(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空中装置を制御する方法において、
前記空中装置が、
伸縮式ブーム（１２）と、
前記伸縮式ブーム（１２）の水平および垂直方向の曲げ状態を検出するための歪みゲージセンサ（ＳＧセンサ）（１８）と、
前記伸縮式ブーム（１２）の上端に取り付けられたジャイロスコープ（１６）と、
前記ＳＧセンサおよび前記ジャイロスコープから得られた信号値に基づいて前記空中装置の移動を制御する制御手段とを備え、前記空中装置の制御方法は、
前記ＳＧセンサ（１８）および前記ジャイロスコープ（１６）からそれぞれ生信号ＳＧＲａｗ、ＧＹＲａｗを取得するステップと、
前記生信号ＳＧＲａｗ、ＧＹＲａｗから、歪み値を表すＳＧ基準信号ＳＧＲｅｆと、角速度値を表すジャイロスコープ基準信号ＧＹＲｅｆと、角度位置または角速度の測定値から導き出された角加速度基準信号ＡＡＲｅｆとを含む基準信号を、計算するステップと、
前記基準信号と前記空中装置の構造に関連する追加のモデルパラメータＰＡＲとから、第１の振動モードｆ１と前記第１の振動モードｆ１より高次の少なくとも１つの第２の振動モードｆ２とを再構成するステップと、
前記再構成された第１の振動モードｆ１および少なくとも１つの第２の振動モードｆ２から、補償角速度値ＡＶＣｏｍｐを計算するステップと、
駆動制御信号をもたらすために、フィードフォワード角速度値に、前記計算された補償角速度値ＡＶＣｏｍｐを加算するステップとを含む、空中装置の制御方法。
【請求項２】
前記ＳＧ基準信号ＳＧＲｅｆの前記計算が、
前記伸縮式ブームの垂直曲げを測定するＳＧセンサ（１８）の前記生信号ＳＧＲａｗの平均値、または前記伸縮式ブーム（１２）の水平曲げを測定するＳＧセンサ（１８）の前記生信号ＳＧＲａｗの差分値から、歪み値ＶＳｔｒａｉｎを計算することと、
前記歪み値ＶＳｔｒａｉｎをハイパスフィルタでフィルタリングすることを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＳＧ基準信号ＳＧＲｅｆの前記計算が、
前記伸縮式ブーム（１２）の上昇角度および前記伸縮式ブーム（１２）の引き出し長から、歪みオフセット値ＶＯｆｆを補間することと、
ハイパスフィルタでフィルタリングする前に、前記歪みオフセット値ＶＯｆｆを前記歪み値ＶＳｔｒａｉｎから減算することによって前記歪み値ＶＳｔｒａｉｎを補正することを含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記歪みオフセット値ＶＯｆｆの前記補間がさらに、前記伸縮式ブーム（１２）の端部に取り付けられた連接アーム（１４）の引き出し長と、前記伸縮式ブーム（１２）と前記連接アーム（１４）の間の傾斜角度とに基づいていることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記歪みオフセット値ＶＯｆｆの前記補間がさらに、前記伸縮式ブーム（１２）の端部または前記連接アーム（１４）の端部に取り付けられた籠の質量と、前記籠の内部にある積載荷重に基づいていることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ジャイロスコープ基準信号ＧＹＲｅｆの前記計算が、
角速度推定値信号ＶＥｓｔを取得するために、角度位置測定値から前記生信号ＧＹＲａｗの後退差分商を計算することと、
前記角速度推定値信号ＶＥｓｔをローパスフィルタでフィルタリングすることと、
前記ジャイロスコープの各軸に関連付けられた、前記フィルタリングされた角速度推定値信号Ｖ’Ｅｓｔのそれぞれの成分を計算することと、
補償されたジャイロスコープ信号ＧＹＣｏｍｐを取得するために、前記フィルタリングされた角速度推定値信号Ｖ’Ｅｓｔの上記成分を、前記ジャイロスコープ（１６）からの前記生信号ＧＹＲａｗから減算することと、
前記補償されたジャイロスコープ信号ＧＹＣｏｍｐをローパスフィルタでフィルタリングすることを含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記補償角速度値ＡＶＣｏｍｐの前記計算が、前記再構成された第１の振動モードｆ１および少なくとも１つの第２の振動モードｆ２から計算された信号値に、基準位置からの現在位置の偏差に関連する基準位置制御成分を加算することを含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記フィードフォワード角速度値が、生の入力信号に基づいて基準角速度信号を計算する軌道計画成分（５１）から取得され、前記基準角速度信号が、振動の励起を低減するように、動的振動打ち消し要素（５３）によって修正されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
伸縮式ブーム（１２）と、前記伸縮式ブーム（１２）の水平および垂直方向の曲げ状態を検出するための歪みゲージセンサ（ＳＧセンサ）（１８）と、前記伸縮式ブーム（１２）の上端に取り付けられたジャイロスコープ（１６）と、前記ＳＧセンサ（１８）および前記ジャイロスコープ（１６）から得られた信号値に基づいて前記空中装置の移動を制御する制御手段とを備え、前記制御手段が請求項１から８のいずれか一項に記載の制御方法を実行可能である、空中装置。
【請求項１０】
少なくとも４つのＳＧセンサ（１８）が２つの対（２２、２４）を構成しており、各対がそれぞれ前記伸縮式ブーム（１２）の断面の上端および下端に配置され、前記各対の２つのＳＧセンサが前記伸縮式ブーム（１２）の両側部に配置されていることを特徴とする、請求項９に記載の空中装置。
【請求項１１】
前記空中装置がさらに、前記伸縮式ブーム（１２）の端部に取り付けられた連接アーム（１４）を備えることを特徴とする、請求項９または１０に記載の空中装置。
【請求項１２】
前記空中装置がさらに、前記伸縮式ブーム（１２）の端部または前記連接アーム（１４）の端部に取り付けられた救助籠を備えることを特徴とする、請求項１１に記載の空中装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空中装置(aerial apparatus)を制御する方法と、その制御方法を実装するコントローラを備える空中装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種類の空中装置は、例えば、伸縮式ブームの上端に取り付けられた屈曲可能な連接アームを備えたターンテーブル梯子である。ただし、本発明は、消防梯子に限定されず、連接式または伸縮式の足場や空中救助機器などの類似したシステムも含む。これらのシステムは一般に、回転可能かつ起立可能に車両に取り付けられる。
【０００３】
例えば、特許文献１によると、連接アームが、伸縮式ブームの一番上の要素の上端に取り付けられ、伸縮式ブームの現在の引き出し長に関係なく随時旋回できるように、完全に引き込まれた伸縮式ブームから突出する。伸縮できる連接アームを備える梯子の別の例が、特許文献２によって開示されている。他に、特許文献３に開示されているように、連接アームが、伸縮式ブーム内に完全に引き込めるが、上昇中に一定の引き出し長から旋回できるように、伸縮式ブームの一番上の要素に含まれる。
【０００４】
さらに、ターンテーブル梯子や高所足場などのための制御デバイスが、特許文献４および特許文献５に開示されている。これらの文献で論じられている共通の問題が、梯子の移動中における振動の減衰である。この問題は、梯子の長さを増すにつれていっそう重要になっている。したがって、伸縮式ブームに沿った様々な位置で現在の振動運動を検出するためのセンサを取り付けることが提案されている。このために、以下ではＳＧセンサとも呼ばれる（ＳＧは「歪みゲージStrain Gauge」の略記）歪みゲージセンサと、それに追加しての、伸縮式ブームの上側部分の内部に取り付けられる、好ましくは連接アームの旋回点または梯子の先端に近接して取り付けられる、梯子の上端の角速度を直接測定するための２軸または３軸のジャイロスコープが使用される。こういったＳＧセンサおよびジャイロスコープから得られた信号値に基づいて、空中装置の移動を制御するためのコントローラが設けられる。操作中、特に、空中装置を移動させるための入力コマンドが上記コントローラに引き渡されると、現在の振動状態が上記信号値を処理することによって考慮され、その結果、ブームの弾性可撓性にかかわらず、梯子の先端が目標位置に達しそれを維持するように、梯子の移動が補正されうる。
【０００５】
ターンテーブル梯子またはそれに類似した装置のブームの振動を能動的に減衰させる既存の方法は、比較的大型の連接梯子、すなわち、連接アームを備え最大到達高さが特に３２ｍを超える梯子には適さず、適用できない。こういった梯子については、その断面に対してブームが長いために、材料の空間分布を考慮しなければならない。その結果、集中質量近似に基づいた集中パラメータモデルは、そのような梯子の弾性振動を適切に記述するのに適さない。また、基本振動だけでなく、第２高調波も（場合によってはそれより高次の高調波も）、能動的に減衰させる必要があり、連接アームの影響、詳細には旋回角度変化の影響を考慮する必要がある。また、最大３２ｍまでの梯子を除けば、水平方向の弾性曲げと、捩れとが、互いに独立しているとは仮定できない。むしろ、ターンテーブルの回転と関連付けられる全ての振動モードが、以下に詳細に説明するように、曲げ−捩れたわみの組み合わせからなる。
【０００６】
上昇軸、回転軸それぞれの基本曲げ振動のみを考慮した能動的振動減衰および軌道追跡の方法が、すでに上記で引用した特許文献４および特許文献５により知られている。これらの方法は、基本振動だけを軸ごとに考慮すれば十分な、連接アームを備えない最大高さ３２ｍまでの梯子のみに適用できる。連接梯子のための拡張された方法が、特許文献６により知られている。この方法では、連接梯子の柔軟振動が、集中パラメータモデルを使用して近似される。このモデルは、スプリング・ダンパ要素を介して互いに連結された３つの点質量からなる。このモデル、したがってその後開発された振動減衰制御も、ブームの空間分散性を認識していない。その結果、この設計には水平曲げ−捩れの組み合わせが含まれない。また、より高次の高調波は、能動的に減衰されず、むしろ外乱として考慮され、その外乱は外乱オブザーバを使用してフィルタリングされる。この方法は、振動を検出するために、ブームの下端における歪みゲージ（ＳＧ）センサ、またはアクチュエータの油圧測定値を使用する。より大型の連接梯子では、これらの測定値は、特に本願で考慮する梯子に必要な、梯子長さ全体と連接アームの位置における、信号対雑音比が適切な第２高調波の測定に十分な感度を有さない。
【０００７】
ブームの空間的な延長を認識した能動的振動減衰が、特許文献７により知られている。ブームの曲げが、いくつかの定数パラメータを有するオイラー・ベルヌーイ梁理論を使用してモデル化される。ブームの先端における救助籠が、剛体としてモデル化され、それによって、梁に対する特別な動的境界条件が得られる。この無限次元モデルのモード近似に基づいて、第１および第２の高調波振動が、ブームの下端におけるＳＧセンサの測定値と、ブームの上端における、例えばその回転軸の回転速度を測定するジャイロスコープなどの慣性測定値とから、再構成される。このとき、これらの振動モードは代数連立方程式の解から得られ、両方とも能動的に減衰させられる。第２の手法では、第１および第２の高調波曲げ運動に対する修正モデルに基づいた外乱オブザーバが提案されている。この手法では、ＳＧセンサは基本振動のみを測定すると仮定される。上記オブザーバ信号を使用して、基本振動のみが能動的に減衰させられる。この方法は連接アームも、水平方向の曲げ−捩れの組み合わせを含まない。また、上記オブザーバは、ＳＧセンサとジャイロスコープの信号振幅の差異を考慮していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ドイツ実用新案第９４１６３６７号
【特許文献２】欧州特許第１７２６７７３号
【特許文献３】欧州特許第２１８２１６４号
【特許文献４】欧州特許第１１３８８６８号
【特許文献５】欧州特許第１１３８８６７号
【特許文献６】欧州特許第１７７２５８８号
【特許文献７】欧州特許第２０２２７４９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の目的は、水平方向の曲げ−捩れの組み合わせを考慮することによって空中装置の効果的な振動減衰を実現する、上記の種類の空中装置を制御する方法を提供することである。この方法は、小さな変更を加えると水平方向と同様に、垂直方向における振動の減衰にも適用でき、場合によっては、両方の軸に対して、連接アームおよび連接アームの端部に取り付けられた籠の作用を含む。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的は、請求項１の特徴を含んだ方法によって達成される。
【００１１】
本発明による方法では、ＳＧセンサおよびジャイロスコープからの信号が、生信号として取得される。以下では、これらの生信号から、基準信号が計算される。こういった基準信号は、ＳＧセンサに関連するＳＧ基準信号と、ジャイロスコープ基準信号を含む。各空間軸に対して、ＳＧ基準信号は弾性たわみの角度位置に対応する信号を表し、ジャイロスコープ基準信号は角速度値を表す。角度位置測定値または角速度測定値から、追加の角加速度基準信号が導き出される。
【００１２】
これらの基準信号と、空中装置の構造の詳細に関連する追加のモデルパラメータから、所望の数の振動モードが再構成され、補償角速度値の計算に使用される。好ましい実装形態では、第１の振動モードおよび第２の振動モードが再構成される。上記計算された補償角速度値がフィードフォワード角速度値に重畳され、その結果、例えば油圧駆動装置の制御などに使用できる駆動制御信号が得られる。
【００１３】
この方法の基礎をなす動的モデルでは、梯子の基本振動を、倍振動から分離できる。さらに、各軸の角加速度が、角度位置測定値に基づいて計算でき、各軸の移動によって引き起こされる振動を予測するために、梯子の動的モデルに送られる。この推定された振動信号が、その振動を減衰させるのに適した制御信号の計算に使用される。この制御信号は、所望のモーション・コマンド（フィードフォワード角速度値がそれに相当する）に重畳される。モーション・コマンドは、操作者が操作するハンドレバーから読み取られた、または経路追従制御によって指令された、基準信号に基づいて決定される。基準信号に基づいた所望のモーション・コマンドの計算は、滑らかな反応をもたらし、梯子の振動の励起を低減するように設計される。その結果得られた駆動制御信号は、各軸に関連付けられた駆動手段の制御に使用されるアクチュエータに伝えられる。この原理は、上昇／下降軸と回転（ターンテーブル）軸の両軸に使用されうる。上昇軸では、両振動モードは純粋な曲げからなり、回転軸では、全ての振動モードが曲げ捩れの組み合わせ振動になる。
【００１４】
本発明による方法の好ましい実施形態によると、ＳＧ基準信号の計算は、伸縮式ブームの垂直曲げを測定するＳＧセンサの生信号の平均値、または伸縮式ブームの水平曲げを測定するＳＧセンサの生信号の差分値から、歪み値を計算することと、上記歪み値をハイパスフィルタでフィルタリングすることを含む。このフィルタリングは、信号のオフセットの補償に寄与する。
【００１５】
この方法の他の好ましい実施形態によると、ＳＧ基準信号の計算はさらに、伸縮式ブームの上昇角度および伸縮式ブームの引き出し長から、歪みオフセット値を補間することと、ハイパスフィルタでフィルタリングする前に、その歪みオフセット値を上記歪み値から減算することによって上記歪み値を補正することを含む。上記歪みオフセット値の計算は、重力の影響を補償する。
【００１６】
他の好ましい実施形態によると、上記歪みオフセットの補間はさらに、伸縮式ブームの端部に取り付けられた連接アームの引き出し長と、伸縮式ブームと連接アームの間の傾斜角度とに基づく。
【００１７】
他の好ましい実施形態によると、上記歪みオフセット値の補間はさらに、伸縮式ブームの端部または連接アームの端部に取り付けられた籠の質量と、上記籠内部にある積載荷重に基づく。
【００１８】
この方法の他の好ましい実施形態によると、ジャイロスコープ基準信号の計算は、角速度推定値信号を取得するために、上昇または回転角度の角度位置測定値から後退差分商（backward difference quotient）を計算することと、上記角速度推定値信号をローパスフィルタでフィルタリングすることと、ジャイロスコープの各軸と関連付けられた、上記フィルタリングされた角速度推定値信号のそれぞれの成分を計算することと、補償されたジャイロスコープ信号を取得するために、フィルタリングされた角速度推定値信号の上記成分を、ジャイロスコープからの元の生信号から減算することと、上記補償されたジャイロスコープ信号をローパスフィルタでフィルタリングすることを含む。この計算は、ジャイロスコープの生の測定角速度から、弾性振動によって引き起こされた成分を抽出するためのものである。
【００１９】
本発明による方法の他の実施形態によると、補償角速度値の計算は、再構成された第１の振動モードと第２の振動モードから計算された信号値に、基準位置からの現在位置の偏差に関連する位置制御成分を加算することを含む。
【００２０】
他の実施形態によると、フィードフォワード角速度値が、生の入力信号に基づいて基準角速度信号を計算する軌道計画要素（trajectory planning component）から取得される。基準角速度信号は、振動の励起を低減するように、動的振動打ち消し要素によって修正される。
【００２１】
本発明はさらに、空中装置であって、伸縮式ブームと、伸縮式ブームの水平および垂直方向の曲げ状態を検出するための歪みゲージ（ＳＧ）センサと、伸縮式ブームの上端に取り付けられたジャイロスコープと、ＳＧセンサおよびジャイロスコープから得られた信号値に基づいて空中装置の移動を制御するためのコントローラとを備え、上記コントローラが上述の制御方法を実装する、空中装置に関する。
【００２２】
この空中装置の好ましい実施形態によると、少なくとも４つのＳＧセンサが２つの対になって、各対はそれぞれ伸縮式ブームの断面の上端および下端に配置され、その各対の２つのＳＧセンサは伸縮式ブームの両側部に配置される。この配置では、伸縮式ブームの上端または下端に配置された、あるいはその上下端の各左側部および右側部に配置された２つのＳＧセンサの異なる値が、伸縮式ブームの水平または垂直曲げを測定する信号を導き出すために使用されうる。
【００２３】
この空中装置の他の好ましい実施形態によると、連接アームが、伸縮式ブームの端部に取り付けられる。
【００２４】
他の好ましい実施形態によると、空中装置がさらに、伸縮式ブームの端部または連接アームの端部に取り付けられた救助籠を備える。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態の例について、次の添付の図面を参照して下記で詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１ａ】各種モデルパラメータを示す、空中装置のモデルの概略側面図である。
【図１ｂ】各種モデルパラメータを示す、空中装置のモデルの概略上面図である。
【図２】他のモデルパラメータを示す、救助籠が連接アームの端部に取り付けられた空中装置の詳細側面図である。
【図３】センサの位置を示す、本発明の一実施形態による空中装置全体の別の側面図である。
【図４】本発明による空中装置のコントローラに実装される制御システムの概略図である。
【図５】ＳＧ基準信号の計算を示す、図４の制御システムの一部分を示す詳細図である。
【図６】ジャイロスコープ基準信号の計算を示す、図４の制御システムの一部分を示す詳細図である。
【図７】補償角速度値の計算を示す、図４の制御システムの別の詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
まず、本発明による制御方法の基本について、動的モデルを参照して説明する。この動的モデルについては、図１ａ、１ｂおよび２を参照して詳細に説明する。
【００２８】
本願の主題である、能動的に振動を減衰させる方法は、材料パラメータの分散性を考慮するモデルに基づいている。伸縮式の梁は複数の要素からなり、各要素の主要な物理パラメータはその要素の長さ全体にわたってほぼ一定であるが、要素同士は一般に異なり、伸縮式要素が２個以上重なり合うため、上記モデルの物理パラメータはそれぞれ、区分的に一定であると仮定される。こういった仮定に基づいたモデルが提示されているのが、以下の、パーチ、アー（Ｐｅｒｔｓｃｈ，  Ａ．）、ザボドニー、オー（Ｓａｗｏｄｎｙ，  Ｏ．）、「６０ｍ消防ターンテーブル梯子の分散パラメータモデリングおよび制御（Ｖｅｒｔｅｉｌｔｐａｒａｍｅｔｒｉｓｃｈｅ  Ｍｏｄｅｌｌｉｅｒｕｎｇ  ｕｎｄ  Ｒｅｇｅｌｕｎｇ  ｅｉｎｅｒ  ６０  ｍ  −  Ｆｅｕｅｒｗｅｈｒｄｒｅｈｌｅｉｔｅｒ）」、ＡＴ自動化技術（ａｔ  −  Ａｕｔｏｍａｔｉｓｉｅｒｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ  ９）２０１２年９月、ｐ．５２２−５３３、上昇軸については（Ｚｉｍｍｅｒｔ，  Ｎ．）、パーチ、アー（Ｐｅｒｔｓｃｈ，  Ａ．）、ザボドニー、オー（Ｓａｗｏｄｎｙ，  Ｏ．）、「消防ターンテーブル梯子の２−ＤＯＦ制御（２−ＤＯＦ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ａ  Ｆｉｒｅ−Ｒｅｓｃｕｅ  Ｔｕｒｎｔａｂｌｅ  Ｌａｄｄｅｒ）」、制御システム技術に関するＩＥＥＥ会報（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  ２０．２）、２０１２年３月、ｐ．４３８−４５２、回転軸についてはパーチ、アー（Ｐｅｒｔｓｃｈ，  Ａ．）、ザボドニー、オー（Ｓａｗｏｄｎｙ，  Ｏ．）、「傾斜空中梯子の曲げ捩れの組み合わせ振動のモデル化（Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｏｆ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｂｅｎｄｉｎｇ  ａｎｄ  Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ａｎ  Ｉｎｃｌｉｎｅｄ  Ａｅｒｉａｌ  Ｌａｄｄｅｒ）」、２０１３年米国制御会議記事録（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２０１３  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、米国ワシントン市、２０１３年、ｐ．４０９８−４１０３、である。これらの出版物により知られているモデルを、弾性振動と曲げ捩れの組み合わせとに対する連接アームの作用を含むように変更する。
【００２９】
上記方法を説明するために、回転軸に対する、曲げ捩れの組み合わせを含んだ運動方程式を示す。こういった運動の記述に使用されるモデルが図１に示されている。ここで、
0006633906.tif 000002
および
0006633906.tif 000003
はそれぞれ、区分梁の
0006633906.tif 000004
番目の区画における、弾性曲げと捩れを表し、
0006633906.tif 000005
は時間、
0006633906.tif 000006
はブームの剪断中心軸に沿った空間座標、
0006633906.tif 000007
および
0006633906.tif 000008
はそれぞれ上昇角度と回転角度、
0006633906.tif 000009
は梁の剪断中心軸と重心軸の間の距離、
0006633906.tif 000010
および
0006633906.tif 000011
はそれぞれ単位長さ当たりの質量と質量慣性モーメント、
0006633906.tif 000012
は
0006633906.tif 000013
軸に対する曲げの面積慣性モーメント、
0006633906.tif 000014
は断面の捩れ定数、
0006633906.tif 000015
は土台から旋回点までの測定された伸縮式梯子の現在の長さ、
0006633906.tif 000016
はターンテーブルの質量慣性モーメント、
0006633906.tif 000017
は油圧モータによってターンテーブルに加えられるモーメントを表す。減衰係数
0006633906.tif 000018
を用いて歪み速度の減衰を導入すると、
0006633906.tif 000019
の場合、
0006633906.tif 000020
番目の区画における運動方程式は以下のとおりである。
0006633906.tif 000021
ここで、上付きのドット記号は時間
0006633906.tif 000022
に対する導関数を表し、プライム記号は空間座標
0006633906.tif 000023
に対する導関数を表す。静的境界条件は以下のように与えられる。
0006633906.tif 000024
0006633906.tif 000025
個の区画のうちの各２個の間の境界におけるたわみ、力およびモーメントの連続性に関する条件（すなわち
0006633906.tif 000026
）は以下のとおりになる。
0006633906.tif 000027
関数の引数
0006633906.tif 000028
および
0006633906.tif 000029
は、対応する関数の、
0006633906.tif 000030
にそれぞれ左側（
0006633906.tif 000031
と右側（
0006633906.tif 000032
から接近するときの極限値の簡易表記として導入する。
【００３０】
連接アームおよび籠（共に剛体としてモデル化される）の梁に対する作用は、動的境界条件を介してこのモデルに含まれる。これらの剛体の位置および向きは旋回角度
0006633906.tif 000033
に依存し、籠の水平化により、上昇角度にも依存する。簡潔にするために、以下では、積載荷重を含んだ籠と連接アームとの変動する合成重心の作用のみについて説明する。連接アームおよび籠の質量慣性モーメントが含まれる場合、このモデルに対して上記と類似した方程式が得られる。重心の位置は主に、旋回角度
0006633906.tif 000034
、連接アームの引き出し長
0006633906.tif 000035
および積載質量
0006633906.tif 000036
に依存する。連接アーム、籠および積載荷重の総質量は、図２に示されているように、旋回点から距離
0006633906.tif 000037
のところに位置する点質量としてモデル化される。略記
0006633906.tif 000038
および
0006633906.tif 000039
を用いると、
0006633906.tif 000040
における境界条件は以下のように与えられる。
0006633906.tif 000041
ターンテーブルの運動は以下によって記述される。
0006633906.tif 000042
以下の式を選択することで（１）の時間と空間の依存性を分離する。
0006633906.tif 000043
ここで
0006633906.tif 000044
は虚数単位であり、
0006633906.tif 000045
番目の区画における自由（減衰力なし／外力なし、すなわち
0006633906.tif 000046
、
0006633906.tif 000047
）問題の固有関数に対する特性方程式は以下のとおりになる。
0006633906.tif 000048
同じ特性方程式が
0006633906.tif 000049
の代わりに
0006633906.tif 000050
に対しても得られる。
0006633906.tif 000051
は対応する固有モードの固有角振動数を表す。空間微分方程式（７）に対する解は以下の固有関数として与えられる。
0006633906.tif 000052
固有関数（８）を（６）と共に運動方程式（１）に代入し、自由、減衰力なし／外力なし運動の仮定から得られる前述の簡略化を用いることによって、従属係数
0006633906.tif 000053
と
0006633906.tif 000054
の関係式が得られる。この関係式を使用して、（８）を境界条件および連続性条件の結果得られた方程式（２）〜（４）に代入し、上記で行った同じ仮定を適用することによって、固有振動数
0006633906.tif 000055
だけでなく、係数
0006633906.tif 000056
、
0006633906.tif 000057
または
0006633906.tif 000058
（最大でスケーリング定数まで）が得られる。このとき、これらの係数は、結果として得られる連立方程式の自明でない解として得られる。
【００３１】
以下では、空間の添字
0006633906.tif 000059
は省略されるが、
0006633906.tif 000060
および
0006633906.tif 000061
の区分的定義に留意されたい。この固有値問題は無限数の解を有し、その解は、
0006633906.tif 000062
番目の固有振動数
0006633906.tif 000063
に属する固有関数に対して
0006633906.tif 000064
、
0006633906.tif 000065
と表される。
0006633906.tif 000066
番目の固有関数の振幅の時間発展を記述する
0006633906.tif 000067
を用いて、以下の級数表現を使用し、
0006633906.tif 000068
これらの級数表現を運動方程式と境界条件および連続性条件に代入すると、モードごとに以下の常微分方程式が得られる。
0006633906.tif 000069
0006633906.tif 000070
は、固有関数の（一意でない）スケーリングに依存する正規化定数である。したがって、適切なスケーリングを選択することによって、以下では
0006633906.tif 000071
と仮定する。
【００３２】
無限連立方程式（９）を所望のモード数で切り捨てることによって、有限次元のモード表現が得られる。ここで、モード数は所望のモデル精度を達成するように選択される。以下では、最初の２つの高調波に対する能動的振動減衰について説明する。それより高次のモードは自然に減衰し、アクチュエータの帯域幅が限定的であることから、これで多くの場合は十分である。能動的振動減衰においてより多くのノード数を含むようにする拡張は容易である。
【００３３】
状態ベクトル
0006633906.tif 000072
を導入して、最初の２つのモードのための運動方程式が次式で与えられる。
0006633906.tif 000073
ここで、
0006633906.tif 000074
はシステム行列、
0006633906.tif 000075
は入力行列である。
0006633906.tif 000076
および
0006633906.tif 000077
の定義は（９）から自明である。
【００３４】
ターンテーブルの運動力学（５）は、内部制御ループによって補償される。この内部制御ループにより、所望のターンテーブル回転角速度に対する設定値追従も可能になる。この制御ループが固有値と比較して十分に高速である場合、アクチュエータの運動力学（５）は、以下のように１次遅れとして近似できる。
0006633906.tif 000078
遅れ時定数
0006633906.tif 000079
が十分に小さい場合、入力はそのまま速度基準入力としてみなされうる
0006633906.tif 000080
。その結果、（１０）の角加速度が
0006633906.tif 000081
に置き換えできる。
このモデルの記述（１０）に基づいて、能動的振動減衰のための制御フィードバック信号
0006633906.tif 000082
が、以下の状態フィードバック則を使用して得られる。
0006633906.tif 000083
フィードバック利得を適切に選択すると、所望の動的運動を実現し、特に減衰水準を高めるように、閉ループ極が設定できる。利得
0006633906.tif 000084
および
0006633906.tif 000085
は、上昇角度
0006633906.tif 000086
と、連接アームの旋回角度
0006633906.tif 000087
と、梯子の長さ
0006633906.tif 000088
および連接アームの長さ
0006633906.tif 000089
に基づいて適合される。ターンテーブルの運動力学のための内部制御ループが十分に高速である、すなわち入力が回転速度の基準とみなされうる場合、（１３）により、部分状態フィードバックで十分減衰を高められる。
0006633906.tif 000090
完全または部分状態フィードバック則を実装するために、状態ベクトルが分かっていなければならない。好ましい実現形態では、完全状態オブザーバが、状態ベクトルの決定に使用される。代替実現形態では、状態ベクトルの部分的再構成が、代数連立方程式に対する解として与えられる。その場合、特許文献７により周知の方法が、曲げ捩れの組み合わせ振動に拡張される。どちらの方法でも、振動の測定が必要である。技術的に実現可能な解決策は、アクチュエータの油圧の測定値と、歪みゲージを使用したブームの表面歪みの測定値と、例えば加速度計やジャイロスコープなどを使用した慣性測定値を含む。あるいは、曲げ方向すなわちブームと直交する軸回りの角速度の測定値、またはブームの上面もしくは下面に取り付けられた歪みゲージの測定値が、例えば垂直曲げなどによって引き起こされる歪みを最小限にするために、両側部の歪みゲージに加えて使用できる。歪みゲージの位置が梁の両側部にあることから両信号が逆方向に変化する水平曲げについては、両側部の歪みゲージの差が使用される。
0006633906.tif 000091
にある歪みゲージ（歪みゲージ同士の差を
0006633906.tif 000092
として表す）と、梁の長手方向の軸回りの回転の角速度を測定する
0006633906.tif 000093
にあるジャイロスコープ（信号
0006633906.tif 000094
を備える好ましい構成では、状態空間システムのための測定方程式は以下のようになる。
0006633906.tif 000095
ここで、
0006633906.tif 000096
は、水平曲げの中立（歪みなし）軸までの歪みゲージの距離である。あるいは、梁の上面または下面と直交する軸回りの回転の角速度の測定値が使用できる。この測定値は、
0006633906.tif 000097
にあるジャイロスコープから取得され（信号
0006633906.tif 000098
、その結果、以下の測定方程式が得られる。
0006633906.tif 000099
簡潔にするために、以下では、（１４）で与えられた測定方程式のみを考慮する。出力行列
0006633906.tif 000100
に対するより便利な表現が、状態ベクトル
0006633906.tif 000101
をスケーリングすることによって得られる。「ジャイロスコープ座標」でこのシステムを表すために、以下の正則対角変換行列として与えられる
0006633906.tif 000102
を用いて、変換
0006633906.tif 000103
が、システム行列（１０）および出力行列（１４）に適用できる。
0006633906.tif 000104
その結果得られる変換済みのシステム方程式は以下のとおりである。
0006633906.tif 000105
この変換は、状態変数の純粋なスケーリングに対応するので、上記システム行列は、この変換に対して不変、すなわち
0006633906.tif 000106
である。ただし、上記出力行列は、ジャイロスコープ測定値に対応する２行目のゼロでない全ての項が１になるように、以下のように正規化される。
0006633906.tif 000107
同様に、この状態空間システムはまた、「歪み座標」にも変換できる。この場合、出力行列の１行目の対応する項が１であり、２行目の項はばらつきがある。また、両方の組合せも可能である。例えば、以下では、「歪み座標」で第１のモードを表現し、「ジャイロスコープ座標」で第２のモードを表現する。
0006633906.tif 000108
これらの正規化された表現は全て、決定／保存／演算時の適合が行われるシステムパラメータの数が最小限に抑えられるという利点を有している。特許文献７と比較した改良点として、（１４）のシステム記述は、歪みゲージが第２の高調波振動も測定すること、歪みゲージとジャイロスコープの測定値の振幅が同一でないことを考慮している。システム方程式（１０）と出力方程式（１６）または（１７）の全てのパラメータは、適当なパラメータ同定アルゴリズムを介して、実験データから同定できる。
【００３５】
測定値から弾性振動を再構成するには、まず、測定されたジャイロスコープ信号から、ターンテーブルの回転によって引き起こされた剛体の回転を減算する。各軸の角速度は、それぞれ上昇角度
0006633906.tif 000109
および回転角度
0006633906.tif 000110
の測定値の数値微分によって取得できる。これらの測定値は、例えばインクリメンタルエンコーダやアブソリュートエンコーダなどから得られる。あるいは、この角速度を取得するために、弾性振動を受けない梯子の土台にある追加のジャイロスコープが使用できる。第２のステップで、歪みゲージ信号と上記補償されたジャイロスコープ信号の両方が、それらの信号に対する静的オフセットおよび測定値雑音の影響を低減するためにフィルタリングされる。フィルタ振動数は、信号を歪ませないように、システムの固有振動数と適当に隔てて選択される。以下では、補償／フィルタリングされた信号を
0006633906.tif 000111
として表す。
【００３６】
好ましい実現形態では、ルーエンバーガ・オブザーバが、測定行列（１７）によるシステム表現に基づいて設計される。システム行列
0006633906.tif 000112
が（１０）で与えられ、（１０）から入力行列
0006633906.tif 000113
が得られる。（１５）に示されている適当な座標変換を適用した結果、出力行列
0006633906.tif 000114
が（１７）の第１の行列の形になる。オブザーバ状態ベクトル
0006633906.tif 000115
は、フィルタリング後に残留するオフセットを考慮するために、歪みゲージおよびジャイロスコープのそれぞれにオフセット状態を用いて補強される。オブザーバ方程式は、以下のように与えられる
0006633906.tif 000116
オブザーバ利得行列
0006633906.tif 000117
の各要素に適した選択を行うことにより、オブザーバの収束速度および外乱除去が、所望の運動を実現するように調節できる。角加速度
0006633906.tif 000118
に対する推定値が、推定されたターンテーブル速度の数値微分によって得られる。これは、測定雑音および量子化雑音の抑制に適したフィルタリングで補強される。状態オブザーバは明示的にターンテーブルの角加速度による振動の励起を含むので、こういった振動はある程度まで予測でき、それによって、能動的振動減衰に対する応答時間が向上する。オブザーバから取得された状態推定値が、状態フィードバック則（１２）または（１３）の実装に使用される。「歪み座標」での第１のモードの推定値は、ジャイロスコープ座標よりも好ましい。というのは、旋回角度に関係なく、ターンテーブル加速度の方向とその結果生じる曲げとの関係によって、符号が変化しないからである（捩れ振動成分とは対照的）。それに比べて、第２の高調波は、ジャイロスコープ測定値から推定する必要がある。というのは、ブームは土台に向かってサイズおよび曲げ剛性が増大するため、そういった振動は主に伸縮式ブームの上側部分に限定され、歪みゲージ信号においてはその振幅が比較的小さいからである。
【００３７】
代替実現形態では、固有モードが、特許文献７により周知の線形連立方程式の解としてそのまま得られる。組み合わせ振動のために導き出したシステム表現を用いて、その文献に提示されている方法が適用できる。補償されフィルタリングされたジャイロスコープ信号
0006633906.tif 000119
が、一定期間にわたって積分され、次いで、固有モードに対する推定値が以下のように得られる。
0006633906.tif 000120
0006633906.tif 000121
の場合、出力行列の逆変換が可能である。モデルの不確かさに対するロバスト性を高めるため、かつ分離性を向上させるため、推定した固有モードはさらに、フィルタリングする必要がある。この方法では、測定値の数が、再構成される固有モードの数と等しくなければならない。その結果、モード数を増やす拡張を行うには、追加のセンサが必要になる。（２０）の
0006633906.tif 000122
の代わりにジャイロスコープ軸
0006633906.tif 000123
を使用するには、係数
0006633906.tif 000124
および
0006633906.tif 000125
を適切に選択する必要がある。
【００３８】
回転軸以外の、上昇軸については、組み合わせの影響を考慮する必要がなく、固有モードは純粋な曲げとしてモデル化できる。垂直方向の曲げを
0006633906.tif 000126
と表すと、運動方程式
0006633906.tif 000127
は、捩れたわみを考慮する必要がないこと（
0006633906.tif 000128
）を除いて、回転軸に対する第１の運動方程式（１ａ）と類似している。重力作用の大部分は、平衡点付近の弾性運動に影響を及ぼさない静的なたわみを引き起こし、したがって動的モデルに含まれない。さらに、（１ａ）における距離
0006633906.tif 000129
は、ブームの長手方向の軸に沿った距離
0006633906.tif 000130
に置き換えられ、曲げ剛性は、それに対応する、ｚ軸回りの曲げに対する定数に置き換えられる。尚、減衰係数
0006633906.tif 000131
は垂直方向の曲げに関連し、その値は典型的には、水平曲げに対するものと異なる。境界条件および連続性条件は、
0006633906.tif 000132
を
0006633906.tif 000133
に置き換えた（２）および（３）によって与えられる。ここで、
0006633906.tif 000134
に対する条件は対象外である。（４ｂ、ｃ）がやはり垂直軸に対するたわみおよび曲げ剛性における代用になり、等価的に、
0006633906.tif 000135
とした（４ｂ、ｃ）によって上端における境界条件が与えられる。したがって、説明を簡潔にするために、これらの方程式は繰り返さない。これらの運動方程式を回転軸と同様に処理すると、例えば上記で引用したパーチ（Ｐｅｒｔｓｃｈ）、ザボドニー（Ｓａｗｏｄｎｙ）、「６０ｍ消防ターンテーブル梯子の…（Ｖｅｒｔｅｉｌｔｐａｒａｍｅｔｒｉｓｃｈｅ  Ｍｏｄｅｌｌｉｅｒｕｎｇ  …）」に述べられている不減衰自由運動に対する４次固有値問題になる。その結果得られる固有関数を使用すると、弾性振動が以下の級数表現に基づいて記述できる。
0006633906.tif 000136
固有関数を適切に正規化することにより、各モードの時間依存
0006633906.tif 000137
が、（９）と類似した以下の常微分方程式によって与えられる。
0006633906.tif 000138
２つのモードを有する有限次元の近似については、状態ベクトル
0006633906.tif 000139
が導入され、最初の２つのモードに対する運動方程式が次式で与えられる。
0006633906.tif 000140
比較を単純化するために、回転軸に対する表記とほぼ同一の上昇軸に対する表記を選択したが、（２３）における全ての変数は、垂直曲げ振動を参照し、上記で検討した水平曲げ振動からは独立している。状態ベクトルに対する適切なスケーリングを使用して、システム出力（下端における歪みゲージの測定値と先端におけるジャイロスコープの測定値として与えられる）が、次式で与えられる。
0006633906.tif 000141
このシステム記述に基づいて、ルーエンバーガ・オブザーバを使用して完全状態ベクトルが推定でき、あるいは、（２０）に類似した出力行列の逆変換を介して部分状態ベクトルが推定できる。これについては詳細に繰り返さない。
【００３９】
前述の振動減衰方法は、振動が引き起こされた後に、その振動の減衰を考慮する。この方法に加えて、能動的に指令されたブームの運動時における振動の励起が、適切なフィードフォワード制御方法を使用して低減されうる。このフィードフォワード制御方法は、２つの主要部分、つまり軌道計画要素と動的振動打ち消し要素からなる。軌道計画要素は、操作者がハンドレバーを介して指令した、あるいは自動経路追従制御のような他の信号源から取得された、生の入力信号に基づいて、滑らかな基準角速度信号を計算する。一般に、生の入力信号の変化率および高階導関数は有界ではない。そのような生信号が各装置に対するコマンドとしてそのまま使用された場合、空中梯子の構造全体が、大きな動的な力を受けるはずであり、その結果、高い材料応力が生じる。したがって、少なくとも１階導関数すなわち加速度、有利には２階導関数すなわち加加速度、およびそれより高階な導関数が有界である、滑らかな速度基準信号が取得されなければならない。加加速度が有界な基準信号を取得するために、２次フィルタ、または１次フィルタと共に非線形レートリミッタが、使用できる。これらのフィルタは、有限インパルス応答（ＦＩＲ）または無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタとして実装できる。このようなフィルタは、加速度および加加速度を低減することによってシステムの応答を改善するが、特に第１振動モードの励起の大幅な低減は、システムの応答時間を大幅に延ばすことによってのみ可能である。
【００４０】
振動の打ち消しを向上させるために、追加の振動打ち消し要素が使用できる。（９、１０）または（２２、２３）に類似した振動システムについて、微分フラットネスの概念に基づいた方法が、ローション、ピー（Ｒｏｕｃｈｏｎ，  Ｐ．）、「振動子のフラットベース制御（Ｆｌａｔｎｅｓｓ  ｂａｓｅｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ）」、ＺＡＭＭ応用数学・力学ジャーナル、８５．６（ＺＡＭＭ  −  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，  ８５．６）、２００５年、ｐ．４１１−４２１で提案されている。微分フラットネスの枠組の中で、システム状態（この場合柔軟振動モードである）の時間発展と、システム入力の時間発展が、いわゆる仮想の「フラット出力」を使用してパラメータ化される。ローション（Ｒｏｕｃｈｏｎ）によって公開された結果に基づいて、減衰を無視した、高速のアクチュエータ応答すなわち直接的な速度入力
0006633906.tif 000142
または
0006633906.tif 000143
という仮定での、（１０）または（２３）における柔軟振動モードの時間発展は以下のとおりになる。
0006633906.tif 000144
導関数
0006633906.tif 000145
はすぐに得られる。ここで、
0006633906.tif 000146
は、（１０）または（２３）における、これに対応する入力行列
0006633906.tif 000147
の
0006633906.tif 000148
番目の行を表し、
0006633906.tif 000149
は「フラット出力」に対する軌道を表す。軌道
0006633906.tif 000150
の時間導関数が一定の移行時間後にゼロになる場合、残留振動は残らない。こういった軌道を実現するのに必要な基準角速度は、以下のように与えられる。
0006633906.tif 000151
したがって、軌道計画器から提供され、生の入力信号から得られる基準軌道
0006633906.tif 000152
は、少なくとも４回連続して微分可能でなければならない。この実装形態では、軌道計画要素と振動減衰要素を、前述したように別々に実装でき、あるいは、基準軌道
0006633906.tif 000153
およびその導関数が明示的に計算されないように結合することもできる。
【００４１】
振動減衰要素がフィードフォワード信号経路に含まれるとき、完全状態フィードバック則（１２）または部分状態フィードバック則（１３）における状態ベクトルは、各状態に対する基準軌道からの偏差に置き換えられなければならない。その結果、例えば完全状態フィードバック（１２）では次式が得られる。
0006633906.tif 000154
【００４２】
上述のモデルは、図３の側面図に示されている空中装置１０の制御システムに実装される。この空中装置１０は、垂直軸回りに全体的に回転できる伸縮式ブーム１２を備える。ここで、θは回転角度を表す。さらに、伸縮式ブーム１２は、上昇角度αだけ上昇でき、伸縮式ブーム１２の端部に取り付けられた連接アーム１４が、伸縮式ブーム１２に対して傾斜角度φだけ傾斜できる。傾斜角度φは上向きの方向に正と定義される。ジャイロスコープによって測定される角速度がそれぞれ、ブームの長手方向の軸と平行な軸に対してｍＴ、ブームと直交し水平面にある軸に対してｍＥ、ブームと直交し垂直平面にある軸に対してｍＲと定義される。この空中装置１０の実施形態では、ジャイロスコープ１６は、伸縮式ブーム１２の端部と連接アーム１４の間にある旋回点に位置する。
【００４３】
歪みゲージセンサ１８が、伸縮式ブーム１２に取り付けられる。この例では、これらの歪みゲージセンサ（ＳＧセンサ１８）は、空中装置１０の土台２０に近接して位置する。詳細には、４つのＳＧセンサ１８が、２つの対に配置される。ＳＧセンサの第１の対２２は伸縮式ブーム１２の断面の下端に位置し、この対２２の各センサは、伸縮式ブーム１２の一方の側部（すなわち左側部および右側部）に配設される。第２の対２４のＳＧセンサは、各センサが伸縮式ブーム１２の一方の側部に取り付けられるように、伸縮式ブーム１２のトラスフレーム枠の上弦に配置される。その結果、伸縮式ブーム１２の両側部にそれぞれ、対２２、２４のそれぞれ一方のセンサを含んだ２つのＳＧセンサが、上下に取り付けられる。伸縮式ブーム１２が側方すなわち水平方向に変形または曲げられる場合、その伸縮式ブーム１２のフレーム枠の内部にある長手方向の左右の梁が別々に伸張するため、対２２、２４のそれぞれのＳＧセンサは別々に伸張する。伸縮式ブーム１２の垂直曲げ場合のフレーム枠の上下の梁の場合も同様で、上下のＳＧセンサ１８が別々に伸張するようになっている。詳細には、この配置で、伸縮式ブーム１２の捩れ運動を検出することも可能である。
【００４４】
図３に示されている空中装置１０はさらに、ＳＧセンサ１８およびジャイロスコープ１６から得られた信号値に基づいて空中装置１０の移動を制御するためのコントローラを備える。上述のモデルを表現する、このコントローラの内部に実装される制御システムが、図４に略図で示されており、そのシステムについて以下で説明する。
【００４５】
図４に示されている種類の制御システムは、空中装置１０の各軸に１つ実装される。各制御システム５０は全体として、フィードフォワード分岐５２、フィードバック分岐５４、および駆動制御信号計算分岐５６を備える。フィードフォワード分岐５２では、モーション・コマンドとして基準角速度値が処理される。基準角速度値は、操作者が操作するハンドレバーから取得でき、あるいは、例えば事前に記録された軌道を再現するために、軌道追跡制御から取得できる。フィードバック分岐５４は、空中装置１０の振動、詳細には伸縮式ブーム１２と連接アーム１４の振動を補償するために、計算された補償角速度値を出力する。これらの結果得られる、フィードフォワード分岐５２およびフィードバック分岐５４によって出力される信号、すなわち、基準角速度値から結果として得られるフィードフォワード角速度値と、計算された補償角速度値の両方が、駆動制御信号を計算するために、駆動制御信号計算分岐５６に入力される。この駆動制御信号は、油圧駆動装置などの駆動手段によって使用されうる。
【００４６】
フィードバック分岐５４の内部では、ＳＧセンサ１８およびジャイロスコープ１６から取得された生信号ＳＧＲａｗ、ＧＹＲａｗが、基準信号の計算に使用される。この基準信号は、歪み値、角速度値をそれぞれ表すＳＧ基準信号ＳＧＲｅｆとジャイロスコープ基準信号ＧＹＲｅｆを含む。さらに、角度位置値から導き出された角加速度基準信号ＡＡＲｅｆがやはり、基準信号として計算される。基準信号ＳＧＲｅｆ、ＧＹＲｅｆ、ＡＡＲｅｆは、追加のモデルパラメータＰＡＲと共に、オブザーバモジュール５８に入力される。追加のモデルパラメータＰＡＲは、例えば、伸縮式ブーム１２および連接アーム１４の長さや、伸縮式ブーム１２の現在の上昇角度α、連接アーム１４の傾斜角度φなど、空中装置１０の構造に関連する。基準信号ＳＧＲｅｆ、ＧＹＲｅｆ、ＡＡＲｅｆおよび追加のモデルパラメータＰＡＲから、オブザーバモジュール５８は、第１の振動モードｆ１および第２の振動モードｆ２を再構成する。これらの再構成された第１の振動モードｆ１および第２の振動モードｆ２は、それらから補償角速度値を計算するための制御モジュール６０に入力される。その補償角速度値は、検証／リリースモジュール６２を介して、駆動制御信号計算分岐５６に出力される。この検証／リリースは、能動的振動コマンドが駆動制御信号分岐に発行されるべきかどうかを決定するための論理を実装する。
【００４７】
ＳＧ基準信号ＳＧＲｅｆの計算について、ＳＧ基準信号計算分岐６４を示す図５を参照して、より詳細に説明する。図５の項番６６が付けられている演算ステップで、計算で考慮する空間軸に応じて、伸縮式ブームの垂直曲げを測定するＳＧセンサ１８の生信号ＳＧＲａｗの平均値から、あるいは、伸縮式ブーム１２の水平曲げを測定するＳＧセンサ１８の生信号ＳＧＲａｗの差分値から、歪み値ＶＳｔｒａｉｎが計算される。上昇に対する、すなわち伸縮式ブーム１２の垂直曲げの場合を考慮した歪み値ＶＳｔｒａｉｎの計算の場合、演算ステップ７１で、少なくとも、伸縮式ブーム１２の上昇角度α、伸縮式ブーム１２の長さＬおよび連接アーム１４の長さＬＡＡ、伸縮式ブーム１２と連接アーム１４の間の傾斜角度φ、連接アーム１４の端部に取り付けられた籠の質量、およびこの籠の内部にある積載荷重から、歪みオフセット値ＶＯｆｆが計算される。演算ステップ７１で計算された歪みオフセット値ＶＯｆｆを、演算ステップ６６で計算された歪み値ＶＳｔｒａｉｎから減算することによって、その歪み値ＶＳｔｒａｉｎが補正される（演算ステップ７０）。詳細には伸縮式ブーム１２の引き出し／引き込みまたは上昇／降下中に振動運動だと解釈されないように、オフセットの変動を防ぐには、歪みオフセット値を補間するのが有効である。得られた（補正された）歪み値はその後、ＳＧ基準信号ＳＧＲｅｆとしてオブザーバモジュール５８に出力される前に、ハイパスフィルタ７２でフィルタリングされる。
【００４８】
このハイパスフィルタ７２は、１次以上のハイパスである。このハイパスフィルタ７２のカットオフ振動数は、各基本振動モードの固有振動数の約２０％である。固有振動数に対するこの依存関係があることから、長いブームよりも第１の固有振動数が高い、短い伸縮式ブーム１２に対するフィルタリングの効果が改善される。というのは、より長い引き出し長についてはカットオフ振動数がより高く選択できるので、ブームの引き出し、引き込み、上昇または降下中のオフセットの変動のフィルタリングがより効果的に実行され、それによってフィルタの時間応答が短縮するからである。
【００４９】
図６に、各軸に対してジャイロスコープ生信号からジャイロスコープ基準信号を計算するためのジャイロスコープ基準信号計算分岐７４が示されている。ジャイロスコープ基準信号計算分岐７４の内部では、演算ステップ７６で、角度位置測定値信号の後退差分商が、生の速度推定値信号ＶＥｓｔを取得するために計算される。生の速度推定値信号ＶＥｓｔは、２次ローパスフィルタ７８に入力される。上昇軸の場合、このフィルタリングされた速度推定値信号Ｖ’Ｅｓｔが、ジャイロスコープの元の生信号ＧＹＲａｗから直に減算されて、補償されたジャイロスコープ信号ＧＹＣｏｍｐが得られる（演算ステップ８２）。補償されたジャイロスコープ信号ＧＹＣｏｍｐは、１次ローパスフィルタ８３を通過し、ジャイロスコープ基準信号ＧＹＲｅｆとして出力される。
【００５０】
回転軸の場合、上昇角度αに依存する、角速度Ｖ’Ｅｓｔの、捩れまたは回転に対する各ジャイロスコープ軸に対応した成分が取得されなければならない（演算ステップ８０）。その後、上述の演算８２が実行される。すなわち、フィルタリングされた速度推定値信号Ｖ’Ｅｓｔの、上記の結果得られた成分が、ジャイロスコープの元の生信号ＧＹＲａｗから減算される。
【００５１】
再び図４を参照すると、角加速度計算分岐８４では、特定の延長に対する振動を予測するために、角加速度基準信号ＡＡＲｅｆが、角速度値から２階差分商を計算することによって導き出される。その結果得られた角加速度基準信号ＡＡＲｅｆがやはり、オブザーバモジュール５８に入力される。任意選択で、角加速度基準信号ＡＡＲｅｆはフィルタリングされうる。
【００５２】
オブザーバモジュール５８の内部では、第１の振動モードおよび第２の振動モードの時間発展が、ＳＧ基準信号、ジャイロスコープ基準信号、角加速度基準信号、および空中装置１０の構造に関連する追加のモデルパラメータから再構成される。これは、以下のモデルに従って実行される。このモデルで使用されるパラメータ８５は保存され、ブームの長さＬ、連接アームの長さＬＡＡ、伸縮式ブームと連接アームの間における傾斜角度φ、および籠内の現在荷重に基づいた演算中に、特定の梯子モデルの必要に応じて、適合される。
【００５３】
上昇軸に対する、（１８）で与えられたオブザーバ状態ベクトルを用いたルーエンバーガ・オブザーバが、以下によって与えられる。
0006633906.tif 000155
この公式で、
0006633906.tif 000156
は垂直ＳＧセンサの結果として得られたＳＧ基準信号（処理／フィルタリング済み）、
0006633906.tif 000157
は上昇軸に対する処理／フィルタリング済みのジャイロスコープ基準信号である。残留オフセットは、ランダムウォークの外乱としてモデル化され、オブザーバモジュール５８で考慮される。様々な長さおよび角度への適合が、固有振動数ωｉ、減衰係数β、入力パラメータｂｉ、出力パラメータｃｉおよびオブザーバ行列Ｌの係数を適合することによって行われる。オンラインで保存／適合される係数の数を減らすために、これらの係数は、オンラインで適合されるシステムモデル（２１）のパラメータに応じて計算できる。
【００５４】
回転軸に対する動的方程式は概ね、上昇軸と同一である。同じ状態ベクトル（１８）が、該当センサ信号に関するオフセットと共に、オブザーバに対して選択される。上記の方程式と同様に、ルーエンバーガ・オブザーバの動的方程式系は以下のように与えられる。
0006633906.tif 000158
【００５５】
この公式化では、第１のモードが「歪み」座標で選択され、第２のモードが「ジャイロスコープ」座標で選択される。回転軸ついては、オブザーバ利得行列Ｌの係数は、雑音および外乱が十分に減衰する良好なモードの再構成を実現するように、各長さおよび傾斜角度ごとに適合される。曲げ振動と捩れ振動が組み合わされていることから、整理したルーエンバーガ・オブザーバの利得行列は、第１のモードが歪みゲージ信号のみに基づいて推定されるように選択できる。その結果、以下のオブザーバ利得行列の構成が得られる。
0006633906.tif 000159
ここで、
0006633906.tif 000160
は行列のゼロでない項を表し、上付きのｔは行列の転置を表す。
【００５６】
代替実装形態では、ジャイロスコープ軸ｍＲからの信号が、軸ｍＴの信号の代わりに使用できる。この場合、（２６）のパラメータｃｉおよびｍｉが適切に選択されなければならない。
【００５７】
ルーエンバーガ・オブザーバの動的方程式に含まれるモデルパラメータは、ブームの引き出し長Ｌおよび連接アームの長さＬＡＡと、連接アームおよび籠積載荷重の傾斜角度φに応じて、所定の保存位置から取り出される（図４の項番８５で表されている）。
【００５８】
制御モジュール６０の構造が、図７に示されている。制御モジュール６０は全体として、２つの分岐、すなわち、第１の振動モードｆ１および第２の振動モードｆ２を処理するための振動減衰分岐９０（図７の上側部分）と、基準位置制御成分を計算するための基準位置制御分岐９２を有する。これらについて以下で説明する。
【００５９】
振動減衰分岐９０では、オブザーバモジュール５８によって再構成された第１の振動モードｆ１および第２の振動モードｆ２が取得され、これらのモードｆ１およびｆ２のそれぞれに、引き出し長および傾斜角度に応じて、係数Ｋｉ（Ｌ、ＬＡＡ、φ）が乗算される。この乗算（演算ステップ９４）の後、結果として得られた両信号が演算ステップ９６で加算された結果、信号値が得られ、その信号値が減衰分岐９０から出力される。
【００６０】
基準位置制御分岐９２では、基準位置（項番９８で与えられる）からの現在位置の偏差（上昇角度αまたは回転角度θによってそれぞれ与えられる）が計算され（減算ステップ１００）、その結果、基準位置制御分岐９２によって出力される基準位置制御成分が得られる。この基準位置制御成分と、振動減衰分岐９０によって計算された信号値の両方が、加算ステップ１０２で加算され、その結果、制御モジュール６０によって出力される補償角速度値が得られる。
【００６１】
図４に示されているように、上記の結果得られた補償角速度値が、駆動制御信号計算分岐５６の内部で、フィードフォワード分岐５２によって出力されたフィードフォワード角速度値に加算されて（項番１０４）、駆動制御信号が計算される（位置１０６）。
【００６２】
フィードフォワード分岐５２では、手動入力デバイスなどから導き出された生の入力信号が、軌道計画要素５１に入力される。軌道計画要素５１によって出力された基準角速度信号は、振動の励起を低減するように、後続の動的振動打ち消し要素５３によって修正される。動的振動打ち消し要素５３は、フィードフォワード角速度値を出力する。
【符号の説明】
【００６３】
１０  空中装置
１２  伸縮式ブーム
１４  連接アーム
１６  ジャイロスコープ
１８  歪みゲージセンサ
２０  土台
２２  ＳＧセンサの第１の対
２４  ＳＧセンサの第２の対
５０  制御システム
【図１ａ】
0006633906.tif 000161
【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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