Modellbasierte Bewegungssteuerung für ein kranbasiertes Mess-System

Von:

Patrick Franz Schlott

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In dieser Arbeit wird ein Automatisierungskonzept für das neuartige Portable Antennen-Messsystem (PAMS) entwickelt. PAMS ist ein mechatronisches System zur Positionierung und vektoriellen Ausrichtung einer Messsonde im Raum und besteht dazu im Wesentlichen aus einer Messgondel, an welcher die Messsonde befestigt ist und welche diese mit Hilfe von zwei Drehbewegungen ausrichten kann. Weil die Gondel selbst an einem Brückenkran befestigt ist, kann sie frei im Raum positioniert werden und bildet gemeinsam mit dem Kran einen 5-Achs-Manipulator. Als Basis für das Automatisierungskonzept werden die Bewegungen von Kransystemen allgemein und insbesondere des für PAMS relevanten 5-Achs-Manipulators detailliert analysiert und mechanisch modelliert. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Drehung der Gondel um die vertikale Achse, deren Abhängigkeit von Seillänge und Gondelverdrehung ausführlich beschrieben wird. In einer vertikalen Ebene wird das Zusammenspiel von Pendeln und Verkippen der Gondel betrachtet und der Einfluss von Reibung in einer Seilrolle auf dieses Verhalten untersucht. Das Steuerungssystem besteht aus der Planung der Trajektorien zur synchronen Bewegung aller fünf Achsen, sodass die Messsonde auf einer geometrischen Form bewegt und ihre Ausrichtung in geeigneter Weise mitgeführt wird. Zudem wird ein auf einem erweiterten Kalman Filter basierendes Beobachterkonzept vorgestellt, um die Modellzustände aus Messgrößen zu rekonstruieren. Die Bewegungssteuerung wird durch Trajektorienfolgeregler realisiert, die für unterschiedliche Teilsysteme konzipiert werden. Das vorgestellte Konzept wurde an einer Prototypanlage implementiert und in ausführlichen Experimenten validiert.