車載穩(wěn)定隔振平臺(tái)的慣性參數(shù)辨識(shí)方法研究

田體先 韓 意 馬玉浩 魯吉林 賴 震

（1.武漢科技大學(xué)，武漢 430081；2.陸軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100007； 3.陸軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局駐臨汾地區(qū)軍事代表室，侯馬 043000）

特種車輛被應(yīng)用于各種復(fù)雜場景，如戰(zhàn)場環(huán)境下的全地形救護(hù)車。救護(hù)車輛行駛過程中會(huì)受到來自地形和車速變化的影響，且外部加速度的擾動(dòng)隨機(jī)性較強(qiáng)，對車輛的沖擊較大。振動(dòng)和沖擊會(huì)對傷員造成二次傷害，有必要采取措施隔離和緩沖其在動(dòng)態(tài)環(huán)境中所受到的振動(dòng)[1]。因此，根據(jù)醫(yī)療救護(hù)隔振平臺(tái)的使用要求進(jìn)行相應(yīng)的隔振設(shè)計(jì)具有重要意義[2]。

車載隔振平臺(tái)的類型很多，按減振機(jī)構(gòu)的控制方式一般可分為被動(dòng)隔振平臺(tái)、半主動(dòng)隔振平臺(tái)和主動(dòng)隔振平臺(tái)。6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為主動(dòng)隔振平臺(tái)，具有精度高、承載能力大的優(yōu)點(diǎn)。例如：哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的基于Stewart機(jī)構(gòu)的八作動(dòng)器隔振平臺(tái)[3]，采用氣壓作動(dòng)器的方式提供主動(dòng)隔振能力，且阻尼器與彈簧并聯(lián)，提高了隔振平臺(tái)的穩(wěn)定性和可靠性，增加了系統(tǒng)的剛度和承載能力[4]。

2 6自由度隔振平臺(tái)動(dòng)力學(xué)

6自由度隔振平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。它由1個(gè)上平臺(tái)、1個(gè)下平臺(tái)以及6個(gè)相互獨(dú)立的電動(dòng)缸組成。6個(gè)支腿通過虎克鉸與上下平臺(tái)相連[5]。該機(jī)構(gòu)具備空間6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)能力，定義上平臺(tái)重心Oa、下平臺(tái)重心Ob，建立動(dòng)坐標(biāo)系Oaxayaza和固定坐標(biāo)系Obxbybzb。上平臺(tái)鉸點(diǎn)中心和下平臺(tái)鉸點(diǎn)中心分別用ai和bi(i=1,…,6)表示。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的空間位姿采用廣義坐標(biāo)p=[c,β]來表示，其中平移表示為c=[x,y,z]T，轉(zhuǎn)動(dòng)姿態(tài)采用歐拉角表示β=[φ,θ,ψ]T，并按照Z-Y-X的順序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 6自由度隔振平臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.1 慣性參數(shù)辨識(shí)模型

并聯(lián)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)方程表述為：

式中：mp(p)為上平臺(tái)質(zhì)量矩陣；Cp(p p˙)為哥式力/向心力系數(shù)矩陣；Gp(p)為重力項(xiàng)矩陣；J1,p(p)為并聯(lián)平臺(tái)雅可比矩陣；支腿力Fa為支腿驅(qū)動(dòng)力。

在電動(dòng)6自由度隔振平臺(tái)中，支腿力由電動(dòng)缸來提供。對電動(dòng)缸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，建立以電機(jī)轉(zhuǎn)矩為輸入、支腿出力為輸出的傳遞函數(shù)模型，如圖2所示。

圖2 支腿動(dòng)力學(xué)傳遞函數(shù)框圖

2.2 慣性參數(shù)辨識(shí)方法

當(dāng)并聯(lián)平臺(tái)以正弦信號運(yùn)動(dòng)時(shí)，分析驅(qū)動(dòng)力信號。由動(dòng)力學(xué)方程式（1）可知，驅(qū)動(dòng)力可分解為慣性力、科氏力、向心力、阻尼力和重力。其中，慣性力和阻尼力為與位姿信號頻率相同的基頻分量，科氏力和向心力為高頻分量，重力項(xiàng)為常量。因此，可分離慣性力中的基頻分量，從而辨識(shí)慣性參數(shù)。

采集信號時(shí)，將系統(tǒng)激勵(lì)力改寫為傅里葉形式，并提取其中的基頻分量構(gòu)建辨識(shí)方程，為：

式中：Fs,c為激勵(lì)力信號的基頻分量系數(shù)矩陣。

將6次的激勵(lì)數(shù)據(jù)按順序排列，構(gòu)成辨識(shí)方程為：

式中：W為速度與加速度基頻分量矩陣；H為力信號基頻分量矩陣。

對位姿信號正弦幅值分量S和力信號基頻分量H的計(jì)算采用最小二乘法，對式（3）進(jìn)行求解，即可完成慣性參數(shù)的辨識(shí)。

3 慣性參數(shù)辨識(shí)仿真研究

實(shí)驗(yàn)采用Adams和Matlab聯(lián)合仿真。在Adams中搭建好模型并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，然后生成聯(lián)合仿真Adams_sub模塊。在Matlab中建立并聯(lián)機(jī)構(gòu)上平臺(tái)參考軌跡模塊、位移反解模塊以及增益模塊，仿真結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 仿真模型

圖3中：上平臺(tái)參考軌跡模塊負(fù)責(zé)對并聯(lián)平臺(tái)6個(gè)自由度產(chǎn)生激勵(lì)；反解模塊將上平臺(tái)的位姿反解為6個(gè)電缸的位移。仿真結(jié)束后，在Adams中提取電動(dòng)缸的轉(zhuǎn)矩、位移等必要參數(shù)，帶入辨識(shí)算法中進(jìn)行計(jì)算。辨識(shí)結(jié)果如表1所示。

表1 辨識(shí)結(jié)果

從表1可以看出，并聯(lián)平臺(tái)質(zhì)量辨識(shí)誤差小于2%，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)誤差小于7%，辨識(shí)值與實(shí)際值之間的誤差很小，證明采用轉(zhuǎn)矩辨識(shí)結(jié)果可靠、精確。

4 結(jié)語

本文推導(dǎo)了隔振平臺(tái)支腿動(dòng)力學(xué)模型，建立了并聯(lián)機(jī)構(gòu)隔振平臺(tái)的慣性參數(shù)辨識(shí)方程，提出了一種采用電機(jī)力矩信息構(gòu)造的適用于電動(dòng)6自由度隔振平臺(tái)的慣性參數(shù)辨識(shí)方法，并對提出的辨識(shí)方法進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明，該方法可準(zhǔn)確獲得平臺(tái)慣性參數(shù)。