicamente de datos procedentes de dicho acelerómetro (34) en los demás casos; llevándose a cabo la estimación preliminar de la posición del dispositivo de control estimando un cuaternio que representa dicha posición, estimándose el cuaternio minimizando una función que correlaciona el cuaternio con un vector de referencia y con un vector de medición obtenido del acelerómetro y, cuando las mediciones magnetométricas se encuentran en el área de seguridad, del magnetómetro;
- actualizar la estimación preliminar de la posición del dispositivo de control utilizando datos procedentes del giroscopio (36) a bordo del dispositivo (10) de control, llevándose a cabo la actualización de la estimación preliminar de la posición del dispositivo (10) de control utilizando datos procedentes del giroscopio (36) por medio de un filtro de Kalman extendido que permite estimar un cuaternio q = [q0,q1,q2,q3 ] que describe la posición del dispositivo (10) de control y estando dado por las siguientes ecuaciones el modelo utilizado para definir el filtro de Kalman extendido:
en las que el vector x está compuesto por las componentes del cuaternio g = [90 ,91 ,92 ,93 ] que describe la posición del dispositivo (10) de control, el parámetro Wk consiste en las mediciones del giroscopio (36), H es una matriz de identidad 4X4, Vi,k y V 2 ,k representan, respectivamente, ruido del proceso y ruido de la medición, cuyas varianzas se definen, respectivamente, mediante matrices Q de varianza del proceso y R de varianza de la medición del filtro de Kalman y la función de transición f(Xk-1, Wk) se basa en la siguiente ecuación q = 0,5 * q 0 w que correlaciona los valores de los ángulos w de posición medidos por el giroscopio con la derivada del cuaternio q = [90 ,91 ,92 ,93 ]; y
- en caso de que los valores del campo magnético medidos por el magnetómetro (38) estén comprendidos en el área predefinida de seguridad con respecto a los valores del campo magnético de la Tierra, se varían linealmente las matrices Q y R del filtro de Kalman para proporcionar más confianza a la estimación preliminar del magnetómetro (38),
- en caso de que los valores del campo magnético medidos por el magnetómetro no estén comprendidos en el área predefinida de seguridad con respecto a los valores del campo magnético de la Tierra, se varían linealmente las matrices Q y R del filtro de Kalman para proporcionar más confianza a la estimación del giroscopio (36).
2. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que la minimización se lleva a cabo aplicando un algoritmo de gradiente descendente.
3. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que se calcula un ángulo de orientación del dispositivo (10) de control mediante la siguiente fórmula:
<p = tan 1 2 C ? 0 ? 3
1 - 2 (ql q¡)
en la que q0 , q1, q2 y q3 son las componentes del cuaternio q = [90 ,91 ,92 ,93 ] estimadas mediante el filtro de Kalman.
4. Un procedimiento de control de una máquina de trabajo según distintas direcciones de movimiento utilizando un dispositivo (10) de control, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
- estimar una orientación del dispositivo (10) de control según el procedimiento de las reivindicaciones 1-3;
- reasignar las funciones de control del dispositivo (10) de control como una función del ángulo de orientación del dispositivo (10) de control.
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