WO2016131977A1

WO2016131977A1 - Positionsregelung einer mastspitze

Info

Publication number: WO2016131977A1
Application number: PCT/EP2016/053596
Authority: WO
Inventors: Johannes HENIKL; Wolfgang KEMMETMÜLLER; Andreas Kugi
Original assignee: Schwing Gmbh
Priority date: 2015-02-19
Filing date: 2016-02-19
Publication date: 2016-08-25
Also published as: EP3259221B1; US20180037444A1; DE102015102368A1; US10407282B2; CN107406237B; EP3259221A1; CN107406237A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Großmanipulator mit einem ausfaltbaren Mastarm (10), der einen um eine Hochachse drehbaren Drehschemel (12) und eine Mehrzahl von Mastsegmenten (14, 16, 18) aufweist, wobei die Mastsegmente (14, 6, 18) an Knickgelenken (20, 22, 24) um jeweils horizontale Knickachsen gegenüber einem benachbarten Mastsegment (14, 16, 18) oder dem Drehschemel (12) mittels je eines Antriebsaggregates (26, 28, 30) begrenzt verschwenkbar sind. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen solchen Großmanipulator derart weiterzuentwickeln, dass die Dynamik des Systems messtechnisch erfassbar und regelungstechnisch verwertbar ist. Insgesamt soll ein Großmanipulator bereitgestellt werden, bei dem eine vertikale Bewegung der Mastspitze (32) reduziert werden kann. Die Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass der Großmanipulator wenigstens einen Inertialsensor (34, 36, 38, 40) zur Messung der Neigung und/oder der Beschleunigung wenigstens eines Mastsegmentes (14, 16, 18) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Autobetonpumpe.

Description

POSITIONSREGELUNG EINER MASTSPITZE

Die Erfindung betrifft einen Großmanipulator mit einem ausfaltbaren Mastarm, der einen um eine Hochachse drehbaren Drehschemel und eine Mehrzahl von Mastsegmenten aufweist, wobei die Mastsegmente an Knickgelenken um jeweils horizontale Knickachsen gegenüber einem benachbarten Mastsegment oder dem Drehschemel mittels je eines Antriebsaggregates begrenzt verschwenkbar sind und wobei an dem Mastarm Mittel zur Neigungsmessung angeordnet sind, sowie eine Autobetonpumpe mit einem erfindungsgemäßen Großmanipulator.

Bei modernen Autobetonpumpen werden im Allgemeinen Doppelkolbenpumpen zur Förderung des flüssigen Betons eingesetzt. Der Wechsel zwischen den aktiven Phasen der einzelnen Kolben verursacht eine Unterbrechung im Betonfluss. Gerade bei hohen Fördermengen kommt es hierbei zu einer stoßartigen Anregung des Auslegers. Diese zyklische Anregung verursacht Bewegungen an der Spitze des Auslegers, welche für den Führer des Endschlauchs eine Behinderung und Belastung im Betrieb darstellen. Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl an Systemen zur aktiven Dämpfung von elastischen Schwingungen des Auslegers bekannt. Diese reduziert zwar die Bewegungen und können Resonanzphänomene bei ungünstig eingestellter Pumpfrequenz verhindern, eine zufriedenstellende Kompensation der Bewegungen der Auslegerspitze ist damit jedoch nicht möglich.

Die DE 195 03 895 A1 offenbart einen einfachen Lageregelkreis, welcher die vertikale Bewegung kompensiert. Als problematisch erweist sich hier jedoch die notwendige messtechnische Erfassung der Höhe. Hierzu werden Ultraschall- und Lasersensoren zur Messung des Abstands der Auslegerspitze zum Boden vorgeschlagen. Dieses Messprinzip hat sich jedoch im praktischen Einsatz als unbrauchbar herausgestellt, da im Betrieb kein hindernisfreier Raum zwischen der emittierenden Quelle und der Bezugsebene garantiert werden kann. Des Weiteren wird für die Umsetzung der Regelung die Verwendung des lediglich letzten Mastgelenks vorgeschlagen. Bei Neigungen des Mastes gegenüber dem Erdschwerefeld nahe der Vertikalen ist dieses Regelkonzept jedoch nicht einsetzbar.

Des Weiteren ist aus der EP 1 537 282 B1 bekannt, dass die Höhe der Mastspitze relativ zur Höhe des Fahrzeugs durch an allen Mastsegmenten angebrachte Neigungssensoren erfasst werden kann. Durch die Messung der Neigungen gegenüber dem Erdschwerefeld kann mit einer kinematischen Beschreibung des Systems die Position der Mastspitze berechnet werden. Hierbei ist es von Vorteil, dass durch die Verwendung von Neigungssensoren die Deformation der Mastsegmente implizit mitberücksichtigt wird. Die typischerweise eingesetzten Neigungssensoren können jedoch nicht zwischen einer Änderung der Neigung und einer translatorischen Beschleunigung des Sensors unterscheiden. Bei dynamischen Bewegungen liefern diese daher falsche Messwerte. Sie sind daher für die Umsetzung einer Lageregelung nicht verwendbar. Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannten Großmanipulatoren derart weiterzuentwickeln, dass die Dynamik des Systems messtechnisch erfassbar und regelungstechnisch verwertbar ist. Insgesamt soll ein Großmanipulator bereitgestellt werden, bei dem eine vertikale Bewegung einer Auslegerspitze einer Autobetonpumpe während des Pumpbetriebs effektiv reduziert werden kann, was unter anderem zu einer wesentlichen Entlastung für den Führer des Endschlauchs führt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Großmanipulator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Autobetonpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 19. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale auch in beliebiger und technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und somit weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen.

Der erfindungsgemäße Großmanipulator umfasst einen ausfaltbaren Mastarm, der einen um eine Hochachse drehbaren Drehschemel und eine Mehrzahl von Mastsegmenten aufweist, wobei die Mastsegmente an Knickgelenken um jeweils horizontale Knickachsen gegenüber einem benachbarten Mastsegment oder dem Drehschemel mittels je eines Antriebsaggregates begrenzt verschwenkbar sind. Der erfindungsgemäße Großmanipulator zeichnet sich dadurch aus, dass er wenigstens einen Inertialsensor zur Messung der Neigung und/oder der Beschleunigung wenigstens eines Mastsegmentes aufweist.

Durch den erfindungsgemäßen Großmanipulator können die aus dem Stand der Technik bekannten Verfälschungen bei translatorischen Beschleunigungen unterbunden werden. Der erfindungsgemäße Großmanipulator weist somit gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass sich durch ihn eine statisch und dynamisch genaue Messung der vertikalen Bewegungen der Mastspitze erreichen lässt.

Bevorzugt ist ein Inertialsensor im Sinne der Erfindung ein Beschleunigungssensor, der die vertikale Beschleunigung am Ort des Sensors erfasst. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Inertialsensor um einen kombinierten Sensor, der neben einem zweiachsigen Beschleunigungssensor einen Drehratensensor aufweist. Idealerweise steht die Achse des Drehratensensors orthogonal auf den Beschleunigungsachsen. Da translatorische Bewegungen nur einen sehr geringen Einfluss auf den Drehratensensor haben, können die Messsignale des Drehratensensors herangezogen werden, um eine Verfälschung des aus den Messsignalen des Beschleunigungssensors ermittelten Neigungswinkels zu erkennen und zu korrigieren. In einer praktischen Umsetzung kann der Neigungswinkel durch zeitliche Integration der gemessenen Drehrate ermittelt werden, wobei der durch die Beschleunigungssensoren ermittelte Neigungswinkel zum stationären Abgleich verwendet wird. Hierdurch wird bei dynamischen Bewegungen des Inertialsensors ein Messfehler reduziert. Vorteilhafterweise wird ein Gyroskop verwendet. Das Gyroskop misst die Drehrate der Neigung, die nicht durch die translatorische Bewegung beeinflusst wird. Zur Kombination der Messsignale der Beschleunigungssensoren und des Drehratensensors kann beispielsweise ein Beobachter in Form eines erweiterten Kaimanfilters oder ein Ansatz mit komplementären Filtern verwendet werden.

An jedem Mastsegment kann wenigstens ein Inertialsensor angeordnet sein. Hierdurch kann die Messgenauigkeit und -Zuverlässigkeit weiter verbessert werden.

Vorteilhafterweise sind die Inertialsensoren im Wesentlichen in der Mitte eines Mastsegments angeordnet. Aufgrund der schlanken Konstruktion des Mastarms weisen die einzelnen Mastsegmente im Betrieb durch die auftretenden statischen und dynamischen Kräfte nicht zu vernachlässigende elastische Deformationen auf. Durch die Anordnung der Sensoren in der Mitte der Mastsegmente beinhaltet die Differenz der gemessenen Neigungen von zwei aufeinanderfolgenden Mastsegmenten neben dem exakten Gelenkwinkel auch einen Anteil der elastischen Deformation. Hierdurch kann die Kinematik des Mastarms annähernd als Starrkörperproblem betrachtet werden. Idealerweise weist jedes Mastsegment einen Inertialsensor auf, wobei dieser etwa in der Mitte des jeweiligen Mastsegmentes angeordnet ist.

Vorteilhaft ist es, wenn der Inertialsensor am letzten Mastsegment angeordnet ist. Hiermit ist erfindungsgemäß das Mastsegment gemeint, das am weitesten vom Drehschemel entfernt angeordnet ist und an dessen äußerem Ende bevorzugt ein Endschlauch befestigt ist. Besonders bevorzugt ist der Inertialsensor am letzten Mastsegment nicht in der Mitte angeordnet. Da der Einfluss der Balkenkrümmung des letzten Mastsegments auf die Höhe der Mastspitze gering in Relation zu jenen der vorhergehenden Mastsegmente ist, führt eine derartige Anordnung zu einem ausreichend genauen Messergebnis. Idealerweise weist der Mastarm an der Mastspitze einen Intertialsensor auf. Hierdurch kann die Messung der Höhe der Mastspitze bei schnellen Bewegungen mit großen Beschleunigungen weiter verbessert werden. Die zweifache zeitliche Integration des die Beschleunigung in vertikaler Richtung wiedergebenden Messsignals liefert ein Signal, welches eine gute Übereinstimmung mit den dynamischen Anteilen des Bewegungsablaufs im höheren Frequenzband aufweist. Erfindungsgemäß können an dem letzten Mastsegment zwei Sensoren angeordnet sein. Bevorzugt ist ein Sensor im Wesentlichen in der Mitte angeordnet und ein anderer Sensor an der Mastspitze, also an dem äußeren Ende des Mastsegments. Für eine ausreichend genaue Messung ist es aber auch hinreichend, wenn nur an der Mastspitze ein Sensor angeordnet ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens einem der Knickgelenke des Mastarms ein Winkelsensor zugeordnet, der die Winkelstellung dieses Knickgelenks erfasst. Besonders bevorzugt ist jedem Knickgelenk jeweils ein Winkelsensor zugeordnet. In dieser Ausgestaltung kann der Großmanipulator (mittels eines geeigneten Rechners) mit Vorteil zur Berechnung der Höhe der Mastspitze aus den erfassten Winkelstellungen der Knickgelenke in Kombination mit der mittels des am letzten Mastsegment, insbesondere an der Mastspitze, angeordneten Inertialsensors erfassten Beschleunigung eingerichtet sein. Bei den Winkelsensoren handelt es sich nicht um Inertialsensoren, sondern um Messaufnehmer mit geometrischer Auflösung (mit mechanischem, resistivem, induktivem, optischem oder magnetischem Wirkprinzip). Die Winkelsensoren, dienen, anders ausgedrückt, der Ermittlung der (statischen) Stellung des Mastarms. Erfindungsgemäß kann zunächst über die Winkelstellungen der Knickgelenke die Höhe der Mastspitze ermittelt werden. Um die Genauigkeit zu optimieren, kann dabei die Durchbiegung der Mastsegmente berücksichtigt werden. Dies kann z.B. anhand von mathematischen Modellen allein oder in Kombination mit weiteren Messsignalen, wie z.B. von Drucksensoren an den hydraulischen Antriebsaggregaten des Mastarms, erfolgen. Der so erhaltene Wert der Höhe der Mastspitze kann dann mit dem hochpassgefilterten, zweifach zeitlich integrierten vertikalen Beschleunigungssignal des am letzten Mastsegment bzw. an der Mastspitze angeordneten Inertialsensors zusammengeführt werden und ergibt so einen besonders genauen Messwert der Höhe der Mastspitze. Bei dieser Ausgestaltung wird nur genau ein Inertialsensor in Form eines Beschleunigungssensors in Kombination mit einer Anzahl von Winkelsensoren benötigt, die der Zahl der Knickgelenke entspricht. Alternativ können die Messsignale, d.h. das Messsignal der vertikalen Beschleunigung und das über die Neigungswinkel ermittelte Höhenmesssignal, vorzugsweise durch geeignet gewählte, bevorzugt komplementäre, Filter miteinander kombiniert werden. Die über die Neigungen der Mastsegmente ermittelte Höhe der Mastspitze wird mit einem Tiefpass mit geeigneter Grenzfrequenz gefiltert, um hochfrequente dynamische Störungen herauszufiltern. Das zweifach zeitlich integrierte vertikale Beschleunigungssignal wird mit einem komplementären Hochpass mit derselben Grenzfrequenz gefiltert. Die beiden gefilterten Signale werden anschließend zusammengeführt und ergeben einen genauen Messwert der Höhe der Mastspitze. Alternativ zu der Implementierung mittels komplementärer Filter kann deren Funktion ebenso durch einen Beobachter bzw. ein Kaiman-Filter realisiert werden.

Der erfindungsgemäße Großmanipulator weist bevorzugt einen Lageregler auf. Durch den Lageregler kann eine effektiv wirkende Regelung der Höhe der Mastspitze realisiert werden, wodurch eine induzierte vertikale Bewegung der Mastspitze kompensiert wird. In Abhängigkeit von den Neigungen der einzelnen Gelenke kann prinzipiell mit jedem Gelenk die Höhe der Mastspitze manipuliert werden. Während bei Neigungen des zugeordneten Mastsegments nahe der Waagerechten für das betreffende Gelenk eine große Manipulierbarkeit gegeben ist, verschwindet diese bei Neigungen nahe der Vertikalen. Dadurch ergibt sich jedoch für die Umsetzung der Lageregelung das Problem der Auswahl des zu verwendenden Stellglieds. Es ist bekannt, dass die Messung der Koordinaten der Auslegerspitze (Höhe und Radius) für die Umsetzung einer sogenannten kartesischen oder zylindrischen Steuerung der Auslegerspitze verwendbar ist. Hierbei kann der Benutzer mit einem einzelnen Joystick, welcher mindestens zwei Verstellrichtungen aufweist, für die Mastspitze gezielt eine Streck- oder Verkürzungsbewegung bei Beibehaltung der Höhe bzw. eine Hub- oder Senkbewegung bei Beibehaltung des Radius vorgeben. Anhand der Joystick- Vorgaben werden mit einem Algorithmus Stellsignale für die hydraulischen Aktoren der einzelnen Gelenke berechnet, welche die gewünschte Bewegung einleiten. Mit einem derartigen Algorithmus wird das Problem der Auswahl des zu verwendenden Stellglieds für die Lageregelung gelöst. Der Lageregler rückkoppelt dabei bevorzugt die Abweichung der gemessenen Höhe der Mastspitze von dessen Sollwert als Vorgabe einer Hub- oder Senkbewegung der Mastspitze für eine beispielsweise kartesische oder zylindrische Steuerung auf das System auf. Bevorzugt ist ein Regelkreis zur Schwingungsdämpfung des Mastes auf Basis einer Regelung der Gelenkwinkel implementiert. Dieser Regelkreis weist bevorzugt eine Rechnereinheit auf, die die Höhe der Mastspitze auf Basis einer kinematischen Beschreibung des Masts und der Messungen der Neigungswinkel der einzelnen Mastsegmente gegenüber dem Erdschwerefeld berechnet. Vorteilhafterweise werden die Winkelgeschwindigkeiten der einzelnen Knickgelenke als Stellgrößen dieses Schwingungsdämpfungsregelkreises betrachtet.

Die erfindungsgemäße Lageregelung wird vorzugsweise der Schwingungs- dämpfung überlagert. Die Lageregelung weist bevorzugt einen Proportional- /IntegralVDifferentialregler (PID-Regler) auf. Der Regler bestimmt anhand einer Regelabweichung (lst-/Sollwert der Höhe der Mastspitze) einen Regelausgang, welcher der Mastspitze in Form einer Hub- oder Senkbewegung als Sollbewegung vorgegeben wird. Der Algorithmus ermittelt daraus die Stellsignale, welche auf die Stelleingänge der einzelnen Mastgelenke, d.h. in der Praxis die Steuereingänge der proportionalen Hydraulikventile der Hydraulikantriebe aufgeschaltet werden. Erfindungsgemäß ist der Algorithmus so ausgebildet, dass anhand der Ausrichtung der einzelnen Mastarme und/oder der Entfernung der einzelnen Mastgelenke zum Drehschemel eine Wichtung stattfindet, mit der die auf die Stelleingänge der einzelnen Mastgelenke aufgeschalteten Stellsignale gewichtet werden. Zum einen steigt die Wichtung, je weiter das Gelenk vom Drehschemel entfernt ist bzw. je näher das Gelenk an der Auslegerspitze angeordnet ist. Das Ansteuern der vom Drehschemel weiter entfernten Mastgelenke bietet den Vorteil, dass die zu bewegende Masse geringer ist und somit schneller und effektiver einer Lageänderung entgegen gewirkt werden kann. Zum anderen steigt die Wichtung je horizontaler die einzelnen Mastarme verlaufen. Die Regelung sollte möglichst auf die horizontal verlaufenden Mastarme einwirken, um die Höhe der Auslegerspitze wirksam beeinflussen zu können. Der erfindungsgemäße Algorithmus bzw. die Wichtung wird zweckmäßig daher so ausgeführt, dass grundsätzlich der letzte Mastarm mit dem größten Stellsignal beaufschlagt wird, wenn er einen annähernd horizontalen Verlauf aufweist. Verläuft der letzte Mastarm allerdings im Wesentlichen vertikal, dann erhält ein anderer Mastarm mit horizontalerem Verlauf eine größere Wichtung und wird mit entsprechend größerem Stellsignal beaufschlagt. Mit dem erfindungsgemäßen Sensor- und Regelungskonzept kann so insgesamt eine effektiv wirkende Regelung der Höhe der Auslegerspitze realisiert werden.

Der Sollwert für die Höhe der Mastspitze wird im praktischen Betrieb bevorzugt durch das Verfahren des Bedieners bestimmt und ergibt sich daher aus der Ruhelage für die jeweils aktuelle Stellung des Mastarms. Der erfindungsgemäße Großmanipulator wird bevorzugt zur Verteilung von Dickstoffen verwendet. Insbesondere dient er zur Förderung von Beton.

Ferner ist Gegenstand der Erfindung eine Autobetonpumpe. Die erfindungsgemäße Autobetonpumpe weist ein Fahrzeuggestell, eine am Fahrzeuggestell angeordnete Dickstoffpumpe, insbesondere Betonpumpe, und einen Großmanipulator mit den oben beschriebenen Inertialsensoren auf.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren jeweils eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die gezeigten Ausführungsvarianten beschränkt. Insbesondere umfasst die Erfindung, soweit es technisch sinnvoll ist, beliebige Kombinationen der technischen Merkmale, die in den Ansprüchen aufgeführt oder in der Beschreibung als erfindungsrelevant beschrieben sind.

Es zeigen:

Fig. 1 schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Mastarms in einer ersten Ausgestaltung,

Fig. 2 schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Mastarms in einer zweiten Ausgestaltung,

Fig. 3 schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Mastarms in einer dritten Ausgestaltung. Fig. 4 schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Mastarms in einer vierten Ausgestaltung.

Fig. 5 schematischer Regelkreis gemäß einer

Ausgestaltungsform der Erfindung.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mastarms 10 mit Mitteln 34, 36, 38 zur Neigungsmessung in einer ersten Ausgestaltung. Der Großmanipulator weist einen ausfaltbaren Mastarm 10 mit einem um eine Hochachse drehbaren Drehschemel 12 und einer Mehrzahl von Mastsegmenten 14, 1 6, 18 auf. Die Mastsegmente 14, 1 6, 18 sind an Knickgelenken 20, 22, 24 um jeweils horizontale Knickachsen gegenüber einem benachbarten Mastsegment 14, 1 6, 18 oder dem Drehschemel 12 mittels je eines Antriebsaggregats 26, 28, 30 begrenzt verschwenkbar. Der Mastarm 10 weist bevorzugt zwischen drei und fünf Mastsegmente 14, 1 6, 18 auf. Der erfindungsgemäße Großmanipulator weist wenigstens einen Inertialsensor 34, 36, 38 zur Erfassung der Neigung der Mastsegmenten 14, 1 6, 18 gegenüber der Erde auf. Die Inertialsensoren 34, 36, 38 bestehen jeweils bevorzugt aus einem zweiachsigen Beschleunigungssensor und einem Drehratensensor. Idealerweise steht die Achse des Drehratensensors orthogonal auf den Beschleunigungsachsen des Beschleunigungssensors. Da die translatorischen Bewegungen nur einen sehr geringen Einfluss auf die Drehratensensoren haben, werden deren Messungen herangezogen, um Verfälschungen der aus den Beschleunigungsmessungen ermittelten Neigungswinkel zu erkennen und zu korrigieren. Hierdurch wird bei Bewegungen des Mastes ein Messfehler reduziert. Der in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Mastarm 10 weist an jedem Mastsegment 14, 1 6, 18 einen Inertialsensor 34, 36, 38 auf. Die Inertialsensoren 34, 36, 38 sind im Wesentlichen in der Mitte der Mastsegmente 14, 1 6, 18 angeordnet. Durch eine derartige Anordnung der Sensoren 34, 36, 38 beinhaltet die Differenz der gemessenen Neigungen von zwei aufeinanderfolgenden Mastsegmenten 14, 1 6, 18 neben dem exakten Gelenkwinkel auch einen Anteil der elastischen Deformation. Hierdurch kann die Kinematik des Mastarms annähernd als Starrkörperproblem betrachtet werden. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mastarms 10 mit Mitteln zur Neigungsmessung in einer zweiten Ausgestaltung. Die Mastsegmente 14, 1 6, 18 weisen jeweils einen Inertialsensor 34, 36, 38 auf, die im Wesentlichen in deren Mitte angeordnet sind. Um die Messung der Höhe der Mastspitze 32 insbesondere bei schnellen Bewegungen mit großen Beschleunigungen weiter zu verbessern, erfolgt eine zusätzliche Messung der Beschleunigungen direkt an der Mastspitze 32. Die zweifache zeitliche Integration des Anteils der Beschleunigung in vertikaler Richtung liefert ein Messsignal, welches eine gute Übereinstimmung mit den dynamischen Anteilen des Bewegungsablaufs im höheren Frequenzband aufweist. Hierzu weist das Mastsegment 18, dessen äußeres Ende die Mastspitze 32 darstellt, einen zusätzlichen Sensor 40 an seinem äußeren Ende, der Mastspitze 32, auf.

Für eine ausreichend genaue Messung ist es aber auch hinreichend, wenn nur an der Mastspitze ein Sensor angeordnet ist. Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mastarms 10 mit Mitteln zur Neigungsmessung in einer dritten Ausgestaltung. Die Mastsegmente 14, 1 6 weisen jeweils einen Inertialsensor 34, 36 auf, die im Wesentlichen in deren Mitte angeordnet sind. Das Mastsegment 18 weist einen Inertialsensor 40 an dessen äußerem Ende, der Mastspitze 32, auf. Da der Einfluss der Balkenkrümmung des letzten Mastsegments 18 auf die Höhe der Mastspitze gering in Relation zu jenen der vorhergehenden Mastsegmente 14, 1 6 ist, führt eine derartige Anordnung zu einem ausreichend genauen Messergebnis. Auf einen zusätzlichen Sensor 38 kann somit verzichtet werden.

Figur 4 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Mastarms 10 in einer vierten Ausgestaltung. Die Mastsegmente 14, 16, 18 weisen jeweils einen Winkelsensor 48, 50, 52 auf. Die Winkelsensoren 48, 50, 52 erfassen die Winkelstellungen der einzelnen Knickgelenke 20, 22, 24. An der Mastspitze 32 ist ferner ein Inertialsensor 40 angeordnet, der die vertikale Beschleunigung der Mastspitze 32 erfasst. Durch Kombination der Signale der Winkelsensoren 48, 50, 52 mit den Signalen des Inertialsensors 40 lässt sich eine sehr genaue Bestimmung der momentanen Höhe der Mastspitze 32 realisieren. Mit dem dargestellten Sensorkonzept kann eine effektiv wirkende Regelung der Höhe der Auslegerspitze realisiert werden. Dies ist in Figur 5 schematisch gezeigt.

Es wird dabei davon ausgegangen, dass zur Schwingungsdämpfung des Mastarms 10 eine Regelung der Gelenkwinkel implementiert ist. Die Winkelgeschwindigkeiten der einzelnen Gelenke 20, 22, 24 sind dabei die Stellgrößen U1 , U2, U3 des Systems.

Der Schwingungsdämpfung wird erfindungsgemäß eine Lageregelung auf Basis eines PID-Reglers 46 und eines Moduls 47 zur Steuerung der Hub- oder Senkbewegung der Mastspitze 32 überlagert. Aus den Messsignalen der an dem Mast 10 angeordneten Inertialsensoren 34, 36, 38, 40 (siehe Figur 2) oder aus den Signalen der Winkelsensoren 48, 50, 52 in Kombination mit dem Signal des Inertialsensors 40 (siehe Figur 4) wird wie oben beschrieben die momentane Höhe H der Mastspitze mittels eines Rechners 42 ermittelt. Die Lageregelung bestimmt anhand der Regelabweichung (Abweichung des Istwertes der Höhe der Mastspitze 32 von dessen Sollwert) einen Reglerausgang A, der als Sollwert in Form einer Hub- oder Senkbewegung der Mastspitze für das Modul 47 vorgegeben wird. Diese berechnet die Steuersignale, welche auf die Stellgrößen U1 , U2 und U3 der einzelnen Gelenke 20, 22 und 24 aufgeschaltet werden. Der Sollwert für die Höhe der Mastspitze 32 wird im praktischen Betrieb durch das Verfahren des Bedieners bestimmt und ergibt sich daher aus der Ruhelage für die jeweils aktuelle Stellung des Mastarms 10. Eine genaue Berechnung der Ruhelage der Höhe der Mastspitze 32 anhand der aktuellen stationären Werte der Gelenkwinkel ist aufgrund der Komplexität des Gesamtsystems und der nur ungenauen Kenntnis der Modellparameter für den praktischen Betrieb nicht möglich und auch nicht nötig. Daher wird für den PID-Regler 46 zur Bestimmung der Regelabweichung ein einfaches Hochpassfilter 44 mit einer geeignet gewählten Grenzfrequenz verwendet. Ein Wegdriften der Höhe von der ursprünglichen Position durch den Reglereingriff wird durch die zugrunde liegende Schwingungsdämpfungsregelung verhindert, welche eine Regelung der Gelenkpositionen beinhaltet. Durch die dargestellte Regelung können vertikale Bewegungen der Mastspitze 32, z.B. einer Autobetonpumpe während des Pumpbetriebs, effektiv reduziert werden.

- Bezugszeichenliste -

Bezuaszeichenliste

10 Mastarm

12 Drehschemel

14 erstes Mastsegment

1 6 zweites Mastsegment

18 drittes Mastsegment

20 erstes Knickgelenk

22 zweites Knickgelenk

24 drittes Kickgelenk

26 erstes Antriebselement

28 zweites Antriebselement

30 drittes Antriebselement

32 Mastspitze

34 erster Inertialsensor

36 zweiter Inertialsensor

38 dritter Inertialsensor

40 Inertialsensor Mastspitze Rechner

Hochpassfilter

PID-Regler

Modul zur Steuerung der Hub-und Senkbewegung der Mastspitze erster Winkelsensor

zweiter Winkelsensor

dritter Winkelsensor

- Patentansprüche -

Claims

Patentansprüche

1 . Großmanipulator mit einem ausfaltbaren Mastarm (10), der einen um eine Hochachse drehbaren Drehschemel (12) und eine Mehrzahl von Mastsegmenten (14, 1 6, 18) aufweist, wobei die Mastsegmente (14, 1 6, 18) an Knickgelenken (20, 22, 24) um jeweils horizontale Knickachsen gegenüber einem benachbarten Mastsegment (14, 1 6, 18) oder dem Drehschemel (12) mittels je eines Antriebsaggregates (26, 28, 30) begrenzt verschwenkbar sind,

g e k e n n z e i c h n e t d u r c h wenigstens einen Inertialsensor (34, 36, 38, 40) zur Messung der Neigung und/oder der Beschleunigung wenigstens eines Mastsegmentes (14, 1 6, 18).

2. Großmanipulator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Inertialsensor (34, 36, 38, 40) einen zweiachsigen Beschleunigungssensor und einen Drehratensensor umfasst.

3. Großmanipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Inertialsensor so ausgebildet ist, dass er die Messsignale des zweiachsigen Beschleunigungssensors mit dem zeitlich integrierten Messsignal des Drehratensensors kombiniert.

4. Großmanipulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Verarbeitung der Messsignale des zweiachsigen Beschleunigungssensors und des Drehratensensors einen Beobachter, insbesondere ein erweitertes Kaimanfilter oder ein komplementäres Filter verwendet.

5. Großmanipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Mastsegment (14, 16, 18) wenigstens ein Inertialsensor (34, 36, 38) angeordnet ist.

6. Großmanipulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertialsensoren (34, 36, 38) im Wesentlichen in der Mitte eines Mastsegments (14, 1 6, 18) angeordnet sind.

7. Großmanipulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Berechnung der Höhe der Mastspitze (32) aus den gemessenen Neigungen der Mastsegmente (14, 1 6, 18) eingerichtet ist.

8. Großmanipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Inertialsensor (38, 40) an dem letzten Mastsegment (18), insbesondere an der Mastspitze (32), angeordnet ist und die Beschleunigung des letzten Mastsegmentes (18) erfasst.

9. Großmanipulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Berechnung der Höhe der Mastspitze (32) aus den gemessenen Neigungen der Mastsegmente (14, 1 6, 18) in Kombination mit der mittels des am letzten Mastsegment (18), insbesondere an der Mastspitze (32), angeordneten Inertialsensors (38, 40) erfassten Beschleunigung eingerichtet ist.

10. Großmanipulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem der Knickgelenke (20, 22, 24) ein Winkelsensor (48, 50, 52) zugeordnet ist, der die Winkelstellung dieses Knickgelenks (20, 22, 24) erfasst.

1 1 . Großmanipulator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Knickgelenk (20, 22, 24) jeweils ein Winkelsensor (48, 50, 52) zugeordnet ist.

12. Großmanipulator nach den Ansprüchen 8 und 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er zur Berechnung der Höhe der Mastspitze (32) aus den erfassten Winkelstellungen der Knickgelenke (20, 22, 24) in Kombination mit der mittels des am letzten Mastsegment (18), insbesondere an der Mastspitze (32), angeordneten Inertialsensors (38, 40) erfassten Beschleunigung eingerichtet ist.

13. Großmanipulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Großmanipulator eine Regeleinrichtung zur

Schwingungsdämpfung aufweist.

14. Großmanipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine auf den Messsignalen des wenigstens einen Inertialsensors (34, 36, 38, 40) basierende Lageregelung zur Regelung der Höhe der Mastspitze (32).

15. Großmanipulator nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerregelung der Schwingungsdämpfung überlagert ist.

16. Großmanipulator nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereglung so ausgebildet ist, dass sie Stellsignale, welche auf die Stelleingänge der einzelnen Mastgelenke aufgeschaltet werden, in Abhängigkeit von der Ausrichtung der einzelnen Mastarme und/oder der Entfernung der einzelnen Mastgelenke/Mastarme zum Drehschemel ermittelt.

17. Großmanipulator nach Anspruch 1 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereglung so ausgebildet ist, dass sie die Stellsignale anhand einer kartesischen oder zylindrischen Steuerung der Mastspitze ermittelt.

18. Autobetonpumpe aufweisend ein Fahrzeuggestell, eine am Fahrzeuggestell angeordnete Dickstoffpumpe, insbesondere Betonpumpe, und einen Großmanipulator nach einem der vorangehenden Ansprüche.

- Zusammenfassung -