稳定装置和稳定固定构件的方法与流程

1.本发明涉及一种用于克服基础构件的处于预定的运动平面外的运动而稳定固定构件的稳定装置，其中所述固定构件和所述基础构件通过稳定配置而连接。此外，本发明还涉及一种稳定固定构件的方法。


背景技术：

2.在许多应用实例中，尽可能无振动地对可以固定在固定构件上的工作装置进行安装是有利的。在此情况下，通常期望允许存在于预定运动平面(通常为水平面)内的运动分量，即例如可以根据需要在水平面中移动工作装置。这类工作装置的示例首先包括例如在拍摄影片等时使用的摄像机。这类摄像机要尽可能克服振动等而保持稳定，为此已提出了许多稳定手段。例如已知如de 10 2015 107 483 a1中所描述的待由人或以其他方式来承载的摄像机稳定装置。这类摄像机稳定装置(也称为摄像机平衡装置)是极其复杂且较为昂贵的设备。
3.工作装置的另一示例是传感器装置，例如在自主驾驶的应用中和/或在尽可能准确地对目标对象(特别是建筑物)进行测量的应用中，在这些应用中，通过起重机移动相应的测量装置。就此而言，分析所记录的传感器数据的计算运动补偿算法是已知的，但是实施起来极其复杂并且至少部分不够鲁棒和/或准确。
4.在将使用基于地面的平台来移动工作装置时，在稳定工作装置的过程中总是会出现问题。在此情况下，因碾过地面而引起典型的振动，对于工作装置的期望的平稳功能而言，必须减小这些振动。这类例如因地面不平整而引起的非期望的运动是处于特别是水平面的预定运动平面外的待补偿的运动的主要类型。


技术实现要素：

5.因此，本发明的目的是提供一种易于实现的、高精度且可靠的方案来对用于工作装置的固定构件的非期望的运动进行补偿，特别是对平台、特别是地面操作平台的运动振动进行补偿。
6.本发明用以达成上述目的的解决方案在于具有权利要求1的特征的稳定装置和具有权利要求15的特征的方法。有利的技术方案参阅从属权利要求。
7.因此，根据本发明，就开篇所述类型的稳定装置而言，所述稳定配置包括：
8.‑
第一补偿配置，用于对所述基础构件围绕位于所述运动平面中的倾斜轴相对中间构件的倾斜运动进行补偿，所述第一补偿配置具有至少一个能够主动控制的第一补偿装置，
9.‑
第二补偿配置，用于对所述中间构件在垂直于所述运动平面的补偿方向上相对于所述固定构件的其余线性运动进行补偿，所述第二补偿配置具有至少一个能够主动控制的第二补偿装置，
10.‑
多个初始传感器，分别对应于所述第一和/或第二补偿配置，以及
11.‑
至少一个控制装置，用于根据所述初始传感器的传感器数据来控制用于运动补偿的补偿配置的补偿装置。
12.因此，在本发明的范围内，已认识到的是，可以有利地将非期望的运动，特别是处于预定运动平面外的运动，例如行驶振动，分成两组，可以以总体上较低的耗费和较高的精度渐进地对其进行补偿。因此，根据本发明，在两个阶段中实现非期望的运动的减少，即首先在运动平面中进行稳定，然后在垂直于这个运动平面的补偿方向上进行稳定。
13.具体而言，这表明，在基础构件与固定构件之间设有中间构件，工作装置可被固定在固定构件上。第一补偿配置将基础构件与中间构件连接在一起。第一补偿配置具有第一补偿装置，所述第一补偿装置能够对围绕位于运动平面中的倾斜轴(倾斜轴或枢轴)的偏转，即倾斜运动(倾斜运动或枢转运动)进行补偿，特别是通过中间构件相对于经受非期望的运动分量的基础构件的反向相对偏转。换句话说，将惯性传感器的传感器数据用于检测倾斜运动并且直接采取应对措施，可以说是通过至少一个第一补偿装置，，下面将对此进行详细说明。
14.在第一阶段之后，理想的是，对于中间构件而言，仅在垂直于运动平面的补偿方向上还存在线性运动，可以通过将中间构件与固定构件连接在一起的第二补偿配置尽可能地对这些线性运动进行补偿。为此，第二补偿配置具有至少一个第二补偿装置，以便对通过惯性传感器确定的补偿方向上的线性运动以相同的振幅进行补偿，特别是通过固定构件相对于经受线性运动的中间构件的反向相对的运动。
15.具体而言，通过控制装置对惯性传感器的传感器数据进行分析，以便推导出第一和第二补偿装置的相应触发，特别是控制信号。在此情况下，惯性传感器优选可以已经布置在构件上，即特别是布置在基础构件、中间构件和/或固定构件上，或者以与这些构件刚性地运动耦合的方式布置，而后可以容易地得出所需的补偿运动，但是完全也能够想到将这些惯性传感器的至少一部分设置在稳定装置的其他构件上，特别是设置在承载稳定配置的平台上，以便使用数学关系来推导出适用的控制命令。在现有技术中，原则上已知尽可能实时地从传感器数据中推导出用于补偿运动的控制信号的方法，在当前情况下，可以特别有效且快速地实施该方法，因为如上所述，根据本发明将待补偿的运动分成倾斜运动和线性运动。特别地，可以完全独立地实现和执行两个控制过程。
16.在许多应用实例中，将能够想到，预定的运动平面是至少基本上水平的平面，补偿方向至少基本上是竖直方向。如果例如借助稳定装置的具有轮子的平台在具有不平度的基本平坦的表面内移动工作装置，则该表面上的运动可被视为是期望的并且不应进行补偿，而例如因地面不平度而引起的运动、因运动引起的向上振动过程以及由类似原因而引起的运动则应得到补偿，这些运动可以相应地分成围绕运动平面内的倾斜轴的运动和垂直于运动平面的方向(在此为竖直方向)的运动。要指出的是，控制装置也可以适于将补偿方向上的线性运动分类为期望和非期望的运动分量，以便仅对非期望的运动分量进行补偿。如果例如沿倾斜的平面向上移动工作装置，则高度会持续变化，对高度变化的补偿在特定时间点可能会超出第二补偿配置的补偿可能性，并且明显也是期望的，从而例如可以从补偿措施中排除持续累积的变化分量。
17.特别有利的是，所述惯性传感器，特别是分别和/或成组地，可以作为惯性测量单元(inertial measurement unit,imu)的一部分而存在和/或包括加速度传感器和/或转速
传感器。这类imu是多个惯性传感器(例如加速度传感器和/或转速传感器)的空间组合并且能够检测所有六个可能的运动自由度。具体而言，可以设有三个彼此分别正交地安装的加速度传感器(平移传感器)，用于检测平移运动，以及三个彼此正交地安装的转速传感器(陀螺仪传感器)，用于检测倾斜运动。在此情况下，这类imu已作为紧凑的预制结构单元，例如集成芯片而存在，并且也可以相应地在本发明的范围内进行使用。这些imu优选针对性地以下述方式布置，使得用来在其中测量传感器数据的坐标系对应于由运动平面和补偿方向构成的坐标系，在这个坐标系中视情况借助位移的零点进行补偿。在本发明的范围内，优选地可以针对每个传感器位置设置imu，特别是实施为集成芯片。
18.有利地，至少在所述基础构件上和/或以与所述基础构件刚性地运动耦合的方式布置有至少一个第一惯性传感器，特别是第一惯性测量单元。原则上，可以在基础构件上对所有待补偿的运动进行测量，具体而言，即关于运动平面中的两个相互垂直的倾斜轴的倾斜运动以及补偿方向上的线性运动。
19.在本发明的一个特别有利的进一步方案中，可以设置至少一个第二惯性传感器，特别是第二惯性测量单元，布置在所述中间构件上和/或以与所述中间构件刚性地运动耦合的方式布置，以及至少一个第三惯性传感器，特别是第三惯性测量单元，布置在所述固定构件上和/或以与所述固定构件刚性地运动耦合的方式布置，其中所述控制装置适于基于所述第一惯性传感器的传感器数据进行第一补偿以及基于所述第二和第三惯性传感器的传感器数据对所述第二和第三惯性传感器所测得的剩余运动进行第二补偿。因此，控制装置可以将第一惯性传感器、特别是第一imu的传感器数据用于两个补偿配置，以便首先基于相应的传感器数据对运动进行粗补偿。至少一个第二惯性传感器，特别是第二imu，有利地测量中间构件上的其他剩余运动，可以在第二补偿中考虑在内，用作精确补偿。相应地，至少一个第三惯性传感器，特别是第三imu，测量固定构件在补偿方向上的线性剩余运动并且在此还可以作为第二补偿，实施精确补偿。这样就能特别可靠地尽可能减少固定构件上的非期望的运动。
20.所述控制装置可以具有用于控制所述补偿配置的单独的控制单元，特别是分别为一个控制芯片。如已经说明的那样，可以彼此独立地实施各个补偿过程(分别通过第一或第二补偿配置对倾斜运动和线性运动进行补偿)，从而可以借助单独的控制单元、特别是具有单独的控制算法和/或单独的控制硬件的单独的控制单元来实现。例如，能够想到可以针对每个补偿配置分别设置控制芯片作为控制装置的一部分。在在此示出的具有三个imu的有利技术方案中，即在基础构件、中间构件和固定构件这三个构件中的每一个上设有一个imu或者这些imu与这些构件完全运动耦合，第一补偿配置所对应的控制单元接收第一imu和第二imu的传感器数据，第二补偿配置所对应的控制单元接收第一和第三imu的传感器数据。
21.所述中间构件可以借助万向节或球形接头以相对于所述基础构件可偏转的方式支承。在此情况下，万向节也可以称为万向接头。因此，特别优选中间构件相对于基础构件的万向支承，其中所述中间构件相对所述基础构件的具体相对位置可能受到至少一个第一补偿装置的影响。
22.所述第一补偿配置可以具有至少一个第一补偿装置，用于围绕位于预定运动平面中的第一倾斜轴偏转所述中间构件，以及至少一个第一补偿装置，用于围绕同样位于预定运动平面中的垂直于第一倾斜轴的第二倾斜轴偏转所述中间构件。来自预定运动平面的所
有偏转都可以通过围绕两个倾斜轴的组合运动进行映射。其中，在本发明的一个具体的进一步方案中，可以设定，所述第一补偿装置针对每个倾斜轴均包括两个线性致动器，特别是主轴驱动器，所述线性致动器承载与所述中间构件接触的接触元件，例如球头柱塞。例如可以围绕万向节或球形接头对称地布置这类线性致动器，即分别沿相应的不同倾斜轴，其中万向悬挂的中间构件最终由所述接触元件来承载，并且通过它们各自两个相关联的线性致动器，协调的运动引起围绕垂直于线性致动器的连接轴的倾斜轴的相应偏转。如果用x和y来标示运动平面中的两个方向，分别对应于倾斜轴中的一个的线性致动器沿这两个方向布置，则可以将线性致动器中的一个称为+x致动器，一个称为
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x致动器，一个称为+y致动器，一个称为
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y致动器。当然，也能够想到可以采用下述技术方案，其中，对应于倾斜轴中的一个的第一补偿装置的相应线性致动器也与中间构件牢固连接，使得对于每个倾斜轴来说，一个线性致动器就足够了。线性致动器优选可以通过主轴驱动器形成，特别是借助相应的电动机来操作，当然也可以使用用于线性致动器的其他实现方案，特别是根据所需的补偿速度。
23.所述至少一个第二补偿装置优选地可以包括线性电动机，用于在线性导引件中引导的滑块，但是也可以由其他线性致动器来实现。
24.当然，对于第一补偿装置和第二补偿装置而言，原则上也可以考虑和使用其他类型的线性致动器，但是基于快速的反应时间，优选电磁操作的致动器。压电执行器也可以是有利的，特别是在要对较小的运动幅度进行补偿时。此外，对于第一补偿装置而言，原则上也能够想到采用已知类型的枢转致动器，在此情况下，枢转致动器例如可以至少部分集成至万向节和/或球形接头中。
25.在本发明的范围内，同样已证实有利的是，所述固定构件和/或所述中间构件和/或所述基础构件设计为在基本状态下在预定的运动平面中延伸的板件，其中在基本状态下，这些构件平行布置。这表明，固定构件、中间构件和基础构件可以实施为例如固定板、中间板和基础板，优选地在运动平面中延伸，当然，在理想补偿的情况下，对于固定板而言，上述方案应永久适用。
26.此外，优选的是，所述稳定装置包括部分壳体，特别是空心圆柱形的部分壳体，布置在特别是所述基础构件上和/或承载所述基础构件的基础板上，至少部分包围所述稳定配置。这种空心圆柱形的部分壳体一方面例如可以隐藏补偿配置，但另一方面也可以对其进行保护。在此情况下，例如可以将稳定装置设置为一种“立管”，固定板或者用于固定板或更一般而言用于固定构件的工作装置的固定装置从立管上方突出，而补偿执行器自身可以保持隐藏。
27.如已说明的那样，所述固定构件还可以具有用于待固定的工作装置的固定装置，特别是用于摄像机配置和/或传感器装置(例如包括激光雷达传感器和/或雷达传感器)和/或测量配置的固定装置。在此情况下，可以使用可用于不同工作装置的标准化固定装置和与特定工作装置适配的特殊固定装置。
28.在本发明的一个特别有利的实施例中，所述稳定装置还可以包括地面支承的运动平台，特别是通过三个放置点实现地面支承的运动平台，所述基础构件固定在所述平台上和/或所述平台包括所述基础构件。例如可以通过链条和/或胡佛驱动器(hooverantrieb)来操作这种地面支承的平台，但根据本发明优选使用轮子。在此情况下，特别有利地使用在
地面上的三点支承，从而特别是可以设定平台恰好具有三个轮子。这类借助三个放置点，特别是三个轮子而实现的优选以等边三角形的形式布置的地面支承已经证实是非常稳定的方案，其自身可以将输入基础构件的振动或其他非期望的运动保持在较低程度。因此，就此而言，与例如四轮地面支承的系统相比，已大幅减少待补偿的非期望运动和/或待补偿的非期望运动更慢和/或能够更好地预测待补偿的非期望运动，这允许实现更高的补偿质量并且简化了预设的实时实施。
29.用于从一开始就减少非期望的运动的其他特别优选的措施还包括将柔软的材料用于轮子的滚动面，这些轮子例如可以具有橡胶轮胎和/或可以完全由橡胶构成。当地面不平坦时，柔软的材料屈服，使得接触面可以至少部分适配，进而可以至少部分避免将运动引入平台和基础构件中。这样一来，例如因驶过电缆或类似物体而引起的会引起强烈的、突然出现的待补偿的运动的运动输入是明显较小的问题。
30.就此而言，本发明的另一特别优选的实施例规定，所述中间构件相对所述基础构件的支承点，特别是所述中间构件万向悬挂在所述基础构件上的位置，布置在环绕的平台构件的高度上或者甚至是相对所述平台构件有所降低，特别是布置在轮子的高度上。基本理念是将支承点或悬挂点布置在尽可能低的位置处，以便由此减少因过长的传输路径而引起的运动输入的增强，例如尽可能地避免因杠杆效应而产生的更大振幅。在此情况下，表述“在轮子的高度上”指的是使得支承点位于轮子所跨越的高度范围内，优选地处于轮轴的高度处或者至少处于轮子上端的高度上。试验表明，这种万向悬挂点理想地布置在轮子平面中。
31.还要指出的是，也可以通过平台构件，特别是基础板和/或基础构件的实心设计方案来进一步减少所输入的运动，以便有利地利用惯性效应。平台的重量例如可以是预设的有效载荷(例如工作装置的重量)的至少四倍，特别是至少十倍。
32.就此而言要注意的是，所述稳定装置不一定必须具有地面支承或地面操作的平台，而是也可以将稳定装置例如设计为可被人携带，例如通过与人等适配的相应耦合元件。此外，也可以特别有利地将根据本发明的稳定装置、特别是不具有自身平台的稳定装置用于汽车中，其中特别要指出的是在自主操作的车辆中的可能的使用，其中可以借助稳定配置稳定地承载例如传感器装置，特别是包括激光雷达传感器和/或雷达传感器和/或摄像机。此外，根据本发明的稳定装置也可以特别有利地作为工作装置用于测量配置，例如用于高精度地测量建筑物，其中例如可以由起重机来承载具有固定在固定构件上的测量配置的稳定装置。
33.除了所述稳定装置之外，本发明还涉及一种克服基础构件的处于预定运动平面外的运动而稳定固定构件的方法，特别是使用根据本发明的稳定装置，其中所述固定构件和所述基础构件通过稳定配置而连接，其中所述方法的特征在于，在第一步骤中，对所述基础构件围绕位于所述运动平面中的倾斜轴的倾斜运动进行补偿，并且在第二步骤中，对所述中间构件在垂直于所述运动平面的补偿方向上的其余线性运动进行补偿。与根据本发明的稳定装置有关的所有实施方案均可以以类似于根据本发明的方法的方式转用，因此，借助本发明的方法也可以获得已述及的优点。
附图说明
34.根据下面所描述的实施例以及结合附图对本发明的其他优点和细节进行详细说明。其中：
35.图1为示意性地示出根据本发明的稳定装置的基本结构的原理图，
36.图2为稳定装置的构件的电子互连，
37.图3为根据本发明的稳定装置的一个实施例的透视图，
38.图4为图3所示稳定装置的局部侧视图，以及
39.图5为根据图4中的切割线v
‑
v的剖面图。
具体实施方式
40.图1为根据本发明的稳定装置1的主要构件的原理示意图。稳定装置包括构建为固定板的固定构件2，应相对于构建为基板的基础构件3的非期望的运动对固定构件进行稳定。为此，稳定装置1具有将固定构件2和基础构件3连接在一起的稳定配置4，稳定配置由将基础构件3和构建为中间板的中间构件6连接在一起的第一补偿配置5以及将中间构件6与固定构件2连接在一起的第二补偿配置7构成。在此情况下，对处于预定运动平面(在此为坐标系8所示出的x
‑
y平面)外的非期望的运动进行补偿，其中在两个彼此无关的阶段中进行上述补偿。
41.第一补偿配置5适于对围绕位于预定运动平面(x
‑
y平面，在此为水平面)中的倾斜轴的倾斜运动进行补偿，而通过第二补偿配置7则可以在垂直于预定运动平面的补偿方向(在此为z方向或竖直方向)上对其余线性运动进行补偿。
42.为了原则上能实现上述方案，中间构件6首先相对于基础构件3通过在此仅简单示出的万向节(万向接头9)而悬挂，其中在当前情形下，第一倾斜轴沿x方向定义，第二倾斜轴沿y方向定义，这两个倾斜轴分别对应有两个线性致动器10、11，这些线性致动器分别承载接触元件12，中间构件6放置在接触元件上。通过借助用作第一补偿装置的线性致动器10、11来调节接触元件的高度，可以实现中间构件6相对于基础构件3的相对偏转。在此情况下，第一倾斜轴所对应的线性致动器10沿y方向以间隔一定距离的方式围绕万向节9对称布置，第二倾斜轴所对应的线性致动器11沿x方向相应地布置。
43.第二补偿配置7还具有用作第二补偿装置的线性致动器13，通过这个线性致动器在补偿方向(在此为z方向)上进行调节。
44.为了能够确定待补偿的运动，稳定装置1还具有多个初始传感器，在此分别形式为惯性测量单元14、15、16(imu)，其中第一imu 14布置在基础构件3上，第二imu 15布置在中间构件6上，第三imu 16布置在固定构件2或线性致动器13的与这个固定构件刚性连接的构件17上。
45.稳定装置1还包含控制装置18，参照图2进行详细说明，在当前情况下，控制装置具有两个设计为独立控制芯片(在此为cpu)的控制单元19、20。控制单元19对应于第一补偿配置5并且接收来自第一imu 14和第二imu 15的传感器数据，以便确定待补偿的倾斜运动。在第一补偿(粗补偿)中，对借助第一imu 14确定的倾斜运动进行控制，而其余倾斜运动则通过第二imu 15确定并且可以在第二补偿(精确补偿)中进行补偿。产生相应的控制信号以补偿因中间构件6相对基础构件3的反向相对旋转而引起的倾斜运动，并将控制信号转发至电
动机驱动器21、22。电动机驱动器21对应于第一补偿配置5的由用于第一倾斜轴的线性致动器10构成的第一补偿装置23，电动机驱动器22对应于第一补偿配置5的由用于第二倾斜轴的线性致动器11构成的第一补偿装置24。
46.控制单元20分析第一imu 14和第三imu 16的传感器数据，以便将第一imu 14的传感器数据用于第一补偿(粗补偿)，将第三imu 16的传感器数据用于精确补偿，在此情形下涉及沿补偿方向(z方向)的线性运动。该分析可以包括对期望和非期望的运动分量的分类，以便例如从补偿中排除持续升高和降低的运动分量。测定中间构件6与固定构件2之间的相应地抵消待补偿的线性运动的相对位移并且将相应的控制信号转发至电动机驱动器23，用于作为第二补偿配置7的第二补偿装置25的线性致动器13。
47.如果随后通过固定构件2的固定装置26将工作装置固定在固定构件2上，则可以进行相应的稳定，例如针对用于自主驾驶汽车中的激光雷达传感器、雷达传感器等，就此而言，可以省略计算补偿。其他应用领域例如包括用于在起重机上进行高精度的建筑物测量的测量配置，但是特别地还包括地面支承的工作装置，其借助于稳定装置1的相应的地面支承的或地面操作的平台而移动，例如用于影片等的摄像机。
48.图3
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5示出相应的具体实施例。
49.因此，具体实施例的稳定装置1包括平台27，平台具有基板28和三个轮子29，三个轮子以等边三角形的方式布置，并且其中至少滚动面30由橡胶构成。因此，这些轮子为橡胶轮子。基础构件3、固定构件2、中间构件6以及第一和第二补偿配置5、7由基板28来承载，基板也采用实心构建方案，例如由重金属构成。
50.借助由轮子29给定的三个放置点的地面支承以及轮子29的柔软的滚动面材料已经允许对输入到基板28中的运动进行阻尼，其中同样通过实心的重型设计将振幅保持在较低的程度。
51.从图3还可以看出，基础构件3以相对于基板28有所降低的方式定位，使得中间构件6的支承点(万向悬挂点)低于基础构件3，特别是处于基板28的高度上或者甚至位于轮子29的区域中，以便尽可能靠近地面设置。
52.通过在图4和5中更详细示出的补偿措施尽可能更大程度地对其余非期望的运动进行补偿。在此情况下，线性致动器10、11构建为主轴驱动器，接触元件12构建为球头柱塞。线性致动器13构建为具有线性导引件32的线性电动机31。
53.图5更详细地示出具有主轴33、滑块34和电动机35的主轴驱动器的技术方案。
54.此外，如图3所示，该具体实施例的稳定装置1也可以具有空心圆柱形的部分壳体36，其可以围绕稳定配置5放置，以便隐藏稳定配置和防止其损坏。