ZURFLUH, Erwin Alex (Heerenstrasse 24, Feldmeilen, CH-8706, CH)
| PATENTANSPRÜCHE 1. System zur Stabilisierung eines Mastes (3) auf einem beweglichen Träger (2), aufweisend einen eine Längsrichtung (34) definierenden Mast (3); ein Mastlager (5), das dazu ausgebildet ist, den Mast (3) um mindestens eine Schwenkachse (X; Y) schwenkbar auf dem Träger (2) zu lagern; eine Aktuatoreinrichtung (6, 6'; 8, 8'), die mit dem Mast (3) verbunden ist und dazu ausgebildet ist, den Mast (3) mit seiner Längsrichtung relativ zum Träger (2) um die mindestens eine Schwenkachse (X; Y) zu verschwenken; eine Mastsensoreinrichtung (35), welche dazu ausgebildet ist, die Längsrichtung (34) des Mastes (3) relativ zu einer vorgegebenen absoluten Raumrichtung zu bestimmen; sowie eine elektronische Regeleinrichtung (10), die dazu ausgebildet ist, Richtungssignale von der Mastsensoreinrichtung (35) zu empfangen, mit einem vorgegebenen Sollwert (θs) für die Längsrichtung des Mastes zu vergleichen und daraus eine Stellgrösse (UA) für die Aktuatoreinrichtung abzuleiten, um die Längsrichtung des Mastes bezüglich des Sollwerts (θs) zu stabilisieren, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Sicherungseinrichtung (7) aufweist, um Beschleunigungswerte des Mastes (3) und/oder des Trägers (2) zu überwachen und den Mast (3) bei Überschreiten eines vorbestimmten Beschleunigungswerts bezüglich Schwenkbewegungen zu blockieren. 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungseinrichtung (7) als Seilzugsystem ausgebildet ist, welches umfasst: mindestens ein sich zwischen dem Mast (3) und dem Träger (2) erstreckendes Sicherungsseil (73) und mindestens eine Seilfuhrungseinrichtung (71, 72), auf der das Sicherungsseil (73) geführt ist und die das Sicherungsseil (73) bei Überschreiten eines vorbestimmten Beschleunigungswerts, der am Mast und/oder am Träger auftritt, derart blockiert, dass ein weiteres Verschwenken des Mastes (3) verhindert wird. 3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seilführungseinrichtung (71, 72) mindestens eine Seiltrommel mit einem Federelement aufweist, dass die Seiltrommel dazu ausgebildet ist, mit dem Träger (2) verbunden zu werden, und dass das Sicherungsseil (73) mittels des Federelements vorspannbar ist. 4. System nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Seilruhrungseinrichtung (71, 72) mindestens eine elektrisch betätigbare oder mechanische Kupplung aufweist, um das Sicherungsseil (73) zu blockieren. 5. System nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Sicherungsseil (73) oberhalb des Mastlagers mit dem Mast verbunden ist. 6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mastlager (5) derart ausgebildet ist, dass es eine Schwenkbewegung des Mastes (3) um zwei zueinander orthogonale Schwenkachsen (X, Y) erlaubt, dass die Mastsensoreinrichtung (35) dazu ausgebildet ist, die Längsrichtung des Mastes (3) bezüglich beider Schwenkachsen (X, Y) zu erfassen, und dass die Aktuatoreinrichtung (6, 6'; 8, 8') dazu ausgebildet ist, den Mast um beide Schwenkachsen (X, Y) zu verschwenken. 7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mast (3) ein Teleskopmast mit einer Mehrzahl von gegeneinander entlang der Längsrichtung beweglichen Mastsegmenten (31, 32, 33) ist. 8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System zusätzlich eine Trägersensoreinrichtung (22) umfasst, welche dazu ausgebildet ist, die Ausrichtung des Trägers (2) bezüglich der vorgegebenen Raumrichtung zu erfassen, und dass die Regeleinrichtung (10) dazu ausgebildet ist, zusätzlich Richtungssignale (θy) von der Trägersensoreinrichtung (22) zu empfangen und bei der Bestimmung der Stellgrösse (UA) ZU berücksichtigen. 9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinrichtung (6, 6') mindestens ein Seilzugsystem aufweist, welches umfasst: mindestens ein sich zwischen dem Mast (3) und dem Träger (2) erstreckendes Zugseil (63) und mindestens einen Seilantrieb (61, 62), der dazu ausgebildet ist, das Zugseil (63) derart zu einer Bewegung anzutreiben, dass der Mast (3) mit seiner Längsrichtung (34) relativ zum Träger (2) verschwenkt wird. 10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungseinrichtung (7) eine Kupplung für den Seilantrieb (61, 62) umfasst, welche das Zugseil (63) bei Überschreiten einer vorgegebenen Beschleunigung blockiert. 11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinrichtung (8, 8') mindestens einen Spindelantrieb aufweist, welcher umfasst: eine Gewindespindel (82); eine Gewindemutter; und eine Antriebseinrichtung (81), die dazu ausgebildet ist, die Gewindespindel (82) und die Gewindemutter gegeneinander in eine relative Drehung zu versetzen, so dass die Drehung ein Verschwenken des Mastes (3) relativ zum Träger (2) bewirkt. 12. Fahrzeug mit einem darauf angebrachten System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fahrzeug als Träger (2) dient und eine Fahrzeuglängsrichtung (X) definiert. 13. Fahrzeug nach Anspruch 12, wobei die Sicherungseinrichtung (7) dazu ausgebildet ist, den Mast (3) bei Überschreiten eines vorbestimmten Beschleunigungswerts bezüglich Schwenkbewegungen in der Fahrzeuglängsrichtung zu blockieren. 14. Verfahren zur Stabilisierung eines Mastes (3) auf einem beweglichen Träger (2), wobei das Verfahren umfasst: Lagern des Mastes (3) auf dem Träger (2) mittels eines Mastlagers (5), so dass der Mast (3) um mindestens eine Schwenkachse (X; Y) gegenüber dem Träger (2) schwenkbar ist; Ermitteln der Längsrichtung (34) des Mastes (3) relativ zu einer vorgegebenen absoluten Raumrichtung; Bestimmen einer Stellgrösse (UA) für eine Aktuatoreinrichtung (6; 8) mittels einer rückgekoppelten elektronischen Regeleinrichtung (10), welche als Eingangsgrössen mindestens die ermittelte Längsrichtung (34) des Mastes (3) sowie einen vorgegebenen Sollwert (θs) für die Längsrichtung des Mastes aufweist; Verschwenken des Mastes (3) mittels einer Aktuatoreinrichtung (6; 8), die mit dem Mast (3) verbunden ist und die Stellgrösse (UA) von der Regeleinrichtung (10) empfängt, um die Längsrichtung des Mastes (3) relativ zum Sollwert (θs) zu stabilisieren; Überwachen von Beschleunigungswerten des Mastes (3) und/oder des Trägers (2); und Blockieren des Mastes (3) bezüglich Schwenkbewegungen bei Überschreiten eines vorbestimmten Beschleunigungswerts. 15. Verfahren nach Anspruch 14, welches ausserdem umfasst: Eingreifen in die Regeleinrichtung (10) beim Blockieren des Mastes (3) derart, dass die Aktuatoreinrichtung (6; 8) antriebslos wird. |
Stabilisierung eines Mastes für Fahrzeuge und Schiffe
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Stabilisierung der Ausrichtung eines Mastes auf einem beweglichen Träger, z.B. einem Landfahrzeug oder einem Schiff, sowie ein entsprechendes Verfahren.
STAND DER TECHNIK
Aus dem Stand der Technik sind transportable, ausfahrbare Teleskopmasten für Aufklärungsfahrzeuge bekannt, die es erlauben, eine Nutzlast in variabler Höhe über dem Fahrzeug zu positionieren. Bei der Nutzlast kann es sich insbesondere um einen Sensorkopf mit verschiedenen Überwachungs- und Kommunikationseinrichtungen handeln, z.B. mit einer Kommunikationsantenne, einer Antenne eines Aufklärungsradars, einer oder mehreren Kameras usw. Ein solcher Mast ist z.B. in der WO 2005/099029 angegeben.
Normalerweise ist das Trägerfahrzeug stationär und unbeweglich, solange der Mast ausgefahren ist. Bevor das Trägerfahrzeug bewegt wird, wird der Mast eingefahren und anschliessend z.B. abgeklappt auf dem Dach des Trägerfahrzeugs verstaut oder in einen
Stauraum des Trägerfahrzeugs versenkt. Es kann jedoch in bestimmten Anwendungen erwünscht sein, das Trägerfahrzeug auch bei ausgefahrenem Mast zu bewegen und dabei die volle Funktionalität des Sensorkopfes zu erhalten. Dazu ist es nötig, die räumliche Orientierung des Sensorkopfes, insbesondere seine Lage relativ zur Vertikalen, trotz der
Fahrzeugbewegungen stabil zu halten. Ahnliche Aufgaben stellen sich auch auf nicht landgebundenen Fahrzeugen, insbesondere Schiffen. Aus der Schifffahrt ist es bekannt, eine Nutzlast wie z.B. eine Radarantenne gegenüber den Roll- und Stampfbewegungen des Schiffs aktiv zu stabilisieren. Die Nutzlast befindet sich dazu auf einer beweglichen Plattform, die passiv (z.B. durch Kreiselkräfte) oder aktiv durch einen entsprechenden Regelkreis mit Sensoren und Aktuatoren stabilisiert ist. Hierzu wurden verschiedenste mechanische Anordnungen vorgeschlagen, so z.B. in der US 5,922,039 oder US 4,647,939. Regelungstechnische Verfahren zur aktiven Stabilisierung einer solchen Plattform wurden z.B. in der WO 99/04224 oder der EP 0 107 232 vorgeschlagen. Bei diesen Anordnungen bzw. Verfahren trägt die stabilisierte Plattform unmittelbar die Nutzlast. Für die Stabilisierung einer Nutzlast auf einem Teleskopmast sind derartige Anordnungen jedoch aufgrund ihres Gewichts und ihrer Grosse in der Regel ungeeignet.
Aus der US 2008/261211 ist eine Einrichtung zur Ausrichtung eines Mastes auf einem Träger bekannt, wobei die Ausrichtung gegebenenfalls automatisch erfolgen kann. Diese Einrichtung kann jedoch nur begrenzte Beschleunigungskräfte aufnehmen und ist nicht für eine automatische Ausrichtung im Fahrtbetrieb geeignet.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, die es ermöglicht, die Ausrichtung eines Mastes zu stabilisieren, wenn sich der Mast auf einem beweglichen Träger befindet und dadurch Bewegungen mit erheblichen Beschleunigungswerten unterworfen ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schlägt also ein System zur Stabilisierung eines Mastes auf einem beweglichen Träger vor, mit den folgenden Merkmalen: einen eine Längsrichtung definierenden Mast; ein Mastlager, das dazu ausgebildet ist, den Mast um mindestens eine
Schwenkachse schwenkbar auf dem Träger zu lagern; eine Aktuatoreinrichtung, die mit dem Mast verbunden ist und dazu ausgebildet ist, den Mast mit seiner Längsrichtung relativ zum Träger um die mindestens eine Schwenkachse zu verschwenken; eine Mastsensoreinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die Längsrichtung des Mastes relativ zu einer vorgegebenen absoluten Raumrichtung zu bestimmen; eine elektronische Regeleinrichtung, die dazu ausgebildet ist, Richtungssignale von der Mastsensoreinrichtung zu empfangen, mit einem vorgegebenen Sollwert für die
Längsrichtung des Mastes zu vergleichen und daraus eine Stellgrösse für die
Aktuatoreinrichtung abzuleiten, um die Längsrichtung des Mastes bezüglich des Sollwerts zu stabilisieren; sowie eine Sicherungseinrichtung, um Beschleunigungswerte des Mastes und/oder des Trägers zu überwachen und den Mast bei Überschreiten eines vorbestimmten Beschleunigungswerts bezüglich Schwenkbewegungen zu blockieren.
Dadurch wird es möglich, den Mast zu sichern und dadurch die Aktuatoreinrichtung zu entlasten, wenn der Träger und dadurch auch der Mast sehr schnelle Bewegungsänderungen und damit einhergehende hohe Beschleunigungswerte erfährt. Wenn es sich beim Träger z.B. um ein Landfahrzeug handelt, kann die Sicherungseinrichtung dazu eingesetzt werden, die Aktuatoreinrichtung beim schnellen Bremsen des Fahrzeugs kurzfristig von den dadurch bewirkten Trägheitskräften zu entlasten. Die Aktuatoreinrichtung kann dadurch dahingehend optimiert werden, dass sie die Längsrichtung des Mastes genügend schnell verändern kann, um Orientierungsänderungen des Trägers zu folgen, ohne dass die Aktuatoreinrichtung in allen Betriebszuständen sämtliche auf den Mast wirkenden Kräfte aufnehmen muss.
Die Sicherungseinrichtung kann insbesondere als Seilzugsystem ausgebildet sein. Dieses umfasst mindestens ein Sicherungsseil, das sich zwischen dem Mast und dem Träger erstreckt und vorzugsweise oberhalb des Mastlagers mit dem Mast verbunden ist, und mindestens eine Seilfuhrungseinrichtung, auf der das Sicherungsseil geführt ist und die das Seil bei Überschreiten eines vorbestimmten Beschleunigungswerts, der am Mast und/oder am Träger auftritt, derart blockiert, dass ein weiteres Verschwenken des Mastes verhindert wird. Hierzu kann insbesondere eine elektrisch betätigbare Kupplung oder eine mechanische Kupplung zum Einsatz kommen. Die Seilführungseinrichtung weist dann vorzugsweise mindestens eine Seiltrommel mit einem Federelement auf, wobei die Seiltrommel dazu ausgebildet ist, mit dem Träger verbunden zu werden, und wobei das Seil mittels des Federelements vorspanribar ist. Das Federelement kann z.B. eine Spiralfeder sein.
Bevorzugt wird in dieser Vorrichtung bzw. diesem Verfahren der Mast nicht nur um eine einzige Schwenkachse, sondern um zwei vorzugsweise zueinander orthogonale Schwenkachsen stabilisiert. Dazu ist das Mastlager derart ausgebildet, dass es eine Schwenkbewegung des Mastes um zwei zueinander orthogonale Schwenkachsen erlaubt. Die Mastsensoreinrichtung ist dazu ausgebildet, die Längsrichtung des Mastes bezüglich beider Schwenkachsen zu erfassen, und die Aktuatoreinrichtung ist dazu ausgebildet, den Mast um beide Schwenkachsen zu verschwenken. Dementsprechend ist der Regler dann zweidimensional ausgebildet, d.h. er empfängt eine zweidimensionale Regelgrösse und erzeugt eine zweidimensionale Stellgrösse, oder es sind zwei eindimensionale Regler vorhanden.
Das Mastlager kann insbesondere ein Kardangelenk oder ein Kugelgelenk umfassen. Bevorzugt ist es derart ausgestaltet, dass es eine Drehung des Mastes um seine Längsrichtung blockiert. Der Mast ist vorzugsweise ein Teleskopmast mit einer Mehrzahl von gegeneinander entlang der Längsrichtung beweglichen Mastsegmenten. Derartige Masten sind in einer Vielzahl von Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik bekannt. Die Erfindung ist aber auch auf einteilige Masten anwendbar.
Die Mastsensoreinrichtung umfasst bevorzugt mindestens einen Kreisel (Gyroskop). Dabei kann es sich um einen mechanischen Kreisel, einen optischen Kreisel oder einen Vibrationskreisel handeln. Vorzugsweise ist der Kreisel in bekannter Weise driftkompensiert.
Zusätzlich kann das System eine Trägersensoreinrichtung umfassen, welche dazu ausgebildet ist, die Ausrichtung des Trägers bezüglich der vorgegebenen Raumrichtung zu erfassen. Die Regeleinrichtung ist dann dazu ausgebildet, zusätzlich Richtungssignale von der Trägersensoreinrichtung zu empfangen und bei der Bestimmung der Stellgrösse zu berücksichtigen. Hierdurch kann eine schnellere und/oder stabilere Regelung erreicht werden, insbesondere nach Unterbrechungen der Regelung. In einer ersten möglichen Austuhrungsform weist die Aktuatoreinrichtung mindestens ein Seilzugsystem auf. Dieses umfasst ein Zugseil, das sich zwischen dem Mast und dem Träger erstreckt und dazu vorzugsweise oberhalb des Mastlagers mit dem Mast verbunden ist, und mindestens einen Seilantrieb, der dazu ausgebildet ist, das Zugseil zu einer Bewegung anzutreiben, um dadurch den Mast mit seiner Längsrichtung relativ zum Träger zu verschwenken.
Die Sicherungseinrichtung kann dabei eine Kupplung des Seilantriebs umfassen, welche das Zugseil bei Überschreiten einer vorgegebenen Beschleunigung blockiert. Vorzugsweise ist aber eine getrennt ausgebildete Sicherungseinrichtung vorhanden, wie sie vorstehend beschrieben wurde.
Gemäss einer zweiten möglichen Ausfuhrungsform weist die Aktuatoreinrichtung mindestens einen Spindelantrieb auf. Dieser umfasst eine Gewindespindel und eine Antriebseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Gewindespindel und eine Gewindemutter in eine relative Drehung zueinander zu versetzen, wobei die Drehung ein Verschwenken des Mastes relativ zum Träger bewirkt.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemässe System auf einem Landfahrzeug oder einem Schiff als Träger eingesetzt und ist entsprechend in seinen Dimensionen und der Art seines
Aufbaus an einen solchen Einsatzzweck spezifisch angepasst. Dementsprechend richtet sich die Erfindung auch auf ein Fahrzeug, insbesondere ein Land- oder Wasserfahrzeug, mit einem solchen System. Das Fahrzeug definiert üblicherweise durch seine
Hauptbewegungsrichtung eine Fahrzeuglängsrichtung, und die Sicherungseinrichtung ist dann vorzugsweise dazu ausgebildet, den Mast bei Überschreiten eines vorbestimmten
Beschleunigungswerts zumindest bezüglich Schwenkbewegungen in der
Fahrzeuglängsrichtung zu blockieren.
Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur aktiven Stabilisierung eines Mastes, insbesondere eines Teleskopmastes, mit den Merkmalen des Anspruchs 14 angegeben.
Ein erfmdungsgemässes Verfahren umfasst insbesondere die folgenden Schritte: Lagern des Mastes auf dem Träger mittels eines Mastlagers, so dass der Mast um mindestens eine Schwenkachse gegenüber dem Träger schwenkbar ist;
Ermitteln der Längsrichtung des Mastes relativ zu einer vorgegebenen absoluten Raumrichtung; Bestimmen einer Stellgrösse für eine Aktuatoreinrichtung mittels einer rückgekoppelten elektronischen Regeleinrichtung, welche als Eingangsgrössen mindestens die ermittelte Längsrichtung des Mastes sowie einen vorgegebenen Sollwert für die Längsrichtung des Mastes aufweist;
Verschwenken des Mastes mittels einer Aktuatoreinrichtung, die mit dem Mast verbunden ist und die Stellgrösse von der Regeleinrichtung empfangt, um die Längsrichtung des Mastes relativ zum Sollwert zu stabilisieren;
Überwachen von Beschleunigungswerte des Mastes und/oder des Trägers;
Blockieren des Mastes bezüglich seiner Schwenkbewegungen bei Überschreiten eines vorbestimmten Beschleunigungswerts.
Das Blockieren kann mit einer Sicherungseinrichtung wie vorstehend beschrieben oder auf andere Weise erfolgen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
Fig. 1 eine stark schematische Prinzipskizze eines Fahrzeugs mit darin angebrachtem Teleskopmast zur Illustration der in diesem Dokument verwendeten Richtungsangaben; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Regeleinrichtung für die Stabilisierung eines Mastes;
Fig. 3 eine stark schematische Prinzipskizze eines Fahrzeugs mit darin angebrachtem, stabilisiertem Teleskopmast in einer eingefahrenen Stellung
(Teilansicht (a)) und einer ausgefahrenen Stellung (Teilansicht (b)) gemäss einer ersten Ausführungsform; Fig. 4 eine stark schematische Prinzipskizze des Fahrzeugs der Fig. 3 zur Illustration der Stabilisierung des Teleskopmastes gegenüber Bewegungen um die Längsachse (Wankbewegungen); Fig. 5 eine stark schematische Prinzipskizze des Fahrzeugs der Fig. 3 zur
Illustration der Stabilisierung des Teleskopmastes gegenüber Bewegungen um die Querachse (Nickbewegungen);
Fig. 6 eine stark schematische Prinzipskizze einer Stabilisierungseinrichtung für einen Teleskopmast gemäss einer zweiten Ausrührungsform; Fig. 7 eine stark schematische Prinzipskizze einer möglichen Anordnung einer derartigen Stabilisierungseinrichtung in einem Fahrzeug; sowie Fig. 8 eine stark schematische Prinzipskizze zur Illustration der Funktionsweise der Stabilisierungseinrichtung gemäss der zweiten Ausführungsform.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der Fig. 1 ist schematisch ein Fahrzeug 2 mit einem darin angebrachten Teleskopmast 3 dargestellt. Anhand dieser Abbildung werden der grundsätzliche Aufbau eines erfindungsgemässen Stabilisierungssystems sowie die in diesem Dokument verwendeten Richtungsangaben erläutert.
Das Fahrzeug 2 definiert mit seinem Chassis 21 eine Fahrzeuglängsachse, die als X- Richtung bezeichnet wird (Fig. l(a)). Die Fahrzeugquerachse wird als Y-Richtung bezeichnet (Fig. l(b)). Senkrecht zu diesen beiden Richtungen verläuft die Fahrzeughochachse, die als Z-Richrung bezeichnet wird. Die X-, Y- und Z-Richtung bilden gemeinsam ein fahrzeugfestes Koordinatensystem.
Der Teleskopmast 3 ist aus mehreren Mastsegmenten aufgebaut, im vorliegenden Beispiel drei Mastsegmenten 31, 32 und 33. Selbstverständlich können je nach Konstruktion des Teleskopmastes auch mehr oder weniger Mastsegmente vorhanden sein (in der Praxis meist vier oder mehr). Die Mastsegmente sind entlang einer Längsachse 34 gegeneinander verschiebbar. Hierzu kann ein beliebiger Mechanismus eingesetzt werden, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, z.B. ein Seilzugmechanismus wie in der schon erwähnten WO 2005/099029 oder ein geeigneter Spindelantrieb. Das oberste, hier dritte, Mastsegment 33 trägt eine Nutzlast 4. Bei dieser kann es sich insbesondere um eine Kommunikationsantenne, eine Radarantenne, einen optischen Sensor oder eine beliebige andere Art von Nutzlast handeln, wie sie üblicherweise in Aufklärungsfahrzeugen auf Teleskopmasten eingesetzt wird. Es versteht sich von selbst, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Art von Nutzlast beschränkt ist.
Das erste, unterste Mastsegment 31 ist in einem Mastlager 5 gehalten, welches starr mit dem Chassis 21 des Fahrzeugs 2 verbunden ist. Das Mastlager 5 erlaubt Schwenkbewegungen der Längsachse 34 des Mastes 3 sowohl um die Fahrzeuglängsachse X als auch um die Fahrzeugquerachse Y. Hierzu kann das Mastlager z.B. als Kardangelenk oder als Kugelgelenk ausgestaltet sein, wie dies aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt ist. Wenn das Mastlager als Kugelgelenk ausgebildet ist, wird eine Torsionsbewegung um die Mastlängsrichtung 34 im Mastlager vorzugsweise blockiert, z.B. durch einen Mitnehmer, der in eine entsprechende Nut im untersten Mastsegment 31 eingreift. Der Befestigungspunkt des Mastes mit dem Fahrzeug liegt vorzugsweise möglichst tief und nahe dem Zentrum des Fahrzeugs. Bei einer Änderung der Ausrichtung des Fahrzeugs werden dadurch die auf das Mastlager wirkenden Lateralkräfte minimiert.
Um die Ausrichtung des Mastes zu erfassen, ist eine Mastsensoreinrichtung 35 vorhanden, welche im vorliegenden Beispiel am obersten Ende des Mastes angebracht ist, jedoch auch an einem beliebigen anderen Mastsegment angebracht sein kann. Vorzugsweise erlaubt die Mastsensoreinrichtung unmittelbar die Erfassung der Lage des Mastes relativ zum Gravitationsfeld der Erde und ist mit einer Einrichtung versehen, um eine allfallig auftretende Drift in Bezug auf die Messachsen relativ zum Gravitationsfeld zu stabilisieren. Diese Sensoreinrichtung kann z.B. ein mechanisches Kreiselsystem (Gyroskop) umfassen, wie es aus dem Stand der Technik seit langem bekannt ist. Alternativ können auch sogenannte optische Kreisel eingesetzt werden, wie sie ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt sind. Derartige optische Kreisel werden häufig auch als Laserkreisel bezeichnet und setzen z.B. Ringlaser ein, bei denen eine Interferenz zwischen zwei umlaufenden Lichtwellen mit entgegengesetzten Umlaufrichtungen beobachtet wird. Derartige Kreisel sind z.B. von Honeywell International Inc., Morristown, New Jersey, USA erhältlich. Ebenfalls sind faseroptische Kreisel bekannt, wie sie z.B. unter der Typenbezeichnung DSP-3000 von KVH Industries, Inc., Middletown, Rhode Island, USA, erhältlich sind. Gemäss einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann die Mastsensoreinrichtung auch einen sogenannten Vibrationskreisel umfassen, bei dem ein schwingendes System eingesetzt wird und die Auswirkung der Corioliskraft auf dieses schwingende System bei einer Bewegung der Mastsensoreinrichtung gemessen wird. Auch derartige Vibrationskreisel sind seit langem bekannt. Wie im Folgenden ohne weiteres erkennbar sein wird, kommt es für die vorliegende Erfindung auf die konkrete Ausgestaltung der Sensoreinrichtung zur Erfassung der Ausrichtung des Mastes 3 nicht an.
Um den ausgefahrenen Mast auch im Fahrbetrieb, allgemeiner ausgedrückt bei Lageänderungen des Fahrzeugs 2, einsetzen zu können, wird vorgeschlagen, den Mast mit seiner Längsrichtung relativ zu einer vorgegebenen absoluten Raumrichtung, insbesondere der durch das Erdgravitationsfeld vorgegebenen vertikalen Richtung, zu stabilisieren. Bei dieser Stabilisierung werden Winkelbeschleunigungen, welche durch eine Bewegung des
Fahrzeugs hervorgerufen werden, mittels geeigneter Aktuatoren kompensiert. Einige beispielhafte Aktuatoreinrichtungen werden nachstehend noch diskutiert.
Die Maststabilisierung erfolgt mittels einer Regeleinrichtung, wie sie dem Fachmann im Grundprinzip bekannt ist. Ein geeigneter Regelkreis für einen einzigen Freiheitsgrad ist in der Fig. 2 beispielhaft dargestellt. Als Führungsgrösse (Sollwert) θs dient die Vertikale (θs=O), die durch die Richtung des Erdgravitationsfelds vorgegeben ist. Als Regelgrösse des Systems dient demgegenüber die tatsächliche Ausrichtung des Mastes ΘM (d.h. der Kippwinkel des Mastes relativ zur Vertikalen um eine vorgegebene Achse in der X-Y- Ebene), wie sie durch die Mastsensoreinrichtung 35 ermittelt wurde. Beide Grossen werden einer elektronischen Regeleinrichtung 10 zugeführt. In einer Einheit Σ wird die Differenz aus diesen Grossen gebildet und einem Regler C zugeführt. Dieser ermittelt eine Stellgrösse UA für eine Aktuatoreinrichtung. Die Aktuatoreinrichtung bildet einen Teil einer Regelstrecke P, auf welche als Störgrösse die Neigung θy des Fahrzeugs einwirkt. Die Regelstrecke führt letztlich zu einer Veränderung der Regelgrösse ΘM, welche wiederum zur Regeleinrichtung 10 zurückgeführt wird.
Als Regler C kann ein beliebiger geeigneter Regler, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, eingesetzt werden, im einfachsten Fall z.B. ein P-, PI-, PD-, oder PID-Regler. Der Regler kann in analoger oder digitaler Elektronik ausgeführt sein. Bevorzugt ist er in digitaler Elektronik ausgeführt, wobei die Messgrössen durch geeignete Analog-Digital- Wandler (ADC) in ein binäres Format umgewandelt werden. Insbesondere kann der Regler einen geeigneten digitalen Signalprozessor oder einen General-Purpose-Computer umfassen, auf dem der eigentliche Regelalgorithmus in Software implementiert ist. Die Ausgabe der Stellgrössen, d.h. die Ansteuerung der Aktuatoren, kann durch geeignete Digital-Analog- Wandler (DAC) oder durch unmittelbare digitale Ansteuerungsarten, wie z.B. Pulsweitenmodulation, erfolgen. Derartige Massnahmen sind dem Fachmann geläufig.
Während vorstehend das Regelungsschema für einen einzigen Freiheitsgrad (einen einzigen Schwenkwinkel um eine einzige Achse) beschrieben wurde, versteht es sich von selbst, das eine derartige Regelung ohne weiteres auch auf zwei Freiheitsgrade
(Schwenkbewegungen sowohl um die X- als auch die Y-Achse bzw. um zwei beliebige zueinander orthogonale Achsen in der X-Y-Ebene) verallgemeinert werden kann. Im einfachsten Fall werden hierfür getrennte Regeleinrichtungen für die Schwenkbewegungen um die beiden Achsen eingesetzt. Stattdessen ist es aber auch denkbar, einen geeigneten
MIMO-Regler (MIMO = Multiple In, Multiple Out) zu verwenden, welcher die
Schwenkwinkel um beide Achsen als zweidimensionale Regelgrösse empfängt und entsprechend eine zweidimensionale Stellgrösse zur Ansteuerung von zwei Aktuatoren erzeugt. Ein Beispiel, bei dem ein solcher MIMO-Regler besonders vorteilhaft ist, wird nachstehend noch diskutiert.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele für die mechanische Ausführung von geeigneten Aktuatoreinrichtungen diskutiert.
Ein erstes Ausführungsbeispiel mit elektrisch angetriebenen Seilzügen ist in den Figuren 3 bis 5 illustriert. In diesem Ausführungsbeispiel ist in der Fahrzeugquerrichtung und der Fahrzeuglängsrichtung jeweils mindestens ein Seilzugsystem 6 bzw. 6' vorhanden. Jedes der beiden Seilzugsysteme umfasst zwei Seilantriebe 61, 62. Zwischen den Seilantrieben ist ein Zugseil 63, z.B. ein Stahlseil, gespannt, welches an einem Befestigungspunkt 64 mit dem Teleskopmast 3, hier mit seinem untersten Abschnitt 31, verbunden ist. Die Seilantriebe sind im vorliegenden Beispiel als elektromotorisch angetriebene Seiltrommeln ausgeführt, auf denen die entgegengesetzten Enden des Zugseils aufgewickelt sind. Durch Betätigung der Seilantriebe kann die Länge eines Seilabschnitts 65 zwischen der ersten Spannvorrichtung 61 und dem Befestigungspunkt 64 gegenüber der Länge eines zweiten Seilabschnitts 66 zwischen dem Befestigungspunkt 64 und der zweiten Spannvorrichtung 62 verändert werden, wie dies in der Fig. 4 für Bewegungen um die Fahrzeuglängsachse (Wankbewegungen, bei Schiffen als Rollen bezeichnet) illustriert ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Ausrichtung des Mastes unabhängig von der Ausrichtung des Fahrzeugs immer entlang der Vertikalen stabilisiert wird.
Anstelle eines Seilzugsystems mit zwei Seiltrommeln ist es auch denkbar, ein endloses Seilsystem zu verwenden. In diesem Fall ist das endlose Zugseil, das auch hier bevorzugt als Stahlseil ausgebildet ist, mit einer Spannvorrichtung vorgespannt und wird mit einem einzigen Seilantrieb, wie er aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist, entlang seiner Längsrichtung angetrieben.
Insbesondere in der Fahrzeuglängsrichtung können bei Beschleunigungs- und Bremsvorgängen erhebliche Kräfte auftreten, welche die Belastungsfähigkeit des betreffenden Seilzugssystems 6', insbesondere von dessen Seilantrieben, unter Umständen übersteigen können. Um derartige Kräfte aufzufangen, wird eine Sicherungseinrichtung 7 vorgeschlagen, welche grundsätzlich ähnlich wie die Seilzugsysteme 6, 6' aufgebaut ist und in der Fig. 5 dargestellt ist.
Die Sicherungseinrichtung umfasst eine erste Spannvorrichtung 71 und eine zweite Spannvorrichtung 72. Diese sind im vorliegenden Beispiel als mit Spiralfedern vorgespannte Seiltrommeln ausgebildet. Zwischen den Spannvorrichtungen 71, 72 ist ein Sicherungsseil 73 gespannt, welches an einem Befestigungspunkt 74 mit dem Teleskopmast 3, im vorliegenden Beispiel mit dessen zweitem Abschnitt 32, verbunden ist. Die Spannvorrichtungen 71, 72 sind derart vorgespannt, dass sie in jeder Orientierung, die der Mast im normalen Betrieb einnimmt, das Sicherungsseil 73 gespannt halten. Jede Spannvorrichtung ist mit einer Blockiereinrichtung in Form einer elektrisch betätigbaren Kupplung ausgerüstet. Im Normalbetrieb ist diese Kupplung ausgekuppelt, und das Sicherungsseil 73 wird dadurch bei Lageänderungen des Mastes 3 antriebslos auf- bzw. abgewickelt. Mit dem Fahrzeug oder mit dem Mast ist ein in den Zeichnungen nicht dargestellter Beschleunigungssensor verbunden, welcher seine eigene Beschleunigung in der Längsrichtung misst. Falls ein vorab festgelegter Beschleunigungswert überschritten wird, werden die Kupplungen der Sicherungseinrichtung blockiert, und gleichzeitig wird in die Regeleinrichtung 10 derart eingegriffen, dass die Aktuatoren antriebslos werden, dass heisst der Regler wird gestoppt und sein Ausgang auf Null gesetzt. Auf diese Weise wird der Mast in der zuletzt vorliegenden Ausrichtung relativ zum Fahrzeug gehalten. Erst wenn die Beschleunigung in der Fahrzeuglängsrichtung wieder einen vorgegebenen Beschleunigungswert unterschreitet, werden die Kupplungen wieder ausgekuppelt, und die Regeleinrichtung 10 wird wieder aktiviert.
Auch die Sicherungseinrichtung kann selbstverständlich anders als im vorstehenden Ausführungsbeispiel ausgebildet sein. So kann auch für die Sicherungseinrichtung eine
Anordnung mit einem endlosen, vorgespannten Sicherungsseil verwendet werden, wobei das Sicherungsseil im Normalbetrieb im Wesentlichen kraftlos geführt ist und bei
Überschreiten des vorbestimmten Beschleunigungswerts mit einer Blockiervorrichtung relativ zum Fahrzeugchassis blockiert wird. Auch völlig anders als durch Seilzüge ausgestaltete Sicherungseinrichtungen sind denkbar.
Anstelle von elektrisch betätigbaren Kupplungen können auch rein mechanisch wirkende Kupplungen vorgesehen sein, die bei Überschreiten einer vorbestimmten Beschleunigung selbsttätig einkuppeln, wie dies z.B. von Sicherheitsgurten in Kraftfahrzeugen bekannt ist.
Selbstverständlich kann eine derartige Sicherungseinrichtung nicht nur in der Längsrichtung, sondern auch in der Querrichtung vorgesehen sein. Auch ist es denkbar, z.B. zwei derartige Sicherungseinrichtungen über Kreuz und diagonal zum Fahrzeugchassis anzuordnen.
Alternativ können geeignete Kupplungen auch unmittelbar in den Seilantrieben 61, 62 des Seilzugsystems 6' vorgesehen sein, so dass ein separates Seilzugsystem für die Sicherungseinrichtung entfallen kann. Dies bedingt jedoch eine aufw ndigere Auslegung des Seilzugsystems 6'.
Während im vorstehenden Ausführungsbeispiel die Seilantriebe des Seilzugsystems bzw. die Blockiereinrichtungen der Sicherungseinrichtung jeweils mit dem Fahrzeugchassis 21 verbunden sind, ist es auch denkbar, die Seile 63 und/oder 73 jeweils mit ihren Enden am Fahrzeugchassis zu fixieren und eine geeignete Antriebseinrichtung bzw. eine Blockiereinrichtung entsprechend am Mast anzuordnen. Allerdings ist es bevorzugt, diese Einrichtungen wie im vorstehenden Ausführungsbeispiel stationär zum Fahrzeugchassis anzuordnen, um das vom Mast getragenen Gewicht möglichst gering zu halten.
Es versteht sich von selbst, dass die vorstehend diskutierte Sicherungseinrichtung auch mit anderen Aktuatoreinrichtungen als dem Seilzugsystem der Figuren 3 bis 5 einsetzbar ist und von der Art der Aktuatoreinrichtung vollkommen unabhängig ist.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für die Aktuatoreinrichtung ist in den Figuren 6 bis 8 illustriert. Hier sind zwei orthogonal zueinander angeordnete Linearantriebe vorhanden, welche gleichermassen Zug- und Druckkräfte erzeugen können. Diese Art der technischen Ausführung erlaubt es insbesondere einfacher, den Mast im Heckbereich eines Fahrzeugs anzuordnen, als dies bei der vorstehend diskutierte Ausfuhrungsform mit Seilzügen der Fall ist.
Das Grundprinzip des eingesetzten Linearantriebs ist in der Fig. 6 illustriert. In diesem Beispiel ist der Mast 3' wiederum als Teleskopmast mit einem ersten Abschnitt 31', Abschnitt 32' und einem dritten Abschnitt 33' ausgebildet, welcher eine Nutzlast 4' trägt. Der Mast ist in diesem Beispiel über ein Kugelgelenk als Mastlager 5' auf dem Chassis 21 des Fahrzeugs 2 gelagert. Ebenfalls mit dem Chassis 21 ist ein Träger 84 verbunden, auf dem über ein schwenkbares Lager eine Antriebseinrichtung 81 in Form eines elektrischen Motors mit Spindelantrieb angebracht ist. Der Motor dient dazu, eine Gewindespindel (Gewindestange) 82 zu einer Drehung um ihre Längsachse anzutreiben. Die Gewindespindel 82 steht mit einer Gewindemutter in Verbindung, die sich im Inneren des untersten Abschnitts 31' des Mastes 3' befindet und dort in einem Lager 83 drehbar gehalten ist. Wenn nun die Gewindespindel 82 durch die Antriebseinrichtung 81 in Drehung versetzt wird, führt dies zu einer Veränderung der Länge des Abschnitts der Gewindestange zwischen der Gewindemutter und der Antriebseinrichtung 81 und damit zu einem Verschwenken des Mastes relativ zum Chassis 21. Dies ist in der Fig. 8 illustriert.
Um derartige Antriebseinrichtungen 8, 8' möglichst platzsparend im Fahrzeug 2 anzuordnen und dabei eine möglichst gleichmässige Lastverteilung zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Antriebseinrichtungen 8, 8' diagonal anzuordnen, wie dies in der Fig. 7 dargestellt ist. Die Gewindespindeln der Antriebseinrichtungen 8, 8' verlaufen hier also in einem Winkel von 45° sowohl zur X- als auch zur Y-Richtung.
Eine derartige Anordnung der Antriebseinrichtungen erfordert eine Ausgestaltung der Regeleinrichtung 10, die bei einer Änderung der Regelgrösse Θ M bezüglich der Längs- oder Querrichtung des Fahrzeugs eine gleichzeitige Änderung der Stellgrössen für beide Spindelantriebe erzeugt, da ein Verschwenken des Mastes z.B. um die Y-Achse den gleichzeitigen Betrieb beider Antriebseinrichtungen 8 und 8' erfordert. In einem solchen Fall ist es vorteilhaft, einen entsprechend ausgestalteten MIMO-Regler einzusetzen, wie dies schon vorstehend beschrieben wurde. Geeignete Regler sind im Stand der Technik geläufig. Alternativ ist es auch denkbar, nach wie vor getrennte Regler für die X- und die Y-Richtung einzusetzen, jedoch die entsprechenden Ausgangsgrössen einer Koordinatendrehung um 45° bzw. einer Kreuzkorrelation zu unterziehen, um daraus die Stellgrössen für die Antriebseinrichtungen 8 und 8' zu erhalten. Auch eine derartige Kreuzkorrelation ist dem Fachmann aus der Regelungstechnik geläufig.
Auch im Ausführungsbeispiel der Figuren 6 bis 8 ist es denkbar, die Antriebseinrichtung 81 statt mit dem Fahrzeugchassis 21 mit dem Teleskopmast 3 zu verbinden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Gewindespindel 82 drehfest am Chassis zu halten, während die Antriebseinrichtung in diesem Fall eine drehbare Gewindemutter antreibt.
Selbstverständlich sind eine Vielzahl weiterer Ausgestaltungen sowohl der Regeleinrichtung als auch der Aktuatoreinrichtung möglich. So können z.B. anstelle von elektromotorisch angetriebenen Seilzugsystemen oder Spindelantrieben auch hydraulische oder pneumatische Antriebe verwendet werden. Geeignete hydraulische oder pneumatische Aktuatoren sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Selbstverständlich können alle derartigen Aktuatoranordnungen mit einer Sicherungseinrichtung der vorstehend beschriebenen oder einer anderen Art versehen werden.
Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Aktuatoreinrichtung kann es sinnvoll sein, nicht nur die Lage des Mastes 3 bezüglich der absoluten Vertikalen im Raum zu erfassen, sondern zusätzlich auch die Ausrichtung des Fahrzeugs 2. Hierzu kann im Fahrzeug 2 eine optionale weitere Sensoreinrichtung 22 vorhanden sein, wie dies in der Fig. 1 angedeutet ist. Diese erfasst die Fahrzeugausrichtung relativ zur Vertikalen und führt diese dem dann entsprechend ausgestalteten Regler C als weitere Eingangsgrösse zu, wie dies in der Fig. 2 durch den gestichelten Pfeil angedeutet ist. Durch die Kenntnis der Fahrzeugausrichtung relativ zur Vertikalen wird es dem Regler ermöglicht, die Regelgrösse schneller und stabiler an die Führungsgrösse heranzuführen, als dies ohne Kenntnis der Lage des Fahrzeugs möglich wäre. Dies ist insbesondere dann von Nutzen, wenn die Regelung aufgrund des Eingreifens einer Sicherungseinrichtung für eine bestimmte Zeit unterbrochen war, wie dies vorstehend beispielhaft beschrieben worden war.
Aus den vorstehenden Ausführungsbeispielen ist ersichtlich, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist, und die Erfindung ist keineswegs auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann die Erfindung insbesondere nicht nur auf Landfahrzeugen, sondern auch auf Schiffen und anderen beweglichen Trägern eingesetzt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
Untergrund 62 zweiter Seilantrieb0 Regeleinrichtung 63 Zugseil
Fahrzeug 64 Befestigungspunkt1 Fahrzeugchassis 65 erster Abschnitt2 Trägersensoreinrichtung 66 zweiter Abschnitt, 3' Teleskopmast 7 Sicherungseinrichtung1, 31' erster Abschnitt 71 erste Spannvorrichtung2, 32' zweiter Abschnitt 72 zweite Spannvorrichtung3, 33' dritter Abschnitt 73 Sicherungsseil 4 Längsachse 74 Befestigungspunkt5 Mastsensoreinrichtung 8, 8' Spindelantrieb , 4' Nutzlast 81 Antriebseinrichtung, 5' Mastlager 82 Gewindestange , 6' Seilzugsystem 83 Lager 1 erster Seilantrieb
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