CN109445450A - 一种适用于林地机械的自平衡平台 - Google Patents

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CN201811537519.8A
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Inventor
孟庆凯
刘铁男
王立海
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Northeast Forestry University
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Northeast Forestry University
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/08—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
    • G05D1/0891—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for land vehicles

Abstract

本发明涉及一种适用于林地机械的自平衡平台,可以为一种林木参数采集装置提供所需工况，属于林业机械领域。该平台由运动上平台1、基座2、电动缸3、伺服电机4、伺服驱动器5、陀螺仪、控制系统及控制面板组成6。电动驱动调平平台具有调平精度高、调平时间短、安全可靠和便于维护等优点，且电动调平平台环境适应能力和自锁能力强，能够良好的应对复杂林内作业环境，可以为数据采集器提供水平工作面，满足其举升高度要求，减少外界对数据采集器的振动。其中调平装置的闭环设计使得设备具有很强的作业稳定性和灵活实时性，可实现实时调平及定点调平，操作简单便捷，对于快速大量获取林木参数就有很大的优势。

Description

一种适用于林地机械的自平衡平台
技术领域
本发明涉及林业机械领域，具体而言，涉及一种自平衡式平台。
背景技术
随着大数据时代的到来，人们对于数据的精确性要求越来越高。随着时代的发展，人们越来越重视自然环境的保护，尤其是森林资源的保护与利用。如何保证森林资源能最优化得服务于社会的发展已经是一个重要的课题。当前，只有握有准确的林木数据，我们才能在森林保护和资源利用方面具有发言权。现有的数据采集设备大多需要耗费大量的人力物力，而且数据的准确性没法得到保证,要想获得真实准确的数据，首先要满足测量设备的初始条件，并要保证设备的稳定性，由于林地环境高低起伏不定，所以需要一款能自平衡的设备，以保证检测设备能安全稳定的工作。
发明内容
本发明实施的目的在于提供一种自平衡式平台，以改善上述问题。
自平衡平台由运动上平台、基座、电动缸、伺服电机、伺服驱动器、陀螺仪、控制系统及控制面板组成。
平台为三自由度自平衡平台，平台的基座安装在车上，上平台为运动平台，上平台是检测的安装基面。
电动缸分别采用万向节和轴承座与基座、上平台连接，3个电动缸在缸轴方向做线性运动，平台通过3个电动缸的协调运动来实现三自由度运动，三个电动缸和运动卡在基座上的分布如图1所示，三个电动缸和陀螺仪在上平台的分布位置如图2所示。
自平衡平台的最大调平角度主要取决于设备工作林地的最大坡度和机动车的最大爬坡角度，当林地的最大坡度大于机动车的最大爬坡角度时，取机动车的最大爬坡角度作为自平衡平台的最大调平角度，当林地的最大坡度小于机动车的最大爬坡角度时，取林地的最大坡度作为自平衡平台的最大调平角度。
平台采用最高点不动调平策略：自平衡平台到达林区作业时，由于林区地形复杂，自平衡平台的上平台并非出于水平状态，读取陀螺仪测得的平台与X轴、Y轴的夹角，通过测得的夹角判断平台三个支撑点哪个属于最高点，确定后控制该电动缸高度不变，通过驱动另外两个电动缸上升，当上升到和最高支撑点高度一样时，停止作业，此时平台处于水平状态。
三自由度自平衡平台的调平原理是通过陀螺仪获得平台倾角，经过模数转换器将其转换为数字信号，运动控制器将数字信号与给定值进行比较并计算出电缸的伸长量，数模转换器将伸长量转换为模拟信号，经电子放大器放大传递给伺服比例阀，伺服比例阀驱动电缸运动从而实现平台的调平。平台的运动控制器将陀螺仪的信号与给定值比较，其实就是获取各个电动缸的位置并与参照值比较，所以运动控制器采用位置式PID控制算法。
运动控制器的采样周期设定为10ms，保证调平系统的调平精度。
利用试凑整定法对控制器的比例、积分和微分常数项进行整定。将运动控制器其他环节参数置0，增大直到系统的动态响应特性刚好震荡；为了避免加重系统的震荡幅度，积分项参数不应过大，在保证系统稳定的前提下，通过调整和来使得系统不仅可以保持良好动态特性而且可以消除静态误差，若此时系统可以实现预期控制效果则微分项参数不需要整定，若未达到预期效果，则可以通过加入微分项并不断试凑来达到预期效果。
平台控制系统采用上位机和下位机控制模式：上位机(监控计算机)用于状态监控、信号接收与处理、运动指令下达；下位机(微型控制器)为伺服电机运动控制系统，用于接收上位机位移指令，并快速执行位移动作。
平台控制软件包括上位机软件和下位机软件两部分：(1)上位机软件：上位机软件基于实时操作系统设计，主要功能是监控系统状态和发送运动指令，上位机软件主要由运动控制模块、通讯模块、检测程序模块、用户接口等组成；(2)下位机软件：下位机软件基于嵌入式操作系统设计，主要进行平台模型运算。
附图说明
图1为三自由度自平衡平台
图2为三自由度自平衡平台三视图
具体实施方法
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
三自由度自平衡平台开机后记录下电缸的位置，进行位置标定，并设为初始安全位置。
进行完初始位置标定后，调整装置将根据所处的环境对上平台进行进行水平调节。
调节分为自动调节和手动调节。
自动调节时，调整装置的上平台安装的陀螺仪会将位置角度信号传输的控制系统。
控制系统对来自陀螺仪对上平台姿态的反馈信号(1个位移量Z和俯仰角α，倾侧角β)，经过下位机计算机通讯接口进入计算机运算，并经D/A转换成3台电动缸的指令信号通过伺服控制，从而求得采样时刻运动平台在空间的实际姿态(1个位移量，2个转角)。
通过编码器对反馈信号的解算，经高速采集至计算机完成计算，并实施数字式闭环控制。
控制系统控制电动缸同时协调动作构成平台运动的瞬时姿态。
闭环控制系统不断对陀螺仪的初始信号和系统的反馈信号进行对比计算处理，最终使上平台水平。
控制装置可对上平台进行锁定。
锁定后，上平台的位置将不再变化，始终保持锁定是的位置。
解除锁定后，上平台将自动回到水平位置。
三自由度自平衡平台上还设计了手动调节开关。
打开手动调节，在没有锁定的情况下，工作人员可以对上平台进行手动调节。
手动调节分为粗调和细调。
粗调用于大角度快速调节。
细调用于小角度精密调节。
调整装置设计了一键复位功能。
当三自由度自平衡平台结束工作后，工作人员打开一键复位功能。
三自由度自平衡平台恢复到初始安全状态。
通过控制电缸恢复到初始位置，使上平台恢复到初始位置。

Claims (6)

1.一种适用于林地机械的自平衡平台装置，包括运动上平台、轴承座、电动缸、缸座、伺服电机、伺服驱动器、双耳交叉半圆铰、基座、陀螺仪、控制系统及控制面板；其中，所述运动上平台通过轴承座和电动缸相连，电动缸通过缸座和伺服电机连接，伺服驱动器通过缸座和伺服电机相连，缸座通过双耳交叉半圆铰固定在基座上。
2.根据权利要求1所述林地机械的自平衡平台装置，其特征在于：轴承座通过螺钉固定在上平台的下端面，电动缸和轴承座的连接为铰接。
3.根据权利要求1所述的林地机械的自平衡平台装置，其特征在于：3个电动缸在缸轴方向做线性运动，平台通过3个电动缸的协调运动来实现三自由度运动，三个电动缸和在基座上的分布如图4所示，三个电动缸和陀螺仪在上平台的分布位置如图5所示。
4.根据权利1要求所述，其特征在于：平台控制系统采用上位机和下位机控制模式：上位机(监控计算用于状态监控、信号接收与处理、运动指令下达；下位机(微型控制器)为伺服电机运动控制系统，用于接收上位机位移指令，并快速执行位移动作。
5.根据权利3要求所述，其特征在于：平台控制软件包括上位机软件和下位机软件两部分：(1)上位机软件：上位机软件基于实时操作系统设计，主要功能是监控系统状态和发送运动指令，上位机软件主要由运动控制模块、通讯模块、检测程序模块、用户接口等组成；(2)下位机软件：下位机软件基于嵌入式操作系统设计，主要进行平台模型运算。
6.根据权利4、5要求所述，其特征在于：上位机与控制板之间通讯可以采用两种通讯方式：(1)采用RS-232异步串行通讯(串口)，控制板与之对应的硬件接口为DB9插座，可与PC通过RS232串口延长线连接；波特率:115200Bit/S；起始位:1位；数据位:8位；停止位:1位；奇偶校验:无。采用RS-232异步串行通讯时，操作者可以借助标定软件通过接口来调节平台的参数。(2)采用UDP接口(网口)，控制板与之对应的硬件接口为RJ45插座，可与路由器通过标准网线连接；采用UDP协议；IP地址：192.168.0.83；端口：23。
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