基于閉環(huán)控制的空間自平衡擔(dān)架設(shè)計

譚隆君，尹 念

(1.長沙理工大學(xué)城南學(xué)院，湖南 長沙 410015；2.長沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

0 引言

救援環(huán)境中，路面通常因遭到破壞導(dǎo)致凹凸不平，使得傷員的轉(zhuǎn)運(yùn)速度減慢，也增大了醫(yī)療人員的勞動強(qiáng)度。搬運(yùn)過程中擔(dān)架的過度傾斜不僅會使傷員感到不適，還可能對骨折、內(nèi)傷和內(nèi)出血等傷病員造成二次傷害，危及其生命安全。為防止傷員在運(yùn)輸時傾斜而受到二次傷害，提升運(yùn)輸效率，靳飛等[1]設(shè)計出一種能夠保持平穩(wěn)性的自平衡擔(dān)架床，能夠根據(jù)地形變化調(diào)整擔(dān)架的角度保持平衡。為解決多向傾斜問題，張欣等[2]設(shè)計出一種可多向自平衡的擔(dān)架床，在擔(dān)架床中引入控制思想，提升了傷員的運(yùn)輸質(zhì)量。目前投入使用的自平衡擔(dān)架床雖然能有效實(shí)現(xiàn)傾斜路面的自平衡，但大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量重，不便于攜帶且運(yùn)輸效率較低。基于此，本文設(shè)計出一種集自平衡與可拆卸于一體的多功能擔(dān)架床。

1 機(jī)構(gòu)自平衡原理

自平衡機(jī)構(gòu)包括抬桿、支撐桿和擔(dān)架板，其中，支撐桿一端與抬桿活動連接，另一端與擔(dān)架板通過旋轉(zhuǎn)副相連，如圖1所示。當(dāng)救援人員抬著擔(dān)架行走在有一定傾斜角度的路面上時，控制器控制支撐桿伸縮，帶動旋轉(zhuǎn)副轉(zhuǎn)動進(jìn)行角度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自平衡，整個過程不需要人工介入。

圖1 機(jī)構(gòu)自平衡原理圖

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計可拆卸自平衡擔(dān)架由自平衡擔(dān)架、自平衡控制系統(tǒng)、360°旋轉(zhuǎn)把手和可拆卸結(jié)構(gòu)4部分組成。

為保證平衡擔(dān)架在復(fù)雜的環(huán)境中保持平衡，需要對其x、y和z軸的轉(zhuǎn)動和z軸的移動進(jìn)行實(shí)時調(diào)整。根據(jù)上節(jié)所述的機(jī)構(gòu)自平衡原理設(shè)計出如圖2所示的自平衡控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、電推桿、控制器、擔(dān)架主體和動態(tài)傾角傳感器組成。工作原理是測量范圍為0°～360°、測量精度為0.1°的動態(tài)傾角傳感器時刻檢測擔(dān)架主體的傾斜角度，并實(shí)時與控制器內(nèi)預(yù)先設(shè)置的角度對比，若數(shù)據(jù)發(fā)生偏差，控制器則發(fā)出指令驅(qū)動4個電推桿(見圖3)伸縮，實(shí)現(xiàn)擔(dān)架主體的高度調(diào)整。

圖2 擔(dān)架自平衡結(jié)構(gòu)圖

圖3 帶萬向球頭的電動推桿

擔(dān)架處于傾斜狀態(tài)時會導(dǎo)致救援人員的手腕感到不適，采用360°旋轉(zhuǎn)把手可不受任何方向的制約，救援人員的手腕不必隨擔(dān)架傾斜，始終處于舒適狀態(tài)。

可拆卸結(jié)構(gòu)部分，擔(dān)架外架上設(shè)有間隔的螺紋孔，可用于安裝擔(dān)架窗和擔(dān)架頂，安裝后可在運(yùn)輸時防雨和防高空墜物對傷員造成二次傷害；擔(dān)架主體四角有帶插銷的4個空心柱，當(dāng)傷員轉(zhuǎn)移到路況好的環(huán)境時可用于安裝電動滾輪加快運(yùn)輸速率，減少救援人員體力消耗；在劃艇上還可起到固定樁的作用，便于救援時通過深水區(qū)和洪水受災(zāi)區(qū)。

3 控制效果仿真分析

經(jīng)典PID控制器的原理是用預(yù)設(shè)輸入與實(shí)際信號的誤差以及其微分、積分的線性組合來產(chǎn)生控制信號。但其常常存在調(diào)節(jié)時間與超調(diào)量之間的矛盾，即無法在保證快速的條件下實(shí)現(xiàn)無超調(diào)。而將這3個狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行非線性組合采用PID控制有助于提升控制效果[3]。

常見線性PID控制器傳遞函數(shù)的一般表達(dá)式為：

(1)

本文采用了一種基于電容電極之間帶電粒子的作用原理所構(gòu)造的非線性函數(shù)[4]對PID控制率進(jìn)行修正。其控制規(guī)律的表達(dá)形式為：

(2)

式中：

(3)

(4)

式中：參數(shù)m>0，用來調(diào)整函數(shù)曲率；參數(shù)U0用來調(diào)整函數(shù)的幅值；|e|

以1/s(s+2)(s+3)為模型，對模型進(jìn)行線性和非線性PID控制對比，在預(yù)定參數(shù)下，非線性PID控制器的系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 非線性PID系統(tǒng)框圖

為驗(yàn)證控制器的性能，以增益曲線與橫軸所圍面積相等為依據(jù)分別進(jìn)行參數(shù)設(shè)計[5]。

線性PID控制器的參數(shù)為：

kP=5，ki=0，kd=4.1

非線性PID控制器的參數(shù)為：

2種控制器的階躍響應(yīng)如圖5所示，差距在5%以內(nèi)，且最終都能回到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差都接近于0。但在上述預(yù)定參數(shù)下對2種控制器進(jìn)行延時環(huán)節(jié)測試時，非線性PID控制器的最大延時為線性PID 控制器的192%。研究結(jié)果表明，這種非線性PID控制器能夠在保持系統(tǒng)控制剛度的條件下，較好地提升系統(tǒng)的最大延時承受能力，獲得更大的穩(wěn)定裕度，更好地平衡了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)定性之間的矛盾。

圖5 階躍響應(yīng)時間對比

4 結(jié)論

為防止傷員在救援運(yùn)輸過程中受到二次傷害，保證傷員在運(yùn)輸中的平穩(wěn)性，本文設(shè)計出一種可用于復(fù)雜地面環(huán)境救助傷員的可拆卸式自平衡擔(dān)架。其具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)采用4個電動推桿與球形萬向節(jié)的聯(lián)合動作實(shí)現(xiàn)擔(dān)架在多方向的角度調(diào)整，以應(yīng)對擔(dān)架的任何傾斜狀況。

2)采用一種新的非線性PID控制算法，有效提升了系統(tǒng)的控制能力，增大了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。

3)根據(jù)實(shí)際情況，擔(dān)架可拓展安裝各種附件結(jié)構(gòu)，增加附加功能，實(shí)現(xiàn)擔(dān)架的多功能化。