六點支撐自動調平系統關鍵技術研究

湯 輝,陳建平

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 機械傳動與控制工程實驗室,合肥230088)

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六點支撐自動調平系統關鍵技術研究

湯 輝,陳建平

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 機械傳動與控制工程實驗室,合肥230088)

對車載自動調平系統進行了詳細的描述與討論。列舉了目前典型自動調平系統的類型和特點,通過對六點自動調平系統的受力模型分析,得出了車載上裝設備的結構布局設計的指導原則。重點研究了六點支撐共同參與調平過程的控制策略,并通過設計實例歸納了撐腿在自動調平過程中伸長量的計算方法。對自動調平系統中的關鍵技術如虛腿、安全性等問題也進行了梳理和總結。

車載自動調平系統;六點支撐;靜不定;虛腿

0 引 言

自動調平系統在車載軍事裝備和工程機械中有著廣泛的應用。隨著調平對象規模的不斷增大和調平精度的提高,調平支撐從三點發展到四點、六點甚至更多。眾所周知,三點確定一個平面,所以三點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的重復性,是控制策略最容易實現的支撐方式。但是,考慮實際裝備的穩定性、抗傾覆性以及單腿承載力的有限性,四點調平和六點調平在工程中卻有著大量的應用,尤其是四點調平是當前主流裝備普遍采用的形式。當然,由于四點調平是一次超靜定系統,提高剛度和穩定性是以增加靜不定次數、加大控制難度為代價的。目前工程實際中已經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,通過兩個方向的調平實現平臺調平,即在一個方向調平平臺,然后鎖定該方向的水平度,再調平另外一個方向,可重復多次調節,遵守只升不降的原則;另外一種是通過建立平臺調節控制的數學模型,同時調節四條支腿,實現對平臺的水平調整。當平臺需要更好的剛性和更高的調平精度時,六點支撐則成為可選的手段。六點支撐是一個三次超靜不定系統,系統的控制策略設計和穩定性控制難度更高。所以,目前在實際工程中大多采用以其中兩個支點為輔助支撐,實際參與調平的依然是四個支撐點。而這種調平方法對單腿的動態承載力提出了很高的要求,尤其是平臺上裝質量不斷增大、撐腿安裝空間無法增加的情況下四點調平+兩點輔助的方法已很難滿足系統要求。六點支撐共同參與調平是必然趨勢,對六點支撐自動調平系統中關鍵技術的研究則非常必要。

1 模型分析

為了各撐腿能夠平均承擔上裝質量,需要對平臺上裝的質心進行布局。所以,首先需要對平臺系統進行靜力學建模,以此從理論上保證支腿的受力能調整到基本一致,盡量降低單腿的最大承載載荷,以降低撐腿的設計難度。圖1為平臺簡圖。

圖1 平臺簡圖

本文對平臺系統的靜力學模型進行分析,分析過程作出如下假設:

(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,平臺上六個支撐點的坐標分別為(0,0)、(Lc,0)、(La,0)、(La,Lb)、(Lc,Lb)、(0,Lb),總質量為M,重力作用點的坐標為(Lx,Lb/2)。當平臺處于水平狀態時,支撐的內力和變形滿足靜力學方程。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為上裝質量質心距離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,上裝質量質心在車輛平臺的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)

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

因此,為了保證六點支撐調平系統的各撐腿受力均勻一致,在載車平臺長度一定的情況下,需要從上裝質量質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 調平策略

調平策略與驅動形式沒有必然關系。本文僅從控制算法角度去討論在六點支撐系統中調平策略的選擇問題。目前,在車載調平系統中,調平控制策略主要分為兩種:角度誤差控制調平法和位置誤差調平法。

角度誤差控制調平法以雙軸水平傳感器的測量值為依據,與撐腿驅動形成閉環控制,通過兩個方向先后獨立多次循環調整,達到解耦和調平的目的。該方法的優點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系,且撐腿的伸出行程計算功能也沒有強制要求,算法簡單。它的缺點是調平時間慢,且僅適用于三點或四點調平系統,無法滿足六點調平系統多點共同參與調平的要求。

位置誤差調平法的控制原理是:在撐腿落地完成后,以某一條撐腿為基準,保持該撐腿不動,根據調平撐腿和水平傳感器的安裝位置關系尺寸和當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,控制撐腿執行相應的伸縮量,完成調平。該方法的優點是適用于任意數量支撐腿的調平系統,且調平時間快。它的缺點是控制系統需要掌握支撐點和傳感器的位置關系,軟件算法復雜,調平撐腿要求具備行程計算功能,調平精度受到系統剛性、傳動間隙以及安裝尺寸誤差等因素的影響,當然也可以通過閉環修正彌補上述誤差帶來的影響。本文根據六點支撐調平系統的特點,選擇位置誤差調平法中的“追高法”進行討論。“追高法”即保持落地后調平撐腿中的追高點不同,其他支撐點向上運動與之對齊,當各點達到最高點位置時平臺即處于水平狀態。這種方法能在一定程度上解決虛腿的問題[1]。

圖2 六點調平“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平對象,以撐腿1支點處為直角坐標原點,各撐腿的支點坐標為(Xi,Yi,Zi)(i=1,2,3,4,5,6),水平傳感器安裝位置的坐標為(Sx,Sy,Sz)。假設當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為4號支撐腿,則在接下來的調平程序中保持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,為了保持在調節X方向水平值時的Y向水平度,使撐腿1和2也相應地伸長△L5和△L6,則X向水平值調整完成。

接下來進行Y方向調節,伸長量計算如下(見圖4)。

圖4 Y軸調平撐腿伸長量計算示意

顯然,撐腿1和2在Y方向調整中的伸長量也為△L3。

總結上述過程,則在撐腿落地完成后執行自動調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,而這種假設在實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平策略和調平精度的影響,可以采用多次反復調整的方法克服其帶來的影響。

3 虛腿問題

“虛腿”問題是自動調平系統關鍵技術研究的重點,也是工程化實現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或六點自動調平系統是一個典型的超靜定系統。盛英等在《6腿支撐液壓式平臺自動調平算法》一文中提出了參照Stewart并聯機構[3],將高次靜不定平臺結構轉化為靜定結構,避免了虛腿問題。但是,該方案在工程中應用案例極少。施勤等在《基于油壓檢測的雷達車全自動調平策略》一文中提出在自動調平系統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,如環境溫度的影響、結構因素的影響等,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平系統,機電調平系統則無法采用。目前,機電調平系統普遍采用的減小虛腿現象出現概率的方法是采用只升不降的調平策略,通過實時采集電機電流和多次循環調平的方法達到避免虛腿的目的。但是,該方法依然受到環境溫度等客觀因素的影響,且多次循環調平和只升不降的方法也使得系統的調節余量越來越小。

圖5 調平撐腿落地檢測原理

根據六點自動調平系統的特點,本文討論一種新穎的落地檢測的方法。通過該方法可以實時準確檢測撐腿的落地情況,檢測結果基本上不受其他因素的影響。無論是油壓檢測還是電機電流檢測都是通過外部物理量的變化轉換成電信號的變化來進行判斷,而物理量即液壓系統的壓力或者電機轉矩均會受到外部環境或者機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械結構的固定變化轉換成開關量,則大大降低了外界因素的影響。在調平撐腿的設計中采用滑塊限位結構,滑槽的長度比滑塊的長度大2～4 mm。當撐腿落地受力后,只要克服撐腿自身的重量,即可推動滑塊從滑槽的底部運動到頂部。由于檢測距離的變化,引起了撐腿頂部接近開關點亮,指示撐腿落地完成。撐腿側面的接近開關通過檢測同軸安裝在撐腿傳動機構上的齒輪齒面進行開關計數,實現撐腿行程的實時監控,一方面作為調平策略的支撐,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境因素的影響,通過在撐腿落地前后機械結構上的變化實現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定可靠且重復性一致的落地檢測性能。通過調節檢測開關的檢測距離,可以在一定范圍內調節撐腿落地的受力程度,滿足不同載車和產品的落地要求。另外,值得一提的是,該設計中所有的檢測開關均布置在容易達到的地方,符合工程設計中維修性的要求,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。車載自動調平系統一般上載重量較重,且上裝設備體積和高度都比較大,一旦最基礎的平臺調平存在安全隱患,那么其對整個設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平系統普遍存在的安全性問題及應對措施。

水平傳感器是自動調平系統的關鍵設備,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帶來兩種可能,一是調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,但不隨平臺的運動而變化。無論是哪一種情況,在不同的調平策略中,如果不加以對水平值進行實時判斷都會帶來撐腿一直伸出,或者無法真正完成調平的故障出現,給上裝設備帶來安全隱患。為此,首先應該在調平控制程序中對接收到的水平值進行實時地判斷。如果一旦水平值出現超出正常的預設范圍,或者撐腿落地完成后繼續伸出時水平值不會變化,均要求系統立即停止動作且聲光報警輸出提醒操作人員進行系統檢查。

另一種故障現象與“虛腿”正好相反。當檢測落地的接近開關損壞時,系統即失去了該條撐腿落地檢測的功能,如果不設置保護措施,則該撐腿會一直伸出,直到行程超限為止。一旦出現這種情況,輕則無法完成正常調平,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措施是,在執行落地過程中實時監控撐腿伸出行程,預設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,根據對架設地形的要求,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,根據其他撐腿的落地情況,也可以作為避免該撐腿出現上述情況的軟手段。

第3種情況是當檢測行程的接近開關損壞時,無法實時監控撐腿行程帶來的影響。顯然,這時會影響前面兩種情況的保護措施的設置,也會帶來無法實現撐腿收回到位的判斷和伸出最大行程的保護等功能的失效。針對這種情況的保護措施是,在撐腿伸出或收回時,以一定的時間間隔判斷行程計數值的變化,一旦發現撐腿動作一定間隔時間前后計數值沒有變化,立即停止動作并報警輸出。

5 結束語

六點自動調平系統在大型車載設備中的應用越來越普遍。筆者結合自己多年的工程經驗,對工程化的車載自動調平進行了系統性的討論和分析,其中重點闡述了六點支撐調平系統中上裝質心與撐腿布局、撐腿伸長量、虛腿控制和安全性等實際工程問題的解決方法,對于相關工程技術人員具有一定的借鑒和參考意義。

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

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

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

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

[5] 陸作其,單春賢,等. 車載雷達自動調平系統中虛腿的模糊控制[J]. 數學的實踐與認識,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:雷達伺服系統研制開發;陳建平(1965-),男,研究員,研究方向:雷達結構總體。

TP271

A

1009-0401(2016)04-0060-04