Die Bändigung der Eigenfrequenzen

Schwerpunkt Mobile Power

FeuerwehrDrehleitern – Mit Dehnungsmessstreifen und einer speziellen Steuerung hilft Sensor-Technik Wiedemann (STW), Schwingungen in den eindrucksvollen Drehleitern von Magirus Feuerwehrfahrzeugen zu verhindern.

20. September 2017

Seit 150 Jahren entwickelt das Unternehmen Magirus in Ulm Geräte und Fahrzeuge für die Feuerwehr, die im Ernstfall Leben retten. Dabei geht es nicht nur um die Menschen, die aus lebensbedrohlichen Situationen geborgen werden müssen, sondern auch um die Feuerwehrleute selbst, die immer wieder ihr Leben riskieren. Von der ersten »Ulmer Leiter«, einer zweirädrigen Schiebleiter mit einer Steighöhe von bis zu 14 Metern, bis zu den heute modernsten Drehleitern der Welt mit Arbeitshöhen von fast 70 Metern stand daher immer die Sicherheit ganz im Vordergrund.

Je länger die Drehleitern wurden, desto mehr neigten sie zu Schwingungen. Ein schwankender Rettungskorb in 70 Metern Höhe erschwert den Einsatz enorm und kostet Zeit, wenn es buchstäblich um Sekunden geht. Magirus setzt daher auf moderne Steuerungen, die mit intelligenten Algorithmen Sensorsignale auswerten und entsprechende Aktoren regeln. Neben der aktiven Dämpfung der Schwingungen werden aber auch noch weitere Komfortfunktionen realisiert, die den Einsatz in wörtlich brenzligen Situationen erleichtern und sicherer machen.

Die Brandbekämpfung in immer größeren Höhen ist nur eine der Aufgaben, die heute mit modernen Drehleitern gemeistert werden muss. An erster Stelle steht sicherlich die Rettung von Menschen aus lebensbedrohlichen Situationen, aber auch zum Arbeiten wird der Rettungskorb zunehmend eingesetzt. Um die Anforderungen zu erfüllen, wird zum einen die Länge der Drehleiter immer wieder vergrößert, aber auch der Arbeitsbereich ausgedehnt. Letzteres geschieht unter anderem durch Nutzung eines Arms am Ende der Drehleiter, der den Arbeitsbereich über das direkte Sichtfeld vom Fahrzeug aus hinaus erweitert.

Gleichzeitig soll aber die Masse der Drehleiter und der Platz, auf dem sie untergebracht werden kann, gering gehalten werden. Dadurch wird sie zunehmend empfindlich gegenüber Vibrationen und eine schnelle, genaue und auch stabile Positionierung gestaltet sich immer schwieriger. Dazu kommen äußere Rahmenbedingungen, die nicht beeinflussbar sind. Ein Feuerwehreinsatz stellt für alle Beteiligten eine Stresssituation dar, er läuft unter Zeitdruck ab und bringt hohe Verantwortung mit sich. Oftmals handelt es sich um freiwillige Einsatzkräfte, und die Ansprüche an Sicherheit, Leistungsfähigkeit und komfortable Bedienung steigen.

Vibrationen reduzieren

In diesem Umfeld ist es das Ziel einer computergestützten Stabilisierung (CS), Mittel zur Verfügung zu stellen, um die Anregung von Vibrationen zu reduzieren und aktiv auftretende Vibrationen zu dämpfen. Dabei kommen geeignete Sensoren, Aktoren, Steuerungen und vor allem eine ausgeklügelte Software zum Einsatz, mit der die notwendigen hydraulischen Antriebe geregelt werden. Notwendig für eine korrekte Implementierung der CS ist das Echtzeitverhalten sowie die Akzeptanz des Systemverhaltens durch den Bediener, der die Drehleiter mittels eines Handhebels bedient.

Bei großen Drehleiterlängen sind die erste und zweite Eigenfrequenz sowohl in der Dreh- als auch in der Neigungsachse zu beachten. Die Eigenfrequenz ist bei einem physikalischen System die Frequenz, mit der das System nach einmaliger Anregung von außen mit geringer Dämpfung schwingen kann. Die Anregung kann bei der Drehleiter durch das Anfahren der gewünschten Position oder durch Windstöße erfolgen.

Um die ersten beiden Eigenfrequenzen zu bändigen, arbeitet Magirus mit dem Institut für Systemdynamik (ISYS) der Universität Stuttgart zusammen. Das ISYS versteht sich als Schnittstelle zwischen Forschung und Anwendung und nutzt Methoden der Systemtheorie, der Regelungstechnik und der Optimierung für innovative Lösungen. Am Anfang lag die Bestimmung der Eigenfrequenzen. Diese sind von der Drehleiterlänge, dem Gelenkarmwinkel sowie der Korblast abhängig.

Unter diesen Voraussetzungen und mit den vorhandenen sowie möglichst wenigen zusätzlichen Mitteln war die Aufgabe darum klar definiert: Es geht um die Dämpfung der ersten beiden Eigenfrequenzen unter Nutzung der vorhandenen elektronischen Steuerung, einer ESX-Steuerung von Sensor-Technik Wiedemann (STW) und des Fahrzeughydrauliksystems.

Um die aktuelle Position und das Schwingungsverhalten einer Drehleiter zu erkennen, werden mehrere Parameter benötigt. Einige davon sind durch bereits vorhandene Aktoren und Sensoren bekannt: die Dreh- und Anstellwinkel der Drehleiter sowie die Länge im ausgefahrenen Zustand und die Ausfahrlänge des Gelenkarms. Zusätzlich ist es notwendig, die Schwingung in horizontaler und vertikaler Richtung zu erfassen.

Zu diesem Zweck werden Dehnungsmessstreifen der Reihe Digisens DMS von STW verwendet, die wie alle anderen Sensoren für den zuverlässigen Einsatz unter harten Bedingungen geeignet sind. Über die Dehnung kann die Durchbiegung der Drehleiter in beiden Richtungen erfasst werden und über deren Änderung auch die Schwingung. Eine einfache elektronische Regelung funktioniert im Prinzip genaus, wie das Einstellen der Wassertemperatur in der Dusche durch einen Menschen.

Negative Rückkopplung

Nach der Justierung des Wasserhebels folgt die Erfassung der Temperatur durch die Haut. Der erkannte Unterschied zur gewünschten Temperatur fließt in den Regelkreis ein, der Hebel wird nachgeregelt. Im Fachjargon nennt man dies negative Rückkopplung. Zur Dämpfung der ersten Eigenfrequenz funktioniert dies nach dem gleichen Prinzip: Gemäß einer Zielvorgabe gibt die Steuerung Signale an die Hydraulik aus, diese wirken sich auf die Bewegung und Position der Drehleiter aus. Das Durchbiegen und Schwingen wird erkannt, die Werte werden gefiltert an die Steuerung zurückgeliefert, die Software regelt durch Messung der zu kontrollierenden Variablen nach.

Dies funktioniert so leider nur für die erste Eigenfrequenz. Um auch die zweite Eigenfrequenz, die ab großen Drehleiterlängen relevant wird, korrekt erfassen zu können, musste ein weiterer Sensor zum Einsatz kommen. Dabei handelt es sich um einen Dreiachsen-Neigungs- und Gyrosensor von STW. Der Digisens NGS ermittelt Drehgeschwindigkeiten, wobei er nur zwei Achsen benötigt. Damit stehen nun für beide Richtungen zwei Werte – das Durchbiegen, also die Schwingung und die Beschleunigung, das heißt die Geschwindigkeit an definierten Positionen der Drehleiter – zur Verfügung.

Doch welcher Anteil des jeweiligen Wertes rührt von der ersten, welcher Anteil von der zweiten Eigenfrequenz? Nur durch Beantwortung dieser Frage kann eine entsprechende Korrektur vorgenommen werden.

Mathematisches Modell

Um zu ermitteln, welche Eigenfrequenz wo wirksam ist, hat das ISYS ein entsprechendes mathematisches Modell entworfen, mittels der Software Matlab implementiert und auf Basis von Experimenten validiert. Das Modell des Instituts führt eine Vorausberechnung des Schwingungsverhaltens der Drehleiter anhand der Eingabesignale der Handhebel durch. Mithilfe der verfügbaren Sensordaten für Durchbiegung und Geschwindigkeit werden Umwelteinflüsse sowie Modelltoleranzen fortlaufend gemessen und das Modell diesen angepasst.

Auf dieser Basis können die passenden Korrekturdaten zur Ansteuerung der Hydraulik bestimmt werden. Entsprechende Tests haben ergeben, dass das mathematische Modell zu einer signifikanten Steigerung der Dämpfung der Vibrationen der Drehleiter geführt hat – die Eigenfrequenzen wurden gebändigt. Sensoren, elektronische Steuerungen, geeignete mathematische Modelle und die Hydraulik bilden heute zusammen einen Regelkreis auf allen Magirus-Drehleiterfahrzeugen, die für sicheren Betrieb sorgen.

Neben der Dämpfung der Eigenfrequenzen sind in den ESX-Steuerungen weitere Softwaremodule implementiert, die für mehr Komfort, einfachere Bedienbarkeit und höhere Sicherheit sorgen. Gerade im Notfall unterstützen Funktionen wie das Rückkehren zu einer bestimmten Position, eine Warnung für Überladen oder zu weites Ausfahren des Rettungskorbs oder das korrekte, nicht schwankende Einstellen einer Lampe auf ein Fenster die Einsatzkräfte vor Ort.

Für die Zukunft ist geplant, dass weitere Sensoren und damit verbundene Regelalgorithmen zusammen mit leistungsfähigeren Steuerungen für einen teilautonomen Betrieb der Magirus Drehleiter sorgen werden – eine konsequente Weiterentwicklung der ursprünglichen Idee, den Feuerwehrleuten zu helfen, die ihr Leben riskieren. mk

Auf einen Blick

• Die Dehnungsmessstreifen der Serie Digisens von STW wurden zur Messung von Dehnungen an Maschinen- und Anlagenteilen entwickelt.

• Das Besondere ist die Montagetechnik, die durch den Mitarbeiter direkt in der Fertigung erfolgen kann; im Servicefall lässt sich der Sensor auch vor Ort wechseln.

• Durch die Übernahme der Kalibrierdaten ist eine Anlage innerhalb kürzester Zeit wieder einsatzbereit. Es muss nur ein Offset-Abgleich erfolgen.

Erschienen in Ausgabe: 07/2017