一種基于多元感知的電動調(diào)平裝置“虛腿”判定方法

付國華， 張禮學(xué)， 翟杰勇， 張應(yīng)紅

(1.桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司，廣西 桂林 541001；2.陸軍裝備部 柳州地區(qū)軍事代表室，廣西 柳州 545000；3.桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對作戰(zhàn)反應(yīng)時間要求的不斷提高，各類型武器裝備的機動性也越來越強，車載發(fā)射已經(jīng)成為重要趨勢[1]。在車載武器裝備到達預(yù)定位置后，要求能快速架設(shè)、快速調(diào)平，因而調(diào)平裝置的作用越來越重要[2]。當(dāng)前，電動調(diào)平裝置在機動陸地裝備如車載雷達、車載導(dǎo)彈、車載激光武器和火炮發(fā)射架等軍事設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用[3-4]，對于這類體積大、載荷重、設(shè)備工作平臺水平度和抗傾覆性能要求高的裝備，必須采用多點支撐的方式，以保證設(shè)備的支撐剛度和穩(wěn)定性。然而，多點支撐電動調(diào)平裝置在調(diào)平的過程中會出現(xiàn)過約束超靜定問題，若不能對每個支撐點進行有效監(jiān)控，準確判定每個調(diào)平支撐腿(以下簡稱支撐腿)是否觸地，必然會存在一個或多個支撐點的支撐腿因不受力而處于懸空狀態(tài)，即產(chǎn)生“虛腿”現(xiàn)象[1,5]。

目前，常用電動調(diào)平裝置主要通過監(jiān)控支撐腿伺服電機驅(qū)動控制器(簡稱驅(qū)動器)輸出電流的變化來實現(xiàn)對“虛腿”的判定。伺服電機在工作過程中以額定轉(zhuǎn)速輸出，當(dāng)支撐腿觸地并承載時，其轉(zhuǎn)矩發(fā)生較為明顯的變化，驅(qū)動器的輸出電流隨之發(fā)生相應(yīng)改變。因此，可通過監(jiān)控驅(qū)動器輸出電流的變化來判定其是否觸地，一旦觸地成功，則判定“虛腿”情況消除[6]?；九卸ú呗裕和ㄟ^試驗驗證法尋找一個較為準確的支撐腿在觸地時驅(qū)動器的輸出電流(以下簡稱觸地電流)，設(shè)定為Iin，當(dāng)調(diào)平裝置開始工作時，各驅(qū)動器的實時輸出電流設(shè)定為Iout，在一段連續(xù)的時間內(nèi)(如0.5或1 s)，當(dāng)某個驅(qū)動器Iout>Iin時，則判定其對應(yīng)的支撐腿觸地成功[7]；當(dāng)所有支撐點的支撐腿都觸地成功后，根據(jù)相應(yīng)的調(diào)平策略和算法進行自動調(diào)平。但上述判定方法易受機械結(jié)構(gòu)摩擦力的影響，尤其是長久貯存或應(yīng)用在冬季寒冷地區(qū)的設(shè)備，支撐腿伸縮機構(gòu)的相對運動部位易存在銹蝕或收縮、結(jié)冰霜等現(xiàn)象。當(dāng)設(shè)備進行調(diào)平時，某些支撐點摩擦力會突然變大，致使驅(qū)動器Iout因達到觸地電流判定條件而出現(xiàn)觸地誤判，此時若繼續(xù)調(diào)平，完成后將存在“虛腿”現(xiàn)象，從而破壞設(shè)備的支撐剛度和穩(wěn)定性，導(dǎo)致設(shè)備處于異常工作狀態(tài)，輕則影響設(shè)備性能，重則使設(shè)備無法使用或發(fā)生危險事故。

鑒于此，提出一種基于傾角、旋變和驅(qū)動器Iout多元感知的電動調(diào)平裝置“虛腿”判定方法。通過多元感知獲取相應(yīng)信息，將多元信息結(jié)合主動干預(yù)控制調(diào)平平臺的狀態(tài)變化，同時輔以相應(yīng)的算法與判定方法，可準確判定支撐腿是否觸地，徹底消除電動調(diào)平裝置調(diào)平工作過程中的“虛腿”現(xiàn)象，保證設(shè)備安全可靠工作。

1 模型搭建

1.1 電動調(diào)平裝置結(jié)構(gòu)組成

當(dāng)前，四點支撐電動調(diào)平裝置使用最為廣泛，其主要由調(diào)平腿、調(diào)平控制箱、雙軸傾角傳感器和連接電纜等組成[8]，如圖1所示。支撐腿使用內(nèi)置旋變傳感器的伺服電機驅(qū)動，旋變傳感器可將檢測到的電機轉(zhuǎn)子位置信號傳送給驅(qū)動器；調(diào)平控制箱內(nèi)部設(shè)置驅(qū)動器和調(diào)平控制板，驅(qū)動器不僅能將旋變傳感器傳來的電信號進行解碼并獲得伺服電機的轉(zhuǎn)速信息，還可對電機進行轉(zhuǎn)速控制，同時也能檢測到輸出到伺服電機的電流信息[9]；雙軸傾角傳感器采用全溫補高頻響應(yīng)高精度雙軸數(shù)字輸出型傾角儀，可檢測平面坐標X、Y軸方向上的兩路水平誤差信號，輸出與水平誤差呈線性關(guān)系的角度顯示信號[10]。

圖1 四點支撐電動調(diào)平裝置結(jié)構(gòu)組成示意圖

1.2 平臺調(diào)平建模

四點支撐電動調(diào)平平臺模型如圖2所示。根據(jù)傾角傳感器的安裝位置，確定X、Y軸的軸向[10]。平臺前后方向(車載平臺前進或后退方向)為Y軸，左右方向為X軸(車載平臺與車輛行進方向相垂直的方向)。傳感器輸出與水平誤差(角度)成線性關(guān)系的X、Y軸的數(shù)字信號，通過該信號可找出平臺的最高點[11-12]。

圖2 平臺調(diào)平模型

圖2中平臺的腿1、2端為Y軸的正方向；平臺Y軸正方向左側(cè)為X軸的正方向。2條相交且垂直的直線ED和EF所在平面為水平面，α為平臺與水平面在X軸方向上的夾角，β為平臺與水平面在Y軸方向上的夾角。通過傾角傳感器檢測X、Y方向上的傾角值α、β，根據(jù)傾角的正負可判定平臺支撐的最高支撐點和最低支撐點[13-14]。X、Y軸傾角顯示為正數(shù)時，則X、Y軸正方向處于高位，反之，則X、Y軸負方向處于高位。圖2中所示狀態(tài)，傾角傳感器的X、Y軸傾角均為正數(shù)，即α>0，β>0，由此可知腿1、2一端高于水平面，為平臺Y軸方向的高位，腿3、4一端則為平臺Y軸方向的低位；腿1、3一端也高于水平面，為平臺X軸方向的高位，腿2、4一端則為平臺X軸方向的低位；因此腿1位置為平臺的最高點，腿4位置為平臺的最低點[15]。

假設(shè)腿1、2，腿3、4的X軸向間距為B；腿1、3與腿2、4的Y軸向間距為L；腿4、2在Y軸方向上的水平面落差為HY,42，腿4、3在X軸方向上的水平面落差為HX,43，腿3、1在Y軸方向上的水平面落差為HY,31，腿2、1在X軸方向上的水平面落差為HX,21，則HY,42=HY,31=Ltanβ，HX,43=HX,21=Btanα。

2 “虛腿”判定原理、策略

2.1 判定原理

以四點支撐電動調(diào)平裝置為例，在不增加配置的前提下，調(diào)平控制板通過雙軸傾角傳感器采集平臺在X、Y軸的角度信息，通過旋變傳感器采集伺服電機轉(zhuǎn)速信息和驅(qū)動器輸出電流信息(見圖3)，并采用相應(yīng)的策略通過主動干預(yù)控制各個調(diào)平腿的伸出速度、伸長量來改變平臺的水平狀態(tài)，并觀察平臺水平狀態(tài)變化與支撐腿工作狀態(tài)變化的相互關(guān)系，以判定各支撐點的調(diào)平腿是否觸地，若已觸地，則“虛腿”消除，否則存在“虛腿”[16]。

圖3 多元信息采集傳輸框圖

2.2 判定策略

根據(jù)傾角傳感器的工作原理，結(jié)合平臺調(diào)平裝置工作的安全性需求，采取“追高判定”、多元感知多重判定策略。“追高判定”主要根據(jù)傾角傳感器獲取的平臺水平狀態(tài)信息，由程序判斷出最高點，保持相對最高點不動，按照從低到高的順序向最高點靠攏[17]，逐個測試每個支撐腿的虛實；將要測試的支撐腿往下伸長，直到傾角傳感器在X、Y軸的任意一個方向變化到一定范圍，判定過程只升不降，即向最高點看齊[3,18]；當(dāng)確認所有支撐點均無“虛腿”后，再進行后續(xù)的自動調(diào)平工作。多元感知多重判定策略則是為了提高平臺“虛腿”判定過程的安全性。通過同時檢測傾角傳感器在X、Y軸的傾角、伺服電機的轉(zhuǎn)速及某個支撐點支撐腿輸出電流的變化，判定支撐腿是否成功觸地，以消除“虛腿”，可避免出現(xiàn)諸如支撐腿出現(xiàn)機械故障(如摩擦力增大)、平臺自身結(jié)構(gòu)剛度不夠、伺服電機工作異常及傾角傳感器的故障等可能導(dǎo)致誤判的現(xiàn)象，消除單個信息源造成的異常影響，保障設(shè)備安全。以四點支撐調(diào)平裝置為例。

2.2.1 判定方法

在圖2所示的平臺調(diào)平模型平臺上配置圖1所示的四點支撐電動調(diào)平裝置。假設(shè)其調(diào)平精度為6′，雙軸傾角傳感器的分辨率為0.06′，支撐腿的額定伸出速度v=4 mm/s，觸地電流為Iin。由于傾角傳感器的分辨率很高，反應(yīng)過于靈敏，容易受到干擾，因此以調(diào)平精度值作為判定的臨界值(也可根據(jù)實際需求與設(shè)備配置確定)。判定依據(jù)：1)支撐腿的工作正常；2)某個支撐點的支撐腿開始工作前和工作一定時間后導(dǎo)致傾角傳感器的X軸或Y軸傾角變化量大于或等于臨界值(即6′)；3)傾角傳感器的X/Y軸傾角變化量大于或等于臨界值后，支撐腿驅(qū)動器的輸出電流Iout>Iin。當(dāng)3個條件皆滿足時，則可判定該支撐點的支撐腿已觸地，“虛腿”消除。

在臨界角度值為6′、支撐腿伸出速度v的條件下，X、Y軸方向上判定前后的最小高度落差分別為HX,min=Btan 6′=0.017 5B、HY, min=Ltan 6′=0.017 5L，則判定其所需最短時間分別為TX,min=HX,min/4=0.000 44B、TY,min=HY,min/4=0.000 44L。常見的陸上設(shè)備載車，一般L≤6 000 mm，B≤2 400 mm，在此取L=6 000 mm，B=2 400 mm，則TY,min=2.64 s，TX,min=1.06 s。鑒于控制主板采集信息及程序運行的響應(yīng)時間均為毫秒級，采用6′的臨界角度值作為判定條件是合理的。另外，上述第3個判定條件主要是為了檢測和防止傾角傳感器工作中出現(xiàn)異常，只需判斷空載和觸地后輕微負載的狀態(tài)即可，觸地電流可以取一個較小的理論值。因此，在實際應(yīng)用中，由于臨界角度值和觸地電流值均較小，判定過程中各支撐點處的平臺位置變化及判定完成后平臺的水平狀態(tài)變化就會很小，使用本判定方法判定“虛腿”所需時間短、過程穩(wěn)定性及安全性較好。

2.2.2 判定流程

首先判斷Y軸方向上的高低，先將低的一端(2個支撐腿同時升高)升高到一定范圍，判斷該端X軸方向上的高低，將低的一側(cè)先升高至“虛腿”消除，接著再升高另一側(cè)至“虛腿”消除；然后再升高Y軸方向高的一端(2個支撐腿同時升高)到一定范圍，此時判斷該端X軸方向上的高低，將低的一側(cè)先升高至“虛腿”消除，再升高另一側(cè)至“虛腿”消除[19]。

以圖2中的平臺調(diào)平模型為例，具體流程見圖4。從調(diào)平裝置啟動并進入自動工作模式開始，自動工作模式分為“虛腿”消除和自動調(diào)平2個階段。第1階段控制4個支撐腿伸出至觸地并檢測4個支撐腿全部觸地則完成[20]。第1階段開始時首先讀取X、Y軸傾角值并存儲，設(shè)此時X、Y軸的傾角值分別為α0、β0，若β0≥0，則說明平臺在Y軸方向上，腿1、2一側(cè)處于高位。為保證判定過程的安全，“虛腿”判定從處于低位的腿3、4開始，此時通過主動干預(yù)使腿1、2以0.9v伸出，腿3、4以v伸出，實時讀取、存儲X、Y軸的傾角值α1、β1，正常情況下腿3、4將先觸地，即不滿足β1-β0>3′，同時在未滿足β0-β1≥6′前，4個支撐腿繼續(xù)保持原設(shè)定速度伸出。當(dāng)β0-β1≥6′且α1≥0時，腿4繼續(xù)以v伸出，其余腿停止動作，繼續(xù)實時讀取、存儲X、Y軸的傾角值α2、β2，同時讀取腿4驅(qū)動器的輸出電流I4out；當(dāng)滿足α1-α2≥6′且I4out>Iin時，判定腿4已觸地，“虛腿”消除，此時腿3以v伸出，其余腿停止動作，繼續(xù)實時讀取、存儲X，Y軸的傾角值α3、β3，同時讀取腿3驅(qū)動器的輸出電流I3out；當(dāng)滿足α3-α2≥6′且I3out>Iin時，判定腿3已觸地，“虛腿”消除，此時腿3、4停止動作，腿1、2以v伸出，繼續(xù)實時讀取并存儲X、Y軸的傾角值α4和β4；當(dāng)滿足β4-β3≥6′且α4≥0時，腿2繼續(xù)保持額定速度伸出，其余腿停止動作，繼續(xù)實時讀取并存儲X、Y軸的傾角值α5和β5，同時讀取腿2驅(qū)動器的輸出電流I2out；當(dāng)滿足α4-α5≥6′且I2out>Iin時，判定腿2已觸地，“虛腿”消除，此時腿1以v伸出，其余腿停止動作，繼續(xù)實時讀取并存儲X、Y軸的傾角值α6、β6，同時讀取腿1驅(qū)動器的輸出電流I1out；當(dāng)滿足α6-α5≥6′且I1out>Iin時，判定腿1已觸地，“虛腿”消除，此時所有支撐腿均已消除“虛腿”，可進入第2階段，開始自動調(diào)平工作。

由于設(shè)備實際調(diào)平工作環(huán)境較為復(fù)雜，通?；趦A角、旋變和驅(qū)動器輸出電流多元感知來判定設(shè)備平臺各支撐點支撐腿的“虛腿”狀況，具體程序流程見圖4。因驅(qū)動器內(nèi)置控制電路能直接感知、檢測伺服電機的工作狀態(tài)，僅對伺服電機的轉(zhuǎn)速做相應(yīng)的控制，以改變支撐腿的實際伸出速度。圖4中在腿1、2以0.9v伸出，腿3、4以v伸出的指令后，增加β1-β0>3′的判定條件，是為了解決腿1、2先觸地情況下，腿4觸地判定周期長或無法判定哪個支撐腿觸地的問題，因為腿1、2懸空高度相比腿3、4要小很多，腿4全部伸出前，無法滿足判定條件。正常情況下，腿3、4將先觸地，但一旦出現(xiàn)腿1、2懸空高度相較腿3、4小很多的情況，就可能出現(xiàn)腿4伸出很長或完全伸出后才能達到判定條件，甚至出現(xiàn)完全伸出也達不到判定條件的情況，導(dǎo)致判定周期很長或出現(xiàn)故障。因此，圖4中在支撐腿伸出時都要檢測其是否已經(jīng)達到行程盡頭。

3 結(jié)束語

采用本策略可有效判斷并消除“虛腿”，減少僅采用輸出電流判斷時存在的因機械結(jié)構(gòu)摩擦力增大或氣候原因?qū)е聶C構(gòu)抱死、設(shè)備結(jié)構(gòu)剛度不夠等因素給判斷帶來的干擾和誤判，避免了如因觸地電流取值過大導(dǎo)致判定過程中裝備平臺的水平狀態(tài)往危險方向變化甚至出現(xiàn)傾覆的風(fēng)險，以及因觸地電流取值過小導(dǎo)致誤判觸地而無法完成裝備平臺調(diào)平，甚至出現(xiàn)裝備調(diào)平完成后存在“虛腿”導(dǎo)致裝備結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可逆的形變等缺陷問題。在交付組裝、調(diào)試過程中，無需再逐輛逐個對每個支撐點進行試驗測試，可節(jié)省大量時間。目前已成功應(yīng)用于某型車載電子干擾系統(tǒng)和某型激光毀傷系統(tǒng)裝備，交付后獲得用戶一致好評。

基于傾角、旋變和驅(qū)動器輸出電流的多元感知來判定調(diào)平腿觸地和防止“虛腿”的方法，所需設(shè)備配置簡單，均為市場上常見的電動調(diào)平裝置配置，無需增加新配置，成本低，簡便易行，且準確性高、可靠性及安全性好，可推廣到工程機械及陸地國防車載式平臺等需應(yīng)用電動調(diào)平裝置的裝備中。