CN113311877A - 一种四腿支撑作业平台的自动调平方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四腿支撑作业平台的自动调平方法，包括以下步骤：确定作业平台和上装载荷的质心位置，并进行主承载象限判定，划分主、从动支腿承载关系；将从动支腿调至虚腿状态，再控制全部支腿同步作动执行调平；计算从动支腿的极限补偿作动量，并进行从动支腿的补偿作动，直至完成调平过程。该方法能够实现四腿支撑作业平台的自动调平，速度快；调平过程质心始终处于主动支腿的承载区间内，使得无反复振荡、鲁棒性高，彻底消除了作业平台倾覆风险；通过从动支腿补偿作动保证无虚腿问题，调平后作业平台的姿态和承载稳定性高。

Description

一种四腿支撑作业平台的自动调平方法

技术领域

本发明属于姿态控制领域，具体涉及一种四腿支撑作业平台的自动调平方法。

背景技术

有调平需求的特种作业车辆，例如汽车起重机、混凝土泵车、高空救援车等，为了提高作业稳定性，多采用4条外伸支腿将车辆支撑至轮胎脱离地面，再进行上装作业。目前，有调平需求的民用特种车辆尚未引入自动调平技术，仅手动控制支腿升降进行粗略调平，调平过程费时费力，作业平台反复振荡，支腿载荷无法有效控制，甚至出现支腿虚腿和过载问题。由于调平效果不佳引起的倾覆事故屡见不鲜。

目前，CN201110170018.2的中国专利公开了一种伸展和调平工程车辆支腿的方法和系统，其方法是首先伸展支腿至与地面接触，根据经验值判断支腿是否稳固，之后反复检测车体底盘的左右方向和前后方向相对于水平面的夹角并反复迭代调平。CN201110095913.2的中国专利公开了一种自动调平控制方法和控制系统，其方法是通过反复检测两个预定坐标轴与目标平面的倾斜角度来控制支腿伸缩速度，进而实现调平。WO2019021123A1的国际专利公开了一种作业机械的自动调平系统，其方法是通过电子测量装置反复测量作业机械与基准元件之间的倾斜度，并产生倾斜度信号，处理单元接受倾斜度信号并发出命令信号，控制推力元件伸缩支腿进行调平。这些方法均存在作业平台反复振荡，耗时长，鲁棒性差，支腿载荷控制效果差，甚至出现虚腿和过载的问题。

四腿支撑作业平台调平属于典型的超静定承载问题。而超静定问题的解具有不确定性和多解性，现行的调平控制方法其核心为点追逐法和倾角法，不可避免的需要反复迭代测量和控制，由此造成作业平台反复振荡，耗时长，鲁棒性差，支腿载荷控制效果差，甚至出现虚腿和过载的问题。现有技术无法很好地解决上述问题。

发明内容

鉴于上述不足，本发明提供四腿支撑作业平台的自动调平方法，首先将四点支撑调平问题降阶至三点支撑调平问题，然后通过虚腿补偿实现四点稳定支撑，解决现有调平方法反复振荡，耗时长，鲁棒性差，支腿载荷控制效果差，甚至出现虚腿和过载的问题。

本发明实施例提供了四腿支撑作业平台的自动调平方法，支腿的上端与作业平台的下水平表面相连接，支腿的下端支撑在地面上，每条支腿的结构尺寸、最大作动行程以及支腿与作业平台的连接结构完全相同，每条支腿与作业平台之间均安装有测量垂向载荷的力传感器，具体包括以下步骤：

步骤1，驱动1条支腿收缩至完全脱离地面，将支腿上残留的垂向载荷视为测量误差并在计算上清零，然后驱动该条支腿伸长至支撑在地面上，对其他3条支腿依次执行同样的上述操作；驱动4条支腿将作业平台完全支撑，并调整至各支腿均承受垂向载荷，记为F_i，i＝1～4；以支腿与作业平台连接点的对称中心为坐标原点，沿作业平台的纵、横、垂向分别为x、 y、z轴建立坐标系，各支腿与作业平台连接点坐标记为(x_i，y_i，z_i)，作业平台和上装载荷的总重量记为G，力矩和倾角的正方向根据右手螺旋定则判定，不考虑各支腿的重量，根据测量的各支腿上的垂向载荷，以及作业平台绕x、y轴的力矩平衡和沿z轴的力平衡关系，计算作业平台和上装载荷的总重量，及其质心纵、横向坐标为

步骤2，从坐标原点分别沿纵向和横向将作业平台划分为4个虚拟矩形块区，对应于步骤1所述坐标系xy平面的4个象限，将质心坐标所在虚拟矩形块区定义为主承载象限，具体为：若质心的x、y坐标都为正值，则其处于第1象限，第1象限即为主承载象限；若质心的x、y坐标分别为负值与正值，则其处于第2象限，第2象限即为主承载象限；若质心的x、 y坐标都为负值，则其处于第3象限，第3象限即为主承载象限；若质心的x、y坐标分别为正值与负值，则其处于第4象限，第4象限即为主承载象限；将任意的3条支腿与作业平台的连接点虚拟连接，构成4个虚拟三角形块区，其中能够完全覆盖主承载象限的三角形块区定义为主承载区间，所对应的3条支腿即判定为主动支腿，剩余的1条支腿判定为从动支腿。

步骤3，驱动从动支腿伸长一个特定的垂向位移，再缩短回原始长度，期间除从动支腿外的其他支腿不作动，测量从动支腿伸长至特定的垂向位移时作业平台绕x、y轴的倾角变化量；将所述特定的垂向位移除以两个倾角变化量中绝对值较大的一个，得到从动支腿在单位倾角变化下的垂向位移作动量。

步骤4，控制从动支腿收缩作动，直至其垂向载荷降低至零，达到虚腿状态。

步骤5，设定作业平台的侧倾阈值ε_θ，分别测量作业平台绕x、y轴的倾斜角度，即作业平台相对水平面在x、y轴方向的倾斜角度，分别计算二者的绝对值；若两个倾斜角度的绝对值均小于侧倾阈值ε_θ，则执行步骤8，否则执行步骤6。

步骤6，根据公式βx_i-αy_i计算调平所需的各支腿作动量，其中，α、β分别为当前状态下作业平台绕x、y轴的倾斜角度；控制主动支腿和从动支腿按照各支腿作动量的绝对值的比例关系进行同步作动，并同时测量从动支腿的垂向载荷，若其垂向载荷增加，则减少其作动量直至其恢复到虚腿状态；循环测量并控制支腿作动，直至各主动支腿执行完其作动量。

步骤7，分别测量作业平台绕x、y轴的倾斜角度，分别计算二者的绝对值；若两个倾斜角度的绝对值均小于倾角阈值ε_θ，则执行步骤8，否则执行步骤6。

步骤8，设定作业平台的极限侧倾阈值ε_γ，且该极限侧倾阈值ε_γ大于侧倾阈值ε_θ，计算极限侧倾阈值和侧倾阈值的差值ε_γ-ε_θ，将该差值乘以步骤3 所述的从动支腿在单位倾角变化下的垂向位移作动量，得到从动支腿的极限补偿作动量ε_z。

步骤9，控制从动支腿补偿作动，并测量从动支腿的补偿作动量，同时测量作业平台绕x、y轴的倾斜角度；若补偿作动量小于极限补偿作动量ε_z，且作业平台绕x、y轴倾斜角度的绝对值均小于极限侧倾阈值ε_γ，则继续执行从动支腿补偿作动，否则锁死各支腿，结束调平控制。

进一步地，所述步骤1中的调整至各支腿均承受垂向载荷，其中承载最小支腿的垂向载荷需大于作业平台和上装载荷的总重量的5％。

进一步地，所述步骤3中特定的垂向位移，其范围为支腿的最大作动行程的1％～5％。

进一步地，所述步骤5中的侧倾阈值ε_θ，其范围为0.04～0.08°。

本发明的技术构思是：针对四腿支撑作业平台调平这一超静定问题，首先，测试并获取作业平台和上装载荷的质心位置，采用提出的主承载象限判定法则区分主从动支腿承载关系。然后，将从动支腿调至虚腿状态，根据调平所需各支腿作动量进行同步调平，期间控制从动支腿始终为虚腿但跟随作动状态，由此实现精确水平的调平效果。由于质心处于三条主动支腿的承载区间，因此调平过程不存在倾覆风险。即使出现极特殊的质心恰好处在主承载区间边缘的情况，并在调平过程中超出了该区间，但由于从动支腿始终跟随作动，其也能立即提供承载，从根本上避免了倾覆风险。最后，进行从动支腿补偿，牺牲一定的水平度以消除虚腿，达到四腿稳定支撑作业平台的效果。

本发明的有益效果如下：

1.该方法能够实现四腿支撑作业平台的自动化调平，无需人工干预，速度快。将其用于汽车起重机等有调平需求的特种车辆，能够解决当前由人工进行手动调平的现状，大幅提高自动化程度和作业效率。

2.调平过程中作业平台和上装载荷的质心处于主承载区间内，使得调平过程无反复振荡、安全性高、鲁棒性高。即使出现极特殊的，质心位置处在主承载区间边缘的情况，并在调平过程中超出了该区间，但由于从动支腿始终跟随作动，其也能立即提供承载，由此彻底消除了倾覆风险。

3.通过从动支腿补偿作动保证无虚腿问题，调平后作业平台的姿态和承载稳定性高。调平后4条支腿可靠承载，能够有效避免上装载重、姿态变化引起的倾覆风险，大幅提升特种车辆的作业安全性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明四腿支撑作业平台自动调平方法的流程图；

图2为本发明四腿支撑作业平台自动调平方法的四腿支撑作业平台的结构特征示意图；

图3为本发明四腿支撑作业平台自动调平方法的四腿支撑作业平台的简化构成示意图；

图4为本发明四腿支撑作业平台自动调平方法的主承载象限判定和主从动支腿划分示意图。

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。

本发明提供四腿支撑作业平台的自动调平方法，解决了现有调平方法速度慢、鲁棒性差、调平过程反复振荡、支腿载荷控制效果差、甚至出现虚腿和过载等问题。

本发明四腿支撑作业平台的自动调平方法使用如图2所示的四腿支撑作业平台。该作业平台包含了作业平台C，以及4条具有垂向升降功能的支腿R。每条支腿R的结构尺寸、最大作动行程及其与作业平台C的连接结构完全相同。每条支腿R与作业平台之间均安装有测量垂向载荷的力传感器B。该作业平台共包含4个力传感器B。各力传感器B完全相同。作业平台C上表面几何中心安装有1个二维倾角传感器D。作业平台C 和上装载荷的总重量记为G。为了简洁描述，将图2所示的结构特征简化为图3所示的示意图。将必然存在一定弹性变形的4条支腿R等效为K₁、 K₂、K₃和K₄。将支腿R的驱动部件等效为支腿驱动器A。同时该支腿驱动器A具有测量支腿的垂向位移作动量的功能。因此，所述作业平台共包含4个支腿驱动器A。各支腿驱动器A完全相同。

本发明提供的四腿支撑作业平台的自动调平方法，其控制流程图如图1 所示，具体包括以下步骤：

步骤1，由1条支腿R的支腿驱动器A驱动该支腿R收缩至完全脱离地面，由该支腿R上的力传感器B测量残留的垂向载荷，将残留的垂向载荷视为测量误差并在计算上清零，然后驱动该支腿R伸长至恢复支撑在地面上；为了防止支腿R收缩至完全脱离地面时作业平台C有倾覆风险，可采用千斤顶辅助支撑收缩支腿R的近旁位置或采用临时支架支撑作业平台C等任意方案提供保护；对其他3条支腿R依次执行同样的上述操作，实现将各支腿R上残留的垂向载荷计算清零；由支腿驱动器A驱动 4条支腿R将作业平台C完全支撑，由力传感器B测量各支腿R的垂向载荷，并调整至各支腿R均承受垂向载荷，记为F_i，i＝1～4；以支腿R与作业平台C连接点的对称中心为坐标原点建立坐标系，沿作业平台C的纵、横、垂向分别为x、y、z轴，各支腿R与作业平台C连接点的坐标记为(x_i，y_i，z_i)，力矩和倾角的正方向根据右手螺旋定则判定，作业平台和上装载荷的总重量记为G，不考虑各支腿R的重量，根据力传感器B 测量的各支腿R上的垂向载荷，以及作业平台C绕x、y轴的力矩平衡和沿z轴的力平衡关系，计算作业平台C和上装载荷的总重量，及其质心的纵、横向坐标为

在本实施例中，所述调整至各支腿R均承受垂向载荷，其中承载最小支腿R的垂向载荷需大于作业平台C和上装载荷的总重量的5％。

步骤2，如图4所示，从坐标原点O分别沿纵向x和横向y将作业平台C 划分为4个虚拟矩形块区，即对应于步骤1所述坐标系xy平面的4个象限，即第1象限E，第2象限F，第3象限H，第4象限I，将质心坐标所在虚拟矩形块区定义为主承载象限L；将任意的3条支腿R与作业平台C的连接点虚拟连接，构成4个虚拟三角形块区，即M、N、Q和P，其中能够完全覆盖主承载象限的三角形块区即为主承载区间，所对应的3 条支腿R即判定为主动支腿，剩余的1条支腿R即判定为从动支腿。

在本实施例中，所述质心坐标所在虚拟矩形块区定义为主承载象限，是说根据步骤1计算的质心x、y轴坐标的正负性判断其所处象限，进而定义主承载象限，具体为：若质心的x、y坐标都为正值，则其处于第1象限 E，第1象限即为主承载象限L；若质心的x、y坐标分别为负值与正值，则其处于第2象限F，第2象限即为主承载象限L；若质心的x、y坐标都为负值，则其处于第3象限H，第3象限即为主承载象限L；若质心的x、y坐标分别为正值与负值，则其处于第4象限I，第4象限即为主承载象限L。

在本实施例中，以图4为例，质心所在象限I即为主承载象限L，而虚拟三角形块区Q完全覆盖主承载象限L，即为主承载区间，所对应的3条支腿K₁、K₂、K₃即为主动支腿，剩余的支腿K₄即为从动支腿。

步骤3，驱动从动支腿伸长一个特定的垂向位移，再缩短回原始长度，期间除从动支腿外的其他支腿R不作动，利用二维倾角传感器D测量从动支腿伸长至特定的垂向位移时作业平台C绕x、y轴的倾角变化量；将所述特定的垂向位移除以两个倾角变化量中绝对值的数值较大的一个，得到从动支腿在单位倾角变化下的垂向位移作动量。

在本实施例中，所述特定的垂向位移，其范围为支腿R的最大作动行程的1％～5％。

步骤4，由支腿驱动器A控制从动支腿收缩作动，直至其垂向载荷降低至零，达到虚腿状态。

步骤5，设定作业平台C的侧倾阈值ε_θ，利用二维倾角传感器D分别测量作业平台C绕x、y轴的倾斜角度，即作业平台C相对水平面在x、y轴方向的倾斜角度，分别计算二者的绝对值；若两个倾斜角度的绝对值均小于侧倾阈值ε_θ，则执行步骤8，否则执行步骤6。

在本实施例中，所述侧倾阈值ε_θ，其范围为0.04～0.08°。

步骤6，根据公式βx_i-αy_i计算调平所需的各支腿R作动量，其中，α、β分别为当前状态下作业平台C绕x、y轴的倾斜角度，控制主动支腿和从动支腿按照各支腿R作动量的比例关系进行同步作动，并同时测量从动支腿的垂向载荷，若其垂向载荷增加则减少其作动量至虚腿状态；循环测量并控制支腿R作动，直至各主动支腿执行完其作动量。

步骤7，利用二维倾角传感器D分别测量作业平台C绕x、y轴的倾斜角度，分别计算二者的绝对值；若两个倾斜角度的绝对值均小于倾角阈值ε_θ，则执行步骤8，否则执行步骤6。

步骤8，设定作业平台C的极限侧倾阈值ε_γ，极限侧倾阈值ε_γ应大于侧倾阈值ε_γ，计算极限侧倾阈值和侧倾阈值的差值ε_γ-ε_θ，将该差值乘以步骤3 所述的从动支腿在单位倾角变化下的垂向位移作动量，得到从动支腿的极限补偿作动量ε_z。

在本实施例中，所述极限侧倾阈值ε_γ，其工程适用范围为0.6～1°。

步骤9，由支腿驱动器A控制从动支腿补偿作动，并测量从动支腿的补偿作动量，同时测量作业平台C绕x、y轴的倾斜角度；若补偿作动量小于极限补偿作动量ε_z，且作业平台C绕x、y轴的倾斜角度的绝对值均小于极限侧倾阈值ε_γ，则继续执行从动支腿补偿作动，否则锁死各支腿R、结束调平控制。

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 (3)

1.一种四腿支撑作业平台的自动调平方法，支腿的上端与作业平台的下水平表面相连接，支腿的下端支撑在地面上，每条支腿的结构尺寸、最大作动行程以及支腿与作业平台的连接结构完全相同，每条支腿与作业平台之间均安装有测量垂向载荷的力传感器，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，驱动1条支腿收缩至完全脱离地面，将支腿上残留的垂向载荷视为测量误差并在计算上清零，然后驱动该条支腿伸长至支撑在地面上，对其他3条支腿依次执行同样的上述操作；驱动4条支腿将作业平台完全支撑，并调整至各支腿均承受垂向载荷，记为F_i，i＝1～4；以支腿与作业平台连接点的对称中心为坐标原点建立坐标系，沿作业平台的纵、横、垂向分别为坐标系的x、y、z轴，各支腿与作业平台连接点的坐标记为(x_i，y_i，z_i)，作业平台和上装载荷的总重量记为G，力矩和倾角的正方向根据右手螺旋定则判定，根据测量的各支腿垂向载荷，以及作业平台绕x、y轴的力矩平衡和沿z轴的力平衡关系，计算作业平台和上装载荷的总重量，及其质心的纵、横向坐标为

步骤2，从坐标原点分别沿纵向和横向将作业平台划分为4个虚拟矩形块区，对应于步骤1所述坐标系xy平面的4个象限，将质心坐标所在虚拟矩形块区定义为主承载象限，具体为：若质心的x、y坐标都为正值，则其处于第1象限，第1象限即为主承载象限；若质心的x、y坐标分别为负值与正值，则其处于第2象限，第2象限即为主承载象限；若质心的x、y坐标都为负值，则其处于第3象限，第3象限即为主承载象限；若质心的x、y坐标分别为正值与负值，则其处于第4象限，第4象限即为主承载象限；将任意的3条支腿与作业平台的连接点虚拟连接，构成4个虚拟三角形块区，其中能够完全覆盖主承载象限的三角形块区定义为主承载区间，所对应的3条支腿判定为主动支腿，剩余的1条支腿判定为从动支腿；

步骤3，驱动从动支腿伸长一个特定的垂向位移，再缩短回原始长度，期间除从动支腿外的其他支腿不作动，测量从动支腿伸长至特定的垂向位移时作业平台绕x、y轴的倾角变化量；将所述特定的垂向位移除以两个倾角变化量中绝对值较大的一个，得到从动支腿在单位倾角变化下的垂向位移作动量；

步骤4，控制从动支腿收缩作动，直至其垂向载荷降低至零，达到虚腿状态；

步骤5，设定作业平台的侧倾阈值ε_θ，分别测量作业平台绕x、y轴的倾斜角度，分别计算二者的绝对值；若两个倾斜角度的绝对值均小于侧倾阈值ε_θ，则执行步骤8，否则执行步骤6；

步骤6，根据公式βx_i-αy_i计算调平所需的各支腿作动量，其中，α、β分别为当前状态下作业平台绕x、y轴的倾斜角度；控制主动支腿和从动支腿按照各支腿作动量的绝对值的比例关系进行同步作动，并同时测量从动支腿的垂向载荷，若其垂向载荷增加则减少其作动量至虚腿状态；循环测量并控制支腿作动，直至各主动支腿执行完其作动量；

步骤7，分别测量作业平台绕x、y轴的倾斜角度，分别计算二者的绝对值；若两个倾斜角度的绝对值均小于侧倾阈值ε_θ，则执行步骤8，否则执行步骤6；

步骤8，设定作业平台的极限侧倾阈值ε_γ，极限侧倾阈值ε_γ大于侧倾阈值ε_θ；计算极限侧倾阈值和侧倾阈值的差值ε_γ-ε_θ，将该差值乘以步骤3所述的从动支腿在单位倾角变化下的垂向位移作动量，得到从动支腿的极限补偿作动量ε_z；

步骤9，控制从动支腿补偿作动，并测量从动支腿的补偿作动量，同时测量作业平台绕x、y轴的倾斜角度；若补偿作动量小于极限补偿作动量ε_z，且作业平台绕x、y轴倾斜角度的绝对值均小于极限侧倾阈值ε_γ，则继续执行从动支腿补偿作动，否则锁死各支腿，结束调平控制。

2.根据权利要求书1所述的一种四腿支撑作业平台的自动调平方法，其中，步骤3所述特定的垂向位移，其范围为支腿的最大作动行程的1％～5％。

3.根据权利要求书1所述的一种四腿支撑作业平台的自动调平方法，其中，步骤5所述的侧倾阈值ε_θ，其范围为0.04°～0.08°。

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