一種全自動下車支腿調(diào)平系統(tǒng)

蘇亮 熊憶 段娟香 艾國棟

長沙中聯(lián)消防機(jī)械有限公司 湖南長沙 410300

1 前言

在分秒必爭的火災(zāi)救援現(xiàn)場，消防設(shè)備快速進(jìn)入工作就緒狀態(tài)，對于提升救援效率，減少損失，意義重大。裝備一鍵式自動操作系統(tǒng)能夠減少操作步驟，同時，高效、穩(wěn)定的自動操作過程也可以節(jié)省人工操作的耗時，減少動作完成時間，從而提升整體功能的易用性、快速性，具有積極的意義。

2 現(xiàn)有車輛下車支腿調(diào)平系統(tǒng)

目前，現(xiàn)有的車輛下車支腿調(diào)平方式有兩種,手動調(diào)平方式和自動調(diào)平方式。其中，手動調(diào)平的方式耗時長，依賴熟練的操作人員，不利于提高消防作業(yè)效率。

自動調(diào)平的方式也有如下問題：

a.車身本身存在變形，調(diào)平結(jié)束后，下車實際平整度得不到保證；

b.在不同的路面情況下，自動調(diào)平適應(yīng)能力弱，有可能出現(xiàn)垂直油缸到底后無法結(jié)束調(diào)平的情況；

c.調(diào)平結(jié)束后，四個垂直支腿雖然觸地，但是各支腿如果只是觸地，而不是均衡承受車身質(zhì)量，在上裝轉(zhuǎn)動時，質(zhì)心變化會導(dǎo)致各支腿受力的變化，弱支撐支腿很可能因為受力進(jìn)一步減小而離地，造成虛腿的現(xiàn)象，影響整車安全性。

針對上述諸多問題，筆者設(shè)計開發(fā)了一種全面優(yōu)化的下車自動調(diào)平控制系統(tǒng)，通過改進(jìn)檢測方式及判定條件，運用分步調(diào)節(jié)結(jié)合模糊PID控制的調(diào)平方法，并結(jié)合支腿反力的修正調(diào)節(jié)，全方位地提升自動調(diào)平的實際效果，通過對試驗車調(diào)試與測試結(jié)果分析，驗證了該系統(tǒng)的可靠性。

3 自動調(diào)平系統(tǒng)的構(gòu)成

常見的支腿設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示，自動調(diào)平系統(tǒng)通過對支腿的伸出、收回狀態(tài)以及車輛的傾斜程度進(jìn)行實時檢測，用控制器控制各支腿閥的動作，并對調(diào)平結(jié)果進(jìn)行自動判定。

圖1 常見支腿結(jié)構(gòu)

整個控制系統(tǒng)的構(gòu)架如圖2所示。

圖2 下車自動調(diào)平控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)為了解決車身形變造成傾角檢測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問題，在車身前側(cè)增加單軸傾角傳感器，如圖3(b)中X2與X1一起，用于檢測左右側(cè)車身傾斜角度。車輛前側(cè)X方向調(diào)平參考X2數(shù)據(jù)，后側(cè)X方向上的調(diào)平參考X1數(shù)據(jù)，由于兩個傳感器分別安裝在副車架距離支腿很近的位置，檢測數(shù)據(jù)受車架變形扭曲的影響很小，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而規(guī)避了車架變形帶來的傾角誤差，保證了調(diào)平后支腿的平整度。

同時，將壓力傳感器替代接近開關(guān)，作為垂直支腿伸出到位的檢測方法，如圖3(b)中支腿末端四個黑色區(qū)域所示，壓力傳感器不僅可以判定支腿是否觸地，同時也能夠檢測支腿的受力大小。本系統(tǒng)利用壓力信號，在自動調(diào)平角度誤差滿足判定條件后，再對受力最小的弱支撐腿實施微調(diào)的伸出控制，提高弱支撐支腿的受力數(shù)據(jù)。此方式對車身角度基本無影響，卻能夠有效地改善三點強(qiáng)支撐的情況，為上裝的動作提供了穩(wěn)定的支撐。

圖3 雙傾角傳感器及反力檢測設(shè)計

4 自動調(diào)平系統(tǒng)的控制策略

系統(tǒng)采用分步驟的調(diào)平方式，將自動調(diào)平分為五步，步驟如下：第一步，伸水平支腿，將支腿伸出到位；第二步，伸垂直支腿，將支腿伸出觸地；第三步，粗調(diào)平，快速通過傾角傳感器的X軸和Y軸來調(diào)節(jié)其中兩或三個支腿實現(xiàn)車身的基本水平；第四步，輪胎離地，撐起所有的支腿，直到輪胎離地；第五步，精調(diào)平，通過傾角傳感器的X軸和Y軸來調(diào)節(jié)其中的三個或者兩個支腿，將車身精準(zhǔn)調(diào)整至設(shè)定水平。

圖4 車身傾斜四區(qū)間

如圖4所示，通過分析雙軸傾角傳感器的X軸和Y軸的輸入信號可以把車身平面分為四個區(qū)間，如當(dāng)檢測到X＜0且Y＞0時，程序判斷車身向1區(qū)傾斜，以此定義后續(xù)流程中X、Y軸方向的正負(fù)。本方案中，定義前高后低為Y軸正向，右高左低為X軸正向，反之為負(fù)向。

整個車身調(diào)平的過程包括伸水平支腿、伸垂直支腿、粗調(diào)平、輪胎離地、精調(diào)平，整體工作流程如圖5所示。

各垂直支腿觸地后，都將停止動作等待所有支腿觸地，當(dāng)系統(tǒng)檢測到水平支腿、垂直支腿伸出到位后，開始執(zhí)行粗調(diào)平。調(diào)平過程中，任意一個支腿的伸出都將影響X軸和Y軸方向的角度數(shù)據(jù)，同時按照圖4中所表述的傾斜區(qū)間判定車身所處區(qū)間，對四個支腿進(jìn)行單獨控制。

圖5 調(diào)平控制流程

由于四個支腿中任一支腿的動作都將對車身角度產(chǎn)生影響，從而影響其他三個支腿的輸出數(shù)據(jù)，因此，四個支腿同時動作的屬性決定了彼此之間互為干擾，而單純的PID控制器依賴精確的數(shù)學(xué)模型，在數(shù)學(xué)模型不精確的情況下，將降低系統(tǒng)控制性能，同時無法很好地控制超調(diào)[1]。使用過程中，往往會將支腿撐得太高導(dǎo)致油缸達(dá)到行程極限無法完成調(diào)平。針對這種情況，引入模糊PID控制算法。模糊控制是基于模糊集理論、模糊語言和模糊邏輯推理的一種智能控制方法。模糊PID控制是將模糊理論應(yīng)用到PID控制系統(tǒng)中，從而構(gòu)成模糊PID控制器[2]，用于控制調(diào)平過程中出現(xiàn)過調(diào)的現(xiàn)象，同時保證調(diào)平的快速性。在粗調(diào)平和精調(diào)平的過程中，應(yīng)用模糊PID調(diào)節(jié)方法，并設(shè)置不同的誤差允許值。

同時，在輪胎離地過程中，為了保證輪胎離地信號，保證每一個支腿至少以一定的速度撐起，精調(diào)平時，將下車調(diào)平的允許誤差加入判斷，允許誤差設(shè)置為±0.5°，只有當(dāng)兩個軸向的誤差都小于允許誤差，才能判定下車調(diào)平，最后檢測四個支腿反力數(shù)據(jù)，對支腿反力最小的支腿進(jìn)行單腿伸出控制。

5 試驗分析

以53 m云梯消防車作為試驗對象，并采集下車調(diào)平相關(guān)的傾角及垂直支腿閥開口等數(shù)據(jù)，通過人工操作、常規(guī)自動調(diào)平、改進(jìn)自動調(diào)平的方式采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行效果的比對。試驗用53 m云梯消防車如圖6所示。

圖6 試驗用53 m云梯消防車

表1 第一組試驗對比數(shù)據(jù)

表2 第二組試驗對比數(shù)據(jù)

從兩組試驗的對比數(shù)據(jù)如表1、2所示， 從表中可以看出，手動操作模式通過人推動機(jī)械手柄桿操作支腿動作，由于不能同時自如地操控幾個支腿，調(diào)平耗時較長，且調(diào)平后整車平整度無法保證，為了保證精度則需要更長的調(diào)整時間。常規(guī)自動控制模式第一組調(diào)平完成后，單個支腿弱支撐的現(xiàn)象明顯，對上裝的動態(tài)穩(wěn)定性支持較弱；第二組測試時出現(xiàn)了調(diào)平不成功的現(xiàn)象，暴露了控制算法的缺陷，可靠性較低。而改進(jìn)的自動調(diào)平模式在時間、精度、受力均勻性上都有很好的效果。

再對比兩種自動調(diào)平的過程，如圖7所示。為了方便數(shù)據(jù)比對，實現(xiàn)時間軸同步，將傾角數(shù)據(jù)及支腿PWM值列入同一張表中，為了方便觀察，僅選取一組X軸數(shù)據(jù)，觀察調(diào)平角度變化。圖7中，X、Y軸零點在1 000附近，視為調(diào)平目標(biāo)值。從圖7可以看出，在調(diào)平開始時，水平支腿伸出引發(fā)質(zhì)心的變化導(dǎo)致X、Y軸數(shù)據(jù)的波動；12 s左右，水平支腿伸出到位，四個垂直支腿伸出；25 s左右，支腿觸地開始調(diào)平，后續(xù)調(diào)平過程中，X軸方向出現(xiàn)過調(diào)的現(xiàn)象，四個支腿控制電流波動較大。

圖7 常規(guī)自動調(diào)平數(shù)據(jù)

圖8顯示采用模糊PID控制方法的調(diào)平，圖中后段可以看出，整個車身撐起過程穩(wěn)定，粗調(diào)平、精調(diào)平過程中各支腿控制電流曲線平滑，X、Y軸數(shù)據(jù)能夠快速趨近零點值，且相比常規(guī)調(diào)平方式，耗時更短。

圖8 改進(jìn)算法控制調(diào)平數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

本文設(shè)計了一種全面的支腿全自動調(diào)平控制系統(tǒng)，設(shè)置兩個傾角傳感器檢測車身角度，解決了車身形變導(dǎo)致檢測誤差對調(diào)平精度的影響；采用分步式模糊PID調(diào)平控制策略，將整個過程分成五步，在垂直支腿調(diào)平過程中，逐級將車輛調(diào)整至目標(biāo)狀態(tài)，最后，在不影響車身角度的前提下，輔助以支腿反力數(shù)據(jù)，對弱支撐垂直支腿進(jìn)行單獨微調(diào)整。相較于常規(guī)方法，本系統(tǒng)具備調(diào)平實際精度更高、調(diào)整時間更短、過程平穩(wěn)、地面條件適應(yīng)能力更強(qiáng)、一次調(diào)平成功率更高、支撐更可靠等多種優(yōu)點。同時，本方案并不局限于消防車的應(yīng)用場景，可以滿足任何需要配備自動調(diào)平功能的支撐平臺，具備較高的應(yīng)用價值。