湯 輝 陳建平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所 合肥 230031)

六點(diǎn)支撐自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

湯 輝 陳建平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所 合肥 230031)

本文對(duì)車載自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的描述與討論，列舉了目前典型自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的類型和特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)六點(diǎn)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的受力模型分析，得出了車載上裝設(shè)備的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則。文中重點(diǎn)研究了六點(diǎn)支撐共同參與調(diào)平過(guò)程的控制策略，并利用設(shè)計(jì)實(shí)例得出了撐腿在自動(dòng)調(diào)平過(guò)程中的伸長(zhǎng)量計(jì)算方法。另外，對(duì)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，如虛腿、安全性等問(wèn)題也進(jìn)行了梳理和總結(jié)。本文討論的內(nèi)容和涉及的方法均來(lái)源于實(shí)際工程系統(tǒng)，對(duì)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)人員具有一定的參考價(jià)值。

自動(dòng)調(diào)平;靜不定;虛腿

0 引言

自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)在車載軍事裝備和工程機(jī)械中有著廣泛的應(yīng)用。隨著調(diào)平對(duì)象規(guī)模的不斷增大和調(diào)平精度的提高，調(diào)平支撐從三點(diǎn)發(fā)展到四點(diǎn)、六點(diǎn)甚至更多。眾所周知，三點(diǎn)確定一個(gè)平面，所以三點(diǎn)支撐不但可以確定一個(gè)平面，而且可以保證每條支腿的受力狀態(tài)的重復(fù)性，是控制策略最容易實(shí)現(xiàn)的支撐方式。但是考慮實(shí)際裝備的穩(wěn)定性、抗傾覆性以及單腿承載力的有限性，四點(diǎn)調(diào)平和六點(diǎn)調(diào)平在工程中有卻著大量的應(yīng)用，尤其是四點(diǎn)調(diào)平是當(dāng)前主流裝備普遍采用的形式。當(dāng)然，由于四點(diǎn)調(diào)平是一次超靜定系統(tǒng)，提高剛度和穩(wěn)定性是以增加靜不定次數(shù)、加大控制難度為代價(jià)的。目前工程實(shí)際中已經(jīng)成功解決了由于超靜定問(wèn)題帶來(lái)的耦合和虛腿問(wèn)題，一種方法是將四條調(diào)平支腿解耦為兩個(gè)方向，在兩個(gè)方向上分別布置水平傳感器，檢測(cè)水平度，通過(guò)兩個(gè)方向的調(diào)平實(shí)現(xiàn)平臺(tái)調(diào)平。即在一個(gè)方向調(diào)平平臺(tái)，然后鎖定該方向的水平度，再調(diào)平另外一個(gè)方向，可重復(fù)多次調(diào)節(jié)，遵守只升不降的原則;另外一種是通過(guò)建立平臺(tái)調(diào)節(jié)控制的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)調(diào)節(jié)四條支腿，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的水平調(diào)整。當(dāng)平臺(tái)需要更好的剛性和更高的調(diào)平精度時(shí)，六點(diǎn)支撐則成為可選的手段。六點(diǎn)支撐是一個(gè)三次超靜不定系統(tǒng)，系統(tǒng)的控制策略設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性控制難度更高，所以目前在實(shí)際工程中，大多采用以其中兩個(gè)支點(diǎn)為輔助支撐，實(shí)際參與調(diào)平的依然是四個(gè)支撐點(diǎn)，而這種調(diào)平方法對(duì)單腿的動(dòng)態(tài)承載力提出了很高的要求，尤其是平臺(tái)上裝重量不斷增大，撐腿安裝空間無(wú)法增加的情況下，四點(diǎn)調(diào)平+兩點(diǎn)輔助的方法已很難滿足系統(tǒng)要求，六點(diǎn)支撐共同參與調(diào)平是必然趨勢(shì)，對(duì)六點(diǎn)支撐自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的研究則非常必要。

1 模型分析

為了各撐腿能夠平均承擔(dān)上裝重量，需要對(duì)平臺(tái)上裝的重心進(jìn)行布局，所以，首先需要對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)建模，以此從理論上保證支腿的受力能調(diào)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(shè)計(jì)難度。

本文對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)的靜力學(xué)模型進(jìn)行分析，分析過(guò)程做出如下假設(shè):

a)地面是絕對(duì)剛性的;

b)平臺(tái)是絕對(duì)剛性的;

c)平臺(tái)支撐的彈性變形滿足虎克定律。

如圖1，平臺(tái)上六個(gè)支撐點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(0，0)、(Lc，0)、(La，0)、(La，Lb)、(Lc，Lb)、(0，Lb)，總重量為G，重力作用點(diǎn)的坐標(biāo)為(Lx，Lb/2)。當(dāng)平臺(tái)處于水平狀態(tài)時(shí)，支撐的內(nèi)力和變形滿足靜力學(xué)方程。由力平衡可得:

由力矩平衡可得:(以3和4支點(diǎn)連線為支撐)

其中，F(xiàn)1～F6:支腿1～6的受力;Lx:上裝質(zhì)量重心距離1腿的X軸向距離;La:3、4腿距離1腿的X軸向距離;Lb:4、5、6腿距離1腿的Y軸向距離;Lc:2、5腿距離1腿的X軸向距離。

一般情況下，上裝質(zhì)量重心在車輛平臺(tái)的Y軸向中心，即支腿1、2、3和支腿4、5、6受力情況相同，F(xiàn)1=F6，F(xiàn)2=F5，F(xiàn)3=F4，那么上式可以分別變換成:

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求F1=F2=F3=G/6，通過(guò)上述計(jì)算可得Lx=(La+Lc)/3。

因此，為了保證六點(diǎn)支撐調(diào)平系統(tǒng)的各撐腿受力均勻一致，在載車平臺(tái)長(zhǎng)度一定的情況下，需要從上裝質(zhì)量重心和中間兩個(gè)撐腿的位置布置著手，盡量使得各撐腿受力均勻。

2 調(diào)平策略

調(diào)平策略與驅(qū)動(dòng)形式?jīng)]有必然關(guān)系，本文僅從控制算法角度去討論在六點(diǎn)支撐系統(tǒng)中調(diào)平策略的選擇問(wèn)題。目前，在車載調(diào)平系統(tǒng)中，調(diào)平控制策略主要分為兩種:位置誤差調(diào)平法和角度誤差調(diào)平法。

角度誤差調(diào)平法以雙軸水平傳感器的測(cè)量值為依據(jù)，與撐腿驅(qū)動(dòng)形成閉環(huán)控制，通過(guò)兩個(gè)方向先后獨(dú)立多次循環(huán)調(diào)整，達(dá)到解耦和調(diào)平的目的。該方法的優(yōu)點(diǎn)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(guān)系，且撐腿的伸出行程計(jì)算功能也沒(méi)有強(qiáng)制要求，算法簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是調(diào)平時(shí)間慢，且僅適用于三點(diǎn)或四點(diǎn)調(diào)平系統(tǒng)，無(wú)法滿足六點(diǎn)調(diào)平系統(tǒng)多點(diǎn)共同參與調(diào)平的要求。

位置誤差調(diào)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(zhǔn)，保持該撐腿不動(dòng)，根據(jù)調(diào)平撐腿和水平傳感器的安裝位置關(guān)系尺寸和當(dāng)前水平傳感器的測(cè)量值，計(jì)算出其他撐腿的伸長(zhǎng)量或收回量，控制撐腿執(zhí)行相應(yīng)的伸縮量，完成調(diào)平。該方法的優(yōu)點(diǎn)是適用于任意數(shù)量支撐腿的調(diào)平系統(tǒng)，且調(diào)平時(shí)間快，缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)需要掌握支撐點(diǎn)和傳感器的位置關(guān)系，軟件算法復(fù)雜，調(diào)平撐腿要求具備行程計(jì)算功能，調(diào)平精度受到系統(tǒng)剛性、傳動(dòng)間隙以及安裝尺寸誤差等因素的影響，當(dāng)然也可以通過(guò)閉環(huán)修正彌補(bǔ)上述誤差帶來(lái)的影響。本文根據(jù)六點(diǎn)支撐調(diào)平系統(tǒng)的特點(diǎn)，選擇位置誤差調(diào)平法中的“追高法”進(jìn)行討論，“追高法”即保持落地后調(diào)平撐腿中的最高點(diǎn)不同，其他支撐點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)與之對(duì)齊，當(dāng)各點(diǎn)達(dá)到最高點(diǎn)位置時(shí)平臺(tái)即處于水平狀態(tài)，這種方法能在一定程度上解決虛腿的問(wèn)題［1］。

如圖2所示，以水平傳感器的安裝位置處平面為調(diào)平對(duì)象，以撐腿1支點(diǎn)處為直角坐標(biāo)原點(diǎn)，各撐腿的支點(diǎn)坐標(biāo)為(Xi，Yi，Zi)(i=1，2，3，4，5，6)，水平傳感器安裝位置的坐標(biāo)為(Sx，Sy，Sz)，假設(shè)當(dāng)前水平傳感器的輸出值為(Ax，Ay)，由圖2所示，撐腿落地完成后通過(guò)傳感器的輸出值可以容易的判斷出最高點(diǎn)為4號(hào)支撐腿，則在接下來(lái)的調(diào)平程序中，保持4號(hào)支撐腿不動(dòng)，其余撐腿的伸長(zhǎng)量計(jì)算如下［2］:

由于ΔL5和ΔL6不影響Y方向的水平度，為了保持在調(diào)節(jié)X方向水平值時(shí)的Y向水平度，使撐腿1和2也相應(yīng)的伸長(zhǎng)ΔL5和ΔL6，則X向水平值調(diào)整完成。

接下來(lái)進(jìn)行Y方向調(diào)節(jié)，伸長(zhǎng)量計(jì)算如下:

顯然撐腿1和2在Y方向調(diào)整中的伸長(zhǎng)量也為ΔL3。

總結(jié)上述過(guò)程，則在撐腿落地完成后，執(zhí)行自動(dòng)調(diào)平階段各撐腿的伸長(zhǎng)量分別為:

上述討論建立在地面和平臺(tái)均是絕對(duì)剛性的前提下，而這種假設(shè)在實(shí)際工程中卻是不可能完全滿足的。為了解決這種非剛性對(duì)調(diào)平策略和調(diào)平精度的影響，可以采用多次反復(fù)調(diào)整的方法克服其帶來(lái)的影響。

3 虛腿問(wèn)題

“虛腿”問(wèn)題是自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究的重點(diǎn)，也是工程化實(shí)現(xiàn)中必須要面對(duì)和解決的難題。引起虛腿的根本原因在于四點(diǎn)或六點(diǎn)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)是一個(gè)典型的超靜定系統(tǒng)。盛英等在“6腿支撐液壓式平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平算法”一文中提出了參照Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)［3］，將高次靜不定平臺(tái)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為靜定結(jié)構(gòu)，避免了虛腿問(wèn)題，但是該方案在工程中應(yīng)用案例極少。施勤等在“基于油壓檢測(cè)的雷達(dá)車全自動(dòng)調(diào)平策略”一文中提出在自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)中基于油壓檢測(cè)原理解決虛腿支撐的策略［4］，也討論了油壓檢測(cè)中普遍遇到的工程難題，如環(huán)境溫度的影響、結(jié)構(gòu)因素的影響等，但是其提出的解決辦法只是起到改善或者提高的作用，并沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題，另外，油壓檢測(cè)的方法只適用于液壓式調(diào)平系統(tǒng)，機(jī)電調(diào)平系統(tǒng)則無(wú)法采用。目前，機(jī)電調(diào)平系統(tǒng)普遍采用的減小虛腿現(xiàn)象出現(xiàn)概率的方法是采用只升不降的調(diào)平策略，通過(guò)實(shí)時(shí)采集電機(jī)電流和多次循環(huán)調(diào)平的方法，達(dá)到避免虛腿的目的。但是，該方法依然受到環(huán)境溫度等客觀因素的影響，且多次循環(huán)調(diào)平和只升不降的方法也使得系統(tǒng)的調(diào)節(jié)余量越來(lái)越小。

根據(jù)六點(diǎn)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文討論一種新穎的落地檢測(cè)的方法，通過(guò)該方法可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)撐腿的落地情況，檢測(cè)結(jié)果基本上不受其他因素的影響。無(wú)論是油壓檢測(cè)還是電機(jī)電流檢測(cè)，都是通過(guò)外部物理量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)進(jìn)行判斷，而物理量即液壓系統(tǒng)的壓力或者電機(jī)轉(zhuǎn)矩均會(huì)受到外部環(huán)境或者機(jī)械部分的不定因素的影響，如果落地檢測(cè)或者虛腿檢測(cè)能夠直接通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的固定變化轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)量，則大大降低了外界因素的影響。在調(diào)平撐腿的設(shè)計(jì)中采用滑塊限位結(jié)構(gòu)，滑槽的長(zhǎng)度比滑塊的長(zhǎng)度大2mm～4mm，當(dāng)撐腿落地受力后，只要克服撐腿自身的重量，即可推動(dòng)滑塊從滑槽的底部運(yùn)動(dòng)到頂部，由于檢測(cè)距離的變化，引起了撐腿頂部接近開(kāi)關(guān)點(diǎn)亮，指示撐腿落地完成。撐腿側(cè)面的接近開(kāi)關(guān)通過(guò)檢測(cè)同軸安裝在撐腿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上的齒輪齒面進(jìn)行開(kāi)關(guān)計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)撐腿行程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，一方面作為調(diào)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(shí)也能夠作為撐腿是否收回到位的檢測(cè)條件。

顯然，本文所討論的撐腿落地檢測(cè)方法克服了外部環(huán)境因素的影響，通過(guò)在撐腿落地前后機(jī)械結(jié)構(gòu)上的變化實(shí)現(xiàn)落地檢測(cè)或虛腿檢測(cè)，只要撐腿的重量一致，即可保證撐腿穩(wěn)定可靠且重復(fù)性一致的落地檢測(cè)性能。通過(guò)調(diào)節(jié)檢測(cè)開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)撐腿落地的受力程度，滿足不同載車和產(chǎn)品的落地要求。另外，值得一提的是，該設(shè)計(jì)中所有的檢測(cè)開(kāi)關(guān)均布置在容易達(dá)到的地方，符合工程設(shè)計(jì)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(wèn)題

這里要討論的是除了第4條描述的“虛腿”問(wèn)題以外帶來(lái)的安全性隱患。車載自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)一般上載重量較重，且上裝設(shè)備體積和高度都比較大，一旦最基礎(chǔ)的平臺(tái)調(diào)平存在安全隱患，那么其對(duì)整個(gè)設(shè)備和人員的安全會(huì)帶來(lái)極大的危害。為此，本文專門討論自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)普遍存在的安全性問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施。

水平傳感器是自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，圍繞其展開(kāi)安全性的討論是必要的。水平傳感器的故障大致會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)兩種可能，一是調(diào)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(gè)固定的有效值，但不隨平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)而變化。無(wú)論是哪一種情況，在不同的調(diào)平策略中，如果不加以對(duì)水平值進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，都會(huì)帶來(lái)?yè)瓮纫恢鄙斐?，或者無(wú)法真正完成調(diào)平的故障出現(xiàn)，給上裝設(shè)備帶來(lái)安全隱患。為此，首先應(yīng)該在調(diào)平控制程序中對(duì)接收到的水平值進(jìn)行實(shí)時(shí)的判斷，如果一旦水平值出現(xiàn)超出正常的預(yù)設(shè)范圍，或者撐腿落地完成后繼續(xù)伸出時(shí)水平值不會(huì)變化，均要求系統(tǒng)立即停止動(dòng)作且聲光報(bào)警輸出提醒操作人員進(jìn)行系統(tǒng)檢查。

另一種故障現(xiàn)象與“虛腿”正好相反，當(dāng)檢測(cè)落地的接近開(kāi)關(guān)損壞時(shí)，系統(tǒng)即失去了該條撐腿落地檢測(cè)的功能，如果不設(shè)置保護(hù)措施，則該撐腿會(huì)一直伸出，直到行程超限為止，一旦出現(xiàn)這種情況，輕則無(wú)法完成正常調(diào)平，嚴(yán)重的情況會(huì)造成整車的大角度傾斜，異常危險(xiǎn)。針對(duì)這種情況的保護(hù)措施是，在執(zhí)行落地過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控?fù)瓮壬斐鲂谐?，預(yù)設(shè)落地檢測(cè)段的伸出行程最大值，一旦超出該值還沒(méi)有完成落地檢測(cè)，立即停止工作并報(bào)警輸出。另外，根據(jù)對(duì)架設(shè)地形的要求，可以計(jì)算出各條撐腿落地階段所用行程或者時(shí)間的最大間隔，根據(jù)其他撐腿的落地情況，也可以作為避免該撐腿出現(xiàn)上述情況的軟手段。

第三種情況是當(dāng)檢測(cè)行程的接近開(kāi)關(guān)損壞時(shí)，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控?fù)瓮刃谐處?lái)的影響。顯然，這時(shí)會(huì)影響前面兩種情況的保護(hù)措施的設(shè)置，也會(huì)帶來(lái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)撐腿收回到位的判斷和伸出最大行程的保護(hù)等功能的失效。針對(duì)這種情況的保護(hù)措施是，在撐腿伸出或收回時(shí)，以一定的時(shí)間間隔判斷行程計(jì)數(shù)值的變化，一旦發(fā)現(xiàn)撐腿動(dòng)作一定間隔時(shí)間前后計(jì)數(shù)值沒(méi)有變化，立即停止動(dòng)作并報(bào)警輸出。

5 結(jié)論

六點(diǎn)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)在大型車載設(shè)備中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，本文筆者結(jié)合自己多年的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)工程化的車載自動(dòng)調(diào)平進(jìn)行了系統(tǒng)性的介紹和分析，尤其對(duì)于系統(tǒng)中涉及到的虛腿和安全性等實(shí)際工程問(wèn)題的討論，對(duì)于相關(guān)工程技術(shù)人員具有一定的借鑒和參考意義。

［1］姜偉偉，高云國(guó)等.大型光電設(shè)備基準(zhǔn)平面自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)［J］.光學(xué)精密工程，2009，17(5):1039－1045.

［2］李斌，李洪等.重載平臺(tái)精確調(diào)平方法的研究［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008，(9):99－101.

［3］盛英，仇原鷹.6腿支撐液壓式平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平算法［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，29(5):593 －597.

［4］施勤，岳振興.基于油壓檢測(cè)的雷達(dá)車全自動(dòng)調(diào)平策略［J］. 現(xiàn)代雷達(dá)，2010，32(10):73－76.

［5］陸作其，單春賢等.車載雷達(dá)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)中虛腿的模糊控制［J］.數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2010，40(3):115 －122.

Research on Key Technologies for Auto-Leveling System with Six-point Supporting

Tang Hui，Chen Jianping
(The No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230031)

Vehicular auto-leveling system is described and discussed.Types and features of typical auto-leveling systems are listed.Based on analysis to force bearing(loading)model of auto-leveling system with six-point supporting，structure design principle of up-mounted equipment is obtained.Control strategy to six legs is studied in detailed;algorithm for calculating extension length of the legs during auto-leveling progress is provided by using example embodiment;some key technologies such as“false leg”and system safety are summarized.The contents and methods discussed in this paper are all based on the practical engineering;therefore it can provide reference for designer of auto-leveling system.

auto-leveling;ultra-stationary;“false leg”

TP271

A

1008-8652(2017)01-064-04

2016-08-18

湯 輝(1980－)，男，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)樗欧到y(tǒng)技術(shù)。