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利用无线电频率实时定位系统手动操控起重机
Kelvin Chen Chih Peng, William Singhose, David H. Frakes
翻译：余宗楠
摘要：人工操作很难迅速，准确，安全地驱动起重机，因为起重机的重型结构响应慢以及它的有效载荷振荡。由于掌握非直观的控制接口（如按钮，杠杆和操纵杆）需要大量的经验，因此操作难度增加。本文提出了一种新类型的接口，它允许运营商只是通过所需的路径移动手持式射频标签驾驶起重机。实时位置传感器用于跟踪标签的运动和它的位置是在一个反馈控制回路中用于驱动起重机。不幸的是，起重机的运动通常促使大振幅的有效载荷振荡。因此，一个输入整形控制元件用于限制载荷摇摆。工业桥式起重机的实验结果验证了控制器的性能。
关键词：起重机，输入整形，振荡器，射频（RF），实时定位
Ⅰ.引言
起重机在维持现代工业的经济活力方面发挥关键作用。其重要性可在造船厂，建筑工地，仓库看出，并在各种各样的材料处理的应用程序。起重机的合理有效操作是降低工业生产成本和保障工人安全的重要因素。
这是不利的有效操作起重机的一个固有特性是在有效载荷摆动象钟摆一样的自然倾向，双摆[1]，[2]，或用卷扬机相关振荡动力学[3]。包含转动关节起重机是更难以控制，因为其非线性集成电路创造额外的复杂性[4] - [8]。此外，在非平稳基地工作的起重机带来了更多的控制挑战。例子包括用于海上起重机[9]基本运动主动补偿，并主动阻尼与兼容的基础[10]机械。
- 吊坠 （二）示意图
显著努力已经取得发展减少从发出命令和/或外部干扰，包括输入塑造振动性响应的控制系统[11] - [15]，滑模控制[16]，比例微分（PD）和非线性耦合控制法[17]，神经网络[18]，OP-timal控制[19]，[20]和Hinfin;控制法[21]。在一般情况下，谁操纵适当oscillation-抑制技术一个起重机操作员产生更安全和更高效的起重机的运动比运营商没有这种补偿[2]，[4]，[22]，[23]。
除了控制面临较大振幅的挑战，小阻尼有效载荷展开，运营商还必须掌握不直观的控制接口。图。图1示出一个典型的桥式起重机的侧控制。操作者必须在整体目标转移到所希望的操作路径，然后传输所需的路径进入按键序列的认知过程娴熟。例如，如果操作者希望通过一个凌乱的工作区，以驱动起重机，那么将以所需路径必须被映射到的事件，其中“转发（F）”，“向后（B）”，“左（L序列）“和”右（R）“按钮在正确的时间和正确的SE-quence推。此外，随着运营商通过移动工作空间，带动起重机和监测其进展情况，他们可能会旋转自己的身体，改变他们所面对的方向。在这种情况下，“前进”按钮使运动到左，右，或甚至落后。此外，操作者可以仅直接驱动的开销手推车，而不是有效载荷。因此，操作者必须考虑台车的指定的运动，它可以是许多米的开销，以及有效负载的延迟摆动响应之间的时间差。
虽然已取得显著进展通过控制发出的命令的动态响应，提高起重机的运行条件的效率，相对较小的已考虑到以何种方式经营问题的命令[24]所量身打造的认知.Interfaces associ-与特定的控制系统ated过程已被证明在通用接口[25]提供额外的益处，[26]。
本文提出了一种新的控制界面，使操作人员只需通过移动手持式射频（RF）标签[27]驾驶起重机，[28]。商业RF实时某一地址系统（RTLS）由Ubisense公司用于跟踪标签的位置。然后将标记的位置被用来产生一个指令信号以驱动起重机。手的运动控制接口是公针对通过杂乱工作区驱动起重机，因为它消除了认知过程是必要与传统的控制接口的任务。其结果是，操作者不再需要考虑在他们所面对的方向。安全，高效运行所需的手巧也减少了[29]。此外，控制算法最小化的有效载荷摇摆而不显icantly减慢系统的响应。因此，手动降低有效载荷振荡的负担被除去。这允许操作者仅集中在路径规划和有效载荷的最后定位。
本文的主要工作如下：使用一个RF RTLS1）一种新颖，直观的手部起重机控制接口，控制器在工业桥式起重机2）实验验证。在第二节中，用于实验的起重机，所述RF实时定位系统，和手的运动控制接口进行说明。在第三节中，标准的挂件控制器进行评估并作为比较基准。然后，优势和PD手运动控制器的弱点在第四节中详细介绍。最后，一个简化的ON-OFF控制装置在第五节实验结果呈现呈现整个纸张验证了理论概念。
Ⅱ. RF RTLS手动起重机控制
本文研究的起重机是那些可以被视为单摆与从机动开销小车悬挂的点质量的有效载荷。一个例子是在图中所示的10吨的工业桥式起重机。 2.起重机的示意图示于图。 3.桥式起重机由固定开销跑道，即沿跑道行驶的桥梁，并且沿桥行驶的电车的。激光测距传感器测量沿跑道和桥梁的小车位置。钩被视为是可持从台车用电缆挂起一个点质量的有效载荷。一台西门子可编程序控制器，用于控制电机驱动器和充当中央控制单元。一个向下的西门子SIMATIC VS723-2摄像头安装在手推车措施挂钩的位置。安装在钩援助机器视觉算法[30]上部的反射器。需要注意的是摄像头的反馈并不在本文的反馈控制器使用。
图3还示出了Ubisense的射频实时定位系统。四个传感器位于工作区周围被用于测量从标签发射的RF信号。标签的三维位置，然后使用AR-对手的到来和角度的时间差计算。增加传感器的数量增加了测量的稳健性和可靠性。 Ubisense的技术利用超宽带
图二：桥式起重机
（UWB）射频信号。超宽带的优点在于，从截止表面的反射造成的杂散信号可从该对直接标记到传感器的路径行进的信号容易辨别。这允许系统在大的3-D体积达到plusmn;0.15微米的精度。
图三：桥式起重机和Ubisense公司的RF实时定位系统的示意图。
图4显示出了RF标签。该标记是小到足以方便地配合在操作者的手。操作者只需按下一个按钮和移动标签指挥起重机动作。图。图5示出了射频手运动起重机控制系统的示意图。在标记和架空之间的差别被用于产生误差信号，该信号然后用于驱动起重机。
手的运动控制的先前提议的形式在很大程度上依赖于使用机器视觉[29]，[31]。所述trolley-安装照相机被用来定位由操作者操纵的反射装置的位置。该视觉系统有一定的局限性。反射装置只能被能操作的摄像机视场的范围内ated。此外，该系统是由公共机器视觉问题，如闭塞受损（例如，从悬浮液电缆或当操作者无意中阻挡来自相机的视图中的设备），非均匀照明，环境杂乱（例如，其他明亮的物体可能被误认为是反射装置）。
图四：使用RF标签手运动起重机控制。 （a）标签。
（二）手部起重机控制。
许多与机器视觉的问题得以消除与无线射频系统。首先，传感器范围的大小大大增强，并且可以通过添加更多的传感器无限制的增加。在固定的空间增加传感器的数量也提高了测量的鲁棒性。其次，由于使用射频信号的测量位置不具备的视线严格要求闭塞锡永是一个问题较少。这是因为：1）RF信号能够穿透一些马terials的，和2）的位置仍然是可能的（虽然质量劣化）使用被反射的障碍信号。加成盟友，标签和传感器之间的编码信号确保每个标签唯一标识。此外，使用的飞行时间，标签的三维位置是容易实现的。即使有多个摄像机，健壮的3-D位置将是困难和昂贵的，以获得一个凌乱的工作区。最后，与标签双向通信允许与操作员更丰富的接口，例如，在标签按钮可用于改变操作模式。
图5.手部起重机控制的示意图
Ⅲ：标准悬吊式控制
许多起重机驱动与传统的控制接口，如一个按钮悬而未决。标准侧控制器这里审查并用作用于与射频手的运动控制比较的基线。为侧的控制的框图如图6.操作分析工作区，认为所需的操作目标，然后决定在行动的过程。操作员还基于所述有效负载（位置，速度等）以及，在较小程度上，该台车的状态的状态调整他/她的动作。该行动计划，然后由推控制按钮悬而未决实施。按钮发送信号到电动机驱动器，其中激励马达和移动的开销手推车。悬浮有效载荷由小车的运动间接移动。
计算机模拟响应于点对点示于图大约2和使用侧控制装置3米运动。 7.按下一个按钮，下垂有效地发出一个脉冲速度命令吊车电机。按住按钮更长的持续时间延长脉冲，这会增加行进的距离。由于有效载荷的钟摆状性质，这种类型的手推车的运动通常会诱导显著有效载荷的振荡。
图6.标准吊坠控制
图7：点至点的反应，标准吊坠控制
- 障碍训练场
一个简单的实验走动障碍的有效载荷是用吊灯控制进行。图。图8表示从俯视图小车和有效载荷的位置。操作员用了大约1分钟，从开始驱动所述起重机端，残留净荷振荡是非常大（大约1米峰到峰）。两个附加观测值得注意：第一，它是清楚的是，有效负载的路径是不稳定的和振荡。没有任何振动的补偿，控制与挂件有效负载的运动是非常困难的。第二，在吊运车轨迹台阶状过渡清楚地说明按键的序列。在认知方面的步骤，运营商必须先规划所需的路径;第二，转移这条道路成一个按钮，按序列;第三，作为移动的进行更新所需的路径。在图所示的情况。 8，所需的路径不走最短路线。这是因为大的有效载荷的振荡迫使操作以导航周围障碍物的显著距离。
图8.使用挂件控制障碍训练场
图9：PD手部起重机控制
IV：PD手的运动控制
对PD的手的运动控制框图如图9 [27]，[28]。操作人员决定基于所述操纵目标和手推车和有效载荷的当前状态的RF标签的路径上。标签（标签方位）的位置相比架空吊运车的位置（忽略垂直高度差），以产生误差信号e。操作者推动上的标记来激活手的运动控制的一个按钮。当按钮被压下时，例如被发送到PD指令发生器。停止吊车时，操作者释放该按钮时，在这种情况下为0的值被发送到PD指令发生器。图交换机。 9通过按压和释放按钮控制。
PD命令发生器转换误差信号，一个距离量，成速度指令，VC，可发送到电动机驱动器。这个信号然后由一个输入整形器（在第IV-A解释）修改，以使小车的运动不会激发有效载荷摇摆。输入整形器的输出是一个基准速度，VR被发送到电机驱动器。手推车的实际速度VA。
PD命令发生器的部件示于图10.误差e，被变换成v％，一百分比速度使用缩放功能命令：
其中，E0和E100的比例缩放上限和下限设定由设计师。钯控制律适用于V％，然后通过饱和器，以确保VC不超过电机的限制。
图10. PD命令产生
需要注意的是起重机小车的位置，而不是有效载荷的，用于反馈。这是因为，感测吊运车的位置（使用激光距离传感器）大于感测有效载荷（使用机器视觉）更可靠。此外，单摆的有效载荷是一个固有的台站BLE装置：有效载荷会经常来休息，直接固定吊车下方。因此，在台车的正确的最终定位确保有效载荷的正确的最终定位。
A.输入整形
输入整形是通过适当地成形的命令[13]，[32]降低柔性系统的残余振动的技术 - [35]。这是通过卷积IN-放命令与在特定的时间间隔的一系列脉冲的基线来实现的。其结果是一个成形命令，这将减少残余振动。
为了确定脉冲振幅和输入整形器的时间地区可能，某些设计约束必须得到满足。初级设计约束是对所造成的成形器振动的振幅的限制。从正脉冲序列的欠阻尼，二阶系统的归一化，百分比残留振动（PRV）幅度由下式给出[13]：
并且omega;是系统的自然频率，zeta;是阻尼比率，以及艾和Ti分别是第i个-impulse幅度和时间，。
等式（2）给出的振动与输入整形到，如果没有输入整形的比率。上的残余振动幅度的约束可以通过设置（2）在所估计的固有频率小于或等于剩余振动的可容忍水平和阻尼比来形成。对于最简单的零振动（ZV）整形器，振动的容许量被设定为零。这导致了形式[13]的一个成形器，[32]：
对于单钟摆起重机有效载荷，自然频率可以近似为omega;=，克/升，其中g是重力
加速度和L是电缆长度。有效载荷摆动的阻尼比可以通过实验发现，尽管它是大多数起重机近零。
图11.使用响应PD手的运动控制
- 控制器性能
控制器性能是在一个实验，其中的目标是2mu;m左右移动至有效载荷评估。操作员按下按钮，标签开始运动在任何距离站立从起重机离开后。运营商公布的按钮停止起重机。选择了四个控制器参数，能够产生上升时间和稳定时间方面表现令人满意。这些参数为P = 1.5，D = 1.0，E 0 = 0.25微米，E100 = 1.0微米。所述ZV输入整形器设计基于自然频率和阻尼所得有效载荷摇摆的比率来取消有效载荷的振荡。
图11示出了台车，有效载荷和标记在实验过程中的位置。在约10秒时，标签按钮被分别释放，手推车，有效载荷和标记的位置是大约2，2，和2.5微米。显然，输入整形器是有效地减少残留的有效载荷的振荡的振幅。
因为有在图1的标签和小车位置显著信号的噪声。 11，误差信号e也嘈杂。噪声由PD控制器的衍生物组分进一步扩增。接着，将参考速度命令VR包含许多高频和大振幅的变化，如在图所示。 12.高频成分是不希望的，因为它们可能激发未建模更高模式，如在此具体起重机[30]观察到手推车摇椅现象。小车岩石是剩余有效载荷摇摆少量可以在图中可以看出主要责任。 11.此外，在参考指令大振幅变化防止起重机在其最大速度（0.3mu;m左右/秒）稳步行进。因此，起重机的全部功能都没有被利用。最后，瞬息万变参考命令可能造成过度磨损执行器。
幸运的是，实际速度VA表明起重机是身体不能跟随快速变化的参考速度命令。这是因为，在起重机的作用就像由于其惯性低通滤波器。这是因为，如果起重机能够跟随参考命令，则可能会导致结构振动的危险水平一个好处。
图13.响应，使用P手的运动控制
图
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