六點(diǎn)支撐自動調(diào)平系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

湯 輝,陳建平

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 機(jī)械傳動與控制工程實(shí)驗(yàn)室,合肥230088)

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六點(diǎn)支撐自動調(diào)平系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

湯 輝,陳建平

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 機(jī)械傳動與控制工程實(shí)驗(yàn)室,合肥230088)

對車載自動調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的描述與討論。列舉了目前典型自動調(diào)平系統(tǒng)的類型和特點(diǎn),通過對六點(diǎn)自動調(diào)平系統(tǒng)的受力模型分析,得出了車載上裝設(shè)備的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計的指導(dǎo)原則。重點(diǎn)研究了六點(diǎn)支撐共同參與調(diào)平過程的控制策略,并通過設(shè)計實(shí)例歸納了撐腿在自動調(diào)平過程中伸長量的計算方法。對自動調(diào)平系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)如虛腿、安全性等問題也進(jìn)行了梳理和總結(jié)。

車載自動調(diào)平系統(tǒng);六點(diǎn)支撐;靜不定;虛腿

0 引 言

自動調(diào)平系統(tǒng)在車載軍事裝備和工程機(jī)械中有著廣泛的應(yīng)用。隨著調(diào)平對象規(guī)模的不斷增大和調(diào)平精度的提高,調(diào)平支撐從三點(diǎn)發(fā)展到四點(diǎn)、六點(diǎn)甚至更多。眾所周知,三點(diǎn)確定一個平面,所以三點(diǎn)支撐不但可以確定一個平面,而且可以保證每條支腿的受力狀態(tài)的重復(fù)性,是控制策略最容易實(shí)現(xiàn)的支撐方式。但是,考慮實(shí)際裝備的穩(wěn)定性、抗傾覆性以及單腿承載力的有限性,四點(diǎn)調(diào)平和六點(diǎn)調(diào)平在工程中卻有著大量的應(yīng)用,尤其是四點(diǎn)調(diào)平是當(dāng)前主流裝備普遍采用的形式。當(dāng)然,由于四點(diǎn)調(diào)平是一次超靜定系統(tǒng),提高剛度和穩(wěn)定性是以增加靜不定次數(shù)、加大控制難度為代價的。目前工程實(shí)際中已經(jīng)成功解決了由于超靜定問題帶來的耦合和虛腿問題,一種方法是將四條調(diào)平支腿解耦為兩個方向,在兩個方向上分別布置水平傳感器,檢測水平度,通過兩個方向的調(diào)平實(shí)現(xiàn)平臺調(diào)平,即在一個方向調(diào)平平臺,然后鎖定該方向的水平度,再調(diào)平另外一個方向,可重復(fù)多次調(diào)節(jié),遵守只升不降的原則;另外一種是通過建立平臺調(diào)節(jié)控制的數(shù)學(xué)模型,同時調(diào)節(jié)四條支腿,實(shí)現(xiàn)對平臺的水平調(diào)整。當(dāng)平臺需要更好的剛性和更高的調(diào)平精度時,六點(diǎn)支撐則成為可選的手段。六點(diǎn)支撐是一個三次超靜不定系統(tǒng),系統(tǒng)的控制策略設(shè)計和穩(wěn)定性控制難度更高。所以,目前在實(shí)際工程中大多采用以其中兩個支點(diǎn)為輔助支撐,實(shí)際參與調(diào)平的依然是四個支撐點(diǎn)。而這種調(diào)平方法對單腿的動態(tài)承載力提出了很高的要求,尤其是平臺上裝質(zhì)量不斷增大、撐腿安裝空間無法增加的情況下四點(diǎn)調(diào)平+兩點(diǎn)輔助的方法已很難滿足系統(tǒng)要求。六點(diǎn)支撐共同參與調(diào)平是必然趨勢,對六點(diǎn)支撐自動調(diào)平系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的研究則非常必要。

1 模型分析

為了各撐腿能夠平均承擔(dān)上裝質(zhì)量,需要對平臺上裝的質(zhì)心進(jìn)行布局。所以,首先需要對平臺系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)建模,以此從理論上保證支腿的受力能調(diào)整到基本一致,盡量降低單腿的最大承載載荷,以降低撐腿的設(shè)計難度。圖1為平臺簡圖。

圖1 平臺簡圖

本文對平臺系統(tǒng)的靜力學(xué)模型進(jìn)行分析,分析過程作出如下假設(shè):

(1) 地面是絕對剛性的;

(2) 平臺是絕對剛性的;

(3) 平臺支撐的彈性變形滿足虎克定律。

如圖1,平臺上六個支撐點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(0,0)、(Lc,0)、(La,0)、(La,Lb)、(Lc,Lb)、(0,Lb),總質(zhì)量為M,重力作用點(diǎn)的坐標(biāo)為(Lx,Lb/2)。當(dāng)平臺處于水平狀態(tài)時,支撐的內(nèi)力和變形滿足靜力學(xué)方程。由力平衡可得:

F1+F2+F3+F4+F5+F6=9.8M

由力矩平衡可得(以3和4支點(diǎn)連線為支撐):

F1*La+F2*(La-Lc)+F5*(La-Lc)+F6*La

=9.8M*(La-Lx)

其中,F1～F6為支腿1～6的受力;Lx為上裝質(zhì)量質(zhì)心距離1腿的X軸向距離;La為3、4腿距離1腿的X軸向距離;Lb為4、5、6腿距離1腿的Y軸向距離;Lc為2、5腿距離1腿的X軸向距離。

一般情況下,上裝質(zhì)量質(zhì)心在車輛平臺的Y軸向中心,即支腿1、2、3和支腿4、5、6受力情況相同,F1=F6,F2=F5,F3=F4,那么上式可以分別變換成:

F1+F2+F3=4.9M

F1*La+F2*(La-Lc)=4.9M*(La-Lx)

系統(tǒng)設(shè)計要求F1=F2=F3=9.8 M/6,通過上述計算可得Lx=(La+Lc)/3。

因此,為了保證六點(diǎn)支撐調(diào)平系統(tǒng)的各撐腿受力均勻一致,在載車平臺長度一定的情況下,需要從上裝質(zhì)量質(zhì)心和中間兩個撐腿的位置布置著手,盡量使得各撐腿受力均勻。

2 調(diào)平策略

調(diào)平策略與驅(qū)動形式?jīng)]有必然關(guān)系。本文僅從控制算法角度去討論在六點(diǎn)支撐系統(tǒng)中調(diào)平策略的選擇問題。目前,在車載調(diào)平系統(tǒng)中,調(diào)平控制策略主要分為兩種:角度誤差控制調(diào)平法和位置誤差調(diào)平法。

角度誤差控制調(diào)平法以雙軸水平傳感器的測量值為依據(jù),與撐腿驅(qū)動形成閉環(huán)控制,通過兩個方向先后獨(dú)立多次循環(huán)調(diào)整,達(dá)到解耦和調(diào)平的目的。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要掌握撐腿和水平傳感器的具體安裝位置和相互關(guān)系,且撐腿的伸出行程計算功能也沒有強(qiáng)制要求,算法簡單。它的缺點(diǎn)是調(diào)平時間慢,且僅適用于三點(diǎn)或四點(diǎn)調(diào)平系統(tǒng),無法滿足六點(diǎn)調(diào)平系統(tǒng)多點(diǎn)共同參與調(diào)平的要求。

位置誤差調(diào)平法的控制原理是:在撐腿落地完成后,以某一條撐腿為基準(zhǔn),保持該撐腿不動,根據(jù)調(diào)平撐腿和水平傳感器的安裝位置關(guān)系尺寸和當(dāng)前水平傳感器的測量值,計算出其他撐腿的伸長量或收回量,控制撐腿執(zhí)行相應(yīng)的伸縮量,完成調(diào)平。該方法的優(yōu)點(diǎn)是適用于任意數(shù)量支撐腿的調(diào)平系統(tǒng),且調(diào)平時間快。它的缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)需要掌握支撐點(diǎn)和傳感器的位置關(guān)系,軟件算法復(fù)雜,調(diào)平撐腿要求具備行程計算功能,調(diào)平精度受到系統(tǒng)剛性、傳動間隙以及安裝尺寸誤差等因素的影響,當(dāng)然也可以通過閉環(huán)修正彌補(bǔ)上述誤差帶來的影響。本文根據(jù)六點(diǎn)支撐調(diào)平系統(tǒng)的特點(diǎn),選擇位置誤差調(diào)平法中的“追高法”進(jìn)行討論?！白犯叻ā奔幢３致涞睾笳{(diào)平撐腿中的追高點(diǎn)不同,其他支撐點(diǎn)向上運(yùn)動與之對齊,當(dāng)各點(diǎn)達(dá)到最高點(diǎn)位置時平臺即處于水平狀態(tài)。這種方法能在一定程度上解決虛腿的問題[1]。

圖2 六點(diǎn)調(diào)平“追高法”撐腿伸長量計算示意

如圖2所示,以水平傳感器的安裝位置處平面為調(diào)平對象,以撐腿1支點(diǎn)處為直角坐標(biāo)原點(diǎn),各撐腿的支點(diǎn)坐標(biāo)為(Xi,Yi,Zi)(i=1,2,3,4,5,6),水平傳感器安裝位置的坐標(biāo)為(Sx,Sy,Sz)。假設(shè)當(dāng)前水平傳感器的輸出值為(Ax,Ay),撐腿落地完成后通過傳感器的輸出值可以容易地判斷出最高點(diǎn)為4號支撐腿,則在接下來的調(diào)平程序中保持4號支撐腿不動,其余撐腿的伸長量計算如下[2](見圖3)。

首先計算X方向上支腿5、6的伸長量:

圖3 X軸調(diào)平撐腿伸長量計算示意

由于△L5和△L6不影響Y方向的水平度,為了保持在調(diào)節(jié)X方向水平值時的Y向水平度,使撐腿1和2也相應(yīng)地伸長△L5和△L6,則X向水平值調(diào)整完成。

接下來進(jìn)行Y方向調(diào)節(jié),伸長量計算如下(見圖4)。

圖4 Y軸調(diào)平撐腿伸長量計算示意

顯然,撐腿1和2在Y方向調(diào)整中的伸長量也為△L3。

總結(jié)上述過程,則在撐腿落地完成后執(zhí)行自動調(diào)平階段各撐腿的伸長量分別為

△L1=X4×tanAx+Y4×tanAy

△L2=(X4-X5)×tanAx+Y4×tanAy

△L3=Y4×tanAy

△L4=0

△L5=(X4-X5)×tanAx

△L6=X4×tanAx

上述討論建立在地面和平臺均是絕對剛性的前提下,而這種假設(shè)在實(shí)際工程中卻是不可能完全滿足的。為了解決這種非剛性對調(diào)平策略和調(diào)平精度的影響,可以采用多次反復(fù)調(diào)整的方法克服其帶來的影響。

3 虛腿問題

“虛腿”問題是自動調(diào)平系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究的重點(diǎn),也是工程化實(shí)現(xiàn)中必須要面對和解決的難題。引起虛腿的根本原因在于四點(diǎn)或六點(diǎn)自動調(diào)平系統(tǒng)是一個典型的超靜定系統(tǒng)。盛英等在《6腿支撐液壓式平臺自動調(diào)平算法》一文中提出了參照Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)[3],將高次靜不定平臺結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為靜定結(jié)構(gòu),避免了虛腿問題。但是,該方案在工程中應(yīng)用案例極少。施勤等在《基于油壓檢測的雷達(dá)車全自動調(diào)平策略》一文中提出在自動調(diào)平系統(tǒng)中基于油壓檢測原理解決虛腿支撐的策略[4],也討論了油壓檢測中普遍遇到的工程難題,如環(huán)境溫度的影響、結(jié)構(gòu)因素的影響等,但所提出的解決辦法只是起到改善或者提高的作用,并沒有從根本上解決問題。另外,油壓檢測的方法只適用于液壓式調(diào)平系統(tǒng),機(jī)電調(diào)平系統(tǒng)則無法采用。目前,機(jī)電調(diào)平系統(tǒng)普遍采用的減小虛腿現(xiàn)象出現(xiàn)概率的方法是采用只升不降的調(diào)平策略,通過實(shí)時采集電機(jī)電流和多次循環(huán)調(diào)平的方法達(dá)到避免虛腿的目的。但是,該方法依然受到環(huán)境溫度等客觀因素的影響,且多次循環(huán)調(diào)平和只升不降的方法也使得系統(tǒng)的調(diào)節(jié)余量越來越小。

圖5 調(diào)平撐腿落地檢測原理

根據(jù)六點(diǎn)自動調(diào)平系統(tǒng)的特點(diǎn),本文討論一種新穎的落地檢測的方法。通過該方法可以實(shí)時準(zhǔn)確檢測撐腿的落地情況,檢測結(jié)果基本上不受其他因素的影響。無論是油壓檢測還是電機(jī)電流檢測都是通過外部物理量的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來進(jìn)行判斷,而物理量即液壓系統(tǒng)的壓力或者電機(jī)轉(zhuǎn)矩均會受到外部環(huán)境或者機(jī)械部分的不定因素的影響。如果落地檢測或者虛腿檢測能夠直接通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的固定變化轉(zhuǎn)換成開關(guān)量,則大大降低了外界因素的影響。在調(diào)平撐腿的設(shè)計中采用滑塊限位結(jié)構(gòu),滑槽的長度比滑塊的長度大2～4 mm。當(dāng)撐腿落地受力后,只要克服撐腿自身的重量,即可推動滑塊從滑槽的底部運(yùn)動到頂部。由于檢測距離的變化,引起了撐腿頂部接近開關(guān)點(diǎn)亮,指示撐腿落地完成。撐腿側(cè)面的接近開關(guān)通過檢測同軸安裝在撐腿傳動機(jī)構(gòu)上的齒輪齒面進(jìn)行開關(guān)計數(shù),實(shí)現(xiàn)撐腿行程的實(shí)時監(jiān)控,一方面作為調(diào)平策略的支撐,另一方面也可以防止撐腿伸出超出行程,同時也能夠作為撐腿是否收回到位的檢測條件。

顯然,本文所討論的撐腿落地檢測方法克服了外部環(huán)境因素的影響,通過在撐腿落地前后機(jī)械結(jié)構(gòu)上的變化實(shí)現(xiàn)落地檢測或虛腿檢測,只要撐腿的重量一致即可保證撐腿穩(wěn)定可靠且重復(fù)性一致的落地檢測性能。通過調(diào)節(jié)檢測開關(guān)的檢測距離,可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)撐腿落地的受力程度,滿足不同載車和產(chǎn)品的落地要求。另外,值得一提的是,該設(shè)計中所有的檢測開關(guān)均布置在容易達(dá)到的地方,符合工程設(shè)計中維修性的要求,即方便維修更換又易于觀察[5]。

4 安全性問題

這里要討論的是除了第4條描述的“虛腿”問題以外帶來的安全性隱患。車載自動調(diào)平系統(tǒng)一般上載重量較重,且上裝設(shè)備體積和高度都比較大,一旦最基礎(chǔ)的平臺調(diào)平存在安全隱患,那么其對整個設(shè)備和人員的安全會帶來極大的危害。為此,本文專門討論自動調(diào)平系統(tǒng)普遍存在的安全性問題及應(yīng)對措施。

水平傳感器是自動調(diào)平系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,圍繞其展開安全性的討論是必要的。水平傳感器的故障大致會對系統(tǒng)帶來兩種可能,一是調(diào)平控制器接收到的水平值始終是零或極大值,另一種可能是傳感器始終輸出一個固定的有效值,但不隨平臺的運(yùn)動而變化。無論是哪一種情況,在不同的調(diào)平策略中,如果不加以對水平值進(jìn)行實(shí)時判斷都會帶來撐腿一直伸出,或者無法真正完成調(diào)平的故障出現(xiàn),給上裝設(shè)備帶來安全隱患。為此,首先應(yīng)該在調(diào)平控制程序中對接收到的水平值進(jìn)行實(shí)時地判斷。如果一旦水平值出現(xiàn)超出正常的預(yù)設(shè)范圍,或者撐腿落地完成后繼續(xù)伸出時水平值不會變化,均要求系統(tǒng)立即停止動作且聲光報警輸出提醒操作人員進(jìn)行系統(tǒng)檢查。

另一種故障現(xiàn)象與“虛腿”正好相反。當(dāng)檢測落地的接近開關(guān)損壞時,系統(tǒng)即失去了該條撐腿落地檢測的功能,如果不設(shè)置保護(hù)措施,則該撐腿會一直伸出,直到行程超限為止。一旦出現(xiàn)這種情況,輕則無法完成正常調(diào)平,重則會造成整車的大角度傾斜,異常危險。針對這種情況的保護(hù)措施是,在執(zhí)行落地過程中實(shí)時監(jiān)控?fù)瓮壬斐鲂谐?預(yù)設(shè)落地檢測段的伸出行程最大值,一旦超出該值還沒有完成落地檢測就立即停止工作并報警輸出。另外,根據(jù)對架設(shè)地形的要求,可以計算出各條撐腿落地階段所用行程或者時間的最大間隔,根據(jù)其他撐腿的落地情況,也可以作為避免該撐腿出現(xiàn)上述情況的軟手段。

第3種情況是當(dāng)檢測行程的接近開關(guān)損壞時,無法實(shí)時監(jiān)控?fù)瓮刃谐處淼挠绊?。顯然,這時會影響前面兩種情況的保護(hù)措施的設(shè)置,也會帶來無法實(shí)現(xiàn)撐腿收回到位的判斷和伸出最大行程的保護(hù)等功能的失效。針對這種情況的保護(hù)措施是,在撐腿伸出或收回時,以一定的時間間隔判斷行程計數(shù)值的變化,一旦發(fā)現(xiàn)撐腿動作一定間隔時間前后計數(shù)值沒有變化,立即停止動作并報警輸出。

5 結(jié)束語

六點(diǎn)自動調(diào)平系統(tǒng)在大型車載設(shè)備中的應(yīng)用越來越普遍。筆者結(jié)合自己多年的工程經(jīng)驗(yàn),對工程化的車載自動調(diào)平進(jìn)行了系統(tǒng)性的討論和分析,其中重點(diǎn)闡述了六點(diǎn)支撐調(diào)平系統(tǒng)中上裝質(zhì)心與撐腿布局、撐腿伸長量、虛腿控制和安全性等實(shí)際工程問題的解決方法,對于相關(guān)工程技術(shù)人員具有一定的借鑒和參考意義。

[1] 姜偉偉,高云國,等. 大型光電設(shè)備基準(zhǔn)平面自動調(diào)平系統(tǒng)[J]. 光學(xué)精密工程,2009,17(5):1039-1045.

[2] 李斌,李洪,等. 重載平臺精確調(diào)平方法的研究[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造,2008(9):99-101.

[3] 盛英,仇原鷹. 6腿支撐液壓式平臺自動調(diào)平算法[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002,29(5):593-597.

[4] 施勤,岳振興.基于油壓檢測的雷達(dá)車全自動調(diào)平策略[J]. 現(xiàn)代雷達(dá),2010,32(10):73-76.

[5] 陸作其,單春賢,等. 車載雷達(dá)自動調(diào)平系統(tǒng)中虛腿的模糊控制[J]. 數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識,2010,40(3):115-122.

Research on key technologies of an automatic leveling system with six legs

TANG Hui, CHEN Jian-ping

(Laboratory of Mechanical Transmission and Control Engineering,No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

The vehicle-borne automatic leveling system is described and discussed in detail, and the types and characteristics of the current typical automatic leveling systems are listed. The guiding principles of the structure layout of the equipment on the leveling system are obtained through the force model analysis of the automatic leveling system with six legs. The control strategies of the automatic leveling system with six legs are studied emphatically, and the method of calculating the elongation in the leveling progress is concluded through the design instances. The key technologies such as the weak leg and the system safety are also summarized.

vehicle-borne automatic leveling system; six legs; static indetermination; weak leg

2016-09-10;

2016-09-27

湯輝(1980-),男,高級工程師,研究方向:雷達(dá)伺服系統(tǒng)研制開發(fā);陳建平(1965-),男,研究員,研究方向:雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體。

TP271

A

1009-0401(2016)04-0060-04