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Die Erfindung betrifft eine Stabilisierungsvorrichtung zur Stabilisierung eines Befestigungsbauteils gegen außerhalb einer vorbestimmten Bewegungsebene liegende Bewegungen eines Grundbauteils, wobei das Befestigungsbauteil und das Grundbauteil über eine Stabilisierungsanordnung verbunden sind. Daneben betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Stabilisierung eines Befestigungsbauteils.
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In vielen Anwendungsfällen ist eine möglichst vibrationsfreie Lagerung einer Nutzvorrichtung, die an einem Befestigungsbauteil befestigt werden kann, zweckmäßig. Dabei ist häufig gewünscht, dass innerhalb einer vorbestimmten Bewegungsebene, meist der horizontalen Ebene, vorliegende Bewegungskomponenten erlaubt sind, beispielsweise also die Nutzvorrichtung in einer horizontalen Ebene beliebig verfahren werden kann. Beispiele für solche Nutzvorrichtungen umfassen zunächst Kameras, die beispielsweise bei der Aufnahme von Filmen und dergleichen genutzt werden. Derartige Kameras sind möglichst stabil zu halten, was Vibrationen und dergleichen angeht, wozu bereits eine Vielzahl von Ansätzen zur Stabilisierung vorgeschlagen wurden. Beispielsweise sind von einer Person oder anderweitig zu tragende Kamerastabilisierungseinrichtungen bekannt, wie sie in
DE 10 2015 107 483 A1 beschrieben sind. Derartige Kamerastabilisierungsvorrichtungen (auch Kamera-Balance-Vorrichtungen genannt) sind äußerst komplexe und teure Geräte.
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Ein anderes Beispiel für Nutzvorrichtungen sind auch Sensorvorrichtungen, beispielsweise bei einer Anwendung für autonomes Fahren und/oder bei Anwendungen zur möglichst genauen Messung von Zielobjekten, insbesondere Gebäuden, wo eine entsprechende Vermessungsvorrichtung beispielsweise durch einen Kran bewegt wird. Diesbezüglich sind rechnerische Bewegungskompensationsalgorithmen, die aufgenommene Sensordaten auswerten, bereits bekannt, jedoch äußert aufwendig umzusetzen und zumindest teilweise nicht hinreichend robust und/oder genau.
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Probleme treten bei der Stabilisierung von Nutzvorrichtungen immer dann auf, wenn bodengebundene Plattformen zur Bewegung der Nutzvorrichtung herangezogen werden sollen. Dabei treten typische Vibrationen aufgrund des überfahrenen Bodens auf, welche für die gewünschte reibungslose Funktion der Nutzvorrichtung zu reduzieren sind. Derartige, beispielsweise von Bodenunebenheiten herstammenden, ungewollten Bewegungen stellen eine hauptsächliche Art der außerhalb der dann insbesondere horizontalen, vorbestimmten Bewegungsebene liegenden, zu kompensierenden Bewegungen dar.
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US 2018/0109730 A1 betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Panoramabildern aus der Luft mittels einer Drohne (Unmanned Aerial Vehicle - UAV). Die Drohne kann einen Träger aufweisen, welcher eine Rahmenanordnung mit Rahmen und Aktoren für Drehungen für jede von drei zueinander senkrechten Achsen aufweist. Dämpfungselemente, insbesondere Gummikugeln, können Vibrationen der Drohne dämpfen, während der Träger die Kamera hinsichtlich der horizontalen Achsen stabilisieren kann und hinsichtlich der vertikalen Achse drehen kann, um die Panoramabilder aufzunehmen.
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EP 2 650 962 A1 betrifft ein Antennenträgersystem, bei welchem eine Basisplatte drehbar an eine Nickplattform 206 koppelt, so dass mittels eines Nickaktors eine Drehung um die Nickachse erfolgen kann. Eine Rollplattform ist entsprechend rotierbar um eine Rollachse an die Nickplattform gekoppelt. Die Nick- und Rollaktoren können aufgrund von Vibrationsparametern, die durch eine Sensoreinrichtung detektiert wurden, angesteuert werden.
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US 2011/0196581 A1 betrifft die Stabilisierung eines Mastes für Fahrzeuge und Schiffe. Dabei misst ein Mastsensor die Position des Mastes relativ zu einer absoluten räumlichen Richtung. Es werden manipulierte Variablen für einen Aktor bestimmt, der die longitudinale Richtung des Mastes stabilisiert.
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CN 206551966 U beschreibt die Kompensation der Vertikalposition einer auf einem Fahrzeug montierten Kamera, hierfür ist eine hebbare Platte vorgesehen, die die Kamera trägt.
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GB 2568481 A betrifft ein Stabilisierungssystem mit einem Teleskopelement, welches durch Linearaktoren gestützt wird. Durch die Linearaktoren können Rotationsbewegungen herbeigeführt werden.
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WO 97/31216 A1 betrifft Verbesserungen bei Ständern zur Befestigung von Kameras. Ausgehend von Ständern mit fest montierten Radeinheiten sollen Verbesserungen vorgenommen werden, weswegen jede Radeinheit eine relativ weiche, gedämpfte Feder zur Absorption hochfrequenter Radbewegungen aufweisen soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach umsetzbare, hochgenaue und verlässliche Möglichkeit zur Kompensation ungewollter Bewegungen eines Befestigungsbauteils für eine Nutzvorrichtung, insbesondere von Bewegungsvibrationen einer insbesondere bodenbetriebenen Plattform, bereitzustellen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß eine Stabilisierungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei einer Stabilisierungsvorrichtung der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß mithin vorgesehen, dass die Stabilisierungsanordnung umfasst:
- - eine erste Kompensationsanordnung zur Kompensation von Neigungsbewegungen des Grundbauteils um in der Bewegungsebene liegende Neigungsachsen bezüglich eines Zwischenbauteils, aufweisend wenigstens eine aktiv ansteuerbare erste Kompensationseinrichtung,
- - eine zweite Kompensationsanordnung zur Kompensation von verbleibenden Linearbewegungen des Zwischenbauteils in einer zur Bewegungsebene senkrechten Kompensationsrichtung gegenüber dem Befestigungsbauteil, aufweisend wenigstens eine aktiv ansteuerbare zweite Kompensationseinrichtung,
- - mehrere jeweils der ersten und/oder der zweiten Kompensationsanordnung zugeordnete Initialsensoren, und
- - wenigstens eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Kompensationseinrichtungen der Kompensationsanordnungen zur Bewegungskompensation in Abhängigkeit von Sensordaten der Initialsensoren.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass ungewollte Bewegungen, mithin insbesondere Bewegungen außerhalb der vorbestimmten Bewegungsebene, beispielsweise Fahrvibrationen, mit besonderem Vorteil in zwei Gruppen zerlegt werden können, die sukzessive mit insgesamt geringerem Aufwand und höherer Genauigkeit kompensiert werden können. Mithin wird die Reduzierung ungewollter Bewegungen gemäß der vorliegenden Erfindung in zwei Stufen vorgenommen, nämlich zuerst eine Stabilisierung in der Bewegungsebene vorgenommen, wonach eine Stabilisierung in der dazu senkrechten Kompensationsrichtung erfolgt.
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Konkret bedeutet dies, dass zwischen dem Grundbauteil und dem Befestigungsbauteil, an dem eine Nutzvorrichtung befestigt werden kann, ein Zwischenbauteil vorgesehen wird. Eine erste Kompensationsanordnung verbindet das Grundbauteil mit dem Zwischenbauteil. Die erste Kompensationsanordnung weist erste Kompensationseinrichtungen auf, die Verschwenkungen um in der Bewegungsebene liegende Neigungsachsen (Kippachsen bzw. Schwenkachsen), also Neigungsbewegungen (Kippbewegungen bzw. Schwenkbewegungen), auszugleichen vermag, insbesondere durch entgegengerichtete relative Verschwenkung des Zwischenbauteils gegen das der ungewollten Bewegungskomponente unterworfene Grundbauteil. Mit anderen Worten werden Sensordaten der Inertialsensoren genutzt, um Neigungsbewegungen zu detektieren und unmittelbar über die wenigstens eine erste Kompensationseinrichtung sozusagen gegenzusteuern, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird.
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Nach dieser ersten Stufe verbleiben für das Zwischenbauteil im Idealfall lediglich noch Linearbewegungen in der zur Bewegungsebene senkrechten Kompensationsrichtung, welche durch die zweite Kompensationsanordnung, die das Zwischenbauteil und das Befestigungsbauteil verbindet, möglichst weitgehend kompensiert werden können. Hierzu weist die zweite Kompensationsanordnung wenigstens eine zweite Kompensationseinrichtung auf, um durch die Inertialsensoren festgestellte Linearbewegungen in der Kompensationsrichtung zu kompensieren, insbesondere durch eine gegengerichtete, amplitudengleiche relative Bewegung des Befestigungsbauteils zu dem der Linearbewegung unterworfenen Zwischenbauteil.
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Konkret werden die Sensordaten der Inertialsensoren dabei durch eine Steuereinrichtung ausgewertet, um eine entsprechende Ansteuerung, konkret insbesondere Steuersignale, für die ersten und zweiten Kompensationseinrichtungen herzuleiten. Dabei können vorzugsweise die Inertialsensoren bereits an Bauteilen, insbesondere also dem Grundbauteil, dem Zwischenbauteil und/oder dem Befestigungsbauteil, bzw. mit diesen starr bewegungsgekoppelt angeordnet sein, nachdem sich dann benötigte Kompensationsbewegungen leicht ableiten lassen, während es jedoch durchaus auch denkbar ist, wenigstens einen Teil der Inertialsensoren an anderen Komponenten der Stabilisierungsvorrichtung, insbesondere einer die Stabilisierungsanordnung tragenden Plattform, vorzusehen, um mathematische Zusammenhänge zur Herleitung geeigneter Steuerbefehle zu nutzen. Verfahren, um möglichst in Echtzeit aus Sensordaten Steuersignale für Kompensationsbewegungen herzuleiten, sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt und können vorliegend mit besonderer Effizienz und Schnelligkeit umgesetzt werden, da erfindungsgemäß die Aufteilung der zu kompensierenden Bewegungen in die Neigungsbewegungen und die Linearbewegungen, wie beschrieben, erfolgt. Insbesondere können beide Ansteuerungsvorgänge vollkommen unabhängig realisiert und durchgeführt werden.
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In vielen Anwendungsfällen wird vorgesehen sein, dass die vorbestimmte Bewegungsebene eine zumindest im Wesentlichen horizontale Ebene ist und die Kompensationsrichtung zumindest im Wesentlichen die vertikale Richtung ist. Werden Nutzvorrichtungen beispielsweise mittels der Räder aufweisenden Plattform der Stabilisierungsvorrichtungen über eine im Wesentlichen ebene Fläche mit Unebenheiten gefahren, sind die Bewegungen auf dieser Fläche als gewollt anzusehen und nicht zu kompensieren, während beispielsweise von Bodenunebenheiten, Aufschwingvorgängen durch die Bewegung und dergleichen hergeleitete Bewegungen kompensiert werden sollen, die sich entsprechend in Bewegungen um die Neigungsachsen innerhalb der Bewegungsebene und die zu der Bewegungsebene senkrechte, hier mithin vertikale, Richtung aufteilen lassen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Steuereinrichtung auch ausgebildet sein kann, Linearbewegungen in der Kompensationsrichtung in gewollte und nicht gewollte Bewegungsanteile zu klassifizieren, um nur die nicht gewollten Bewegungsanteile zu kompensieren. Wird beispielsweise die Nutzvorrichtung eine schiefe Ebene hinaufgefahren, liegt eine kontinuierliche Höhenveränderung vor, deren Kompensation zu einem bestimmten Zeitpunkt die Kompensationsmöglichkeiten der zweiten Kompensationsanordnung überschreiten könnte und offenbar auch gewollt ist, sodass beispielsweise ein kontinuierlicher, akkumulierender Veränderungsanteil von den Kompensationsmaßnahmen ausgenommen werden kann.
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Mit besonderem Vorteil können die Inertialsensoren, insbesondere jeweils und/oder in Gruppen, als Teil einer inertialen Messeinheit (Inertial Measurement Unit, IMU) vorliegen und/oder Beschleunigungssensoren und/oder Drehratensensoren umfassen. Derartige IMUs stellen eine räumliche Kombination mehrerer Inertialsensoren, wie Beschleunigungssensoren und/oder Drehratensensoren, dar und sind in der Lage, alle sechs möglichen kinematischen Freiheitsgrade zu erfassen. Konkret können drei jeweils aufeinander orthogonal stehende Beschleunigungssensoren (Translationssensoren) für die Erfassung der translatorischen Bewegung und drei orthogonal zueinander angebrachte Drehratensensoren (gyroskopische Sensoren) zur Erfassung von Neigungsbewegungen vorgesehen sein. Dabei existieren derartige IMUs bereits als kompakte, vorgefertigte Baueinheiten, beispielsweise integrierte Chips, und können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung entsprechend eingesetzt werden. Die IMUs sind dabei bevorzugt gezielt so angeordnet, dass das Koordinatensystem, in dem die Sensordaten gemessen werden, entsprechend dem durch die Bewegungsebene und die Kompensationsrichtung gebildeten Koordinatensystem, in dem die Kompensation stattfindet, gegebenenfalls mit verschobenem Nullpunkt, entspricht. Bevorzugt kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine IMU für jede Sensorposition vorgesehen sein, insbesondere realisiert als integrierter Chip.
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Zweckmäßigerweise ist zumindest an dem Grundbauteil und/oder mit diesem starr bewegungsgekoppelt wenigstens ein erster der Inertialsensoren, insbesondere eine erste inertiale Messeinheit, angeordnet. An dem Grundbauteil können alle zu kompensierenden Bewegungen grundsätzlich vermessen werden, konkret also Neigungsbewegungen um zwei zueinander senkrechte Neigungsachsen in der Bewegungsebene sowie Linearbewegungen in der Kompensationsrichtung.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein zweiter Inertialsensor, insbesondere eine zweite inertiale Messeinheit, an dem Zwischenbauteil und/oder mit diesem starr bewegungsgekoppelt und wenigstens ein dritter Inertialsensor, insbesondere eine dritte inertiale Messeinheit, an dem Befestigungsbauteil und/oder mit diesem starr bewegungsgekoppelt angeordnet sind, wobei die Steuereinrichtung zu einer ersten Kompensation aufgrund der Sensordaten des ersten Inertialsensors und zu einer zweiten Kompensation von durch den zweiten und dritten Inertialsensor gemessenen Restbewegungen aufgrund der Sensordaten des zweiten und dritten Inertialsensors ausgebildet ist. Die Steuereinrichtung kann also Sensordaten des ersten Inertialsensors, insbesondere der ersten IMU, für beide Kompensationsanordnungen nutzen, um zunächst eine Art Grobkompensation von Bewegungen aufgrund der entsprechenden Sensordaten durchzuführen. Der wenigstens eine zweite Inertialsensor, insbesondere die zweite IMU, vermisst vorteilhaft verbleibende Restbewegungen am Zwischenbauteil, die bei einer zweiten, als Feinkompensation wirkenden Kompensation berücksichtigt werden können. Entsprechend misst der wenigstens eine dritte Inertialsensor, insbesondere die dritte IMU, lineare Restbewegungen des Befestigungsbauteils in Kompensationsrichtung und kann auch hier als zweite Kompensation eine Feinkompensation ansetzen. Auf diese Weise ist eine besonders robuste und weitgehende Reduzierung ungewollter Bewegungen an dem Befestigungsbauteil möglich.
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Die Steuereinrichtung kann zur Ansteuerung der Kompensationsanordnungen getrennte Steuereinheiten aufweisen, insbesondere jeweils einen Steuerchip. Wie bereits dargelegt wurde, können die einzelnen Kompensationsvorgänge (Neigungsbewegungen und Linearbewegungen durch erste beziehungsweise zweite Kompensationsanordnung) unabhängig voneinander durchgeführt werden, sodass getrennte Steuereinheiten mit insbesondere getrennten Steueralgorithmen und/oder getrennter Steuerhardware umgesetzt werden können. Beispielsweise ist es denkbar, für jede Kompensationsanordnung jeweils einen Steuerchip als Teil der Steuereinrichtung vorzusehen. In der soeben dargelegten vorteilhaften Ausgestaltung mit drei IMUs, einer IMU an jedem der drei Bauteile Grundbauteil, Zwischenbauteil und Befestigungsbauteil bzw. mit diesen komplett bewegungsgekoppelt, nimmt also die der ersten Kompensationsanordnung zugeordnete Steuereinheit Sensordaten der ersten IMU und der zweiten IMU entgegen, die der zweiten Kompensationsanordnung zugeordnete Steuereinheit Sensordaten der ersten und der dritten IMU.
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Das Zwischenbauteil kann mittels eines Kreuzgelenks oder Kugelgelenks gegen das Grundbauteil verschwenkbar gelagert sein. Ein Kreuzgelenk kann dabei auch als ein Kardangelenk bezeichnet werden. Besonders bevorzugt ist mithin eine kardanische Lagerung des Zwischenbauteils gegenüber dem Grundbauteil, wobei auf die konkrete relative Position des Zwischenbauteils zu dem Grundbauteil durch die wenigstens eine erste Kompensationseinrichtung Einfluss genommen werden kann.
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Die erste Kompensationsanordnung kann wenigstens eine erste Kompensationseinrichtung zur Verschwenkung des Zwischenbauteil um eine erste, in der vorbestimmten Bewegungsebene liegende Neigungsachse und wenigstens eine erste Kompensationseinrichtung zur Verschwenkung des Zwischenbauteils um eine zweite, zur ersten Neigungsachse senkrechte Neigungsachse, die ebenso in der vorbestimmten Bewegungsebene liegt, aufweisen. Durch kombinierte Bewegungen um die beiden Neigungsachsen lassen sich alle Verschwenkungen aus der vorbestimmten Bewegungsebene abbilden. In einer konkreten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann dabei vorgesehen sein, dass die ersten Kompensationseinrichtungen für jede Neigungsachse zwei Linearaktoren, insbesondere Spindelantriebe, umfassen, die ein das Zwischenbauteil kontaktierendes Kontaktelement, beispielsweise einen Kugelstößel, tragen. Derartige Linearaktoren können beispielsweise symmetrisch um das Kreuzgelenk oder Kugelgelenk angeordnet werden, jeweils entlang der entsprechend anderen Neigungsachse, wobei das kardanisch aufgehängte Zwischenbauteil letztlich durch die Kontaktelemente getragen wird und durch deren je zwei zusammengehörige Linearaktoren koordinierte Bewegungen zu einer entsprechenden Verschwenkung um die senkrecht zur Verbindungsachse der Linearaktoren stehende Neigungsachse führen. Werden die beiden Richtungen in der Bewegungsebene, in denen die Linearaktoren, die jeweils einer der Neigungsachsen zugeordnet sind, angeordnet sind, mit X und Y bezeichnet, kann einer der Linearaktoren als +X-Aktor, einer als -X-Aktor, einer als +Y-Aktor und einer als -Y-Aktor bezeichnet werden. Denkbar sind selbstverständlich auch Ausgestaltungen denkbar, in denen ein entsprechender Linearaktor einer einer der Neigungsachsen zugeordneten ersten Kompensationseinrichtung auch fest mit dem Zwischenbauteil verbunden ist, sodass ein Linearaktor für jede Neigungsachse ausreichend ist. Die Linearaktoren können bevorzugt durch Spindelantriebe, insbesondere mittels eines entsprechenden elektrischen Motors betrieben, ausgebildet sein, wobei selbstverständlich auch andere Umsetzungen für Linearaktoren, insbesondere abhängig von der benötigten Kompensationsgeschwindigkeit, eingesetzt werden können.
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Die wenigstens eine zweite Kompensationseinrichtung kann vorzugsweise einen Linearmotor für einen in einer Linearführung geführten Schlitten umfassen, aber ebenso auch durch andere Linearaktoren umgesetzt werden.
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Sowohl für die erste wie auch die zweite Kompensationseinrichtungen sind selbstverständlich auch andere Arten von Linearaktoren grundsätzlich denkbar und einsetzbar, bevorzugt ist jedoch aufgrund schneller Reaktionszeiten elektromagnetisch betriebene Aktorik. Vorteilhaft können sich, insbesondere dann, wenn kleinere Bewegungsamplituden zu kompensieren sind, auch Piezoaktoren erweisen. Für die erste Kompensationseinrichtung sind im Übrigen auch Schwenkaktoren bekannter Art grundsätzlich denkbar, die dann beispielsweise wenigstens teilweise in das Kreuzgelenk und/oder Kugelgelenk integriert sein können.
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Als zweckmäßig hat es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch erwiesen, wenn das Befestigungsbauteil und/oder das Zwischenbauteil und/oder das Grundbauteil als sich in einem Grundzustand, in dem die Bauteile parallel angeordnet sind, in der vorbestimmten Bewegungsebene erstreckende Platte ausgebildet ist. Das bedeutet, das Befestigungsbauteil, das Zwischenbauteil und das Grundbauteil können beispielsweise als Befestigungsplatte, Zwischenplatte und Grundplatte umgesetzt sein, die sich bevorzugt in der Bewegungsebene erstrecken, wobei dies für die Befestigungsplatte bei idealer Kompensation selbstverständlich dauerhaft gelten sollte.
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Bevorzugt ist es ferner, wenn die Stabilisierungsvorrichtung ein insbesondere an dem Grundbauteil und/oder einer das Grundbauteil tragenden Basisplatte angeordnetes, insbesondere hohlzylindrisches, die Stabilisierungsanordnung zumindest teilweise umgebendes Teilgehäuse umfasst. Ein solches hohlzylindrisches Teilgehäuse kann beispielsweise zum einen die Kompensationsanordnung vor Blicken verbergen, diese aber zum anderen auch schützen. Beispielsweise kann die Stabilisierungsvorrichtung dann als eine Art „Ständerrohr“ angeboten werden, aus dem beispielsweise oben die Befestigungsplatte beziehungsweise eine Befestigungsvorrichtung für die Nutzvorrichtung der Befestigungsplatte, beziehungsweise allgemein des Befestigungsbauteils, herausragt, während die Kompensationsaktorik an sich verborgen bleiben kann.
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Wie bereits angedeutet, kann das Befestigungsbauteil ferner eine Befestigungsvorrichtung für eine zu befestigende Nutzvorrichtung, insbesondere eine Kameraanordnung und/oder eine Sensorvorrichtung, beispielsweise umfassend einen Lidarsensor und/oder einen Radarsensor, und/oder eine Vermessungsanordnung, aufweisen. Hierbei können sowohl standardisierte, für verschiedene Nutzvorrichtungen einsetzbare Befestigungseinrichtungen als auch spezielle, auf bestimmte Nutzvorrichtungen abgestimmte Befestigungsvorrichtungen verwendet werden.
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Die Stabilisierungsvorrichtung umfasst ferner eine, insbesondere über drei Aufsetzpunkte, bodengestützt bewegte Plattform, an der das Grundbauteil fixiert ist und/oder die das Grundbauteil umfasst. Eine solche bodengebundene Plattform kann beispielsweise über Ketten und/oder einen Hooverantrieb betrieben werden, wobei jedoch die Verwendung von Rädern erfindungsgemäß bevorzugt ist. Dabei wird mit besonderem Vorteil eine Dreipunktlagerung auf dem Boden verwendet, sodass insbesondere vorgesehen sein kann, dass die Plattform genau drei Räder aufweist. Solche Bodenlagerungen mit drei Aufsetzpunkten, insbesondere drei Rädern, die bevorzugt nach Art eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind, haben sich als eine äußerst stabile Möglichkeit erwiesen, die bereits an sich die in das Grundbauteil eingetragenen Vibrationen beziehungsweise sonstigen ungewollten Bewegungen gering halten kann. Diesbezüglich sind mithin im Vergleich mit einer beispielsweise vierrädrigen Bodengebundenheit bereits deutlich weniger und/oder auf einer langsameren Zeitskala ablaufende und/oder besser in ihrem weiteren Verlauf prädizierbare ungewollte Bewegungen zu kompensieren, was eine höhere Kompensierungsqualität erlaubt und die vorgesehene Echtzeitumsetzung vereinfacht.
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Weitere besonders bevorzugte Maßnahmen, um ungewollte Bewegungen bereits von vornherein zu reduzieren, umfassen auch die Verwendung eines weichen Materials für die Lauflächen der Räder, welche beispielsweise eine Gummibereifung aufweisen können und/oder gänzlich aus Gummi bestehen können. Das weiche Material gibt bei Bodenunebenheiten nach, sodass sich die Aufsetzfläche zumindest teilweise anpassen kann und hierdurch einen Bewegungseintrag in die Plattform und somit auch das Grundbauteil zumindest teilweise vermeiden kann. Auf diese Weise stellen beispielsweise Bewegungseinträge durch Überfahren eines Kabels oder dergleichen, die starke, plötzlich auftretende, zu kompensierende Bewegungen zur Folge hatten, ein deutlich geringeres Problem dar.
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Diesbezüglich sieht die vorliegende Erfindung ferner vor, dass ein Lagerungspunkt des Zwischenbauteils gegen das Grundbauteil, insbesondere also der Ort, an den das Zwischenbauteil am Grundbauteil kardanisch aufgehängt ist, auf der Höhe eines umgebenden Plattformbauteils oder sogar gegen dieses abgesenkt, insbesondere auf Höhe der Räder, angeordnet ist. Die dem zugrundeliegende Idee ist es, den Lagerungspunkt beziehungsweise Aufhängungspunkt möglichst niedrig anzuordnen, um auf diese Weise durch zu weite Übertragungswege entstehende Verstärkungen von Bewegungseinträgen zu reduzieren, beispielsweise aufgrund einer Hebelwirkung entstehende höhere Amplituden möglichst weitgehend zu vermeiden. Dabei ist der Ausdruck „auf Höhe der Räder“ so zu verstehen, dass sich der Lagerungspunkt innerhalb es von den Rädern aufgespannten Höhenbereichs befindet, vorzugsweise auf Höhe der Radachse oder wenigstens auf Höhe des oberen Endes der Räder. Versuche haben gezeigt, dass ein derartiger kardanischer Aufhängpunkt in der Radebene ideal angeordnet ist.
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Dabei sei ferner darauf hingewiesen, dass eine weitere Reduzierung eingetragener Bewegungen auch durch eine massive Ausgestaltung des Plattformbauteils, insbesondere der Basisplatte, und/oder des Grundbauteils erreicht werden kann, um Trägheitseffekte zum Vorteil zu nutzen. Beispielsweise kann das Gewicht der Plattform wenigstens das Vierfache, insbesondere wenigstens das Zehnfache, einer vorgesehenen Nutzlast, beispielsweise des Gewichts der Nutzvorrichtung, betragen.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die Stabilisierungsvorrichtung nicht zwangsläufig eine bodengebundene beziehungsweise bodenbetriebene Plattform aufweisen muss, sondern es in außerhalb der Erfindung liegenden Ausgestaltungen auch möglich ist, die Stabilisierungsvorrichtung beispielsweise als von einer Person zu tragen auszugestalten, beispielsweise durch entsprechende Ankopplungselemente an die Person und dergleichen. Ferner kann die Stabilisierungsvorrichtung, insbesondere ohne eigene Plattform, auch in Kraftfahrzeugen mit besonderem Vorteil eingesetzt werden, wobei insbesondere auf eine mögliche Nutzung in autonom betriebenen Fahrzeugen hingewiesen sei, wo mittels der Stabilisierungsanordnung beispielsweise Sensorvorrichtungen, insbesondere umfassend Lidarsensoren und/oder Radarsensoren und/oder Kameras, stabilisiert getragen werden können. Einsetzbar ist die erfindungsgemäße Stabilisierungsvorrichtung ferner mit besonderem Vorteil für Vermessungsanordnungen als Nutzvorrichtungen, beispielsweise zur hochgenauen Vermessung von Gebäuden, wobei die Stabilisierungsvorrichtung mit an dem Befestigungsbauteil befestigter Vermessungsanordnung beispielsweise von einem Kran getragen werden kann.
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Neben der Stabilisierungsvorrichtung betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Stabilisierung eines Befestigungsbauteils gegen außerhalb einer vorbestimmten Bewegungsebene liegende Bewegungen eines Grundbauteils unter Nutzung einer erfindungsgemäßen Stabilisierungsvorrichtung, wobei das Befestigungsbauteil und das Grundbauteil über eine Stabilisierungsanordnung verbunden sind, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass in einem ersten Schritt eine Kompensation von Neigungsbewegungen des Grundbauteils um in der Bewegungsebene liegende Neigungsachsen und in einem zweiten Schritt eine Kompensation von verbleibenden Linearbewegungen des Zwischenbauteils in einer zur Bewegungsebene senkrechten Kompensationsrichtung erfolgt. Sämtliche Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Stabilisierungsvorrichtung lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen, mit welchem mithin ebenso die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 Eine schematisch den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Stabilisierungsvorrichtung zeigende Prinzipskizze,
- 2 die elektronische Verschaltung von Komponenten der Stabilisierungsvorrichtung,
- 3 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Stabilisierungsvorrichtung,
- 4 eine seitliche Teilansicht der Stabilisierungsvorrichtung der 3, und
- 5 eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie V-V in 4.
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1 zeigt eine schematische Prinzipskizze wesentlicher Komponenten einer erfindungsgemäßen Stabilisierungsvorrichtung 1. Diese umfasst ein als Befestigungsplatte ausgebildetes Befestigungsbauteil 2, welches gegenüber ungewollten Bewegungen eines als Grundplatte ausgebildeten Grundbauteils 3 stabilisiert werden soll. Hierzu weist die Stabilisierungsvorrichtung 1 eine das Befestigungsbauteil 2 und das Grundbauteil 3 verbindende Stabilisierungsanordnung 4 auf, welche durch eine erste Kompensationsanordnung 5, die das Grundbauteil 3 mit einem als Zwischenplatte ausgebildeten Zwischenbauteil 6 verbindet, und eine zweite Kompensationsanordnung 7, welche das Zwischenbauteil 6 mit dem Befestigungsbauteil 2 verbindet, gebildet wird. Dabei sollen ungewollte Bewegungen außerhalb einer vorbestimmten Bewegungsebene, hier die durch das Koordinatensystem 8 gezeigte X-Y-Ebene, kompensiert werden, wobei dies in zwei voneinander unabhängigen Stufen erfolgt.
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Die erste Kompensationsanordnung 5 ist zur Kompensation von Neigungsbewegungen um in der vorbestimmten Bewegungsebene (X-Y-Ebene, hier horizontale Ebene) liegende Neigungsachsen ausgebildet, während durch die zweite Kompensationsanordnung 7 verbleibende Linearbewegungen in einer dazu senkrechten Kompensationsrichtung (hier der Z-Richtung beziehungsweise vertikalen Richtung) kompensiert werden sollen.
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Um dies grundsätzlich zu ermöglichen, ist zunächst das Zwischenbauteil 6 gegenüber dem Grundbauteil 4 durch ein hier nur angedeutetes Kreuzgelenk (Kardangelenk 9) kardanisch aufgehängt, wobei im vorliegenden Fall eine erste Neigungsachse entlang der X-Richtung und eine zweite Neigungsachse entlang der Y-Richtung definiert sind, denen jeweils zwei Linearaktoren 10, 11 zugeordnet sind, welche jeweils ein Kontaktelement 12 tragen, auf dem das Zwischenbauteil 6 aufliegt. Durch Höhenverstellung der Kontaktelemente mittels der Linearaktoren 10, 11, die als erste Kompensationseinrichtungen dienen, kann eine relative Verschwenkung des Zwischenbauteils 6 gegen das Grundbauteil 3 erreicht werden. Die der ersten Neigungsachse zugeordneten Linearaktoren 10 sind dabei symmetrisch beabstandet entlang der Y-Richtung um das Kreuzgelenk 9 angeordnet, die der zweiten Neigungsachse zugeordneten Linearaktoren 11 entlang der X-Richtung entsprechend.
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Auch die zweite Kompensationsanordnung 7 weist einen als zweite Kompensationseinrichtung dienenden Linearaktor 13 auf, über den die Verstellung in der Kompensationsrichtung, hier Z-Richtung, erreicht wird.
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Um zu kompensierende Bewegungen feststellen zu können, weist die Stabilisierungsvorrichtung 1 ferner mehrere Initialsensoren auf, vorliegend jeweils in Form von inertialen Messeinheiten 14, 15, 16 (IMUs), wobei eine erste IMU 14 an dem Grundbauteil 3, eine zweite IMU 15 an dem Zwischenbauteil 6 und eine dritte IMU 16 an dem Befestigungsbauteil 2 beziehungsweise einem mit diesem starr verbundenen Bauteil 17 des Linearaktors 13 angeordnet ist.
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Der Stabilisierungsvorrichtung 1 ist auch eine im Hinblick auf 2 näher erläuterte Steuereinrichtung 18 zugehörig, die vorliegend zwei als eigene Steuerchips, hier CPUs, ausgebildete Steuereinheiten 19, 20 aufweist. Dabei ist die Steuereinheit 19 der ersten Kompensationsanordnung 5 zugeordnet und nimmt Sensordaten der ersten IMU 14 und der zweiten IMU 15 entgegen, um zu kompensierende Neigungsbewegungen festzustellen. Dabei wird zunächst als erste Kompensation (Grobkompensation) auf mittels der ersten IMU 14 festgestellte Neigungsbewegungen gesteuert, während verbleibende Neigungsbewegungen durch die zweite IMU 15 festgestellt werden und in einer zweiten Kompensation (Feinkompensation) nachkompensiert werden können. Entsprechende Steuersignale zur Kompensation der Neigungsbewegungen durch entgegengesetzte Relativrotationen des Zwischenbauteils 6 zum Grundbauteil 3 werden erzeugt und an Motortreiber 21, 22 weitergeleitet. Der Motortreiber 21 ist der durch die Linearaktoren 10 für die erste Neigungsachse gebildeten ersten Kompensationseinrichtung 23 der ersten Kompensationsanordnung 5 zugeordnet, der Motortreiber 22 der durch die Linearaktoren 11 für die zweite Neigungsachse zugeordneten ersten Kompensationseinrichtung 24 der ersten Kompensationsanordnung 5.
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Die Steuereinheit 20 wertet die Sensordaten der ersten IMU 14 und der dritten IMU 16 aus, um wiederum die Sensordaten der ersten IMU 14 hinsichtlich einer ersten Kompensation (Grobkompensation), die Sensordaten der dritten IMU 16 für eine Feinkompensation zu nutzen, in diesem Fall bezüglich Linearbewegungen in der Kompensationsrichtung (Z-Richtung). Die Auswertung kann dabei eine Klassifizierung in gewollte und ungewollte Bewegungsanteile umfassen, um beispielsweise kontinuierlich hebende und senkende Bewegungsanteile von der Kompensation auszuschließen. Entsprechend der zu kompensierenden Linearbewegung entgegenwirkende Relativverschiebungen zwischen dem Zwischenbauteil 6 und dem Befestigungsbauteil 2 werden ermittelt und entsprechende Steuersignale werden an einen Motortreiber 23 für den Linearaktor 13 als zweite Kompensationseinrichtung 25 der zweiten Kompensationsanordnung 7 weitergeleitet.
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Wird nun folglich über eine Befestigungsvorrichtung 26 des Befestigungsbauteils 2 eine Nutzvorrichtung an dem Befestigungsbauteil 2 befestigt, kann eine entsprechende Stabilisierung stattfinden, beispielsweise für Lidarsensoren, Radarsensoren und dergleichen in autonom fahrenden Fahrzeugen, für die eine rechnerische Kompensation dann entfallen kann. Weitere Anwendungsgebiete umfassen beispielsweise Messungsanordnungen zur hochgenauen Gebäudevermessung auf Kränen, insbesondere jedoch auch bodengebunden mittels einer entsprechenden bodengebundenen beziehungsweise bodenbetriebenen Plattform der Stabilisierungsvorrichtung 1 bewegte Nutzvorrichtungen, beispielsweise Kameras für Filme und dergleichen.
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Ein entsprechendes, konkretes Ausführungsbeispiel zeigen die 3-5.
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Demnach umfasst die Stabilisierungsvorrichtung 1 des konkreten Ausführungsbeispiels eine Plattform 27 mit einer Basisplatte 28 und drei Rädern 29, die nach Art eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind und bei denen zumindest die Lauffläche 30 aus Gummi gebildet ist. Es handelt sich mithin um Gummiräder. Das Grundbauteil 3, das Befestigungsbauteil 2, das Zwischenbauteil 6 und die ersten und zweiten Kompensationsanordnungen 5, 7 werden von der Basisplatte 28 getragen, welche im Übrigen massiv ausgebildet ist, beispielsweise aus einem schweren Metall besteht.
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Die Bodenlagerung mit drei durch die Räder 29 gegebenen Aufsetzpunkten und das weiche Laufflächenmaterial der Räder 29 erlaubt bereits eine Abdämpfung von Bewegungseinträgen in die Basisplatte 28, wobei die Amplituden durch deren massive, schwere Ausgestaltung ebenso geringgehalten werden.
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Wie aus 3 ferner zu entnehmen ist, ist das Grundbauteil 3 gegenüber der Basisplatte 28 abgesenkt positioniert, sodass auch der Lagerungspunkt (kardanischer Aufhängungspunkt) des Zwischenbauteils 6 gegenüber dem Grundbauteil 3 tiefer liegt, insbesondere auf Höhe der Basisplatte 28 oder sogar im Bereich der Räder 29, um diesen möglichst bodennah zu platzieren.
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Die restlichen ungewollten Bewegungen werden durch die in den 4 und 5 genauer gezeigten Kompensationsmaßnahmen möglichst weitgehend kompensiert. Die Linearaktoren 10, 11 sind dabei als Spindelantriebe ausgebildet, die Kontaktelemente 12 als Kugelstößel. Der Linearaktor 13 ist als ein Linearmotor 31 mit einer Linearführung 32 ausgebildet.
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5 zeigt die Ausgestaltung der Spindelantriebe mit einer Spindel 33, einem Schlitten 34 und einem Motor 35 genauer.
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Die Stabilisierungsvorrichtung 1 des konkreten Ausführungsbeispiels kann, wie in 3 zudem angedeutet ist, auch ein hohlzylindrisches Teilgehäuse 36 aufweisen, welches um die Stabilisierungsanordnung 5 platziert werden kann, um diese vor Blicken und Beschädigungen zu schützen.
