CN114035617B - 一种车载调平系统及其高精度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载调平系统及其高精度控制方法，针对常用的调平策略进行综合比较，本发明采用迭代算法作为调平控制策略；过程中分析支腿“虚腿”产生的原因和有效措施，引入扰动观测器通过回采电机实时电流进行状态判断，对于出现小于瞬时电流阈值的支腿进行伸腿控制，直到再次充实。本发明所述控制系统由自动调平系统和手动控制系统组成，方便灵活，避免了单一调平系统的局限性，采用迭代算法加扰动观测器作为高精度控制策略，该策略具有调平精度高、调平速度快的优点。

Description

一种车载调平系统及其高精度控制方法

技术领域

本发明属于装备调平技术领域，特别是一种车载调平系统及其高精度控制方法。

背景技术

现代车载雷达等电子设备均要求能够进行快速自动架设和撤收，而稳定的平台能够有效的隔离载体运动，确保安装于稳定平台上的装置工作时不会受载体的运动影响。实现载车车体水平基准的高精度调平是军事装备发展中关键的一环，尤其是对一些高精密设备，调平精度直接影响其总体精度。为了解决这个问题，研制生产过程中在设备上安装半自动或自动调平系统，但无论是提高调平精度还是调平速度，均需要采取有效的调平算法。

实现自动调平的系统多采用3点、4点及6点支撑的方式，3点支撑控制简单，但4点和6点支撑刚度较好，抗倾翻能力强，当前多采用4点支撑进行调平算法控制研究。高精度调平算法有很多，大多为逐高法和角度补偿法，逐高法主要是以最高点为基准，通过调整其余支腿使余下各点的高度与基准点平齐，但存在反复调平导致精度无法满足及调平时间过长等问题。角度补偿法以倾角传感器角度信号为参照，通过支腿的调节纸质角度为0，但同样存在调平时间过长的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车载调平系统及其高精度控制方法，以解决车载平台调不平及调平精度过低的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种车载调平系统的高精度控制方法，通过在车载平台上设置传感器以检测平台的俯仰角和方位角；在平台支腿上设置多个电动缸用于对平台进行调平；

首先控制多个支腿以相同的速度向下伸出，采集电动缸的触地瞬间的实时电流值，设定相应阈值以使平台支腿触地充实后停止动作；

然后平台进行调平控制，通过传感器实时采集俯仰角与方位角作为输入，各支腿运动速度为最终输出，对多输入多输出耦合控制进行循环迭代，不断采集新的角度信息来替代初值进行下一次的解算，实时更新支腿的运行速度进行快速调平；调平过程中采集实时电流值，当电流值小于设定阈值，以等效干扰的估计值为支腿的运动速度进行慢速调平，当电流值大于设定阈值时判定完成虚腿补偿过程，再次进行快速调平，直至最终的俯仰角和方位角满足调平精度要求。

一种车载调平系统，包括在车载平台上设置传感器以检测平台的俯仰角和方位角；在平台支腿上设置多个电动缸用于对平台进行调平；还包括：

实时电流采集单元，用于采集电动缸的触地瞬间的实时电流值；

处理控制单元，用于控住电动缸的动作以对平台进行调平；以传感器实时采集俯仰角与方位角作为输入，各支腿运动速度为最终输出，对多输入多输出耦合控制进行循环迭代，不断采集新的角度信息来替代初值进行下一次的解算，实时更新支腿的运行速度进行快速调平；调平过程中采集实时电流值，当电流值小于设定阈值，以等效干扰的估计值为支腿的运动速度进行慢速调平，当电流值大于设定阈值时判定完成虚腿补偿过程，再次进行快速调平，直至最终的俯仰角和方位角满足调平精度要求。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明结合扰动观测器进行过程变量控制，将过程中的“虚腿”问题作为外部干扰，通过观测实时电流在控制中控制相应支腿的运动作为引入的等量补偿，减小了调平过程中出现“虚腿”的可能性，使其能稳定且快速、准确的实现调平过程。。

(2)本发明提出迭代算法作为多输入多输出调平控制系统的核心算法，多维角度作为输入，四个支腿的运动位移作为输出，多次循环迭代，不断用角度的旧值推出新值，进而不断更新支腿伸出长度，最终达到所需调平精度。

附图说明

图1为控制方法的流程图。

图2为调平模型图。

图3为调平算法原理框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1-图3，本实施例提供一种车载调平系统的高精度控制方法，首先在车载平台上设置检测平台位姿的传感器，并在四个支腿上分别设置电动缸，控制板(KZ)和上位机(PC)作为整个系统的处理控制单元，通过接收上位机指令或手动触发调平控制，针对多种调平算法的综合分析提出迭代算法，对多输入多输出强耦合控制进行循环迭代，不断更新推算各支腿需要运动的最新位移，过程中通过引入扰动观测器来避免“虚腿”的出现，最后通过倾角传感器回采X轴和Y轴角度信息判断平台是否实现高精度的调平。本发明的整体算法原理流程如图1所示，具体步骤如下所示：

步骤1、在车载平台上建立坐标系：结合图2，四点调平的平台为长方形结构，平台上方安装双轴倾角传感器进行角度的采集，现以电动缸和平台的连接点中心为长方形顶点，设长方形的长为long，宽为width，四条电动缸的长度分别为l₁、l₂、l₃及l₄。以四号缸的上顶点为坐标原点建立两个坐标系。坐标系{0}为惯性系，坐标系{1}为固连在上平台上的随动坐标系，X轴与长方形的宽重合，Y轴与长方形的长重合，四个顶点的坐标分别为P1、P2、P3、P4。顶点Pi在坐标系{0}中的坐标为⁰Pi(⁰X_i ⁰Y_i ⁰Z_i)，(i＝1，2，3，4)；顶点Pi在坐标系{1}中的坐标为¹P1(¹X_i ¹Y_i ¹Z_i)。

步骤2、进行四个支腿的同步控制，使其以相同的速度向下伸出，直至触地充实后停止动作：控制板(KZ)接收来自上位机(PC)的调平指令，控制板(KZ)实时读取倾角传感器的角度信息并通过电动缸的驱动器(QD)依次反馈电流值。控制板(KZ)进行四个支腿的同步控制，使其以相同的速度向下伸出，直至触地充实后停止动作，其中，由于每个支腿的承重及机械间隙不同导致触地瞬间的实时电流值有所差异，将每个支腿触地充实的测试电流值设定为电流阈值q作为判断依据，进而实现电动缸落地充实的过程。

步骤3、对平台进行调平控制，对多输入多输出强耦合控制进行循环迭代，不断更新推算各支腿需要运动的最新位移，过程中通过引入扰动观测器来避免“虚腿”的出现。

通过倾角传感器实时采集俯仰角a与方位角b作为输入，循环迭代与计算，使支腿呈现速度动态变化的位移运动。与最终要求调平精度即俯仰角x和方位角y进行比较判断。其中，初始状态下的俯仰角a和方位角b即X轴方向和Y方向信息可作为多输入x0和y0。保持最高点不动的原则计算出其余三个支腿的运动位移作为多输出，在多次迭代下实现这个多输入多输出的强耦合动态控制。不断采集新的角度信息来替代初值进行下一次的解算，最终实现实时更新支腿的运行速度。

调平过程中，初始状态下的俯仰角a和方位角b即X轴方向和Y方向信息可作为多输入x0和y0，各支腿运动速度v₁、v₂、v₃、v₄为最终输出，当倾角传感器回采俯仰角a和方位角b数值经过多次迭代计算运动后小于设定的X轴方向调平精度x和Y轴方向调平精度y时即认为完成了高精度调平过程。

迭代是通过循环实现的：

其中，迭代变量初值为调平初始X轴、Y轴角度信息，迭代终止条件为俯仰角a小于精度要求值x(设定值)，方位角b小于精度要求值y(设定值)。依次类推，直至输出最优近似值。

调平方程式为：

四个顶点在坐标系{1}中的的坐标依次为¹P1、¹P2、¹P3、¹P4。倾角传感器反馈回来的X轴俯仰角为a，Y轴方位角为b。根据两个自由的倾角可以得到坐标系{0}与坐标系{1}之间的旋转矩阵R，其表达式为：

四个顶点在惯性系下的坐标可以表示为：

⁰pi＝R¹Pi

即：

假设¹P_i＝(¹X_i ¹Y_i ¹Z_i)^T，⁰P_i＝(⁰x_i ⁰Y_i ⁰Z_i)^T，经计算可得：

⁰Z_i＝-cosbsina*¹X_i+sinb*¹Y_i+cosbcosa*¹Z_i

由此可得四条电动缸的伸长量分别为：

l₁＝-width*cosbsina

l₂＝-width*cosbsina+long*sinb

l₃＝long*sinb

l₄＝0

由于调平平台的倾角一般都比较小，角度的余弦值约等于1，所以可以取近似值进行计算，忽略角度正方向的不同，其简化的计算模型如下：

l₁＝width*sin a (7)

l₂＝long*sin b+width*sin a (5)

l₃＝long*sinb (6)

l₄＝0 (8)

加速迭代过程不断得到优化俯仰角a和方位角b，保持最高点不动，根据公式(5)、(6)、(7)、(8)解算出其余三个支腿的最优运动位移。

l_max＝MAX(l₁，l₂，l₃，l₄) (9)

根据公式(9)计算出最大位移距离，用于计算各支腿运动速度，对平台调平进行不断调整实现水平，公式如下：

v₁＝v*l₁/l_max

v₂＝v*l₂/l_max

v₃＝v*l₃/l_max

v₄＝v*l₄/l_max

其中，v为基础调平速度，可根据所需调平时间进行设定。

调平过程中需防止虚腿的情况，当电机电流小于电流阈值q时控制板(KZ)会向PC反馈电机虚腿，针对过程出现的“虚腿”现象，通过建立扰动观测器，将支腿距离水平地面的直线位移距离作为外部干扰在控制中引入等量的补偿，对各支腿电流进行过程监测，实现对干扰的完全抑制。

干扰为虚腿支腿需运动的位移Δl，等效干扰的估计值为支腿的运动速度在过程中时刻进行电流值的监测，当电流值大于q时判定完成虚腿补偿过程。把外部干扰值看作是状态变量的话：

其中，v为基础调平速度，是等效干扰的估计值，Δl为观测干扰值。

由公式(8)可得到精准的干扰补偿值进行扰动抑制，使调平过程可以精准快速的完成。

步骤4、完成调平过程实现精度的要求后，电动缸电机断电锁死并向上位机反馈调平完成。

Claims (6)

1.一种车载调平系统的高精度控制方法，通过在车载平台上设置传感器以检测平台的俯仰角和方位角；在平台支腿上设置多个电动缸用于对平台进行调平；其特征在于，

首先控制多个支腿以相同的速度向下伸出，采集电动缸的触地瞬间的实时电流值，设定相应阈值以使平台支腿触地充实后停止动作；

然后平台进行调平控制，通过传感器实时采集俯仰角与方位角作为输入，各支腿运动速度为最终输出，对多输入多输出耦合控制进行循环迭代，不断采集新的角度信息来替代初值进行下一次的解算，实时更新支腿的运行速度进行快速调平；调平过程中采集实时电流值，当电流值小于设定阈值，以等效干扰的估计值为支腿的运动速度进行慢速调平，当电流值大于设定阈值时判定完成虚腿补偿过程，再次进行快速调平，直至最终的俯仰角和方位角满足调平精度要求。

2.根据权利要求1所述的车载调平系统的高精度控制方法，其特征在于，

快速调平的运行速度为：v_i＝v*l_i/l_max

其中v_i为第i个支腿的运行速度，v为基础调平速度，l_i为第i个支腿的伸长量；l_max为最高点保持不动，其余多个支腿中需运动的位移；

慢速调平调平过程中支腿的运动速度为：

其中v为基础调平速度，是等效干扰的估计值，作为调平过程中支腿的运动速度，Δl为观测干扰值，即腿支腿相对水平地面需运动的位移；

其中l_max满足：l_max＝MAX(l₁，l₂，...，l_i，...l_n)，n为支腿或电动缸总个数。

3.根据权利要求1所述的车载调平系统的高精度控制方法，其特征在于，支腿触地充实的设定阈值根据支腿触地充实的测试电流值进行设定。

4.一种车载调平系统，包括在车载平台上设置传感器以检测平台的俯仰角和方位角；在平台支腿上设置多个电动缸用于对平台进行调平；其特征在于，还包括：

实时电流采集单元，用于采集电动缸的触地瞬间的实时电流值；

处理控制单元，用于控住电动缸的动作以对平台进行调平；以传感器实时采集俯仰角与方位角作为输入，各支腿运动速度为最终输出，对多输入多输出耦合控制进行循环迭代，不断采集新的角度信息来替代初值进行下一次的解算，实时更新支腿的运行速度进行快速调平；调平过程中采集实时电流值，当电流值小于设定阈值，以等效干扰的估计值为支腿的运动速度进行慢速调平，当电流值大于设定阈值时判定完成虚腿补偿过程，再次进行快速调平，直至最终的俯仰角和方位角满足调平精度要求。

5.根据权利要求4所述的车载调平系统，其特征在于，快速调平的运行速度为：

v_i＝v*l_i/l_max

其中v_i为第i个支腿的运行速度，v为基础调平速度，l_i为第i个电动缸的伸长量；l_max为最高点保持不动，其余多个支腿中需运动的位移；

慢速调平调平过程中支腿的运动速度为：

其中v为基础调平速度，是等效干扰的估计值，作为调平过程中支腿的运动速度，Δl为观测干扰值，即腿支腿相对水平地面需运动的位移；

其中l_max满足：l_max＝MAX(l₁，l₂，...，l_i，...l_n)，n为支腿或电动缸总个数。

6.根据权利要求4所述的车载调平系统，其特征在于，所述传感器为双轴倾角传感器。