估计用于控制操作机器的控制设备的姿态的方法技术

一种估计用于控制操作机器的控制设备的姿态的方法，其中该控制设备包括用于控制操作机器沿相应方向的移动的多个按钮，该方法包括以下步骤：‑使用来自控制设备的机载加速度计和磁力计的数据来初步估计控制设备的姿态；‑使用来自控制设备的机载陀螺仪的数据来更新对控制设备的姿态的初步估计。

Method of estimating the attitude of a control device used to control an operation machine

A method for estimating the attitude of a control device for controlling an operating machine, wherein the control device comprises a plurality of buttons for controlling the movement of the operating machine in the corresponding direction, comprises the following steps: Preliminary estimation of the attitude of the control device using data from an airborne accelerometer and a magnetometer from the control device _Updating the initial estimation of the attitude of the control device using data from the airborne gyroscope of the control device.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】估计用于控制操作机器的控制设备的姿态的方法*****专利
本专利技术涉及一种估计用于控制操作机器的控制设备的姿态的方法。专利技术背景在本专利技术的描述中，术语操作机器将指代可由远程(或通过线缆)控制的具有工业应用的任何机器，诸如运土机器、机床、起重装备(诸如桥式起重机)等等。如已知的，桥式起重机是旨在在户外和封闭环境两者中升起并移动材料和货物的机器，并且一般由沿一对轨道水平移动的吊桥构成，并且配备有横梁，该横梁上安装有吊车(滑架)，该吊车可以沿横梁水平地移动。滑轮连接到该吊车，并且配备有用于抓住并升起物体的钩。在吊车上施加一根或多根线缆，这些线缆藉由包括滑轮、分路器和钩的系统使得重物能够被升起或转移。桥式起重机的移动可以由装备有遥控设备的操作者来控制。已知的遥控设备允许使用专用的按钮来执行对桥式起重机的所有位置操纵，诸如“向前”、“向后”、“向右”、“向左”、“上升”、“下降”等等。这些按钮对应于施加于桥式起重机自身的标志并利用恰适的箭头来指示桥式起重机或者吊车的移动方向。作为解释：“向前”按钮在被按压时对应于桥架起重机在贴在桥式起重机上的标牌或标志中的向前箭头的方向上前进；对于“向后”移动以及对于台车移动“向右”和“向左”也是这种情况。操作者一般遇到的第一个困难在于，控制设备是可移动的，在由操作者随身携带的情况下该控制设备在操作者移动时伴随该相同操作者，并且在操作者相对于施加于桥式起重机的标志中所示的方向以相反方向取向的情形中时，“向前”按钮将对应于与操作者原本预期的移动完全相反的移动，即“向后”。为了更好地阐明，如果操作者看向由箭头“向前”所指示的方向，则按压对应的按钮将使得桥式起重机在与操作者相同的观看方向上移动；但是如果操作者相对于箭头“向前”所指示的方向转动180°，则按压相同的按钮将引起在相对于操作者所观看的方向相反方向上的移动。对应于操作者的右边和左边的“向右”和“向左”按钮也是如此，除非操作者也面向与关于起重机的标志所指示的相同方向。如果操作者相对于所述方向转动180°，则“向右”按钮将对应于操作者的左边，反之亦然。在操纵可能撞击并对人员或财产造成损害的装载物时，所有这些造成并可能造成安全问题。现在将参照与机床相关的问题来解说已知技术留下的问题的第二示例。如已知的，事实上，在可以控制X和Y轴的机床中，即，所有具有用于手动接近带有诸如X+和-以及Y+和-的指示的主轴头的旋钮的机床，操作者必须密切注意+和-两者位于何处，因为它们是固定的，而操作者手中的控制设备或其它控制部件利用线缆连接并且可以随操作者一起转动。与在升起装置的情形中所讨论的那些问题类似的问题由此重复。对这些问题的一种解决方案在被引用并通过引用纳入于此的意大利专利申请号MI2014A001129中描述，该申请描述了一种系统，该系统使得可以通过使用包括三轴加速度计和陀螺仪的惯性平台来计算控制设备相对于操作机器或者相对于由该设备控制的桥式起重机的取向，并且其中，根据控制设备相对于操作机器或者相对于桥式起重机的实际取向来恰适的重新分配功能“向前”、“向后”、“向右”、“向左”等等。为了改善对控制设备的取向的计算，该专利申请除了包括加速度计和陀螺仪的惯性平台之外还提供了对磁性罗盘的使用，该磁性罗盘适合于提供表示控制设备相对于磁北极的取向的信号。然而，特别是在使用桥式起重机和其它升起机器的工业领域中，有可能磁测量受到显著尺寸的金属质量体的存在或者受到可能扭曲那些测量的其它因素的影响。文档D1：DE102012021422公开了一种用于控制升起装置的设备，诸如特别是起重机。该设备提供了一种遥控装置，其装备有与起重机的致动元件通信的单元，以及用于控制移动的控制元件，例如可由操作者操作的操纵杆，以及用于确定遥控装置相对于垂直的旋转角度的单元。该遥控装置的控制单元从位于相同遥控装置上的非磁性罗盘(例如，陀螺或陀螺仪)接收与遥控装置相对于垂直的取向的信号，并计算恰适的命令以便以如下方式发送给升起装置的移动机构，使得根据特定方向发出的移动命令对应于升起装置的可移动部件在相同方向上或在与其平行的方向上移动。本专利技术的目的是确保控制设备的按钮总是与装载物的移动方向(或者在机床的情形中，操作方向)匹配，这对于操作者更加自然，同时实时补偿可能发生的可能磁干扰。本专利技术的进一步目标是提高在使用升起装置时的安全性。专利技术概述这些目标通过一种估计用于控制操作机器的控制设备的姿态的方法来达成，其中该控制设备包括用于控制操作机器沿相应方向的移动的多个按钮，该方法包括以下步骤：-使用来自控制设备的机载加速度计和磁力计的数据来初步估计该控制设备的姿态；-使用来自控制设备的机载陀螺仪的数据来更新对控制设备的姿态的初步估计。在所描述的解决方案的优点中，可以考虑这样的事实，它使得按钮重新指派功能相对于可能扭曲取向估计的可能磁干扰是稳健的。具体而言，初步估计控制设备的姿态和更新该估计的这两个步骤彼此紧密互相关，因为通过来自加速度计和磁力计的数据获得的初步估计随后使用陀螺仪测量进行过滤以便补偿可能影响磁力计的可能磁干扰。本专利技术的进一步特性可以在从属权利要求中找到。附图简述通过阅读作为非限制性示例提供的以下描述，借助于附图中所示的图，本专利技术的进一步特性和优点将显现出来，其中：-图1是装备有控制设备以操作桥式起重机的操作者的示意表示；-图2-4是相对于图1的桥式起重机具有不同取向的操作者的进一步表示；-图5表示根据本专利技术的一个实施例的用于桥式起重机或用于工作机器的控制设备的操作区域；-图6概念性地表示控制设备可以在任何空间方向上操作的事实；-图7示出了根据本专利技术的一实施例的控制设备的主要组件；-图8表示参考系B相对于参考系A的、相对于在参考系A中定义的单一向量的角度θ的旋转；-图9表示根据本专利技术的方法步骤的流程图；以及-图10表示影响磁力计的测量的磁干扰的时间演化。示例性实施例的详细描述在图1-7中表示对起重装置(特别是桥式起重机20)操作的控制设备10。桥式起重机20被提供有沿第一水平方向可移动的吊桥21以及沿垂直于第一水平方向的第二水平方向可移动并且携带升起的装载物的吊车22，以及作为示例，与桥式起重机20相关联的标志23，该标志由可由操作者读取的一组指示组成，具体而言指示四个操作方向，即“向前”、“向后”、“向左”、“向右”。例如，指示“向前”和“向后”可以指示桥式起重机作为整体的可能移动，而指示“向右”和“向左”可以指示桥式起重机20的一个部分(具体而言，吊车22)的可能移动。仍然在图1中，可以看到操作者40使用根据本专利技术的一个实施例的控制设备10，并且还可以看到控制设备10的直角换向器12的放大，该直角放大器示出了按钮1、2、3和4以用于根据四个操作方向来对桥式起重机20致动。控制设备10还可以包括显示器60以用于向操作者40通知包括方向按钮1-4的各个按钮的功能，或者表示诸如警报或故障信号或其它信号之类的其它信息。参照图7，描述了根据本专利技术的一个实施例的控制设备10的电路系统的主要组件。具体而言，在外壳14内部，控制设备包括连接到惯性平台26的控制单元100，其中控制单元100控制用于控制设备10的按钮1、2、3和4的功能重新分配模块27。具体而言，包括三轴加速度计34和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种估计用于控制操作机器(20)的控制设备(10)的姿态的方法，其中，所述控制设备(10)包括用于控制操作机器(20)沿相应方向的移动的多个按钮(1,2,3,4)，所述方法包括以下步骤：‑使用来自所述控制设备(10)的机载加速度计(34)和磁力计(38)的数据来初步估计所述控制设备(10)的姿态；‑使用来自所述控制设备(10)的机载陀螺仪(36)的数据来更新对所述控制设备(10)的姿态的所述初步估计。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.24 IT UB2015A0058441.一种估计用于控制操作机器(20)的控制设备(10)的姿态的方法，其中，所述控制设备(10)包括用于控制操作机器(20)沿相应方向的移动的多个按钮(1,2,3,4)，所述方法包括以下步骤：-使用来自所述控制设备(10)的机载加速度计(34)和磁力计(38)的数据来初步估计所述控制设备(10)的姿态；-使用来自所述控制设备(10)的机载陀螺仪(36)的数据来更新对所述控制设备(10)的姿态的所述初步估计。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述控制设备(10)的姿态的所述初步估计是通过估计表示所述姿态的四元数来实现的，其中，所述四元数是通过最小化将所述四元数与参考向量和从所述加速度计(34)和所述磁力计(38)获得的测量的向量进行相关的函数来估计的。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最小化是在应用梯度下降算法的情况下执行的。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，使用来自所述陀螺仪(36)的数据来更新对所述控制设备(10)的姿态的所述初步估计是藉由扩展卡尔曼滤波器来执行的，所述扩展卡尔曼滤波器允许估计描述所述控制设备(10)的姿态的四元数5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述扩展卡尔曼滤波器通过下式给出：xk＝f(xk-1，ωk)+V1，kzk＝Hxk+V2，k其中，向量x由描述所述控制设备(10)的所述姿态的所述四元数的分量组成，参数ωk包括所述陀螺仪(36)的测量，H是4X4单...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·维纳缇，S·维纳缇，M·维纳缇，M·维纳缇，G·维纳缇，F·普雷维迪，A·科洛尼，M·厄米托罗，L·波托洛蒂，
申请(专利权)人：维纳缇有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利,IT