CN109367525B - 一种基于六点支撑的大型车体自动调平系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于当车辆正在以特别的动作和条件,或驾驶员操作运行时,以它们的响应度为特征技术领域,公开了一种基于六点支撑的大型车体自动调平系统及方法,包括控制器,双轴倾角传感器,人机界面,报警器,六条支撑腿,六个直流电机驱动器,六个霍尔传感器。本发明保持落地后调平支撑腿中的最高点不变,其余支撑点同步向上运动与之对齐,当各点达到最高点位置时,车体处于水平状态;调力阶段是确保所有轮胎离地,不起支撑作用,由六条支腿支撑整个车体,同时进行微调,保证六条支腿受力均匀。本发明能实现平台在野外非结构化环境下自动调平,具有调平精度高、速度快、可靠性高、稳定性强等优点,尤其适用于电子装备车载平台及各种营地房车。
Description
技术领域
本发明属于当车辆正在以特别的动作、特别的条件,或驾驶员操作运行时,以它们的响应度为特征技术领域,尤其涉及一种基于六点支撑的大型车体自动调平系统及方法。
背景技术
目前,业内常用的现有技术是这样的:随着自动化技术的发展,自动调平技术在人们的生产、生活领域应用越来越广泛,如电子装备车载平台、营地房车等。此类车体由于承载设施较多,又需要足够的活动空间,因此在使用过程中,由于使用者的活动和各种设施的摆放等,会导致车体的重心产生偏移,仅仅依赖轮胎支撑既不能保证车体水平,也难以提供理想的稳定状态,严重影响使用效果。因此,大型车体的自动调平技术目前已经作为该领域一系列产品的必备系统。调平系统从驱动方式看,可分为液压式和机电式。目前国内常用的为四点液压式调平系统,具有结构紧凑,负载能力大等优点,但是由于液压系统通过液压油进行动力传递,很难避免泄露。液压油的泄露和热胀冷缩使液压传动无法保持严格的传动比;其次,液压系统对温度的变化比较敏感,很难适应非结构化环境下的工作要求,难以长时间保持调平后的平衡状态。因此,为了解决平衡保持问题,常常需要设计专用的液压缸,这样就提高了液压系统的结构复杂性,其响应速度相对于机电调平系统较慢,并具有使用不方便,维护困难等缺点。另外随着需求的增多,大型车体的跨距和载荷逐渐增大,对调平时间和平衡度等指标的要求也越来越高,而四点液压式自动调平系统无法满足大跨距车体的刚性和较高的调平精度和调平效率。
综上所述,现有技术存在的问题是:
(1)目前国内常用的为液压式调平系统无法满足非结构化环境的工作要求,难以长时间保持调平后的平衡状态,另外具有使用不方便,维护困难等缺点。
(2)随着需求的增多,大型车体的跨距和载荷逐渐增大,对调平时间和平衡度等指标的要求也越来越高,而四点液压式自动调平系统由于支撑腿数少无法满足大跨距重载荷车体的刚性,且液压调平系统无法满足较高的调平精度和实现快速调平。
解决上述技术问题的难度和意义:
解决上述技术问题的难度在于:为了满足大跨距重载荷车体的刚性,需要采用六点支撑的调平系统,六点支撑是一个三次超静不定问题,系统的控制策略设计和稳定性控制难度较高;为了满足较高的调平精度和实现快速调平,需要各支腿伺服系统具有精细控制,功能复杂的反馈控制系统,所以六点调平系统结构复杂,成本较高。
解决上述技术问题的意义在于:
需要提供一种可以满足非结构化环境的工作要求、平衡稳定性好、结构简单、实用性强、满足大跨距重载荷的刚度要求,可以快速实现调平的高精度机电式车载自动调平系统,具有控制性能好,维护简单和稳定性高等优点。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种基于六点支撑的大型车体自动调平系统及方法。
本发明是这样实现的,一种基于六点支撑的大型车体自动调平系统,所述基于六点支撑的大型车体自动调平系统包括:
双轴倾角传感器、人机界面和报警器通过数据线和控制器相连接;
双轴倾角传感器,用于检测车体平台的水平度并传输到控制器;
人机界面,用于实现操作指令的输入并传递给控制器,显示水平度、每个支腿电机的电流、扭矩、转速、温度、系统故障报警等输出信息。
控制器可采用固高、派克等可编程自动化运动控制器,接收到双轴倾角传感器检测的车体的水平角度值,通过数字量输入端口,传递到控制算法模块,计算出各支撑的伸长量,然后经过运动控制器的运动规划,根据选择的运动模式进行支腿的伸缩运动;控制器接收到霍尔传感器检测的各支腿电机的转速值,通过数字量输入端口,传递到控制算法模块,根据直流电机的转速、转矩和电流的关系公式,计算出支腿电机的电流和转矩值,间接反映出支腿接触力的大小,然后根据运动规划控制支腿运动停止动作。
进一步,六条支腿沿车身纵向按照前、中、后三组分布,两个一组呈并联状态;每条支腿包括直流电机驱动的电动缸和安装下端的球铰座;
每条支腿的支腿电动缸连接一个直流电机驱动器,用于驱动支腿电动缸上的电机;直流电机驱动器的输入端与控制器相连接;每个支腿电动缸上安装一个霍尔传感器,其输出端与控制器相连,用于测量电动缸的电机的转速,从而间接反映支腿支撑力的大小。
进一步,双轴倾角传感器、控制器、人机界面、报警器、直流电机驱动器、支腿安装在车体上。
进一步,所述人机界面包括:
控制指令模块,用于控制调平开始和停止,支腿伸缩动作;
状态显示模块,用于实时显示支撑平台的水平度、各支腿伸长时驱动电机的转速、转矩、电流数据和系统故障报警等信息。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于六点支撑的大型车体自动调平系统的基于六点支撑的大型车体自动调平方法,所述基于六点支撑的大型车体自动调平方法包括:
步骤一,首先根据双轴倾角传感器测得的待调平车体的水平度,检查是否满足给定精度,若满足,直接进入调力阶段,若不满足,则进入步骤二;
步骤二,标定车体坐标系,选择基准点,根据各支腿的安装位置,得到各支撑点的坐标;利用检测的水平度计算出位姿变换矩阵,并进行坐标的变换,得到各支撑点在水平坐标系的坐标;
步骤三,根据各支撑点在水平坐标系的位置坐标,判断出哪个支撑点是最高点,间接得到各支腿从初始位置到地面的伸长量;
步骤四,利用霍尔传感器依次测得六条支腿电动缸的驱动电机转速降低,确定各支腿触地并停止电动缸运动,利用“追高法”调平;“追高法”即保持支腿落地后调平支撑腿中的最高点不变,其他支撑点向上运动与之对齐,当各点达到最高点位置时平台处于水平状态;
步骤五,调平阶段完成后,各支腿根据调平方法继续同步同速度伸长合适长度,确保轮胎离地,由六条支腿支撑整个平台;伸长过程中,当霍尔传感器检测各支腿驱动电机的转速降为电机额定转速的70%,且水平度满足给定精度,说明轮胎离地,并且每条支腿均匀受力;
步骤六,完成调力阶段后,六个支腿自锁定,车体可以正常工作;此后,车体水平度不可避免会出现波动,如果出现水平度超出精度,报警器会自动报警,若得到调平操作指令,则调平支腿自动解锁;根据水平度对车体进行微调,重新调整车体的水平度。
进一步,所述步骤一具体包括:双轴倾角传感器测得平台的偏转角(α,β),对车体进行位姿分析,简化为刚性平面,平面ABCD与X0轴的夹角为β,与Y0轴的夹角为α,X0Y0Z0为水平坐标系,在平面ABCD上建立车体坐标系XYZ,车体调平时只有转动,对车体调平看做车体坐标系XYZ先绕X0轴旋转α角,再绕Y0轴旋转β角;各支撑点的位置坐标L5i=(xi,yi,zi)T(i=a~f)在平台坐标系中的坐标得到。
进一步,所述步骤二具体包括:得到XYZ绕X0轴转动α角的旋转矩阵为:
以及XYZ绕Y0轴旋转β角的旋转矩阵为:
两个旋转变换矩阵的乘积得到定角定义下的变换矩阵为R:
将平台上六个支撑点的坐标向量左乘变换矩阵R,得到各个支撑点的高度坐标值,判定哪个支撑点的位置最高。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述基于六点支撑的大型车体自动调平系统的电子装备车载平台。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述基于六点支撑的大型车体自动调平系统的营地房车。
综上所述,本发明的优点及积极效果为:每条支腿包括电动缸和安装在其下端的球铰座;每个电动缸上安装一个霍尔传感器。本发明不需要安装用于检测支腿接触力的压力传感器,用霍尔传感器测量电机转速值,可以间接反映支腿接触力的大小,用于控制支腿电动缸的运动和停止动作,在调平阶段和调力阶段得到有效的利用,并且常用电机都安装有霍尔传感器,不需额外购买安装,提高资源利用率,简化调平系统。为了使车体水平并且各支撑腿受力基本均匀,分两阶段进行调整。调平阶段采用“追高法”进行调平,即保持落地后调平支撑腿中的最高点不变,其余支撑点同步向上运动与之对齐,当各点达到最高点位置时车体处于水平状态,“追高法”一定程度上解决了虚腿的问题,并且该方法的优点是适用于任意数量支撑腿的调平系统。调力阶段是确保所有轮胎离地,不起支撑作用,由六条支腿支撑整个车体,同时进行微调,保证六条支腿受力均匀。常规的六点调平采用四点调平+两点辅助的调平系统,为了避免虚腿现象,采用先调整一个方向水平度,再调整另一个方向水平度,这样的调平方式增加了调平时间,降低了调平效率,而本发明采用六点同时参与调平,并结合调平阶段和调力阶段,不但完美解决了支撑腿的虚腿问题,还可以快速实现调平,缩短调平时间,提高调平效率,稳定性好,可以长时间保持调平后的平衡状态。本发明为六点支撑式机电车载自动调平系统,受外部因素影响较小,能实现平台在野外非结构化环境下自动调平,采用现代先进的智能控制算法,具有调平精度高、速度快、可靠性高、稳定性强等优点。本发明尤其适用于电子装备车载平台和各种营地房车。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于六点支撑的大型车体自动调平系统结构示意图;
图中:1、控制器;2、双轴倾角传感器;3、人机界面;4、直流电机驱动器;5、支腿电动缸;6、霍尔传感器;7、六点支撑车体;8、报警器。
图2是本发明实施例提供的基于六点支撑的大型车体自动调平方法流程图。
图3是本发明实施例提供的基于六点支撑的大型车体自动调平系统的原理框图。
图4是本发明实施例提供的调平方法的流程图。
图5是本发明实施例提供的支腿安装位置图。
图6是本发明实施例提供的平台坐标系分析图。
图7是本发明实施例提供的“追高法”撑腿伸长量示意图。
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。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明以增强车体的刚度和稳定性,提高调平的效率和可靠性,并解决采用液压装置时易受环境影响,稳定性不高,调平精度低,维护成本高等问题。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示,本发明实施例提供的基于六点支撑的大型车体自动调平系统包括:控制器1、双轴倾角传感器2、人机界面3、直流电机驱动器4、支腿电动缸5、霍尔传感器6、六点支撑车体7、报警器8。
每条支撑腿包括支腿电动缸5和安装在其下端的球铰座;每个支撑腿的电机与一个直流电机驱动器4相连接;每个支撑腿的支腿电动缸5安装一个霍尔传感器6;霍尔传感器6用来检测支腿电动缸5上电机的转速;直流电机驱动器4用来控制支腿上的电机;每个直流电机驱动器4的输入端都与控制器1相连接;双轴倾角传感器2、人机界面3和报警器4均通过数据线和控制器1相连接;双轴倾角传感器2用来检测车体平台的水平度并传输到控制器;人机界面3将传统的显示面板和操作按钮结合起来,可以实现操作指令的输入并传递给控制器1,还可以显示水平度、每个支腿电机的电流、扭矩、转速、温度、故障报警等输出信息;控制器1用来接收霍尔传感器6、双轴倾角传感器2检测的数据,通过直流电机驱动器4控制每个支撑腿的运动。
如图2所示,本发明实施例提供的基于六点支撑的大型车体自动调平方法包括以下步骤:
S201:首先根据双轴倾角传感器测得的待调平车体的水平度,检查是否满足给定精度,若满足,直接进入调力阶段,若不满足,则进入步骤S202;
S202:标定车体坐标系,选择基准点,根据各支腿的安装位置,得到各支撑点的坐标;利用检测的水平度计算出位姿变换矩阵,并进行坐标的变换,得到各支撑点在水平坐标系的坐标;
S203:根据各支撑点在水平坐标系的位置坐标,判断出哪个支撑点是最高点,间接得到各支腿从初始位置到地面的伸长量,为了实现各腿的同步运动,将其余腿的伸长量与最高点的伸长量做差,腿长差值越大,控制器规划该支腿的伸长速度越高,实现六条支腿同时参与调平;
S204:利用霍尔传感器依次测得六条支腿电动缸的驱动电机转速降低,可以确定各支腿触地并停止支腿电动缸运动,然后利用“追高法”调平;“追高法”即保持支腿落地后调平支撑腿中的最高点不变,其他支撑点向上运动与之对齐,当各点达到最高点位置时平台处于水平状态;
S205:各支腿根据调平方法继续同步同速度伸长合适长度,确保轮胎离地,由六条支腿支撑整个平台;伸长过程中,当霍尔传感器检测各支腿驱动电机的转速降为电机额定转速的70%,且水平度满足给定精度,说明轮胎离地,并且每条支腿均匀受力;
S206:完成调力阶段后,六个支腿自锁定,车体可以正常工作。此后,车体水平度不可避免会出现波动,如果出现水平度超出精度,报警器会自动报警,若得到调平操作指令,则调平支腿自动解锁,根据水平度对车体进行微调,重新调整车体的水平度,达到给定精度。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图3和图5所示,本发明实施例提供的基于六点支撑的大型车体自动调平系统包括:控制器1、双轴倾角传感器2、人机界面3、两前支腿电动缸5a与5f、两中间支腿电动缸5b与5e、两后支腿电动缸5c与5d、六个直流电机驱动器4(a~f)、六个霍尔传感器6(a~f)、六点支撑车体7和报警器8。
双轴倾角传感器2、人机界面3和报警器8通过数据线与控制器相连接;每条支腿电动缸与一个直流电机驱动器相连接;每条支撑腿包括支腿电动缸和安装在其下端的球铰座;直流电机驱动器4(a~f)用来驱动支腿上的支腿电动缸5(a~f);六个直流电机驱动器4(a~f)的输入端都与控制器1相连接;每条支腿都安装有霍尔传感器;霍尔传感器6(a~f)的输出端与控制器1相连;霍尔传感器6(a~f)用于检测支腿电动缸上电机的转速,用于判断支腿5(a~f)在伸长过程中,底座是否触地和支腿支撑力的大小;双轴倾角传感器2用于检测六点支撑车体7的水平度,并将测得的角度值传输给控制器1;人机界面3由指令模块和显示模块组成,操作指令用于将输入指令传递给控制器1,显示模块用于显示六条支腿上的电机运行状态,包括电机的电流、扭矩、转速等信息和六点支撑车体的水平度;报警器8用于当支腿电动缸出现故障时和平台调平后,由于其外部原因水平度出现超差等情况,会紧急报警;控制器1用于根据人机界面3输入的控制指令和双轴倾角传感器2测得的水平度,经过控制算法的运算,通过直流电机驱动器4(a~f),控制六条支腿电动缸5(a~f)的运动,进而调整车体的水平度;控制器1还用于接收支撑腿5(a~f)上的霍尔传感器6(a~f)测得的各电机的转速值,并经过电机转速与转矩特性方程算法,运算可以得到电机的电流、转矩信息,然后将各电机的电流、转矩、算法传递给人机界面3的显示模块。
如图4所示,本发明实施例提供的基于六点支撑的大型车体自动调平方法具体包括:
步骤一,首先由双轴倾角传感器进行车体的水平度检测,测得的水平度若满足给定要求时,说明此时车体几乎处于水平状态,直接进入调力阶段;若不满足,进入步骤二。
步骤二,如图6所示,对车体进行位姿分析,可以将其简化为刚性平面,平面ABCD与X0的夹角为β,与Y0的夹角为α,X0Y0Z0为水平坐标系,在平面ABCD上建立车体坐标系XYZ,理想状态下,车体调平时只有转动,对车体调平可以看做车体坐标系XYZ先绕X0轴旋转α角,再绕Y0轴旋转β角。由于各支撑点的位置坐标Li=(xi yi zi)T(i=a~f)在车体坐标系中的坐标可以得到,只要建立车体坐标系和水平坐标系的变换矩阵就可以知道各支撑点的在水平坐标系的坐标。在调平系统中,α角和β角由支撑车体安装的双轴倾角传感器测得。
步骤三,参见图5,由于各支撑点是上下对称的,且已知各支腿的安装位置,以支撑点5a为基准点,建立新的车体坐标系,则可以得到其在该车体坐标系中的坐标L5i=(xi yizi)(i=a~f),只要建立车体坐标系和水平坐标系的变换矩阵就可以知道各支撑点的在水平坐标系的坐标L5i'=(xi'yi'zi')T(i=a~f)。
步骤四,通过计算可以得到绕X0轴转动α角的旋转矩阵为:
以及绕Y0轴旋转β角的旋转矩阵为:
两个旋转变换矩阵的乘积可以得到定角定义下的变换矩阵R为:
将将平台上六个支撑点的坐标向量左乘变换矩阵R;即L5i'=(xi'yi'zi')T=R·(xi yi zi)T(i=a~f)。可以得到各个支撑点的高度坐标值,从而可以判定哪个支撑点的位置最高。
步骤五,当得到各支撑点的坐标值时,确定最高支撑点的伸长量;为了实现各腿的同步运动,将其余腿的伸长量与最高点的伸长量做差,腿长差值越大,在支腿的伸长速度越高,从而实现六条支腿同时参与调平。
步骤六,确定伸长量以及差值后,控制器规划伸长速度,开始进行支腿伸长,当电机上的霍尔传感器检测到电机的转速降低,根据直流电机的扭矩与转速关系,间接得到电机扭矩变大,说明各支腿的底座触地,此时,支腿电动缸停止运动,然后根据“追高法”进行车体调平。
步骤七,如图7所示,根据六点支撑调平系统的特点,选择位置误差调平法中的“追高法”作为本系统的调平策略,“追高法”即保持支腿落地后调平撑腿中的最高点不变,其他支撑点向上运动与之对齐,当各点达到最高点位置时平台处于水平状态;保持最高点支腿的伸长量不变,其余腿根据测得的水平度开始同步伸长,调整车体姿态达到水平。
步骤八,调平完成后,再次检测车体的水平度,如果没有满足给定精度,回到步骤二,重新进行调平。
步骤九,如果满足给定精度,此时完成初步的车体调平,进入调力阶段,为了保证平台的稳定,需要确保轮胎离地,各支腿将继续同步同速度伸长合适长度,并根据双轴倾角传感器检测的水平度调整车体姿态,直到车体既达到水平度的允许范围内,且轮胎离地一定高度,并且霍尔传感器测得的各电机转速稳定在额定转速的70%,说明此时车体姿态满足要求,且各支撑腿受力均匀,支腿电动缸停止运动,结束调力状态。
步骤十,完成调力状态后,六个支腿自锁定,车体保持稳定,结束调平。此后,车体水平度不可避免会出现波动,如果出现水平度超出精度,报警器会自动报警,调平支腿自动解锁,然后根据水平度,车体进行微调,重新调整平台的水平度,满足给定精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于六点支撑的大型车体自动调平系统,其特征在于,所述基于六点支撑的大型车体自动调平系统包括:
双轴倾角传感器、人机界面和报警器通过数据线和控制器连接;
控制器用于接收霍尔传感器、双轴倾角传感器检测的数据,并且根据控制指令和双轴倾角传感器检测的数据,通过直流电机驱动器控制每条支撑腿的运动;
霍尔传感器,用于检测支腿电动缸上驱动电机的转速并传输给控制器;
双轴倾角传感器,用于检测车体平台的水平度并传输到控制器;
人机界面,用于实现控制指令的输入并传递给控制器和显示车体水平度、每条支腿上的电机的电流、扭矩、转速,系统故障报警等输出信息;
六条支腿沿车身按照前、中、后三组纵向分布,两个一组呈并联状态;每条支腿包括直流电机驱动的电动缸和安装在其下端的球铰座;
每条支腿的支腿电动缸与一个直流电机驱动器相连,用于驱动支腿电动缸上的电机;直流电机驱动器的输入端与控制器相连接;每个支腿电动缸上安装一个霍尔传感器,其输出端与控制器相连,用于测量电动缸的电机的转速,根据电机的转速特性,间接反映支腿支撑力的大小;
双轴倾角传感器、控制器、人机界面、报警器、直流电机驱动器、支腿安装在车体上;
所述人机界面包括:
控制指令模块,用于控制调平开始、停止和支腿伸缩动作;
状态显示模块,用于实时显示支撑平台的水平度、各支腿伸长时驱动电机的转速、转矩、电流数据及报警信息;
基于六点支撑的大型车体自动调平方法应用基于六点支撑的大型车体自动调平系统,包括:
步骤一,首先根据双轴倾角传感器测得的待调平车体的水平度,检查是否满足给定精度,若满足,直接进入调力阶段,若不满足,则进入步骤二;
步骤二,标定车体坐标系,选择基准点,根据各支腿的安装位置,得到各支撑点的坐标;利用检测的水平度计算出位姿变换矩阵,并进行坐标的变换,得到各支撑点在水平坐标系的坐标;
步骤三,根据各支撑点在水平坐标系的位置坐标,判断出哪个支撑点是最高点,间接得到各支腿从初始位置到地面的伸长量;
步骤四,控制器控制各支腿开始同步伸长,当霍尔传感器依次测得六条支腿电动缸的驱动电机转速降低,确定各支腿触地并停止电动缸运动,然后利用“追高法”调平;“追高法”即保持支腿落地后调平支撑腿中的最高点不变,其他支撑点向上运动与之对齐,当各点达到最高点位置时平台处于水平状态;
步骤五,调平阶段完成后,进入调力阶段,各支腿根据调平方法继续同步同速度伸长合适长度,以确保轮胎离地,由六条支腿支撑整个平台;伸长过程中,当霍尔传感器检测各支腿驱动电机的转速降为电机额定转速的70%,且水平度满足给定精度,说明轮胎离地,并且每条支腿均匀受力;
步骤六,完成调力阶段后,六个支腿自锁定,车体可以正常使用;在使用过程中,车体水平度不可避免会出现波动,如果出现水平度超出精度,报警器会自动报警,若得到调平操作指令,则调平支腿自动解锁;根据实时水平度对车体进行调整,直到满足给定精度。
2.如权利要求1所述的基于六点支撑的大型车体自动调平系统,其特征在于,所述步骤一具体包括:双轴倾角传感器测得平台的偏转角(α,β),对车体进行位姿分析,简化为刚性平面,平面ABCD与X0轴的夹角为β,与Y0轴的夹角为α,X0Y0Z0为水平坐标系,在平面ABCD上建立车体坐标系XYZ,车体调平时只有转动,对车体调平看做车体坐标系XYZ先绕X0轴旋转α角,再绕Y0轴旋转β角;各支撑点的位置坐标L5i=(xi,yi,zi)T(i=a~f)在平台坐标系中的坐标得到。
4.一种安装有权利要求1所述基于六点支撑的大型车体自动调平系统的电子装备车载平台。
5.一种安装有权利要求1所述基于六点支撑的大型车体自动调平系统的营地房车。
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