控制空中装置的方法和有实现此方法的控制器的空中装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及控制空中装置的方法以及包括实现此控制方法的控制器的空中装置。
【背景技术】
[0002] 这种空中装置是例如具有可弯曲铰接臂(bendable articulated arm)的转台云 梯，该可弯曲铰接臂附接至伸缩套管(telescopic boom)的上端。然而，本发明不限于这种 消防梯，而是还包括类似系统，例如，铰接的或伸缩的平台和空中救援设备。通常，这些系统 安装在车辆上，使得这些系统可旋转并且可直立。
[0003] 例如，根据文件DE 9416367 U1，铰接臂附接至伸缩套管的最顶部元件的顶端并且 从完全缩回的伸缩套管突出，使得铰接臂能够在任何时候都可转动，而与套管的当前伸出 长度无关。具有本身能够伸缩的铰接臂的梯子的示例由EP 1726733 B1公开。在另一备选设 计中，如在EP 2182164 B1中所公开的，铰接臂被包括在伸缩套管的最顶部元件中，使得铰 接臂可完全缩回伸缩套管中，但是从上部的特定长度起可转动。
[0004] 此外，用于转台云梯、高架平台等的控制装置在EP 1138868 B1和EP 1138867 B1 中公开。在这些文件中讨论的常见问题是在梯子运动期间对振动的抑制。随着梯子长度的 增加，该问题甚至变得更加重要。因此，已经提出了将用于检测当前振动运动的传感器沿伸 缩套管附接在不同位置。为此，使用了应变计传感器(下文中也称为SG传感器(使用SG作为 "应变(strain gauge)"的缩写））和附接在伸缩套管的上部、用于直接测量梯子的上端的角 速度的附加的两轴或三轴陀螺仪，该陀螺仪最好接近铰接臂的支点或者接近梯子的尖端。 提供了基于从SG传感器和陀螺仪获得的信号值来控制空中装置的运动的控制器。在操作期 间，尤其是在用于移动空中装置的输入命令被传递至控制器时，借助于处理信号值来将当 前振动状态考虑在内，使得梯子的运动可被校正，使得无论套管的弹性柔度如何，梯子的顶 端都达到并且保持目标位置。
[0005] 用于主动抑制转台云梯或类似装置的套管的振动的现有方法不适合于或不能应 用于相对较大的铰接臂，即，具有铰接臂和尤其超过32m的最大可达高度的梯子。对于这些 梯子，由于其套管的长度与其横截面相关，必须要考虑材料的空间关系，因此基于集总质量 近似的集总参数模型不适合于充分描述这种梯子的弹性振动。另外，不仅基本振动，而且二 次谐振（以及可能更高次的谐振)需要被主动抑制，并且需要考虑对铰接臂的影响和尤其摆 角(pivot angle)的变化。另外，最多32m的梯子除外，不能假定在水平方向上的弹性弯曲与 扭转是彼此独立的。而是，如下面详细描述的，所有振动模式与转台的包括结合的弯曲偏转 和扭转偏转的旋转相关。
[0006] 从上文中已记载的EP 1138868 B1可知考虑每个俯仰旋转轴（elevation and rotation axi s)的基本弯曲振动的用于主动振动抑制和轨迹跟踪的方法。这些方法仅可应 用于无铰接臂并且最大高度达32mde梯子，对于这种梯子，针对每个轴仅需考虑基本振动。 从EP 1772588 B1可知用于铰接梯的改进方法，其中，使用集总参数模型来近似铰接梯子的 振动。该模型包括经由弹性抑制元件彼此连接的三个质量点。因此，该模型以及后来发展的 振动抑制控制也不能识别出套管的空间分布属性，因此设计中不包括水平弯曲和扭转的结 合。另外，更高次的谐振并没有被主动抑制，而是被看作干扰，并且使用干扰观测器将这些 谐振过滤掉。该方法使用在套管的下端的应变计(SG)传感器或致动器的液压的测量值以检 测振动。对于更大的铰接梯子，这些测量值对在铰接臂的所有梯长度和位置以足够信噪比 测量二次谐振不够敏感，而对于在本专利申请中考虑的梯子中，在铰接臂的所有梯长度和 位置以足够信噪比测量第二谐振尤其必要。
[0007] 从EP 2022749 B1可获知识别出套管的空间走向的主动振动抑制。使用具有常数 参数的欧拉梁理论对套管的弯曲进行建模，在套管的顶端的救援笼被建模为刚体，这得到 了梁的特别动态边界条件。基于无穷维模型的模态近似，根据在套管的下端的SG传感器的 测量值和在上端的惯性测量值，例如测量相同旋转轴旋转速率的陀螺仪，来重建一次和二 次谐振。然后，振动模式根据代数方程组的解来获得，并且都被主动抑制。在第二种方法中， 提出了基于一次和二次谐波弯曲运动的修改模型的干扰观测器，对于该观测器，假定使用 SG传感器来仅测量基本振动。使用观测器信号，仅基本振动被主动抑制。该方法既不包括铰 接臂也不包括在水平方向上弯曲和扭矩的结合。另外，观察者并不考虑SG传感器和陀螺仪 的不同信号幅度。
【发明内容】
[0008] 因此，本发明的一个目的是提供一种用于控制上面这种空中装置的方法，该方法 通过考虑水平方向上的弯曲和扭转的结合来为空中装置提供有效的振动抑制，该方法通过 较小的变动能够类似地应用于抑制垂直方向上的振动，垂直方向上的振动可能包括铰接臂 和附接至铰接臂的端部的笼对两个轴的影响。
[0009] 此目的通过用于控制空中装置的方法来实现，
[0010]该控制装置包括
[0011] -伸缩套管，
[0012] -应变计传感器，其用于检测伸缩套管在水平方向和垂直方向上的弯曲状态，
[0013]-陀螺仪，其附接至伸缩套管的顶部，以及
[0014] -控制设备，其基于从SG传感器和陀螺仪获得的信号值来控制空中装置的运动，
[0015] 该方法包括下列步骤：
[0016] _从SG传感器和陀螺仪获得原始信号SGRajPGYRaw，
[0017] -根据原始信号SGRaw和GYRaw计算参考信号，所述参考信号包括表示应变值的SG参 考信号SG Ref和表示角速度值的陀螺仪参考信号GYRef，并且计算从角位置值或角速度测量值 得出的角加速度参考信号AA Rrf，
[0018] -根据所述参考信号和与空中装置的结构有关的附加模型参数PAR来重构第一振 动模式fl和比所述第一振动模式更高阶的至少一个第二振动模式f2，
[0019] -根据重构的第一振动模式h和至少一个第二振动模式f2来计算补偿角速度值 AVc〇mp，
[0020] -将所计算的补偿角速度值八^_与前馈角速度值相加以得到驱动控制信号。
[0021] 在根据本发明的方法中，获得来自SG传感器和陀螺仪的信号作为原始信号。下面， 根据这些原始信号来计算参考信号。这些参考信号包括与SG传感器相关的SG参考信号和陀 螺仪参考信号。SG参考信号表示与弹性偏转的角位置对于的信号，而陀螺仪参考信号表示 角速度值，每个参考信号用于相应的空间轴。
[0022]根据这些参考信号和与空中装置的结构细节相关的附加模型参数，所需数量的振 动模式被重构并且用于计算补偿角速度值。在优选实现中，第一振动模式和第二振动模式 被重构。所计算的补偿角速度值叠加于前馈角速度值以得到可以用于例如控制液压驱动的 驱动控制信号。
[0023 ]在隐含该方法的动态模式中，可以从谐波(over tone)分出梯子的基本振动。另外， 每个轴的角加速度可以基于角位置测量值来计算，并且被馈送至梯子的动态模型以预测每 个轴的运动所引起的振动。估计的振动信号用于计算近似控制信号以抑制这些振动。该控 制信号叠加在需要的运动命令上，需要的运动命令由前馈角速度值表示，基于从由人类操 作员操作的手动操作杆读取的参考信号来确定，或者由路径跟踪控制来命令。基于参考信 号对需要的运动命令的计算被设计成提供平滑的反应并且减少对梯子的振动的激励。得到 的驱动控制信号传递至用于控制与各轴相关联的驱动装置的致动器。该原理可以用于升 高/降低(elevation/depression)并且用于旋转(转台）轴。对于升高，所有振动模式包括纯 弯曲，而对于旋转，所有振动模式是结合的弯曲振动和扭转振动。
[0024]根据依据本发明的方法的优选实施例，计算SG参考信号包括根据测量伸缩套管的 垂直弯曲的SG传感器的原始信号的平均值或者测量伸缩套管的水平弯曲的SG传感器的原 始信号的差值来计算应变值，以及对该应变值进行高通滤波。滤波有助于补偿信号的偏置。 [0025]根据此方法另一优选实施例，计算SG参考信号还包括:根据伸缩套管的俯仰角和 伸缩套管的伸出长度来插入（interpolate)应变偏置值，在高通滤波之前通过从应变值减 去应变偏置值来校正该应变值。应变偏置值的计算补偿了重力的影响。
[0026] 根据另一优选实施例，插入应变偏置还基于附接至伸缩套管的端部的铰接臂的伸 出长度和在伸缩套管与铰接臂之间的倾斜角。
[0027] 根据另一优选实施例，插入应变偏置值还基于附接至伸缩套管的端部或附接至铰 接臂的端部的笼的质量和笼内的载荷。
[0028] 根据此方法的另一优选实施例，计算陀螺仪参考信号包括:分别根据俯仰角和旋 转角的角位置测量值来计算原始信号的后向差商以获得角速度估计信号，由低通滤波器对 角速度估计信号进行滤波，计算与陀螺仪的每个轴相关联的经滤波的角速度估计信号的个 别部分，从来自陀螺仪的最初的原始信号减去经滤波的角速度估计信号的这个部分，以获 得经补偿的陀螺仪信号，对经补偿的陀螺仪信号进行低通滤波。这