ES2966334T3

ES2966334T3 - Grúa y procedimiento para controlar una grúa de este tipo

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Publication number: ES2966334T3
Application number: ES20756798T
Authority: ES
Inventors: Tobias Englert
Original assignee: Liebherr Werk Biberach GmbH
Current assignee: Liebherr Werk Biberach GmbH
Priority date: 2019-08-26
Filing date: 2020-08-07
Publication date: 2024-04-22
Anticipated expiration: 2040-08-07
Also published as: EP4013713B1; EP4013713A1; BR112022002809A2; US20220194749A1; CN114341046A; WO2021037526A1; DE102019122796A1

Abstract

La invención se refiere a una grúa, en particular una grúa torre giratoria o una grúa con pluma, que tiene un cable de elevación (7) que se extiende desde una pluma de grúa (2) y lleva un gancho de carga (8), en el que una eslinga (12) que tiene un la carga (11) fijada al mismo está fijada al gancho de carga (8), cuya carga cuelga hacia abajo, espaciada del gancho de carga (8), y que tiene un dispositivo de determinación (60) para determinar la posición y/o excursión de la carga. (11), y un aparato de control electrónico (3) para controlar dispositivos de accionamiento para mover elementos de grúa y reubicar el gancho de carga (8) de acuerdo con la posición detectada y/o excursión de la carga (11), en donde el dispositivo de determinación (60) tiene primeros medios de determinación (63; 65) para determinar una posición y/o excursión del gancho de carga (8) y además un dispositivo de medición inercial (66, 67) que está unido a la eslinga (12) y/o a la carga. (11) y que tiene medios sensores de velocidad de aceleración y rotación para proporcionar señales de velocidad de aceleración y rotación y segundos medios de determinación para determinar y/o estimar una excursión y/o posición de la carga (11) a partir de las señales de velocidad de aceleración y rotación del dispositivo de medición inercial (66, 67), que está unido a la eslinga (12) y/o a la carga (11), y a partir de las señales de los indicados primeros medios de determinación (63, 65) que caracterizan la posición y/o excursión del gancho de carga (8). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Grúa y procedimiento para controlar una grúa de este tipo

La presente invención se refiere a una grúa, en particular una grúa giratoria de torre, con un cable de elevación, que discurre desde una pluma y porta un gancho de carga, al que están fijados medios de eslingado que portan una carga, una unidad de determinación para determinar la posición y/o movimientos de oscilación de la carga, unidades de accionamiento para mover elementos de grúa y desplazar el gancho de carga, así como un dispositivo de control para controlar las unidades de accionamiento en función de la posición y/o los movimientos de oscilación de la carga determinados, así como además a un procedimiento para controlar una grúa de este tipo, en el que se influye en el control de las unidades de accionamiento en función de la posición y/o los movimientos de oscilación de la carga determinados.

Para poder desplazar el gancho de carga de una grúa a lo largo de una trayectoria de desplazamiento o entre dos puntos objetivo tienen que accionarse y controlarse habitualmente diversas unidades de accionamiento.

A ese respecto, los usuarios de por ejemplo grúas giratorias de torre, de pluma o de pórtico (o pórticos de descarga) controlan los accionamientos por regla general directamente, de modo que requiere mucha práctica y concentración poder desplazar una carga rápidamente al punto de descarga y depositarla allí de manera segura. En particular, mediante el control de la grúa se generan rápidamente grandes vibraciones de oscilación de la carga, que debido a la amortiguación reducida solo disminuyen muy lentamente. Evitar esto manualmente es muy difícil e incluso los operarios de grúa experimentados no siempre o casi nunca lo consiguen.

A ese respecto, la complejidad de los movimientos de oscilación aumenta aún más cuando la carga no puede colgarse directamente en el gancho de carga, sino que se sujeta de manera colgante a través de un medio de eslingado, por ejemplo, en forma de una eslinga, un dispositivo de suspensión intermedio, una o varias cadenas, una red de elevación extendida o simplemente cables adicionales, separada un poco del gancho de carga. Según lo largo que sea el medio de eslingado en relación con la profundidad de hundimiento y según la relación de la masa de la carga y de la masa del gancho de carga o de la polea de gancho varía la influencia o la proporción de los movimientos de oscilación de la carga con respecto al gancho de carga. Se producen movimientos de oscilación doble, en los que al movimiento de oscilación del gancho de carga se solapan además los movimientos de oscilación de la carga separada del gancho o del medio de eslingado. Debido a este solapamiento de los movimientos de oscilación, para el operario de grúa se vuelve todavía más difícil manejar los accionamientos de modo que se amortigüen los movimientos de oscilación doble o ni siquiera se produzcan en primer lugar.

En algunos tipos de grúa hay que añadir que la estructura de grúa es en sí misma flexible y puede vibrar por sí misma, lo que en vista de los diversos ejes de movimiento apenas puede predecirse por el operario de grúa. Por ejemplo, en el caso de una grúa giratoria de torre, en la que el cable de elevación discurre desde un carro corredizo, que puede desplazarse en la pluma de la grúa, tienen que accionarse y controlarse habitualmente en cada caso el mecanismo de giro, por medio del que se hacen girar la torre con la pluma prevista sobre la misma o la pluma en relación con la torre alrededor de un eje de giro vertical, así como el accionamiento de carro, por medio del que puede desplazarse el carro corredizo a lo largo de la pluma, y el mecanismo de elevación, por medio del que puede ajustarse el cable de elevación y con ello puede hacerse subir y bajar el gancho de carga. En las grúas con una pluma telescópica balanceable además del mecanismo de giro, que hace girar la pluma o la superestructura que porta la pluma alrededor de un eje vertical, y del mecanismo de elevación para ajustar el cable de elevación, se accionan también el accionamiento de balanceo para balancear hacia arriba y hacia abajo la pluma así como el accionamiento telescópico para replegar y desplegar las secciones telescópicas, dado el caso también un accionamiento de punta balanceable en el caso de la presencia de una punta balanceable en la pluma telescópica. En formas mixtas de tales grúas y tipos de grúa similares, por ejemplo, grúas de torre con pluma balanceable o grúas Derrick con contrapluma balanceable, pueden tener que controlarse en cada caso también unidades de accionamiento adicionales.

A este respecto, dichas unidades de accionamiento se accionan y se controlan habitualmente por el operario de grúa a través de elementos de manejo correspondientes por ejemplo en forma de palancas de mando, interruptores basculantes, botones giratorios y empujadores y similares, lo que la experiencia ha demostrado que requiere mucho tacto y experiencia para acercarse a los puntos objetivo rápidamente y aun así de manera suave sin grandes movimientos de oscilación del gancho de carga. Mientras que entre los puntos objetivo debe moverse lo más rápido posible, para conseguir un alto rendimiento de trabajo, en el respectivo punto objetivo debe pararse de manera suave sin que el gancho de carga con la carga fijada al mismo oscile posteriormente.

Un control de este tipo de las unidades de accionamiento de una grúa es agotador para el operario de grúa en vista de la concentración requerida, especialmente porque a menudo tienen que completarse trayectorias de desplazamiento recurrentes y tareas monótonas. Además, en el caso de una concentración decreciente o también si no se tiene suficiente experiencia con el respectivo tipo de grúa, se producen mayores movimientos de oscilación o de oscilación doble de la carga recibida y con ello un potencial de peligro correspondiente, cuando el operario de grúa no maneja la palanca o los elementos de manejo de la grúa con suficiente delicadeza. En la práctica, debido al control de la grúa se producen también en el caso de operarios de grúa experimentados de vez en cuando reiteradamente con rapidez grandes vibraciones de oscilación de la carga, que solo disminuyen muy lentamente. Para enfrentarse a la problemática de movimientos de oscilación no deseados ya se ha propuesto dotar al dispositivo de control de la grúa de unidades de amortiguación de oscilación, que por medio de componentes de control intervienen en el control e influyen en el control de las unidades de accionamiento, por ejemplo para impedir o debilitar grandes aceleraciones de una unidad de accionamiento debido a un accionamiento demasiado rápido o demasiado fuerte de la palanca de manejo o limitar determinadas velocidades de desplazamiento en el caso de cargas mayores o intervenir también activamente de manera similar en los movimientos de desplazamiento, para impedir una oscilación demasiado fuerte del gancho de carga.

Tales unidades de amortiguación de oscilación para grúas se conocen en diferentes realizaciones, por ejemplo, mediante el control de los accionamientos de mecanismo de giro, de balanceo y de carro corredizo en función de determinadas señales de sensor, por ejemplo, señales de inclinación y/o de giroscopio. Por ejemplo, los documentos DE 202008018260 U1 o DE 102009032270 A1 muestran amortiguaciones de oscilación de carga conocidas en grúas, a cuyo objeto se hace referencia expresamente en este sentido, es decir en cuanto a las bases de la unidad de amortiguación de oscilación. En el documento DE 202008 018206 U1 se mide por ejemplo por medio de una unidad de giroscopio el ángulo de cable en relación con la vertical y su variación en forma de la velocidad del ángulo de cable para, en el caso de superar un valor límite para la velocidad del ángulo de cable con respecto a la vertical, intervenir automáticamente en el control.

Además, los documentos EP1628902 B1, DE 10324692 A1, EP2562 125 B1, US 201301 61 279 A, DE10064 182 A1 o US 55 26 946 B muestran en cada caso conceptos para la regulación de bucle cerrado de grúas, que tienen en cuenta la dinámica de oscilación o también la dinámica de oscilación y de accionamiento. Tales regulaciones de bucle cerrado en grúas teniendo en cuenta la dinámica de oscilación son también ya el objeto de diversas publicaciones científicas, véase por ejemplo E. Arnold, O. Sawodny, J. Neupert y K. Schneider, “Anti-sway system for boom cranes based on a model predictive control approach”, IEEE International Conference Mechatronics and Automation, 2005, Niagara Falls, Ont., Canadá, 2005, págs. 1533-1538 vol. 3, así como Arnold, E., Neupert, J., Sawodny, O., “Modell-pradiktive Trajektoriengenerierung für flachheitsbasierte Folgeregelungen am Beispiel eines Hafenmobilkrans”, en - Automatisierungstechnik, 56(8/2008), o J. Neupert, E. Arnold, K. Schneider y O. Sawodny, “Tracking and anti-sway control for boom cranes”, Control Engineering Practice, 18, págs. 31-44, 2010, doi: 10.1016/j.conengprac. 2009.08.003.

Además, la publicación JP 2003 312 982 A muestra una grúa, cuyo gancho de carga está unido de manera articulada a un cable de elevación y porta un aparejo de carga. Por medio de un sensor de inclinación se detecta una posición oblicua, en función de la que puede corregirse entonces el control. Este documento da a conocer el preámbulo de la reivindicación 1.

Una grúa adicional, que presenta un sistema de sensores para detectar la posición oblicua del cable de elevación, se conoce por la publicación DE 102017114789 A1.

Además ya se ha intentado también modelizar movimientos de oscilación doble, que se generan de la manera descrita, cuando la carga se cuelga separada del gancho de carga mediante un medio de eslingado, véase Schaper, Ulfet al“A load position observer for cranes with gyroscope measurements” en: Proceedings of the 18th World Congress, the International Federation of Automatic Controll, Milán (Italia), 28 de agosto - 2 de septiembre, 2011, páginas 3563 a 3568. A ese respecto se mide por medio de un giroscopio el ángulo de desviación y la aceleración de desviación del cable de elevación, para determinar mediante el modelo cinemático del péndulo doble la posición de la carga que cuelga en el medio de eslingado. Sin embargo, esto requiere conocer la longitud del medio de eslingado adicional o la distancia entre la carga y el gancho, así como el momento de inercia de la carga y del medio de eslingado. Sin el conocimiento adicional de la longitud del medio de eslingado o de la distancia de la carga con respecto al gancho o del momento de inercia de la carga y del medio de eslingado con respecto al gancho de la grúa, con este enfoque no puede determinarse de manera fiable la posición de la carga o su desviación.

Por tanto, el objetivo básico es detectar o determinar de la manera más precisa posible la posición de la carga o sus movimientos de oscilación doble, para poder contrarrestarlos activamente mediante una regulación. Una regulación de este tipo puede servir por un lado como sistema de asistencia, que permite al operario de grúa predeterminar a través de los aparatos de manejo directamente el movimiento de la carga (en lugar del movimiento del pórtico o de carro corredizo). Mediante este respaldo pueden aumentarse la seguridad de trabajo y la productividad. Una amortiguación de la vibración es además una condición previa importante para la automatización completa de movimientos de grúa.

A ese respecto, se plantea especialmente el problema de que los sistemas para la amortiguación activa de la vibración hasta la fecha no podían reequiparse de manera económica o no podían utilizarse de manera universal. A ese respecto, resultan desventajas adicionales porque las amortiguaciones de la vibración conocidas hasta la fecha son bastante caras, y por regla general los posibles movimientos de oscilación doble, tal como se generan en el caso de medios de eslingado largos con una separación asociada de la carga con respecto al gancho de carga debido al solapamiento de movimientos de oscilación del propio gancho de carga así como movimientos de oscilación de la carga en relación con el gancho de carga, solo se tienen en cuenta de manera insuficiente.

Partiendo de esto, la presente invención se basa en el objetivo de crear una grúa mejorada, así como un procedimiento mejorado para su control, que eviten las desventajas del estado de la técnica y perfeccionen este último de manera ventajosa. Preferiblemente pretende conseguirse una amortiguación de oscilación mejorada en grúas giratorias de torre y de pluma u otras grúas, que tenga en cuenta mejor los movimientos de oscilación doble en el caso de medios de eslingado extendidos y de cargas que cuelgan separadas del gancho de carga.

Según la invención, dicho objetivo se alcanza mediante una grúa según la reivindicación 1 así como un procedimiento según la reivindicación 12. Configuraciones preferidas de las invenciones son el objeto de las reivindicaciones dependientes.

Es decir, se propone llevar a cabo una detección de la oscilación en el medio de eslingado y/o directamente en la propia carga que cuelga separada del gancho de carga y dotar el sistema de sensores de oscilación en el medio de eslingado y/o directamente en la carga que cuelga separada del gancho de carga de una unidad de detección inercial, que está colocada en el medio de eslingado y/o directamente en la carga que cuelga separada del gancho de carga y proporciona señales de aceleración y de tasa de giro, que reproducen aceleraciones de traslación y tasas de giro del medio de eslingado y/o de la carga que cuelga separada del gancho de carga.

Una unidad de medición inercial de este tipo colocada en el medio de eslingado y/o directamente en la carga que cuelga separada del gancho de carga, que en ocasiones se denomina también IMU, puede presentar medios de sensor de aceleración y de tasa de giro para proporcionar señales de aceleración y de tasa de giro, que indican por un lado aceleraciones de traslación a lo largo de diferentes ejes espaciales y por otro lado tasas de giro o señales giroscópicas con respecto a diferentes ejes espaciales. A ese respecto, como tasas de giro pueden proporcionarse velocidades de giro, pero básicamente también aceleraciones de giro o también ambas. A partir de las señales de aceleración y de tasa de giro de dicha unidad de medición inercial, que está colocada directamente en el medio de eslingado o la carga sujetada al mismo, y de la posición y/o desviación del gancho de carga o de las señales de medición, que permiten caracterizar o identificar la posición y/o desviación del gancho de carga, basándose en la dinámica de un péndulo doble puede determinarse de manera muy precisa la posición o desviación de la carga. La posición y/o desviación del gancho de carga puede determinarse de manera en sí conocida, por ejemplo, mediante un sistema de sensores de oscilación, que presenta una cámara en la zona del punto de salida del cable de elevación de la pluma y/o presenta un giroscopio en el cable de elevación y/o comprende una unidad de medición inercial adicional en el gancho de carga.

Mediante el sistema de sensores de oscilación adicional en dicho medio de eslingado y/o directamente en la carga, que cuelga del gancho de carga mediante el medio de eslingado, y su unidad de medición inercial, que proporciona señales de aceleración y de tasa de giro de la carga o del medio de eslingado, puede determinarse de manera precisa la posición y/o desviación de la carga también en el caso de movimientos de oscilación doble, sin que sea necesario conocer exactamente la longitud del medio de eslingado o la distancia de la carga con respecto al gancho de carga y el momento de inercia de la carga y del medio de eslingado con respecto al gancho de grúa. Esto permite en particular determinar exactamente la posición y/o desviación de la carga también cuando durante el funcionamiento de la grúa se elevan cargas de diferente peso o se usan medios de eslingado de diferente longitud o se amarra un medio de eslingado en una longitud diferente, como tiene lugar con frecuencia en la práctica.

Dicha unidad de medición inercial puede colocarse ventajosamente de manera separable y/o sin herramientas en la carga y/o en el medio de eslingado, pudiendo comprender los medios de sujeción para sujetar la unidad de medición inercial por ejemplo una unidad magnética o una unidad de apriete elástica, para poder sujetar magnéticamente o apretar firmemente la unidad de medición inercial de manera sencilla a la carga y/o al medio de eslingado. También pueden usarse otros medios de sujeción, tal como por ejemplo una ventosa de depresión o medios de sujeción accionables mecánicamente, tal como mordazas de apriete.

En particular, basándose en la dinámica del péndulo doble, puede preverse un observador, por ejemplo en forma de un filtro Kalman, en particular un filtro Kalman no lineal o denominado sin rastro (“unscented”), que con ayuda de señales de posición y de velocidad de todos los accionamientos así como de la posición y/o desviación del gancho de carga o con ayuda de las señales del sistema de sensores de oscilación, que identifican la posición y/o desviación del gancho de carga, y del sistema de sensores de oscilación adicional en forma de la unidad de medición inercial en la propia carga o en los medios de eslingado puede determinarse de manera fiable y precisa la posición y/o desviación de la carga. A este respecto puede estimarse por ejemplo la longitud del medio de eslingado y/o la separación de la carga con respecto al gancho de carga y/o el ángulo de desviación entre el medio de eslingado y la vertical, y calcularse a partir de esto la posición de la carga.

Ventajosamente, la unidad de medición inercial puede detectar aceleraciones en tres ejes espaciales y tasas de giro alrededor de al menos dos ejes espaciales. Los medios de sensor de aceleración pueden estar configurados de manera que trabajan en tres ejes y los medios de sensor giroscópico de manera que trabajan al menos en dos ejes. La unidad de medición inercial colocada en el medio de eslingado y/o directamente en la carga que cuelga separada del gancho de carga puede transmitir sus señales de aceleración y de tasa de giro y/o señales derivadas de las mismas ventajosamente de manera inalámbrica a una unidad de control y/o de evaluación, que puede estar colocada en una parte estructural de la grúa o también dispuesta por separado en la cercanía de la grúa. En particular, la transmisión puede tener lugar a un receptor, que puede estar colocado en el carro corredizo y/o en la suspensión, desde la que discurre el cable de elevación. Ventajosamente, la transmisión puede tener lugar por ejemplo a través de una conexión Bluetooth o Wifi.

Mediante una conexión inalámbrica de este tipo de una unidad de medición inercial puede reequiparse una amortiguación de oscilación muy fácilmente también en grúas existentes, sin que para ello sean necesarias medidas de reequipamiento complejas. Sustancialmente solo hay que colocar la unidad de medición inercial en el medio de eslingado y/o directamente en la carga que cuelga separada del gancho de carga y el receptor que se comunica con la misma, que transmite las señales a la unidad de control o de regulación.

A partir de las señales de la unidad de medición inercial puede determinarse ventajosamente en un procedimiento de dos o más etapas la desviación de la carga o del medio de eslingado, en el que la carga cuelga del gancho de carga, con respecto a la vertical. En primer lugar se determina la inclinación del medio de eslingado y/o la inclinación de la carga por ejemplo con ayuda de un filtro complementario o de un filtro de orientación, véase por ejemplo Mahony, R.; Hamel, T. y Pflimlin, J., Nonlinear Complementary Filters on the Special Othogonal Group, IEEE Transactions on Automatic Control, 2008, 53, 1203-1218, o Madgwick, S. O. H.; Harrison, A. J. L. y Vaidyanathan, R., Estimation of IMU and MARG orientation using a gradent descent algorithm, IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics, 2011, 1-7, dado que esta no tiene que coincidir con la desviación del gancho de carga con respecto al carro corredizo o el punto de suspensión ni la desviación del cable de elevación con respecto a la vertical y después se determina a partir de la inclinación del medio de eslingado y/o de la carga y su aceleración la desviación buscada del medio de eslingado o de la carga que cuelga del gancho de carga con respecto a la vertical. Dado que la unidad de medición inercial está sujetada al medio de eslingado y/o directamente a la carga que cuelga separada del gancho de carga, se influye en las señales de aceleración y de tasa de giro tanto mediante los movimientos de oscilación del cable de elevación como mediante la dinámica del medio de eslingado que se inclina u oscila en relación con el cable de elevación.

En particular, mediante pocas etapas de cálculo puede tener lugar una estimación exacta del ángulo de oscilación de la carga y/o de la posición de la carga, que puede usarse entonces por el regulado (en particular junto con la posición del gancho de carga y/o el ángulo de oscilación del gancho de carga y/o del cable de elevación) para la amortiguación activa de la oscilación.

A ese respecto, ventajosamente se determina en primer lugar la inclinación del medio de eslingado y/o de la carga que cuelga separada del gancho de carga a partir de las señales de la unidad de medición inercial con ayuda de un filtro complementario, que aprovecha las diferentes particularidades de las señales de aceleración de traslación y de las señales giroscópicas de la unidad de medición inercial, pudiendo usarse sin embargo alternativa o adicionalmente también un filtro de Kalman para determinar la inclinación del medio de eslingado y/o de la carga que cuelga separada del gancho de carga a partir de las señales de aceleración y de tasa de giro.

A partir de la inclinación determinada del medio de eslingado y/o de la carga que cuelga separada del gancho de carga pueden determinarse luego las aceleraciones y tasas de giro de la carga o del medio de eslingado en coordenadas inerciales.

Los medios de determinación mencionados en primer lugar pueden presentar en particular un filtro complementario con un filtro de paso-alto para la señal de tasa de giro de la unidad de medición inercial y un filtro de paso-bajo para la señal de aceleración de la unidad de medición inercial o una señal derivada de la misma, pudiendo estar configurado dicho filtro complementario para vincular entre sí una estimación apoyada en la tasa de giro de la inclinación del medio de eslingado o de la carga, que se basa en la señal de tasa de giro sometida al filtro de pasoalto, y una estimación apoyada en la aceleración de la inclinación del medio de eslingado o de la carga, que se basa en la señal de aceleración sometida al filtro de paso-bajo, y a partir de las estimaciones apoyadas en la tasa de giro y en la aceleración vinculadas de la inclinación del medio de recepción de carga determinar la inclinación buscada del medio de recepción de carga.

Los medios de determinación mencionados en segundo lugar para determinar la desviación del medio de eslingado o de la carga con respecto a la vertical mediante la inclinación determinada del pueden presentar una unidad de filtro y/o de observador, que como magnitud de entrada tiene en cuenta la inclinación determinada del medio de recepción de carga y a partir de una aceleración inercial en el medio de eslingado o de la carga determina la desviación del medio de eslingado o de la carga con respecto a la vertical.

Dicha unidad de filtro y/o de observador puede comprender en particular un filtro de Kalman, en particular un filtro de Kalman “unscented”, ampliado o no lineal.

Alternativa o adicionalmente a un filtro de Kalman de este tipo, los medios de determinación mencionados en segundo lugar pueden presentar también una unidad de cálculo para calcular la desviación del cable de elevación y/o del medio de recepción de carga con respecto a la vertical a partir de una relación estática de las aceleraciones, en particular a partir del cociente de una aceleración inercial horizontal y de la aceleración de la gravedad.

Ventajosamente, a la sección superior del péndulo doble, es decir al cable de elevación y/o al gancho de carga sujetado al mismo, puede estar asociado un sistema de sensores de oscilación para detectar esta componente del movimiento de oscilación doble, para a partir de señales del sistema de sensores de oscilación poder determinar la desviación del cable de elevación y/o del gancho de carga con respecto a la vertical y/o la posición del gancho de carga.

En particular, el sistema de sensores de oscilación para medir la componente superior del movimiento de oscilación doble puede comprender una unidad de giroscopio, que puede medir desviaciones del cable de elevación. Una unidad de giroscopio de este tipo asociada al cable de elevación se conoce en sí y puede extraerse por ejemplo del documento mencionado anteriormente Ulfet al“A load position observer for cranes with gyroscope measurements”. Alternativa o adicionalmente a una unidad de giroscopio de este tipo, el sistema de sensores de oscilación para detectar los movimientos de oscilación del gancho de carga puede presentar también una unidad de medición inercial en el gancho de carga, que proporciona señales de aceleración y de tasa de giro, que indican por un lado aceleraciones de traslación a lo largo de diferentes ejes espaciales y por otro lado tasas de giro o señales giroscópicas con respecto a diferentes ejes espaciales y reproducen las aceleraciones de traslación y tasas de giro del gancho de carga. A ese respecto, como tasas de giro pueden proporcionarse velocidades de giro, pero básicamente también aceleraciones de giro o ambas.

La evaluación de las señales de aceleración y de tasa de giro de la IMU colocada en el gancho de carga puede tener lugar básicamente de manera análoga a la evaluación de las señales de aceleración y de tasa de giro de la IMU, que está colocada directamente en la carga o en el medio de eslingado, tal como se describió anteriormente.

La unidad de detección para la detección de la posición del gancho de carga puede comprender ventajosamente también un sistema de sensores de imágenes, por ejemplo, una cámara, que mira desde el punto de suspensión del cable de elevación, por ejemplo, del carro corredizo, sustancialmente en perpendicular hacia abajo. Una unidad de evaluación de imágenes puede identificar el gancho de grúa en la imagen proporcionada por el sistema de sensores de imágenes y determinar a partir de la misma su excentricidad o su desfase con respecto al centro de la imagen, que es una medida para la desviación del gancho de grúa con respecto a la vertical y con ello caracteriza la oscilación de la carga. Alternativa o adicionalmente, un sensor giroscópico puede detectar el ángulo de retirada del cable de elevación con respecto a la pluma y/o con respecto a la vertical y suministrarlo al filtro de Kalman.

En el caso de una conexión articulada del gancho de carga al cable de elevación, la orientación del gancho de carga puede corresponder a la orientación de los medios de eslingado. Correspondientemente, puede ser suficiente colocar solo en el gancho de carga una unidad de medición inercial y prescindir de una unidad de medición inercial adicional en el medio de eslingado y/o en la carga, dado que la unidad de medición inercial en el gancho de carga proporciona señales de aceleración y de tasa de giro, que también identifican la desviación del medio de eslingado y de la carga colocada en el mismo. En este caso, con una unidad de medición inercial individual en el gancho de carga puede determinarse la posición o los ángulos de oscilación tanto de la carga como del propio gancho de carga.

A ese respecto, la inclinación del gancho de carga y del medio de eslingado o el ángulo de oscilación inferior del péndulo doble puede obtenerse directamente de la estimación del filtro de orientación, que puede estar implementado por ejemplo como filtro complementario. En este caso, el ángulo de desviación del gancho de carga y del medio de eslingado colocado en el mismo con respecto a la vertical y la velocidad angular correspondiente no representan estados del sistema, sino que representan entradas. A ese respecto, la longitud del medio de eslingado puede estimarse a través de un enfoque de recorrido aleatorio. Alternativa o adicionalmente, la longitud del medio de eslingado puede transmitirse al observador también desde fuera y/o desde un módulo de software de orden superior. Dicha unidad de amortiguación de oscilación puede, en el caso del accionamiento manual de la grúa mediante el accionamiento de elementos de manejo correspondientes, tales como palancas de mando y similares, monitorizar los comandos de entrada del operario de grúa y en caso necesario corregirlos, en particular en el sentido de que se reducen, por ejemplo, aceleraciones predeterminadas de manera demasiado fuerte por el operario de grúa o también se inician automáticamente movimientos contrarios, cuando un movimiento de grúa predeterminado por el operario de grúa ha conducido o conduciría a una oscilación del gancho de carga. A ese respecto, el componente regulador intenta ventajosamente permanecer tan cerca como sea posible de los movimientos y perfiles de movimiento deseados por el operario de grúa, para ofrecer al operario de grúa una sensación de control, y corrige las señales de ajuste introducidas manualmente solo en la medida que sea necesario para realizar el movimiento de grúa deseado de la manera más libre de oscilación y vibración posible. Alternativa o adicionalmente, con el o los elementos de manejo, tal como por ejemplo una o varias palancas de mando, puede predeterminarse no la velocidad de los accionamientos, sino la velocidad de la carga, controlando el módulo de regulación o el dispositivo de control los accionamientos de la grúa de modo que las especificaciones se implementen tan bien como sea posible, pero la carga al mismo tiempo no empiece a oscilar.

Alternativa o adicionalmente, la unidad de amortiguación de oscilación puede utilizarse también en un accionamiento automatizado de la grúa, en el que el dispositivo de control de la grúa desplaza en el sentido de un piloto automático el medio de recepción de carga de la grúa automáticamente entre al menos dos puntos objetivo a lo largo de una trayectoria de desplazamiento. En el caso de un funcionamiento automático de este tipo, en el que un módulo de determinación de trayectoria de desplazamiento del dispositivo de control determina una trayectoria de desplazamiento deseada, por ejemplo en el sentido de un control de trayecto, y un módulo de control de desplazamiento automático del dispositivo de control controla los reguladores de accionamiento o las unidades de accionamiento de modo que el gancho de carga se desplace a lo largo de la trayectoria de desplazamiento determinada, la unidad de amortiguación de oscilación puede intervenir en el control de los reguladores de accionamiento mediante dicho módulo de control de desplazamiento, para desplazar el gancho de grúa sin oscilación o amortiguar movimientos de oscilación.

La invención se explica a continuación más detalladamente mediante un ejemplo de realización preferido y dibujos asociados. En los dibujos muestran:

la figura 1: una representación esquemática de una grúa giratoria de torre, en la que desde un carro corredizo que puede desplazarse en una pluma discurre un cable de elevación, al que está unido de manera articulada un gancho de carga, estando colgado en el gancho de carga un medio de eslingado, representándose los movimientos de oscilación doble posibles de este modo con diferentes ángulos de desviación del cable de elevación y del medio de eslingado,

la figura 2: una representación esquemática del péndulo doble de la figura 1 y su unión articulada a un carro corredizo de grúa, estando apuntados los movimientos de desplazamiento del carro corredizo, las variaciones de longitud del cable de elevación y los ángulos de oscilación que se generan, la figura 3: una posible inclinación del gancho de carga con respecto al cable de elevación, y

la figura 4: una representación esquemática de una grúa giratoria de torre y del péndulo doble que comprende el cable de elevación y el medio de eslingado unido de manera articulada al gancho de carga, estando unido el gancho de carga mediante una unión articulada con el cable de elevación y correspondiendo la desviación del gancho de carga a la desviación del medio de eslingado.

Como muestra la figura 1, la grúa 10 puede estar configurada como grúa giratoria de torre. La grúa giratoria de torre mostrada en la figura 1 puede presentar por ejemplo de manera en sí conocida una torre 1, que porta una pluma 2, que se equilibra mediante una contrapluma 4, en la que puede estar previsto un contrapeso. Dicha pluma 2 puede hacerse girar junto con la contrapluma 4 alrededor de un eje de giro vertical 5, que puede ser coaxial al eje longitudinal de torre, mediante un mecanismo de giro. En la pluma 2 puede desplazarse un carro corredizo 6 mediante un accionamiento de carro, discurriendo desde el carro corredizo 6 un cable de elevación 7, al que está sujetado un gancho de carga 8.

Como muestra igualmente la figura 1, la grúa 2 (naturalmente también en el caso de la configuración como grúa de pórtico u otra grúa) puede presentar a ese respecto un dispositivo de control electrónico 3, que puede comprender por ejemplo un ordenador de control dispuesto en la propia grúa. A este respecto, dicho dispositivo de control 3 puede controlar diferentes elementos de ajuste, circuitos hidráulicos, motores eléctricos, dispositivos de accionamiento y otros módulos de trabajo en la respectiva máquina de construcción. Estos pueden ser, por ejemplo, en la grúa mostrada, su mecanismo de elevación, su mecanismo de giro, su accionamiento de carro, su accionamiento de balanceo de pluma (dado el caso presente) o similares.

A este respecto, dicho dispositivo de control electrónico 3 puede comunicarse con un terminal 9, que puede estar dispuesto en la estación de control o en la cabina del operario y puede presentar por ejemplo la forma de una tableta con pantalla táctil y/o palancas de mando, botones giratorios, interruptores deslizantes y elementos de manejo similares, de modo que, por un lado, puede mostrarse información diversa del ordenador de control 3 en el terminal 9 y, a la inversa, pueden introducirse comandos de control a través del terminal 9 en el dispositivo de control 3. Dicho dispositivo de control 3 de la grúa 10 puede estar configurado en particular para controlar dichos dispositivos de accionamiento del mecanismo de elevación, del carro corredizo y del mecanismo de giro también cuando una unidad de amortiguación de oscilación 30 detecta parámetros de movimiento relevantes para la oscilación.

Para ello, la grúa 1 puede presentar un sistema de sensores de oscilación o una unidad de detección 60, que detecta una tracción oblicua del cable de elevación 7 y/o desviaciones del gancho de carga 8 con respecto a una vertical 62, que pasa por el punto de suspensión del gancho de carga 8, es decir el carro corredizo 6. En particular puede detectarse el ángulo de tracción del cable p con respecto a la línea efectiva de la gravedad, es decir la vertical 62, véase la figura 1.

Para ello, el sistema de sensores de oscilación 60 puede estar colocado en el carro corredizo 6 una cámara 63 u otro sistema de sensores de imágenes, que mira en perpendicular hacia abajo desde el carro corredizo 6, de modo que en el caso de un gancho de carga no desviado 8 su reproducción de imagen se encuentra en el centro de la imagen proporcionada por la cámara 63. Sin embargo, si el gancho de carga 8 se desvía con respecto a la vertical 62, por ejemplo, debido a un arranque con tirones del carro corredizo 6 o un frenado abrupto del mecanismo de giro, la reproducción de imagen del gancho de carga 8 se desplaza fuera del centro de la imagen de la cámara, lo que puede determinarse mediante una unidad de evaluación de imágenes 61.

Por otro lado, la tracción oblicua p del cable de elevación o la desviación del gancho de carga con respecto a la vertical 62 puede tener lugar también con ayuda de una unidad de medición inercial IMU, que se coloca en el gancho de carga 8 y puede transmitir sus señales de medición preferiblemente de manera inalámbrica a un receptor en el carro corredizo 6, véase la figura 1.

Además, el sistema de sensores de oscilación 60 para detectar la parte “inferior” de los movimientos de oscilación doble, más exactamente de los movimientos de oscilación del medio de eslingado 12 y de la carga 11 sujetada a mismo con respecto al gancho de carga 8, comprende una unidad de medición inercial IMU adicional, que puede estar colocada en dicho medio de eslingado 12 o colocada directamente en la carga 11. Las figuras 1 y 2 muestran una unidad de medición inercial adicional 66 en el medio de eslingado 12 y una unidad de medición inercial adicional 67, que está colocada en la carga 11. Por medio de esta al menos una unidad de medición inercial adicional 66 y 67 puede determinarse en particular el ángulo de desviación 9, que indica la desviación del medio de eslingado 12 y de la carga 11 con respecto a la vertical 62 y con ello con respecto al gancho de carga 8.

En función de las desviaciones p y 9 detectadas o determinadas de dicha manera con respecto a la vertical 62, en particular teniendo en cuenta la dirección y la magnitud de las desviaciones, el dispositivo de control 3 puede controlar con ayuda de la unidad de amortiguación de oscilación 30 el accionamiento de mecanismo de giro y el accionamiento de carro corredizo, para llevar el carro corredizo 6 de nuevo de manera más o menos exacta sobre la carga 11 y compensar movimientos de oscilación doble, o reducirlos o incluso no permitir que se produzca en primer lugar.

En particular, basándose en la dinámica del péndulo doble puede determinarse un observador por ejemplo en forma de un filtro Kalman, en particular de un filtro Kalman “unscented”, que con ayuda de la posición del gancho de carga 8 o de las mediciones de dichos sensores en forma de la cámara 63 y/o de la unidad de medición inercial 65 y de la desviación p determinada a partir de las mismas por un lado y del sistema de sensores de oscilación adicional en forma de la unidad de medición inercial 66 en el medio de eslingado 12 y/o de la unidad de medición inercial 67 en la carga 11 puede determinarse de manera fiable la posición de la carga 11 y/o su desviación9En particular, también es posible estimar la longitud del medio de eslingado 12 y con ello la separación de la carga 11 con respecto al gancho de carga 8 así como el ángulo9entre la vertical 62 y el medio de eslingado 12 y calcular a partir de ello la posición de la carga.

La base para el observador la representa la descripción matemática del péndulo doble. Si se observa el modelo mostrado en la figura 2, la dinámica de oscilación doble puede derivarse con ayuda de las ecuaciones de Euler-Lagrange. En lo sucesivo se considera por motivos de simplicidad únicamente un plano de oscilación y una grúa sin mecanismo de giro, por ejemplo, una grúa de pórtico. Sin embargo, la derivación puede ampliarse fácilmente en un plano de vibración adicional y otros accionamientos como un mecanismo de balanceo o giro.

En primer lugar se define la posición del carro corredizosx(t),la longitud del cablel(t)así como el ángulo de oscilación superior e inferiorp(t)y 9¡t) en función del tiempo t, no indicándose ya en lo sucesivo para una mejor legibilidad la dependencia del tiempo explícitamente mediante el término (t). La posición del gancho

sen(/?)

os(/?) ( 1)

y de la carga

—lAsen

n = r u(2 )

.lAeos(

así como las velocidades asociadas

Ísen(/?) - Z/?cos(/?)

(3 )

sen(/?) —Ícos(/?)

y

Zsen(^) - Z/?cos(/?) - (plAcos((p) ^

sen(/?) - Í cos(/?) <p/A sen(<p)

pueden definirse en función de estas variables. A ese respecto, el parámetro I<a>identifica la longitud del medio de eslingado. Según el diseño del filtro, este parámetro también puede estimarse conjuntamente en línea, tal como se explicará más adelante. Las aceleraciones

sen(p)l - 2lpcos(p) - peos(p) l+p 2lsen(

eos(/?)2sen(p)pl+ eos(p) lp 2+pisen(p

y

<plAcos(<p) -se n (/?)/-2//?cos(/?)+ (p2lAser\((p) - peos(/?)l (32lsen(P)

(6)

eos(/?) 2ser\(p)pi+ eos(/?)lp 2 lAcos(<p)<p2+iplaser\((p)plser\(p)

no son necesarias para la derivación de la dinámica de oscilación doble, pero pueden usarse para el diseño de observador posterior. Con ayuda de la energía cinética

r = - m Hr ‘i r H - m Lr ‘ rLV)

y de la energía potencial

V =<[0>g]<(m Hr H m Lr L) (>8<)>

puede derivarse a través de la solución de la ecuación de Euler-Lagrange

(9 )

la dinámica de oscilación doble con las coordenadas generalizadasq = [fi,^ T. Debido a la expresión larga, en este punto se prescinde de una indicación explícita de los términos de@y§.En una etapa siguiente puede crearse a partir de esto un sistema no lineal en el espacio de estados

x=f { x , u ) w( 10)y=h ( x , u )+v

con los estadosx ~ [P’P’ V’ V’ I-a]|as entradas “ j asf como con e| ruido de sistemaw= N{0,Q) y el ruido de mediciónv=N(0, R)asumido como distribuido de manera normal por las matrices de covarianza Q yR.

Si las aceleraciones del carro corredizo y del cable de elevaciónlno están presentes directamente por la regulación o través de mediciones o estimaciones como entrada para el observador, entonces estas pueden determinarse también a través de una aproximación PT-1, tal como se expone por ejemplo en el documento WO 2019/007541. Las salidasydependen de los sensores disponibles. En el caso de IMU en el gancho (65) y la carga (67) son apropiadas por ejemplo las aceleracionesy= [f u , f L] T

apropiados el ángulo de oscilación de gancho determinado a través de la cámara y la aceleración de la carga como saliday = [P h^ lVlmente pueden usarse también las señales de tasa de giro de las IMU en las salidas. La dinámica del sistemafcontiene en el caso de esta formulación, además de la dinámica de oscilación doble, un enfoque de recorrido aleatorio para la estimación simultanea de la longitud del medio de

eslingado siendo ^ — Para este sistema con las aceleraciones del gancho y de la carga en coordenadas inerciales como magnitudes de medición puede diseñarse ahora un observador estándar. En el caso no lineal se apropiado por ejemplo un filtro Kalmanunscentedo ampliado. Según el sistema, la exactitud deseada y la potencia de cálculo presente puede ser eficaz también una linealización de simplificación en combinación con un observador lineal, por ejemplo, un filtro Kalman sencillo.

A continuación se describe a modo de ejemplo el modo de proceder en el caso de un filtro Kalmanunscented

usando la aceleración del gancho y de la carga como salida^ ~En primer lugar tienen que determinarse en la etapa de tiempokpuntos sigma adecuadosx = [%0,...,X2n]y factores de ponderación apropiadosW=[Wq,..., W2n]

con ayuda del valor esperadoXdel estado del sistemax,de la matriz de covarianza P, del parámetro de diseñoxyel estado del sisteman = 5.La raíz de la matriz en la ecuación (11) no está definida de manera unívoca y tiene que determinarse a través de una descomposición de Cholesky. Según el enfoque, en la ecuación (11) debe usarse la columna i o la fila i. A continuación se predicen los puntos sigma de la siguiente etapa de exploraciónk+1

mediante el empleo de la ecuación de sistema (10). El valor esperado predicho resulta como

La matriz de covarianza de errores de estimación resulta a continuación con la covarianza del ruido de procesoQcomo

Los nuevos puntos sigma%,{k+ 1 |/c) y pesosW,pueden determinarse ahora a través de la ecuación (11) utilizando P(k l lk) y x ^k+ l | / c ) en |Ugar dep[k)yXQ¿).Los puntos sigma así predichos pueden transformarse ahora con ayuda de la ecuación de partida (10) al intervalo de medición

y de ese modo predecirse las mediciones a través de la formación del valor esperado

A continuación tiene lugar con ayuda de la matriz de covarianza del ruido de medición R la determinación de la matriz de covarianza de innovación

Con esta y la matriz de correlación cruzada

puede determinarse la matriz Kalman

K(k 1) =T(k+ 1) S_1(fe 1) (19) y junto con los valores de mediciónz(k+ 1) realizarse la innovación del valor esperado

x(k+\\k+ 1) —x(k+ 1|k)H- K(k 1) (z(fc 1) —z(k+ l|fc))(20 ) así como de la covarianza de errores de estimación

Con el valor esperado estimado de los estados 1) puede determinarse finalmente a través de las ecuaciones (1) y (2) la posición del gancho y de la carga.

Los valores de mediciónz(k1) usados en la ecuación (20) pueden ser, como se ha mencionado al principio de la descripción del filtro, las aceleraciones del gancho y de la carga . Sin embargo, en general no pueden usarse directamente las aceleraciones medidas de las IMU (65) y (67), dado que las IMU puede estar instalada de manera oblicua, o el gancho de carga puede estar inclinado con el ánguloP,véase la figura 3. Por este motivo, las aceleraciones medidas tienen que transformarse al sistema inercial. Para ello son adecuados filtros de orientación, que pueden estar diseñados como EKF o filtros complementarios. Un enfoque a través de un filtro complementario se describe por ejemplo en el documento WO 2019/007541 y se esboza una vezgrosso modoen este caso por motivos de completitud.

La IMU mide todas las señales en el sistema de coordenadas fijado al cuerpo, que se mueve conjuntamente, que gira conjuntamente, del gancho de carga, lo que está identificado con el índice K, mientras que los vectores en coordenadas inerciales se identifican con / o también permanecen completamente sin índice. En cuanto se ha

estimado€β,la aceleración medidaaR ~ \.aK,x’ aK,z\en coordenadas de gancho de carga con respecto aa¡puede transformarse a coordenadas inerciales, concretamente usando

La aceleración inercial puede aprovecharse entonces como magnitud de medición del observadorzo utilizarse como salidaydel sistema (10). En sí, la inclinación podría estimarse mediante un modelo, que corresponde al integrador sencillo

de la tasa de giro medida con respecto al ángulo de basculación. Sin embargo, dado que en el caso de la medición giroscópica de la tasa de giro o velocidad de basculación, las señales de giroscopio presentan un desfase variable en el tiempo y están solapadas con ruido de medición, el procedimiento descrito no es eficaz. Por tanto, ventajosamente puede trabajarse con un filtro de orientación.

Por tanto, el sensor de aceleración se usa para proporcionar un valor de referencia para el ángulo€β,al evaluarse la constante de aceleración de la gravedad (que aparece en la señal con frecuencia baja) y se conoce en coordenadas inerciales

y puede transformarse a coordenadas de gancho de carga

La aceleración medida se obtiene como suma de (103) y (112)

<% =>r K - gK<(26 )>

A este respecto, el prefijo negativo degKresulta de la circunstancia de que la aceleración de la gravedad debido al principio del sensor se mide como aceleración hacia arriba ficticia. Dado que todos los componentes de ^ son en general significativamente menores que g y oscilan alrededor de cero, el empleo de un filtro de paso-bajo con una frecuencia de desaparición suficientemente baja permite la aproximación

a K~~ 9 k(27 )

Si se divide el componente de xaK>xentre el componente de zaK,z,se obtiene el ángulo de balanceo de referencia para frecuencias bajas como

La estructura sencilla de las ecuaciones (23) y (28) permite el uso de diversos filtros para estimar la orientación. A ese respecto, una opción es un filtro complementario, que puede ajustarse en cuanto a su característica de frecuencia mediante la selección de las funciones de transferencia de paso-alto y de paso-bajo.

Un filtrado de paso-alto de la señal de giroscopiompcon GhP(s) da como resultado la tasa de giro libre de desfase

^ así como tras la integración una primera estimación de ángulo de basculación€β¡a.La estimación adicional€β,aprocede de la ecuación (28) basada en el sensor de aceleración. En particular, en primer lugar puede emplearse un filtro de paso-alto sencillo con la función de transferencia

y una frecuencia de desaparición muy bajaoqen la señal de giroscopiocap,para eliminar el desfase de medición constante. La integración da como resultado la estimación de ángulo de basculación basada en giroscopio €p ®, que es relativamente exacta para frecuencias altas, pero relativamente inexacta para frecuencias bajas. La ¡dea de base del filtro complementario es sumar o vincular entre sí€β01y€β,ω,ponderándose más intensamente las frecuencias altas de€β,ωmediante el uso del filtro de paso-alto y ponderándose más intensamente las frecuencias bajas de€β,amediante el uso del filtro de paso-bajo

dado que (28) representa una buena estimación para frecuencias bajas. Las funciones de transferencia pueden elegirse como filtros sencillos de primer orden, eligiéndose la frecuencia de desapariciónoqmás baja que la frecuencia de oscilación. Dado que

es válido para todas las frecuencias, la estimación de€βno se escala incorrectamente.

Basándose en la orientación del gancho de carga estimada, puede determinarse la aceleración inerciala idel gancho de carga a partir de la medición dea Ktconcretamente usando (22), lo que permite el diseño de un observador basándose en la dinámica de oscilación doble (10) así como la medición de aceleración rotada

Aunque ambos componentes de esta ecuación pueden emplearse igualmente para la estimación del ángulo de oscilación, también pueden obtenerse buenos resultados usando solo el componente de x, que es independiente deg.

La evaluación de la unidad de medición inercial 65 y 66 o 67, que está colocada en el medio de eslingado 12 o directamente en la carga 11, puede tener lugar de manera análoga a como acaba de explicarse. Para evitar repeticiones puede remitirse a las explicaciones que acaban de realizarse.

Por consiguiente, mediante la unidad de medición inercial adicional 66 o 67 en el medio de eslingado 12 o la carga 11 puede determinarse de manera precisa la posición de la carga 11 también en el caso de movimientos de oscilación doble.

Según el tipo de grúa y la configuración de la polea de gancho o del gancho de carga puede modelizarse la unión entre el cable de elevación y la polea de gancho a través de una articulación giratoria (70) y al mismo tiempo asumirse como fija la unión entre el medio de eslingado de carga y el gancho de la grúa, como muestra la figura 4. En este caso, la inclinación del gancho de grúa€βcorresponde exactamente al ángulo de oscilación inferiorp.En consecuencia, en esta constelación con una IMU individual en el gancho de carga pueden determinarse tanto la posición o los ángulos de oscilación del gancho de carga como la longitud del medio de eslingado y con ello la posición o los ángulos de oscilación de la propia carga. Dado el caso tiene que tenerse en cuenta adicionalmente el ángulo de instalación de la IMU, siempre que su eje no esté alineado exactamente.

La inclinación€βo el ángulo de oscilación inferiorpresulta directamente de la estimación del filtro de orientación, que puede estar implementado, por ejemplo, tal como se ha explicado, a través de un filtro complementario. Con vista al observador, en función de la calidad del filtro de orientación son concebibles dos implementaciones.

Si la inclinación€βestimada por el filtro de orientación es inexacta o presenta ruido, es apropiado usar en el observador todo el modelo de oscilación doble (10) con los estadosx =[/?</?< <P« </)< ¿<a>] |_as salidas del modeloy= lrii<<p> <pVpueden comprender en esta constelación, además de las aceleraciones del gancho, la inclinación del gancho€β= cpasí como la tasa de giro del gancho, que corresponde a la velocidad de ángulo de oscilación inferior,— Vy sirven como magnitudes de mediciónzpara el observador.

Si la calidad del filtro de orientación es suficientemente alta, puede reducirse el observador. En este caso se reduce el estado que debe estimarsex =IAAAI en el ángulo de oscilación superior /?, la velocidad del ángulo de oscilaciónPasí como la longitud del medio de eslingado A^ . El ángulo de oscilación inferiorcpyla velocidad angular<Pen el caso de esta consideración no son estados sino entradas del sistema. Por consiguiente, estas resultan comou ~[5x' í,¿x'í>sx,í ,<p,<p\^as gaüdgg ^el modelo ^ — ^ h] pueden comprender en esta constelación las aceleraciones del gancho y sirven como magnitudes de mediciónzpara el observador. En este punto se indica una vez más, que adicional o alternativamente podrían usarse también las tasas de giro del gancho en el sistema inercial.

A este respecto, se estima también la longitud del medio de eslingado a través de un enfoque de recorrido aleatorio. Alternativamente, la longitud puede transmitirse al observador también desde fuera o desde un módulo de software de orden superior o para usuarios directamente.

En un perfeccionamiento ventajoso, el enfoque descrito para la descripción de la dinámica de oscilación doble y los observadores indicados pueden con un modelo estructural de la grúa, tal como se describe por ejemplo en el documento WO 2019/007541. Los estados así determinados pueden usarse para la estabilización y para la supresión de movimientos de oscilación innecesarios. Para ello puede diseñarse una regulación no lineal, por ejemplo, una regulación predictiva basada en modelo (MPC). Para la explicación más sencilla se recurre también en este caso a una grúa con un plano oscilatorio, por ejemplo, una grúa de pórtico. Sin embargo, el procedimiento puede ampliarse fácilmente con planos oscilatorios adicionales, por ejemplo, un mecanismo de giro, y elasticidades estructurales.

En el sentido de una regulación predictiva basada en modelo se predice el comportamiento de la grúa mediante un modelo matemático a lo largo de un cierto periodo de tiempo y se varían las magnitudes de ajuste de tal manera que se minimiza una función de costeJ,que describe los objetivos de regulación.

Para esto es necesario un modelo matemático de la grúa. Sin embargo, este tiene que tener en cuenta, además de la dinámica de oscilación y eventuales elasticidades estructurales, también la dinámica de accionamiento. Asumiendo una regulación de número de revoluciones subordinada rápida de los convertidores resulta la dinámica de accionamiento para la grúa de pórtico considerada para la simplificación como

con los estados * des - [s*<s*’ < >/?>/?>‘P* 0] y |as entradas des — t5*' ^ . Las funciones A (*>**) y A ( ^ M) describen la aceleración de los ángulos de oscilación doble de manera análoga al sistema (10). Adicionalmente podría tenerse en cuenta en (33) también la dinámica estructural de la grúa.

Una posible configuración de la función de coste

prevé con |a pena|¡zac¡ón de los ángulos de oscilación, de las velocidades de ángulo de oscilación, así como la desviación de la velocidad del carro y de elevación con

respecto a las velocidades teóricas deseadas 5x,des y ¿des en función de las matrices de ponderación Q y f i.A ese respecto, la virgulilla identifica que para la posición del carro y la longitud del cable de elevación no está predeterminado ningún valor objetivo. Alternativamente son concebibles también otras formulaciones, que por ejemplo penalizan la desviación de la carga o la velocidad del gancho con respecto a una especificación. También pueden implementarse formulaciones, que penalizan la desviación de la posición del gancho, de la carga o de accionamientos individuales con respecto a una posición objetivo. Basándose en esto puede formularse el problema de optimización dinámico

Este se resuelve en cada etapa de exploración a través de un procedimiento numérico, por ejemplo, a través de herramientas de software usuales tales como ACADO o GRAMPC. La primera parte de la trayectoria de magnitudes de ajuste M( 0 sirve como entrada y se transmite tras una integración como velocidad teórica a los convertidores de los accionamientos. Además de la dinámica del sistema, en el problema de optimización (35) están contenidas directamente las limitaciones dado el caso variables en el tiempo de los accionamientos en forma de aceleración

máxima y mínima en las limitaciones de magnitudes de ajust asi como la velocidad y las posiciones máximas mínimas en las limitaciones de estado

Esto es una ventaja

especial de la MPC.

Sin embargo, la MPC implica un alto esfuerzo computacional, de modo que alternativamente a una regulación no lineal basada en una linealización del modelo (33) se determina también un regulador lineal con planificación de ganancias por ejemplo en forma de una regulación lineal-cuadrática (LQR). Ventajosamente, esta regulación puede combinarse con una generación de trayectorias y un control previo para dar una regulación de dos grados de libertad, tal como se explica por ejemplo en el documento WO 2019/007541 para un péndulo sencillo.

Claims

REIVINDICACIONES

i. Grúa, en particular grúa giratoria de torre o de pluma, con un cable de elevación (7), que discurre desde una pluma de grúa (2) y porta un gancho de carga (8), estando fijado al gancho de carga (8) un medio de eslingado (12) con una carga (11) sujetada al mismo, que cuelga mediante el medio de eslingado (12) separada del gancho de carga (8), así como con una unidad de determinación (60) para determinar la posición y/o desviación de la carga (11) y un dispositivo de control electrónico (3) para controlar unidades de accionamiento para mover elementos de grúa y desplazar el gancho de carga (8) en función de la posición y/o desviación de la carga (11) detectada, presentando la unidad de determinación (60) primeros medios de determinación (63; 65) para determinar una posición y/o desviación del gancho de carga (8), caracterizada porque presenta además una unidad de medición inercial (66, 67) colocada en el medio de eslingado (12) y/o en la carga (11) con medios de sensor de aceleración y de tasa de giro para proporcionar señales de aceleración y de tasa de giro así como segundos medios de determinación para determinar y/o estimar una desviación y/o posición de la carga (11) a partir de las señales de aceleración y de tasa de giro de la unidad de medición inercial (66, 67), que está colocada en el medio de eslingado (12) y/o en la carga (11), así como a partir de las señales de dichos primeros medios de determinación (63, 65), que caracterizan la posición y/o desviación del gancho de carga (8).
2. Grúa según la reivindicación anterior, presentando la unidad de medición inercial (66, 67) en los medios de eslingado (12) y/o en la carga (11) un módulo de comunicación inalámbrico para la transmisión inalámbrica de señales de medición y/o señales derivadas de las mismas a un receptor, pudiendo conectarse entre sí el módulo de comunicación y el receptor preferiblemente a través de una conexión Bluetooth o Wifi, y estando dispuesto el receptor en un carro corredizo (6), desde el que discurre el cable de elevación (7).
3. Grúa según una de las reivindicaciones anteriores, presentando la unidad de medición inercial (66, 67) en los medios de eslingado (12) y/o en la carga (11) un acumulador de energía, preferiblemente en forma de una batería recargable.
4. Grúa según una de las reivindicaciones anteriores, presentando la unidad de medición inercial (66, 67) en los medios de eslingado (12) y/o en la carga (11) medios de sujeción que pueden soltarse, preferiblemente en forma de una unidad magnética y/o de una unidad de apriete, para la sujeción separable a la carga (11) y/o a los medios de eslingado (12).
5. Grúa según una de las reivindicaciones anteriores, estando integrada la unidad de medición inercial firmemente en el medio de eslingado (12), por ejemplo como eslabón de cadena.
6. Grúa según una de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo los medios de eslingado (12) al menos una eslinga de cable y/o una eslinga de cadena.
7. Grúa según una de las reivindicaciones anteriores, presentando los segundos medios de determinación una unidad de filtro y/o de observador, que como magnitud de entrada tiene en cuenta la desviación y/o inclinación determinada del medio de eslingado (12) y/o carga (11), ya partir de una aceleración inercial en la carga (11) y/o los medios de eslingado (12) determina la desviación 9 de los medios de eslingado (12) y/o de la carga (11) con respecto a la vertical (62), comprendiendo la unidad de filtro y/o de observador un filtro Kalman, en particular en forma de un filtro Kalman ampliado y/ounscented.
8. Grúa según una de las reivindicaciones anteriores, presentando los primeros medios de determinación para determinar la posición y/o desviación del gancho de grúa (8) un sistema de sensores de imagen, en particular una cámara (63), que en la zona de un punto de suspensión del cable de elevación (7), en particular en un carro corredizo (6), mira sustancialmente en perpendicular hacia abajo, estando prevista una unidad de evaluación de imágenes (61) para evaluar una imagen proporcionada por el sistema de sensores de imagen en cuanto a la posición del gancho de carga (8) en la imagen proporcionada y determinar la desviación p del gancho de carga (8) y/o del cable de elevación (7) y/o de la velocidad de desviación con respecto a la vertical (62).
9. Grúa según una de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo los primeros medios de determinación una unidad de medición inercial (65), que está colocada en el gancho de carga (8) y presenta medios de sensor de aceleración y de tasa de giro para proporcionar señales de aceleración y de tasa de giro, que caracterizan una aceleración de traslación y una tasa de giro del gancho de carga (8).
10. Grúa según una de las reivindicaciones anteriores, estando unido de manera articulada el gancho de carga (8) con el cable de elevación (7) de tal manera que la desviación del gancho de carga (8) corresponde a la desviación del medio de eslingado (12), estando prevista en el gancho de carga (8) una unidad de medición inercial (65) con medios de sensor de aceleración y de tasa de giro para proporcionar señales de aceleración y de tasa de giro, y estando configurados los medios de determinación para, a partir de las señales de aceleración y de tasa de giro de dicha unidad de medición inercial (65) en el gancho de carga (8), determinar y/o estimar la desviación y/o posición de la carga (11) fijada al medio de eslingado (12).
11. Grúa según la reivindicación anterior, estando prevista solo dicha unidad de medición inercial (65) en el gancho de carga (8) y teniendo lugar la determinación y/o estimación de la desviación y/o posición de la carga (11) fijada al medio de eslingado (12) sin unidad de medición inercial en el medio de eslingado (12) y en la carga (11), estimándose una longitud del medio de eslingado (12) y/o introduciéndose y/o transmitiéndose a través de una interfaz externa, determinándose la desviación (9) de los medios de eslingado (12) y/o de la carga (11) con respecto a la vertical (62) a partir de la estimación de un filtro de orientación configurado preferiblemente como filtro complementario.
12. Procedimiento para controlar una grúa, en particular una grúa giratoria de torre o de pluma, a cuyo gancho de carga (8) colocado en un cable de elevación (7) está fijado un medio de eslingado (12) con una carga (11) sujetada al mismo, determinándose por medio de una unidad de determinación (60) la posición y/o desviación de la carga (11) y controlándose en función de la posición y/o desviación de la carga determinada unidades de accionamiento para mover elementos de grúa mediante un dispositivo de control electrónico (3), caracterizado porque por medio de primeros medios de determinación (63, 65) se determina la posición y/o desviación del gancho de carga (8) y por medio de al menos una unidad de medición inercial (66, 67) colocada en el medio de eslingado (12) y/o en la carga (11) con medios de sensor de aceleración y de tasa de giro se proporcionan señales de aceleración y de tasa de giro, que indican las aceleraciones de traslación y las tasas de giro en el medio de eslingado (12) y/o en la carga (11), y se transmiten de manera inalámbrica al dispositivo de control (3), determinándose una posición y/o desviación 9 de la carga (11) a partir de las señales de aceleración y de tasa de giro de la unidad de medición inercial (66, 67) y de la posición y/o desviación p determinada por los primeros medios de determinación del gancho de carga (8).
13. Procedimiento según la reivindicación anterior, determinándose por una unidad de filtro y/o de observador, a la que como magnitud de entrada se le suministra la desviación determinada de la carga (11) y/o del medio de eslingado (12), a partir de una aceleración inercial en la carga (11) y/o en los medios de eslingado (12) la desviación 9 de la carga (11) y/o de los medios de eslingado (12) con respecto a la vertical (62).
14. Procedimiento según una de las dos reivindicaciones anteriores, determinándose las señales de aceleración, que indican las aceleraciones de traslación en la carga (11) y/o en los medios de eslingado (12), con respecto a tres ejes espaciales y detectándose las señales de tasa de giro, que reproducen las tasas de giro en la carga (11) y/o los medios de eslingado (12), con respecto a al menos dos ejes espaciales.
15. Procedimiento según una de las tres reivindicaciones anteriores, uniéndose de manera articulada el gancho de carga (8) con el cable de elevación (7) y desviándose con el mismo ángulo de oscilación (9) que el medio de eslingado (12) con respecto a la vertical (62), proporcionándose por medio de una unidad de medición inercial (65) colocada en el gancho de carga (8) con medios de sensor de aceleración y de tasa de giro señales de aceleración y de tasa de giro, que indican las aceleraciones de traslación y las tasas de giro en el gancho de carga (8), y transmitiéndose de manera inalámbrica al dispositivo de control (3), determinándose una posición y/o desviación (9) de los medios de eslingado (12) y de la carga (11) a partir de las señales de aceleración y de tasa de giro de la unidad de medición inercial (65) en el gancho de carga (8).