CN104950922A - 一种四点支撑机电调平系统虚腿补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

一种四点支撑机电调平系统虚腿补偿控制方法，实现将车载平台调节至水平状态，且使得四个支腿受力均匀，消除虚腿。调平系统包括载车平台和四个按照矩形分布的电动支腿。启动调平程序后，首先控制器驱动四个支腿同时伸展，使四个支腿全部触地并停止伸展；接着使各支腿电机低速运转，持续缓慢将轮胎抬离地面，同时检测各支腿电机绕组电流值并转换成支撑力；然后计算调平后各支撑腿的优化支撑力并转换成电机绕组电流的目标值，转换过程消除中间不确定变量影响；最后利用带电流反馈的控制策略将载车平台调平并消除虚腿。本发明在现有调平系统结构不变的情况下，直接通过软件来消除虚腿，降低了系统开发设计成本。

Description

一种四点支撑机电调平系统虚腿补偿控制方法

技术领域

本发明属于机电伺服控制领域，尤其涉及一种消除四点支撑机电式车载平台的调平系统及虚腿解决方法。

背景技术

机电式车载平台自动调平系统的“虚腿”问题是不容忽视的，如果能消除“虚腿”且优化各支腿受力，除了能保障车载设备正常工作外，而且能提高调平系统在外部干扰载荷作用下的稳定性，提高其安全性。液压调平系统根据其液压系统工作压力，可以较好解决调平问题与“虚腿”问题，但机电式调平系统因其结构特性和电气特性，目前主要有以下几种消除“虚腿”的方法：

(1)在车载平台完成调平后，逐次伸长各个支腿一小位移量，通过检测平台倾角值的变化情况，判定该支腿是否为“虚腿”。若存在“虚腿”现象，该支腿继续伸长直至平台倾角值大于阈值，然后让支腿缩短相应微小距离，以便保持平台水平坐标不发生改变；若不是“虚腿”，平台倾角值变化大于阈值，同样让支腿缩短相应微小距离。这种方法的优点是不需要额外添加硬件来检测是否存在“虚腿”，使得系统结构简单，降低了开发成本。但是这种方法也有致命的缺点：在确定水平倾角变化的阈值时往往凭借多次试验或者根据经验，有很大的随机性，且一旦平台的结构发生改变，又需做大量的工作确定水平倾角变化的阈值。

(2)在平台支腿上加装压力传感器。这种方法是通过支腿受力大小来检测各个支腿是否为“虚腿”，在调平时平台支腿一直伸长。若压力传感器得到的支腿压力大于阈值，说明该支腿不是“虚腿”；若小于阈值，说明是“虚腿”。这种方案也存在缺点：增加了力传感器并随着力传感器使用时间的增加，灵敏度和精度都会下降，且增加了系统开发成本。

(3)在电机中加装电流传感器，通过电机电流的大小判定支腿是否为“虚腿”。在电机驱动支腿运动时，若电机负载小，对应电流小，说明相应支腿为“虚腿”，通过电流大小的改变可以判定和消除“虚腿”。这种方法不会改变系统的机械结构，但增加了电流传感器及控制系统的复杂程度。

本发明利用电机绕组电流估计支腿支撑力并优化调平后的支腿支撑力，设计“虚腿”补偿控制策略使得各支腿受力达到优化值的邻域，达到调平并消除“虚腿”现象。

发明内容

本发明的目的是：提出一种消除四点支撑机电调平系统的虚腿补偿控制方法，旨在解决现有的消除虚腿的方法硬件成本高，和支腿受力不优化的问题。

本发明的原理是利用电动支腿电机绕组电流估计支腿受力大小并计算调平后各支腿的优化支撑力，以达到将车载平台调平且消除“虚腿”的目的。该消除四点支撑机电式车载平台虚腿的系统包括：车载平台、水平倾角传感器、四个按照矩形布置的电动支腿和控制器，电动支腿的电机为交流同步伺服电机。车载平台到达工作位置后，该四点支撑机电调平系统虚腿补偿控制方法包括以下步骤：

步骤一，同时驱动四个电动支腿独立伸长，使四个支腿全部处于触地状态并停止；

步骤二，低速伸展四条支腿，将轮胎抬离地面，并检测轮胎离地后各支腿电机绕组电流，计算调平后各伺服电机的优化绕组电流额定值；

步骤三，根据状态反馈量(载车平台姿态，电机轴位置、速度和绕组电流)设计调平控制策略进行调平，至车载平台处于水平状态，且各支撑腿伺服电机绕组电流达到额定值的一个邻域内。

本发明在现有通用四点支撑机电调平系统的基础上进行软件的改进，不增加机械系统结构部件和控制系统硬件成本；由于建立绕组电流与支腿受力映射关系时消除了系统不确定变量的影响，因此既实现了调平目的又消除了“虚腿”现象，且使得各支腿受力优化。

附图说明

图1是机电式车载平台调平系统的俯视示意图，图中：11、12、21、22是支腿编号。

图2是调平控制流程图。

图3是螺纹面受力简图，其中：1：基座；2：螺杆；3：三角楔形；g：螺杆作用在螺纹面上的压力；g_v：g在垂直于螺纹面上的压力分力；g_h：g在平行于螺纹面上的压力分力；f：作用在三角楔形上的水平推力，用于在半斤为r的力臂上产生螺杆扭矩；p：螺杆螺距；r：螺杆半径；θ：螺纹螺旋角；l₁、l₂：三角形边长，其中l₁＝p，l₂＝2πr。

图4是x轴(α)和y轴(β)倾角变化曲线仿真图；

图5是各支腿受力曲线仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示为机电式车载平台调平系统的俯视示意图。支腿按照矩形布置，编号如图所示，图中a，b分别为矩形沿y轴和x轴方向的边长，a₀，b₀为系统重心距离矩形边的距离；图中所示的坐标轴固定于平台之上，定义平台先绕x轴的转角为α，在该姿态下再绕y轴的转角为β。使用水平倾角传感器实时监测车载平的姿态，即α和β，四个电动支腿均使用交流伺服电机。

图2是调平的流程图，雷达车就位后，各步骤的实施方法如下：

步骤一，同时驱动四个电动支腿独立伸长，当伺服电机电流增大至给定阈值后，判定该条支撑腿触地，则停止相应伺服电机转动，直至四个支腿全部触地，此时电动支腿和车载平台均处于静止状态，执行步骤二；

步骤二，低速伸展四条支腿，将轮胎抬离地面，并检测轮胎离地后各支腿电机绕组电流，计算调平后各伺服电机的优化绕组电流额定值，检测电流和计算优化绕组电流额定值的方法证明如下：

丝杆螺母的受力图可以展开成如图2所示的平面问题，三角楔形表示螺纹，螺杆的推力等效于作用在螺纹面的力，表示成g，三角楔形向左移动(假设此时伺服电机正转)，则螺杆上升，反之则下降。图中：假设螺旋副接触面的摩擦系数为μ，三角楔形与基座的摩擦系数为0。容易证明当μ>tanθ时，令f＝0，该机构能自锁。电动支腿具有自锁功能，因此这里默认μ>tanθ来说明两种情况下f与g的关系。

(1)三角楔形匀速向左移动时(此时螺杆上升，伺服电机正转)，满足：

f＝g(sinθcosθ+μcosθcosθ)+C        (1)

(2)三角楔形匀速向右移动时(此时螺杆下降，伺服电机反转)，满足：

f＝g(sinθcosθ-μcosθcosθ)+C        (2)

上两式中：C为常量，为螺旋传动的静摩擦力。

按照图3所示，各支撑腿螺杆作用在螺纹面上的压力用g_ij(i＝1,2；j＝1,2)表示，作用在三角楔形上的水平推力用f_ij(i＝1,2；j＝1,2)表示，相应的伺服电机绕组电流用I_ij(i＝1,2；j＝1,2)表示，当支腿将轮胎抬离地面并低速运行时，满足(1)式，进而有

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{11}+f_{12}+f_{21}+f_{22}=G(sin\mathrm{\θ}cos\mathrm{\θ}+\mathrm{\μ}cos\mathrm{\θ}cos\mathrm{\θ})+4C\\ a_0=a(f_{21}+f_{22}-2C)/G/(sin\mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}+\mathrm{\μ}\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ})\\ b_0=b(f_{11}+f_{21}-2C)/G/(\sin \mathrm{\θ}cos\mathrm{\θ}+\mathrm{\μ}cos\mathrm{\θ}cos\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(3\right)$

(3)式是轮胎抬离地面后且处于低速上升时各支腿满足的受力方程，其中f_ij可能趋近0。用表示调平后支腿受力的优化解，则有

$\left\{\begin{array}{c}{\tilde{f}}_{11}+{\tilde{f}}_{12}+{\tilde{f}}_{21}+{\tilde{f}}_{22}=G(sin\mathrm{\θ}cos\mathrm{\θ}+\mathrm{\μ}cos\mathrm{\θ}cos\mathrm{\θ})+4C\\ a_0=a({\tilde{f}}_{21}+{\tilde{f}}_{22}-2C)/G/(sin\mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}+\mathrm{\μ}\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ})\\ b_0=b({\tilde{f}}_{11}+{\tilde{f}}_{21}-2C)/G/(\sin \mathrm{\θ}cos\mathrm{\θ}+\mathrm{\μ}cos\mathrm{\θ}cos\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(4\right)$

联合(3)式和(4)式得

$\left\{\begin{array}{c}{\tilde{f}}_{11}+{\tilde{f}}_{12}+{\tilde{f}}_{21}+{\tilde{f}}_{22}=f_{11}+f_2+f_{21}+f_{22}\\ {\tilde{f}}_{21}+{\tilde{f}}_{22}=f_{21}+f_{22}\\ {\tilde{f}}_1+{\tilde{f}}_{21}=f_{11}+f_{21}\end{array}\right.---\left(5\right)$

(5)式的超静定问题有4个变量三个方程，因此解不是唯一的，优化解满足变形协调方程，该方程为

${\tilde{f}}_{11}+{\tilde{f}}_{22}={\tilde{f}}_{12}+{\tilde{f}}_{21}---\left(6\right)$

(5)式～(6)式的解是存在且唯一的。

执行电机的绕组电流与输出扭矩成正比，即电流I∝f，用I_ij表示f_ij对应的电流值，用表示对应的电流值，则有

$\left\{\begin{array}{c}{\tilde{I}}_{11}+{\tilde{I}}_{12}+{\tilde{I}}_{21}+{\tilde{I}}_{22}=I_{11}+I_{12}+I_{21}+I_{22}\\ {\tilde{I}}_{21}+{\tilde{I}}_{22}=I_{21}+I_{22}\\ {\tilde{I}}_{11}+{\tilde{I}}_{21}=I_{11}+I_{21}\\ {\tilde{I}}_{11}+{\tilde{I}}_{22}={\tilde{I}}_{12}+{\tilde{I}}_{21}\end{array}\right.---\left(7\right)$

方程组(7)式的解是容易得到且唯一的。

步骤三，根据状态反馈量(载车平台姿态、电机轴位置、速度和绕组电流)设计调平控制策略进行调平，至车载平台处于水平状态；调平后继续同步低速伸展四个支腿并保持调平控制策略有效，控制各支腿伺服电机绕组电流达到(7)式解的一个邻域内后完成调平。

Claims (3)

1.一种四点支撑机电调平系统虚腿补偿控制方法，其特征在于：利用电机的绕组电流估计支腿受力大小，进而计算调平后各支撑腿的优化支撑力并转换成电机绕组电流的目标值，利用带电流反馈的控制策略将载车平台调平并消除虚腿；建立电机低速运转时的绕组电流与支腿受力映射关系，使用电机低速运转时的绕组电流估计支腿受力大小，将优化支撑力转换成电机绕组电流的目标值，转换过程消除系统不确定变量的影响。

2.一种根据权利要求1所述的四点支撑机电调平系统虚腿补偿控制方法，其特征在于：所述的利用带电流反馈的控制策略将载车平台调平并消除虚腿的方法如下：电机的转向始终使得支腿处于伸长状态直至调平结束，并使用低速运转时的绕组电流估计支腿受力，带电流反馈的调平控制策略使得系统调平角度误差具有指数稳定性。

3.一种根据权利要求1或2所述的四点支撑机电调平系统虚腿补偿控制方法，其特征在于：所述调平流程为：步骤一，雷达车就位后，同时驱动四个电动支腿独立伸长，当伺服电机电流骤然增大至给定阈值后，判定该条支撑腿触地，则停止相应伺服电机转动，直至四个支腿全部触地；步骤二，低速伸展四条支腿，将轮胎抬离地面，并检测轮胎离地后各支腿电机绕组电流，计算调平后各伺服电机的优化绕组电流额定值；步骤三，根据载车平台姿态，电机轴位置、速度和绕组电流的状态反馈量进行调平控制，至载车平台处于水平状态，且各支撑腿伺服电机绕组电流达到额定值的一个邻域内。