野戰醫療方艙自動調平系統研制

高 升，蘇 琛，吳 航，徐新喜，孟令帥，曲鵬濤，趙秀國*

（1．軍事科學院系統工程研究院衛勤保障技術研究所，天津 300161；2．軍事科學院系統工程研究院，北京 100166）

0 引言

野戰方艙醫院是實現現場傷病員有效救治的重要裝備，主要擔負戰創傷救護、衛生應急救援、傳染病疫情應急防控、突發災害應急醫學救援、國際醫療救援等任務，是戰役衛勤保障的主要力量，在現代戰爭和非戰爭軍事行動中發揮著重要作用。野戰醫療方艙作為野戰方艙醫院的基本功能單元，以方艙為載體，通過加裝不同功能的醫療設備實現不同的救治功能，具有機動性能好、環境適應性強等特點[1]。野戰醫療方艙展開時，需要對艙體進行調平，從而保證艙體的水平度、安全性和穩定性，確保方艙內醫療設備順利展開、正常使用，滿足醫護人員開展醫療作業的需求。調平速度與調平精度是影響野戰醫療方艙部署的重要因素。為此，國內外針對醫療方艙的調平裝置開展了系列研究。韓俊淑等[2]研制的特診檢驗方艙、吳文娟等[3]研制的新型核化傷員洗消方艙和加拿大Weatherhaven公司[4]研制的可擴展方艙均通過手動操作機械調平裝置進行調平，且調平時需要觀察氣泡水平儀來判定方艙是否水平，調平速度慢、調平時間長、操作費力復雜，對操作人員的技術水平也有一定的要求。王政等[5]研制的四板聯動方艙和王洪杰等[6]研制的新型移動智能拓展檢查檢驗醫療方艙則采用液壓式自動調平。液壓式調平雖然具有負載能力大、質量體積小等優點，但其存在液壓缸容易漏油、調平精度低、反應滯后、對溫度敏感等缺點。與液壓式調平相比，機電式調平具有成本低、穩定性好、控制精度高、維護簡單且能自鎖等優點。此外，伺服電動機的廣泛應用以及其他相關技術的不斷更新，使得精度和穩定性更高的機電式調平取代液壓式調平成為一種趨勢。李明等[7]研制的新型大擴展比智能拓展車載醫療方艙及綜合檢查檢驗車就采用了機電式自動調平，但該系統主要應用于整車調平，應用于標準方艙的機電式調平系統則未見報道?；诖耍瑸榻鉀Q現有野戰醫療方艙調平精度低、調平時間長、人力需求大等問題，亟須研制一種調平精度高、速度快的機電式野戰醫療方艙自動調平系統。本文開展野戰醫療方艙自動調平系統研究，旨在提高方艙調平速度和精度，提升野戰醫療方艙快速部署能力，實現野戰方艙醫院快速部署，對于提高平戰時傷員救治能力具有極其重要的意義。

1 建模分析

1.1 數學模型

野戰醫療方艙自動調平系統采用四點支撐調平，其調平示意圖如圖1所示。其中，X方向的傾角為β，Y方向的傾角為α，水平面坐標系為O-XYZ，方艙調平平面坐標系為O-X'Y'Z'。Pi（i=1，2，3，4）為方艙調平后處于水平狀態下的4個支撐點，其坐標為（xi，yi，zi），Pi'（i=1，2，3，4）為方艙調平前非水平狀態下方艙的 4 個支撐點，其坐標為（xi'，yi'，zi'）。

圖1 野戰醫療方艙自動調平系統調平示意圖

由空間坐標變換理論可知，O-XYZ可分別繞Z軸、Y軸、X軸旋轉 γ、β、α變換為 O-X'Y'Z'。2個坐標系之間的變換矩陣如下：

調平過程可看作非水平狀態下的坐標系O-X'Y'Z'經坐標變換為水平狀態下的坐標系O-XYZ，則4個支撐點調平前后坐標有如下關系：

由于自動調平系統的4個調平支腿皆為剛性，且方艙調平是在調平支腿著地之后進行的，4個支撐點在XOY平面內的位移非常小，可忽略不計，因此γ≈0。則公式（2）可簡化為

當β和α的角度較小時，可進行如下近似：（1）sin α sin β≈ 0；（2）sin α≈ α，sin β≈ β；（3）cos α≈ 1，cos β≈1。則公式（3）可簡化為

實際調平時，若β和α均小于3°時，其相對誤差不大于 0．1%[8]。

當β或α的角度較大時，可利用微分的思想，對方艙調平復雜空間運動進行離散，將β或α分成幾個較小的角度，再計算相鄰2個局部平面支撐點的坐標關系。

1.2 調平策略

調平策略主要可以分為位置誤差調平法和角度誤差調平法2種。角度誤差調平法通過控制支腿的升降，分別調節橫向和縱向傾角的大小進行調平。其算法實現較為容易，但調平精度和調平速度較差。位置誤差調平法指控制器根據傳感器測量的數據判定各支撐點的高低，計算出各支撐點需要調節的高度誤差，而后保持某一支撐點不動，控制其他支撐點運動，從而實現調平。該方法適用于任意數量支撐腿的調平系統[9]，調平精度高、速度快，但算法實現較為復雜。

本文研制的自動調平系統采用最高點不動的位置誤差調平方法，具體調平過程如下：

（1）根據β和α判斷4個支撐點的高低。

（2）根據方艙長 6．058 m、寬 2．438 m，計算出各支撐點的坐標信息。將O-X'Y'Z'坐標系下4個支撐點的坐標P1'（-3．029，-1．129，0）、P2'（3．029，-1．129，0）、P3'（3．029，1．129，0）、P4'（-3．029，1．129，0）代入公式（4），可得4個支撐點在O-XYZ坐標系中的坐標矩陣：

（3）通過公式（5）中的坐標信息即可獲得各支撐點距離最高點的高度差。以α＞0、β＞0時為例，此時支撐點2最高，可求得其他各支腿需要上升的距離：Δ h1=6．058 β，Δ h2=0，Δ h3=2．438 α，Δ h4=6．058 β+2．438 α。

2 系統設計

2.1 系統組成

野戰醫療方艙自動調平系統主要由調平支腿、控制系統、傳感器（包括傾角傳感器、壓力傳感器和限位開關）和直流電源等組成，原理框圖如圖2所示。

圖2 野戰醫療方艙自動調平系統原理框圖

野戰醫療方艙自動調平系統對調平時間和精度的要求較高，同時需要其調平支腿能夠自鎖。本文研制的自動調平系統采用精度和穩定性更高的機電式自動調平技術，采用基于傾角傳感器的調平方法實現方艙調平。傾角傳感器用于檢測方艙的傾斜程度，然后反饋給控制系統，控制系統驅動調平支腿運動，調節方艙直至水平。通過在調平支腿上安裝壓力傳感器[10]來實時檢測4個調平支腿的受力值，以快速消除“虛腿”現象。

2.2 調平支腿設計

調平支腿是系統的執行機構，起到承擔方艙載荷、調節方艙水平和驅動方艙升降的作用，主要由伺服電動機、伺服驅動器、螺旋升降機（包括蝸輪蝸桿傳動機構和滾珠絲桿）和限位開關等裝置組成，驅動器接收控制系統發送的上升或下降控制指令，然后驅動伺服電動機運轉，伺服電動機通過蝸輪蝸桿傳動機構帶動滾珠絲桿旋轉，在絲桿旋轉力矩的驅動下，螺母與滑套做往復直線運動，使得調平支腿上升或下降。調平支腿設計升降行程為910 mm，完全收攏時最低點距地面為100 mm，能保證方艙在運輸過程中調平支腿不與地面接觸，并能充分滿足調平和舉升需求。圖3為調平支腿設計圖，圖4為調平支腿實物圖。

圖3 調平支腿設計圖

圖4 調平支腿實物圖

2.3 控制系統設計

2.3.1 控制系統硬件設計

控制系統是野戰醫療方艙自動調平系統的控制核心，決定了其調平速度和調平精度。控制系統主要包括控制器、操作屏和控制電路等。其中，控制器和控制電路設置在方艙內的控制箱內，操作屏設置于方艙外部。控制系統接收傾角傳感器測量的傾角角度和壓力傳感器檢測到的調平支腿受力值，經控制器處理，發送調平支腿運動信號，驅動執行機構動作，實現方艙的自動調平。此外，控制器還需要和操作屏進行通信，操作屏可顯示方艙傾角角度、支腿伸長量和支腿受力值等系統參數，可選擇不同的工作模式等，方便操作人員對自動調平系統進行操作?？刂葡到y拓撲關系圖如圖5所示，控制箱實物圖如圖6所示。

圖5 控制系統拓撲關系圖

圖6 控制箱實物圖

控制器采用阿普奇TAC-2020工控機，具有USB、COM、網絡接口等多種串口接口，支持Wi-Fi、4G等無線連接，最高支持8 GiB內存，具有4核CPU處理器，輸入電壓為9～32V。設備網絡以工控機為計算和控制核心，通過3種物理總線連接所有外圍設備。

2.3.2 控制系統軟件設計

工控機安裝Ubuntu 18．04系統，在PyCharm環境下使用Python作為主要編程語言，并進行模塊化設計，加強了程序的可移植性。自動調平系統調平流程如圖7所示。系統開啟后，首先進行自檢，自檢正常后方可進行操作，否則將顯示故障。然后通過操作屏選擇不同的控制模式，對系統進行操作控制。

圖7 野戰醫療方艙自動調平系統調平流程圖

2.4 關鍵器件選型及其主要技術參數

2.4.1 直流電源

直流電源采用鋰電池儲能，電池工作電壓為48 V，容量為100 Ah，能滿足3次調平展收要求，同時可通過充電器為鋰電池充電。

2.4.2 傾角傳感器

自動調平系統的調平精度與傾角傳感器的精度密切相關。選用北微雙軸高精度傾角傳感器BWH525。該傳感器采用微機電系統（micro-electro-mechanical system，MEMS）技術、控制器局域網絡（controller area network，CAN）輸出，內置自動補償和濾波算法，減小了環境變化引起的誤差。其測量范圍為±30°，精度為0．005°，輸出頻率為 5～100 Hz，防護等級達 IP67，工作溫度為-40～85℃。

2.4.3 壓力傳感器

壓力傳感器用來測量支腿受力值，以避免因支腿受力過大而造成支腿受損和“虛腿”導致的艙體不穩定狀態。采用中皖金諾JHBM-H1型平面膜盒式稱重傳感器，量程為3 t，靈敏度達到（2．0±0．1）mV/V，綜合精度為0．1%FS，工作溫度范圍為-20～70 °C，防護等級為IP66。

2.4.4 伺服電動機

電動機選用大功率直流伺服電動機，型號為惠斯通110ST-J06030B-48 V，其額定功率為1．8 kW，額定電流為 44．1 A，額定轉速為 3000 r/min，額定扭矩為6 N·m，峰值扭矩為18 N·m，轉子慣量為 7．6 kg·cm2，機械時間常數為 20．2 ms。

伺服驅動器選用低壓直流伺服驅動器，型號為風得控VSY30D72，可通過位置、速度和力矩3種方式對伺服電動機進行控制，從而實現高精度的傳動系統定位。其額定電流為30 A，最大電流為60 A，驅動頻率為8～14 kHz，具有硬件保護、欠壓保護、過壓保護、過熱保護、超載保護、過流保護、故障鎖定等功能，通信協議為RS485和CANopen。

2.4.5 螺旋升降機

螺旋升降機是將伺服電動機的旋轉運動轉變為絲杠升降運動的傳動機構，主要包括蝸輪蝸桿傳動機構和滾珠絲桿。螺旋升降機選用軍飛SJA80，其最大提升力為80 kN，最大輸入功率為2．5 kW，絲杠導程為8 mm，滿載啟動扭矩為75 N·m，蝸輪蝸桿減速比為 1∶8，空載扭矩為 1．85 N·m。此外，螺旋升降機還具有自鎖功能，即使沒有制動裝置也能保持當前的狀態。

2.5 整體設計

野戰醫療方艙自動調平系統可實現方艙的自動調平和自動舉升，還具有良好的移植性和通用性，使其應用領域進一步拓寬。方艙最大總質量為10 t，外形尺寸為 6058 mm×2438 mm×2438 mm（長×寬×高）?？紤]到醫療方艙抗傾覆性、“虛腿”問題[11]以及其結構特點，自動調平系統采用四點剛性支撐結構。野戰醫療方艙自動調平系統在方艙上的安裝設計如圖8所示。方艙四角分別設計了調平支腿，通過連接件與方艙連接。傾角傳感器安裝于方艙內部頂板中心，控制箱和直流電源位于艙內。操作屏設置在方艙外壁，包括顯示屏和控制按鈕，可以對自動調平系統進行操作控制，顯示系統的傾角角度、支腿位移和受力值等各項參數。

圖8 野戰醫療方艙自動調平系統在方艙上的安裝設計圖

野戰醫療方艙自動調平系統在方艙上的安裝實物如圖9所示。自動調平系統接通電源后，通過操作屏[如圖9（c）所示]即可對自動調平系統進行操作控制。顯示屏可實時顯示調平支腿的高度、壓力、電流和電池電量及方艙傾角等參數[如圖9（d）所示]。操作屏下方設置急停按鈕，無論系統運行至任何狀態，按下急停按鈕，系統將進入停止狀態。

圖9 野戰醫療方艙自動調平系統方艙安裝實物圖

自動調平模式下，在顯示屏主界面上按下啟動即可自動調平。手動控制模式下，分為單調平支腿操作和調平支腿同步操作。調平支腿同步操作時，可設定4個調平支腿為同時升降模式，在顯示屏輸入調平支腿上升/下降量（或按住上升/下降按鈕），所有支腿同步上升/下降。單調平支腿操作時，可選定單腿升降模式，可以實現調平支腿的單腿操作，以滿足不同調平情況下的使用要求。

3 系統試驗

3.1 試驗目的

野戰醫療方艙自動調平系統研制后，開展了性能試驗，主要包括功能試驗和調平性能試驗。其中，自動調平系統的功能試驗主要是測試其各項功能是否正常、設計是否合理，以保證試驗能夠安全、順利地進行；調平性能試驗主要是驗證系統能否實現方艙快速、準確的調平。

3.2 試驗方法

自動調平系統功能試驗在手動控制模式下進行，分別對調平支腿進行單腿升降、調平支腿同步升降，觀察各個調平支腿是否按要求進行升降運動，并監測顯示屏上顯示的支腿位置變化信息。在調平支腿升降過程中，測試限位開關和急停按鈕是否正常工作。

自動調平系統調平性能試驗時，將方艙調整至非水平狀態，然后啟動自動調平系統并設置為自動模式。在自動模式下，方艙自動調整至水平狀態，記錄調平時間和調平前后方艙傾角，橫向、縱向傾角均小于0.1°視為合格。在3種不同的初始條件下重復試驗3次，分別記錄每次試驗數據。

3.3 試驗結果

功能試驗結果表明，自動調平系統各部分功能正常、設計合理，能夠完成后續各項試驗，詳見表1。調平性能試驗結果表明，方艙自動調平時，3次試驗調平時間分別為 22、31、37 s，均小于 1 min，調平精度均小于0.1°，詳見表2。自動調平系統有效提高了方艙調平時間和調平精度，提高了野戰醫療方艙的快速部署能力。

表1 野戰醫療方艙自動調平系統功能試驗結果

表2 野戰醫療方艙自動調平系統調平性能試驗結果

4 結語

本文針對現有方艙調平裝置調平精度低、調平時間長、人力需求大等問題，研制了野戰醫療方艙自動調平系統，用于實現方艙快速、精準調平。自動調平系統采用最高點不動的位置誤差調平策略，采用四點支撐機電式調平的方式，使用傾角傳感器測量方艙傾角，并通過在調平支腿上安裝壓力傳感器來解決“虛腿”問題。試驗結果表明，自動調平系統的調平時間小于1 min、調平精度小于0.1°，實現了方艙快速、準確調平。自動調平系統的研制提升了野戰醫療方艙的展開速度，對于提高野戰方艙醫院的部署速度、增強平戰時衛勤保障能力具有極其重要的意義。本文自動調平系統試驗均在硬質地面和正常環境條件下進行，其在松軟地面和極端環境條件下的性能和可靠性仍有待進一步驗證，尚需進行后續深入研究。