CN112859935A - 一种多点支撑平台的调平控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多点支撑平台的调平控制方法。分别测量并获取平台的承载交互作用矩阵和变形交互作用矩阵，构建承载与变形联合控制矩阵；计算各支腿的最优载荷，并测量其当前载荷，得到各支腿的载荷偏差率，结合平台的二维倾角判断是否需要调平；根据平台二维倾角、支腿载荷偏差、以及承载与变形联合控制矩阵，构建平台几何与支腿载荷联合控制方程，计算各支腿作动量，并执行同步调平；循环判断支腿的载荷偏差率与平台的二维倾角，并执行作动控制，直至达到调平目标；该方法具有同步实现平台几何调平和支腿载荷控制的能力，能够显著提升多点支撑平台调平控制的速度、几何精度、过程稳定性、支腿承载稳定性和控制鲁棒性。

Description

一种多点支撑平台的调平控制方法

技术领域：

本发明属于姿态控制领域，具体涉及一种多点支撑平台的调平控制方法。

背景技术：

多点支撑平台的调平控制需求十分广泛，例如：多轴油气悬挂车辆的姿态调整、军民用特种车辆的多支腿调平、大飞机组件的精密装配、大型光学镜片支撑控制、机床基础的支承安装调试等等，都以该技术为源头支撑。传统的调平控制方法均将上装平台简化为刚体，在没有严格的控制理论模型的前提下，基于点追逐法和角度误差法，通过反复迭代测试和作动实现调平功能，存在速度慢、精度低、反复振荡、支腿载荷不完全受控，甚至出现虚腿和过载等诸多问题。近年来，不少PLC、PID控制、神经网络控制等应用到自动调平系统，但控制系统复杂、适应性差，且调平速度、精度和支腿载荷不完全受控仍未有效解决。

例如，CN201010169552.7的中国专利公开了一种自动调平装置及方法，其方法是利用角度、位移计算单元检测载物平台的水平偏移度并产生电信号，经过处理后行成驱动控制信号进行迭代调节。CN201410800478.2的中国专利公开了一种支撑平台的调平方法及装置，用于大跨距四点支撑平台，其方法是在前、后发射平台分别安装双轴调平传感器，按规则顺序分别调整前、后平台的横、纵向角度使其满足设定的阈值。CN202010002450.X的中国专利公开了一种调平控制系统及方法，其方法是首先调节支腿高度使第一倾角满足精度要求，再使第二倾角满足精度要求，重复整个流程，直到第一、第二倾角均小于极限倾角，则调平结束。这些专利均通过反复迭代测试和作动实现调平功能，并不能很好地保证调平精度、速度，更不能同时实现对支腿载荷的完全控制。

大于三条支腿的多点支撑平台调平控制属于典型的超静定问题，实际承载中各支腿和平台的弹性变形和支撑载荷相互影响，使得传统的刚性调平方法确定的支腿作动量根本不可能实现精确调平，更不能实现支腿载荷完全受控。要解决该问题，必需进行平台几何与支腿载荷联合控制。因此，本专利提出一种能够高速且同步的实现平台几何与支腿载荷联合调平控制的方法，精确得到各支腿作动量，通过极少的迭代次数即可达到调平目的。

发明内容：

有鉴于此，本发明提供一种多点支撑平台的调平控制方法，该方法充分考虑了支腿变形、平台变形以及支腿和平台之间的承载交互作用，构建了同时实现平台几何调平和支腿载荷分配的联合控制方法，解决现有调平方法中精度低、速度慢、鲁棒性差、支腿载荷不完全受控、甚至出现虚腿和过载等问题。

本发明实例提供了一种多点支撑平台的调平控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1，将n条支腿赋予序号1～n；分别驱动第i条支腿沿着垂向产生一个设定位移，并保持其他的支腿不动，i的范围为1～n，按照从1到n的次序分别测量并计算每条支腿的载荷增量，并将各载荷增量依次放入n×n维矩阵第i行的第1到n列中；将该n×n维矩阵中对应任意不在一条直线上的三条支腿的三行数据删除，构造出(n-3)×n的承载交互作用矩阵

步骤2，在步骤1驱动第i条支腿沿着垂向产生一个设定位移的同时，测量平台绕纵向和横向的倾角变化量θ_ix、θ_iy，分别放入2×n维矩阵的第i列的第1、2行，构造出2×n维的变形交互作用矩阵

步骤3，将承载交互作用矩阵和变形交互作用矩阵放入(n-1)×n维的矩阵中，构造出承载与变形联合控制矩阵

步骤4，以平台质心为坐标系原点，平台的纵、横、垂向分别为x、y、z轴建立坐标系，各支腿与平台连结点的坐标记为(x_i，y_i，z_i)，平台总重量记为G，分别设定各条支腿的承载理想配额为F_i ^s，以各支腿载荷F_i与其承载理想配额的均方差最小为目标，以平台绕x、y轴的力矩平衡和沿z轴的力平衡为约束，则各支腿的最优载荷计算模型为

利用Lagrange乘子法求解该式，各支腿的最优载荷F_i ^*满足

式中a、b、c为中间计算量，无实际意义。

步骤5，测量各支腿的当前载荷F_i ^t，计算各支腿当前载荷与其最优载荷F_i ^*的载荷偏差率：

测量平台绕x、y轴的倾角Δθ_x、Δθ_y。

步骤6，将各支腿的载荷偏差率和平台的二维倾角分别与设定的载荷偏差率阈值和倾角阈值对比，判断是否满足支腿锁死条件：若是，即F_i ^d≤ε_F，且Δθ_x≤ε_θ，Δθ_y≤ε_θ，则支腿锁死，调平成功；若否，即F_i ^d＞ε_F，或Δθ_x＞ε_θ，或Δθ_y＞ε_θ，则执行步骤7。

步骤7，将步骤4所述的各支腿的最优载荷，步骤5所述的各支腿当前载荷，以及平台的二维倾角，与步骤3所述的承载与变形联合控制矩阵相结合，构造出平台几何与支腿载荷联合控制方程

该式中F_i ^t为当前载荷，F_i ^*为最优载荷，{F_i ^t-F_i ^*}是将对应步骤1所述的三条支腿的数据删除后的(n-3)×1维列向量，

为平台绕x、y轴的倾角，求解该式得到平台实现几何调平和载荷控制需要的各支腿作动量Δx_i。

步骤8，将步骤7所得各支腿作动量Δx_i分别除以作动量中的最大值，得到各支腿作动量之间的比例关系，控制各支腿按该比例关系同步作动调平。

步骤9，测量各支腿的当前载荷F_i ^t，计算各支腿当前载荷与其最优载荷F_i ^*的载荷偏差率：

测量平台绕x、y轴的倾角Δθ_x、Δθ_y。

步骤10，将各支腿的载荷偏差率和平台的二维倾角分别与设定的载荷偏差率阈值和倾角阈值对比，判断是否满足支腿锁死条件：若是，即F_i ^d≤ε_F，且Δθ_x≤ε_θ，Δθ_y≤ε_θ，则支腿锁死，调平成功；若否，即F_i ^d＞ε_F，或Δθ_x＞ε_θ，或Δθ_y＞ε_θ，则将步骤9所述的各支腿的当前载荷以及平台的二维倾角重新带入步骤7所述的平台几何与支腿载荷联合控制方程，计算各支腿作动量并执行步骤8和9，直至步骤10的判断满足条件，进而支腿锁死，调平成功。

本发明公开了一种多点支撑平台的调平控制方法，创新了一种平台几何与支腿载荷联合控制方案。与现有技术相比：

本专利提供的调平控制方法在实现高精度几何调平的基础上，同时使得各支腿的载荷分配逼近承载理想配额，从根本上解决支腿载荷不完全受控，甚至出现虚腿和过载的问题，调平后的平台姿态稳定度高；

本方法在考虑支腿、平台的变形和承载交互作用特征的基础上，得到调平所需的各支腿作动量，通过很少的迭代次数即可达到调平效果，速度快、精度高、调平过程振荡小、鲁棒性高。

附图说明

图1为一种多点支撑平台的调平控制方法流程图；

图2为一种多点支撑平台的简化构成示意图。

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，以下结合附图及实施例，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。

图1是本发明实施例提供的一种多点支撑平台的调平控制方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的一种多点支撑平台的简化构成示意图。该模型包括n条支腿K₁、K₂、…K_n-1、K_n，并包含有n个支腿驱动器A、n个力传感器B和1个二维倾角传感器C。

本发明提供一种多点支撑平台的调平控制方法，解决了传统调平过程中精度低、速度慢、鲁棒性差、各支腿载荷不完全受控、甚至出现虚腿和过载等问题，具体包括以下步骤：

步骤1，将n条支腿赋予序号1～n；支腿驱动器A驱动第1条支腿K₁沿着垂向即z轴方向产生一个设定位移，同时保持其他的n-1条支腿的下端不动，力传感器B分别测量第1至n条支腿上的载荷增量，即为f₁₁、f₁₂…f_1n，并依序放入矩阵第一行；以同样方法依次操作第2至n条支腿沿着垂向产生同样的设定位移，分别测量各条支腿上的载荷增量，构造出n×n维的矩阵；将n×n维矩阵中对应任意不在一条直线上的三条支腿的三行数据删除，构造出(n-3)×n的承载交互作用矩阵

步骤2，在步骤1支腿驱动器A驱动第1条支腿K₁产生设定位移的同时，利用二维倾角传感器C测量平台绕x、y轴的倾角变化量θ_1x、θ_1y，分别放入变形交互作用矩阵第1列的第1、2行；以同样方法测量第2至n条支腿产生设定位移时平台的二维倾角变化量，构造出2×n维的变形交互作用矩阵

步骤3，将所述的承载交互作用矩阵和变形交互作用矩阵放入(n-1)×n维联合矩阵中，构建承载与变形联合控制矩阵

步骤4，以平台质心为坐标系原点，平台纵、横、垂向分别为x、y、z轴建立坐标系，各支腿与平台连结点的坐标记为(x_i，y_i，z_i)，平台总重量记为G，分别设定各支腿的承载理想配额为F_i ^s，以各支腿载荷F_i与其承载理想配额的均方差最小为目标，以平台绕x、y轴的力矩平衡和沿z轴的力平衡为约束，各支腿的最优载荷计算模型满足

利用Lagrange乘子法求解最优载荷计算模型，各支腿的最优载荷F_i ^*满足

式中a、b、c为中间计算量，无实际意义。

步骤5，利用力传感器B测量各支腿实际承载的当前载荷F_i ^t，根据各支腿的当前载荷F_i ^t与其对应的最优载荷F_i ^*计算各支腿的载荷偏差率：

利用二维倾角传感器C测量平台绕x、y轴的倾角：Δθ_x、Δθ_y。

步骤6，将各支腿的载荷偏差率和平台的二维倾角分别与设定的载荷偏差率阈值和倾角阈值对比，判断是否满足支腿锁死条件：若是，即F_i ^d≤ε_F，且Δθ_x≤ε_θ，Δθ_y≤ε_θ，则支腿锁死，调平成功；若否，即F_i ^d＞ε_F，或Δθ_x＞ε_θ，或Δθ_y＞ε_θ，则执行步骤7，进行调平。

步骤7，将各支腿的当前载荷、各支腿的最优载荷、平台的二维倾角、承载与变形联合控制矩阵相结合，构建平台几何与支腿载荷联合控制方程

式中F_i ^t为当前载荷，F_i ^*为最优载荷，{F_i ^t-F_i ^*}是将对应步骤1所述的三条支腿的数据删除后的(n-3)×1维列向量，

为平台绕x、y轴的倾角，求解该式得到平台实现几何调平和载荷控制需要的各支腿作动量Δx_i。

步骤8，将计算得到的各支腿作动量Δx_i分别除以作动量中的最大值，得到各支腿作动量之间的比例关系，并控制支腿驱动器A按该比例关系驱动各支腿作动。

步骤9，再次利用力传感器B测量各支腿实际承载的当前载荷，利用二维倾角传感器C测量平台绕x、y轴的倾角：Δθ_x、Δθ_y。

步骤10，将各支腿的载荷偏差率和平台的二维倾角分别与设定的载荷偏差率阈值和倾角阈值对比，判断是否满足支腿锁死条件：若是，即F_i ^d≤ε_F，且Δθ_x≤ε_θ，Δθ_y≤ε_θ，则支腿锁死，调平成功；若否，即F_i ^d＞ε_F，或Δθ_x＞ε_θ，或Δθ_y＞ε_θ，则将步骤9所述的各支腿的当前载荷以及平台的二维倾角重新带入步骤7所述的平台几何与支腿载荷联合控制方程，计算各支腿作动量并执行步骤8和9，直至步骤10的判断满足条件，进而支腿锁死，调平成功。

最后应说明的是，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (1)

1.一种多点支撑平台的调平控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将n条支腿赋予序号1～n；分别驱动第i条支腿沿着垂向产生一个设定位移，并保持其他的支腿不动，i的范围为1～n，按照从1到n的次序分别测量并计算每条支腿的载荷增量，并将各载荷增量依次放入n×n维矩阵第i行的第1到n列中；将该n×n维矩阵中对应任意不在一条直线上的三条支腿的三行数据删除，构造出(n-3)×n的承载交互作用矩阵

步骤2，在步骤1驱动第i条支腿沿着垂向产生一个设定位移的同时，测量平台绕纵向和横向的倾角变化量θ_ix、θ_iy，分别放入2×n维矩阵的第i列的第1、2行，构造出2×n维的变形交互作用矩阵

步骤3，将承载交互作用矩阵和变形交互作用矩阵放入(n-1)×n维的矩阵中，构造出承载与变形联合控制矩阵

步骤4，以平台质心为坐标系原点，平台的纵、横、垂向分别为x、y、z轴建立坐标系，各支腿与平台连结点的坐标记为(x_i，y_i，z_i)，平台总重量记为G，分别设定各条支腿的承载理想配额为

以各支腿载荷F_i与其承载理想配额的均方差最小为目标，以平台绕x、y轴的力矩平衡和沿z轴的力平衡为约束，则各支腿的最优载荷计算模型为公式4

将公式4利用Lagrange乘子法求解，各支腿的最优载荷F_i ^*满足公式5

步骤5，测量各支腿的当前载荷，计算各支腿当前载荷与其最优载荷的载荷偏差率；测量平台的二维倾角；

步骤6，将各支腿的载荷偏差率和平台的二维倾角分别与设定的载荷偏差率阈值和倾角阈值对比，判断是否满足支腿锁死条件：若是，即载荷偏差率和二维倾角均小于各自阈值，则支腿锁死，调平成功；若否，即载荷偏差率和二维倾角有任何一个超过阈值，则执行步骤7；

步骤7，将步骤4所述的各支腿的最优载荷，步骤5所述的各支腿当前载荷，以及平台的二维倾角，与步骤3所述的承载与变形联合控制矩阵相结合放入公式6，构造出平台几何与支腿载荷联合控制方程

公式6中F_i ^t为当前载荷，F_i ^*为最优载荷，{F_i ^t-F_i ^*}是将对应步骤1所述的三条支腿的数据删除后的(n-3)×1维列向量，

为平台绕x、y轴的倾角，求解公式6即可得到平台实现几何调平和载荷控制需要的各支腿作动量Δx_i；

步骤8，按照步骤7所得的各支腿作动量的比例关系，控制各支腿同步作动调平；

步骤9，测量各支腿的当前载荷，计算各支腿当前载荷与其最优载荷的载荷偏差率；测量平台的二维倾角；

步骤10，将各支腿的载荷偏差率和平台的二维倾角分别与设定的载荷偏差率阈值和倾角阈值对比，判断是否满足支腿锁死条件：若是，即载荷偏差率和二维倾角均小于各自阈值，则支腿锁死，调平成功；若否，即载荷偏差率和二维倾角有任何一个超过阈值，则将步骤9所述的各支腿的当前载荷以及平台的二维倾角重新带入步骤7所述的平台几何与支腿载荷联合控制方程，计算各支腿作动量并执行步骤8和9，直至步骤10的判断满足条件，进而支腿锁死，调平成功。

Images