特種車(chē)輛用多點(diǎn)智能自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的研制

邵益龍 田鋒 王國(guó)忠 張繼剛

杭州恒宏機(jī)械有限公司 浙江杭州 311212

1 前言

目前，調(diào)平系統(tǒng)主要有三種形式：液壓調(diào)平、機(jī)電調(diào)平及手動(dòng)調(diào)平。液壓調(diào)平形式大量應(yīng)用在工程車(chē)輛上[1]，包括起重機(jī)械和建筑機(jī)械等設(shè)備上，但對(duì)于調(diào)平要求較高的車(chē)輛或平臺(tái)，往往采用液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，它的缺點(diǎn)是液壓系統(tǒng)要一直處于工作狀態(tài)，即使采用液壓鎖也不能保證平臺(tái)較長(zhǎng)時(shí)間處于高精度位置參數(shù)要求的穩(wěn)定狀態(tài)。

而普通的機(jī)械電控形式通常裝置于調(diào)平平臺(tái)上，以四點(diǎn)調(diào)平的形式進(jìn)行調(diào)平。調(diào)平系統(tǒng)工作時(shí)由水平傳感器傳遞角度信號(hào)給控制系統(tǒng)[2]，控制系統(tǒng)通過(guò)控制電機(jī)、傳遞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的精確調(diào)平，并通過(guò)電機(jī)制動(dòng)器的制動(dòng)，對(duì)調(diào)平后的支撐系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的鎖定[3]。機(jī)械電控的形式可以達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間的鎖定調(diào)平，但是也存在調(diào)平時(shí)間較長(zhǎng)，調(diào)平步驟較繁瑣的問(wèn)題。

手動(dòng)電控形式是目前有些單位為節(jié)約成本后實(shí)行的一種新型調(diào)平形式。缺點(diǎn)是調(diào)平時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，優(yōu)點(diǎn)是成本較低。

本項(xiàng)目研制的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，可以更加高效地完成調(diào)平，可適用于特種車(chē)輛以及其他有調(diào)平需求的車(chē)輛及場(chǎng)合。其調(diào)平精度高、速度快、操作使用簡(jiǎn)便，能夠極大地縮短調(diào)平時(shí)間，并且使其裝載大噸位化，達(dá)到單腿最大支撐30 t?？蓴U(kuò)展使用范圍，適用于有調(diào)平需求的雷達(dá)、通訊、檢測(cè)等特種車(chē)輛，使車(chē)輛在特殊情況下利用電動(dòng)調(diào)平支腿實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)平，從而具有平穩(wěn)、防盜和防車(chē)輛輪胎老化等功能，該系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景和較高的使用價(jià)值。

2 項(xiàng)目主要研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容

本項(xiàng)目以多點(diǎn)智能自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)、頂升機(jī)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)和信號(hào)傳輸系統(tǒng)，保證系統(tǒng)在正常工作時(shí)穩(wěn)定、可靠，最終推廣并實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)、應(yīng)用。

2.1 系統(tǒng)總體構(gòu)造設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由四個(gè)主要部分組成，如圖1所示。調(diào)平支腿系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)械支腿及調(diào)平系統(tǒng)組成；下位機(jī)控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成；液晶屏服務(wù)系統(tǒng)主要由嵌入式系統(tǒng)和觸摸式液晶屏組成；遙控器無(wú)線系統(tǒng)主要由無(wú)線收發(fā)模塊和指令系統(tǒng)組成。

圖1 控制線路示意圖

2.2 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種以電機(jī)做動(dòng)力裝置的支腿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速功能和大噸位的舉升。機(jī)械傳動(dòng)由四部份組成，如圖2所示。

圖2 調(diào)平系統(tǒng)總體示意圖

a. 動(dòng)力系統(tǒng)。動(dòng)力系統(tǒng)由DC24V無(wú)刷電機(jī)承擔(dān)，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)動(dòng)力的供給，系統(tǒng)采用DC24V的直流無(wú)刷電機(jī)，能夠提高整套系統(tǒng)的工作精度，使之能夠滿足工業(yè)以及軍工要求。

b. 減速系統(tǒng)。通過(guò)行星減速機(jī)對(duì)電機(jī)直接減速，再通過(guò)齒輪箱減速，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降低，同時(shí)增大輸出扭矩。減速系統(tǒng)的主要任務(wù)是把電機(jī)輸出的較高轉(zhuǎn)速降低至適宜于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)要求的低轉(zhuǎn)速，同時(shí)逐級(jí)傳遞并放大系統(tǒng)的扭矩，使各項(xiàng)參數(shù)符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的數(shù)值，以保證系統(tǒng)處于正常、平穩(wěn)的工作狀態(tài)。

c. 頂升系統(tǒng)。由減速系統(tǒng)輸出軸帶動(dòng)絲桿副運(yùn)動(dòng)，絲桿副使系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，達(dá)到頂升需要的運(yùn)動(dòng)形式；頂升系統(tǒng)的主要工作是把動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)過(guò)減速系統(tǒng)后的低轉(zhuǎn)速、大扭矩的工況轉(zhuǎn)化成上下的舉升運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到系統(tǒng)要求的運(yùn)動(dòng)工況；考慮到系統(tǒng)使用的是有限的車(chē)載電源，因此在這里不采用傳統(tǒng)的磨擦傳動(dòng)副，而使用高效率的滾動(dòng)傳動(dòng)副——滾珠絲桿副，以提高效率，降低有限的車(chē)載電源消耗。

d. 信號(hào)傳輸系統(tǒng)。根據(jù)電子控制的需要，在一些特定的位置設(shè)置電信號(hào)傳送裝置，以告知控制系統(tǒng)支腿的運(yùn)動(dòng)狀況。為配合電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)要求的控制功能，在支腿運(yùn)動(dòng)到極端位置時(shí)，設(shè)置了位置信號(hào)，位置信號(hào)由微動(dòng)開(kāi)關(guān)或接近開(kāi)關(guān)擔(dān)任，為配合電氣控制系統(tǒng)正確判斷支腿的工作狀態(tài)及工作進(jìn)程，防止系統(tǒng)的誤動(dòng)作。

2.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種具有友好人機(jī)交互界面和高速高精度特點(diǎn)的控制系統(tǒng)，可完成實(shí)時(shí)快速采樣目標(biāo)平臺(tái)的水平值及支腿狀態(tài)數(shù)據(jù)值。進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)，通過(guò)控制系統(tǒng)控制支腿狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)平臺(tái)快速高精度調(diào)平，采用無(wú)線發(fā)射技術(shù)方便操作?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)分為三部分：嵌入式控制系統(tǒng)部分、液晶屏控制部分和遙控器控制部分，如圖4所示。嵌入式控制系統(tǒng)部分主要負(fù)責(zé)支腿電壓電流信息的采集、支腿位置狀態(tài)的采集和支腿接觸器的繼電器控制，由Atmega64單片機(jī)負(fù)責(zé)嵌入式控制系統(tǒng)的運(yùn)行；液晶屏控制部分提供四個(gè)支腿狀態(tài)信息的顯示和四個(gè)支腿的動(dòng)作控制，以Atmel ARM9為處理核心，提供自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種方式；遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)提供手動(dòng)控制支腿上行、支腿下行、停止等功能。嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下。

圖4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2.3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

嵌入式控制系統(tǒng)部分（圖5）主要負(fù)責(zé)四個(gè)支腿電壓電流信息的采集、支腿位置狀態(tài)的采集和支腿接觸器的繼電器控制，由Atmega64單片機(jī)總體負(fù)責(zé)嵌入式控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.3.2 軟件控制程序的設(shè)計(jì)

人機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)顯示內(nèi)容如圖6所示。

a. 當(dāng)前水平度——角度值；

b.各電機(jī)工作電流——4個(gè)電機(jī)；

c.各電機(jī)升降運(yùn)動(dòng)狀態(tài)——升、降、停止、轉(zhuǎn)腳四種；

d.限位信息——上下限位，只需要提示，針對(duì)4個(gè)電機(jī)；

e.當(dāng)前電壓值——總電壓值；

f.電機(jī)觸地狀態(tài)——觸地、未觸地，兩種狀態(tài)；

g.系統(tǒng)故障點(diǎn)顯示——嵌入式控制系統(tǒng)提供；

h.報(bào)警顯示：欠壓、過(guò)流、水平度失衡、上下限位、腳傾斜；

i.調(diào)平模式：手動(dòng)、自動(dòng)兩種可以任意選擇。

手動(dòng)調(diào)平操作：只在手動(dòng)調(diào)平時(shí)生效。為了顯示方便，可用另一個(gè)窗體來(lái)顯示手動(dòng)調(diào)平模式。

預(yù)警信息：欠壓、過(guò)流、水平度失衡、上下限位、腳傾斜，同時(shí)輸出指令讓MCU板控制報(bào)警接口，協(xié)議自定。

3 技術(shù)要點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

圖6 主工作界面

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 快速收放調(diào)速機(jī)制

3.1.1.1 電機(jī)變速

使用無(wú)刷電機(jī)可調(diào)轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，將額定轉(zhuǎn)速為1800 rad/min的電機(jī)在空行程階段加速到3000 rad/min，使支腿收放速度達(dá)到10 mm/s，如果250 mm的空行程只需要25 s就可以完成。并且在接近支撐工作時(shí)可降低轉(zhuǎn)速，進(jìn)入高精度的調(diào)平階段，由此大大提高工作效率。

3.1.1.2 增設(shè)自動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)

通過(guò)在電機(jī)出軸端增設(shè)無(wú)級(jí)變速器，可保證支腿下放及頂升過(guò)程中，輸出動(dòng)力不間斷，同時(shí)可彌補(bǔ)電機(jī)調(diào)速的局限性。

3.1.2 具有通信功能智能化控制系統(tǒng)

兩個(gè)角度傳感器SCA103T負(fù)責(zé)對(duì)X、Y兩維方向的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前傾角狀態(tài)的檢測(cè)，兩路ADC實(shí)現(xiàn)對(duì)支腿電壓和電流的檢測(cè)，Atmega64單片機(jī)采集4路支腿的位置狀態(tài)信息，并有4路繼電器輸出控制支腿動(dòng)作。嵌入式控制系統(tǒng)通過(guò)RS485接口與液晶屏進(jìn)行通信，利用MAX485芯片實(shí)現(xiàn)RS485通信，傳輸距離可達(dá)100 m。

3.1.2.1 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采樣

支腿狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采樣和目標(biāo)平臺(tái)水平度數(shù)據(jù)采樣的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性是調(diào)平系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)平目的的重要數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

a. 目標(biāo)平臺(tái)水平度監(jiān)控采樣高精度傾角傳感器作為檢測(cè)單元，傾角傳感器數(shù)據(jù)輸出速率達(dá)到了200 次/s，有效保證目標(biāo)平臺(tái)水平度的實(shí)時(shí)檢測(cè)；

b. 設(shè)計(jì)電流、扭力檢測(cè)部件，限位及高速脈沖接收端口，實(shí)時(shí)檢測(cè)支腿當(dāng)前的狀態(tài)，控制系統(tǒng)分析支腿狀態(tài)，指令支腿的動(dòng)作。

3.1.2.2 智能化程序算法

通過(guò)試驗(yàn)建立數(shù)學(xué)模型：

調(diào)平試驗(yàn)平臺(tái)在非水平狀態(tài)下的靜力學(xué)模型，也就是在調(diào)平過(guò)程沒(méi)有結(jié)束，在調(diào)平過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行靜力學(xué)分析。試驗(yàn)平臺(tái)在人為調(diào)整水平時(shí)，對(duì)平臺(tái)建立數(shù)學(xué)模型，研究各個(gè)支腿的受力情況。首先在進(jìn)行建模計(jì)算時(shí)，支腿處于理想情況下，只承受豎直方向的力。

3.1.3 可靠性

因?yàn)樘胤N車(chē)輛的使用環(huán)境有時(shí)非常惡劣，有時(shí)會(huì)在溫度非常低的北方或者戈壁灘上，因此對(duì)整套調(diào)平系統(tǒng)的耐低溫要求非常高。對(duì)此情況，筆者對(duì)整套調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行了耐低溫設(shè)計(jì)，包括使用耐低溫的電子元器件，耐低溫的觸摸屏，-40℃的耐低溫油脂，軍工級(jí)的-40℃～+70℃低溫電機(jī)和控制器。

由于本控制系統(tǒng)中，控制元件為低溫?zé)o刷直流電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)角和滾珠絲桿的輸出位移一一對(duì)應(yīng)，故采用位置型PID控制器，通過(guò)角度傳感器，輸出目標(biāo)為滾珠絲桿的輸出位移。

3.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

3.2.1 一鍵調(diào)平的嵌入式智能化控制

實(shí)時(shí)采樣目標(biāo)平臺(tái)的水平狀態(tài)，各個(gè)支腿舉升時(shí)的負(fù)載質(zhì)量、電流、支腿的當(dāng)前狀態(tài)，反饋給調(diào)平控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)平數(shù)學(xué)模型計(jì)算，自動(dòng)判別支腿的高低，將動(dòng)作指令分配給相應(yīng)的支腿，形成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)從自動(dòng)放腿到支腿著地支撐，再到系統(tǒng)調(diào)平完畢，并自動(dòng)排除虛腿，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全自動(dòng)完成所有動(dòng)作，并實(shí)時(shí)判別工作狀態(tài)是否異常等。

自動(dòng)調(diào)平裝置控制器為自動(dòng)調(diào)平裝置的控制核心，主要由嵌入式控制器、I/O接口模塊組、顯示屏、繼電器、電流測(cè)樣傳感器、蜂鳴器、電源轉(zhuǎn)換電路、開(kāi)關(guān)、旋鈕、連接電纜和接插件等附件組成。

3.2.2 負(fù)載自適應(yīng)性快速調(diào)節(jié)功能

根據(jù)調(diào)平系統(tǒng)的使用特點(diǎn)，支腿在放腿過(guò)程中，部分行程為空載運(yùn)行，為了縮短調(diào)平的時(shí)間，支腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選用寬范圍調(diào)速的伺服電機(jī)，配合變速機(jī)構(gòu)，在控制系統(tǒng)檢測(cè)到支腿為空載運(yùn)行時(shí)，大范圍地提高運(yùn)行速度，當(dāng)支腿承受載荷時(shí)，控制系統(tǒng)適時(shí)增加電機(jī)輸出扭矩，調(diào)整電機(jī)速度，使系統(tǒng)具有大扭力舉升的能力。

3.2.3 負(fù)載阻尼動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)

當(dāng)支腿收回時(shí)受到負(fù)載向下的壓力，為了保證設(shè)備的安全，防止目標(biāo)平臺(tái)下降時(shí)失控，采用自主研發(fā)的滾珠絲桿負(fù)載阻尼裝置，應(yīng)用脈沖寬度調(diào)節(jié)制式，當(dāng)外部負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，采樣電阻上的電壓隨之發(fā)生變化，將其反饋至嵌入式控制系統(tǒng)上進(jìn)行處理，從而調(diào)節(jié)輸出電流，保證調(diào)平支撐腿勻速下降。

3.3 主要技術(shù)與性能指標(biāo)

3.3.1 基本功能

a. 自動(dòng)放列：水平檢測(cè)與調(diào)平執(zhí)行子系統(tǒng)應(yīng)能接收來(lái)自控制器或者操作人員指令，自動(dòng)下降電動(dòng)調(diào)平支腿，直到各電動(dòng)調(diào)平支腿全部著地并保證一定的著地壓力，向控制器返回放列完畢的信號(hào)；

b. 自動(dòng)調(diào)平：在自動(dòng)放置電動(dòng)調(diào)平支腿之后，控制器應(yīng)能根據(jù)水平傳感器測(cè)量車(chē)輛傾斜的角度，控制電動(dòng)調(diào)平支腿的升降使得傾斜角度滿足調(diào)平精度要求，水平檢測(cè)與調(diào)平執(zhí)行子系統(tǒng)應(yīng)能給控制器返回調(diào)平結(jié)束信號(hào)；

c. 自動(dòng)撤收：水平檢測(cè)與調(diào)平執(zhí)行子系統(tǒng)在接收到撤收指令后，應(yīng)能自動(dòng)完成解鎖，收回電動(dòng)調(diào)平支腿，待完全到位后，給控制器返回撤收完畢信號(hào)；

d. 手動(dòng)放列和撤收：在自動(dòng)控制器出現(xiàn)故障或特殊情況下，系統(tǒng)應(yīng)能通過(guò)人工按鈕操作完成上述動(dòng)作。

3.3.2 主要技術(shù)指標(biāo)

a. 控制方式：支持手動(dòng)、自動(dòng)兩種方式；

b. 電壓：DC24 V或AC220 V；

c. 系統(tǒng)負(fù)載≤60 t；

d. 控制系統(tǒng)調(diào)平精度：傾斜角誤差±0.01°；

e. 系統(tǒng)頂平時(shí)間≤5 min；展開(kāi)時(shí)間≤5 min；

f. 調(diào)平時(shí)間≤30 s；

g. 坡度要求≤3°。

4 結(jié)語(yǔ)

多點(diǎn)智能自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)采用了電動(dòng)調(diào)平支腿、嵌入式系統(tǒng)、WINCE、線通信等高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特種車(chē)輛的自動(dòng)或手動(dòng)水平調(diào)節(jié)。通過(guò)模擬系統(tǒng)完整工作流程的方式在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行系統(tǒng)樣機(jī)的聯(lián)調(diào)測(cè)試與功能試驗(yàn)，主要包括RS485通信測(cè)試、無(wú)線遙控距離測(cè)試、無(wú)線通信誤碼率等系統(tǒng)聯(lián)調(diào)工作，整體系統(tǒng)疲勞測(cè)試、可靠性測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中驗(yàn)證系統(tǒng)總體功能和性能指標(biāo)均達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)系統(tǒng)樣機(jī)的完整功能在實(shí)驗(yàn)室功能測(cè)試的基礎(chǔ)通過(guò)了更嚴(yán)格的廠房現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。因此，產(chǎn)品具有廣闊的應(yīng)用前景和較高的附加值。

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