一種四點(diǎn)支撐機(jī)電調(diào)平系統(tǒng)虛腿補(bǔ)償控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)電伺服控制領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種消除四點(diǎn)支撐機(jī)電式車載平臺(tái)的調(diào) 平系統(tǒng)及虛腿解決方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)電式車載平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的"虛腿"問題是不容忽視的，如果能消除"虛腿"且 優(yōu)化各支腿受力，除了能保障車載設(shè)備正常工作外，而且能提高調(diào)平系統(tǒng)在外部干擾載荷 作用下的穩(wěn)定性，提高其安全性。液壓調(diào)平系統(tǒng)根據(jù)其液壓系統(tǒng)工作壓力，可W較好解決調(diào) 平問題與"虛腿"問題，但機(jī)電式調(diào)平系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)特性和電氣特性，目前主要有W下幾種 消除"虛腿"的方法：
[0003] (1)在車載平臺(tái)完成調(diào)平后，逐次伸長各個(gè)支腿一小位移量，通過檢測(cè)平臺(tái)傾角值 的變化情況，判定該支腿是否為"虛腿"。若存在"虛腿"現(xiàn)象，該支腿繼續(xù)伸長直至平臺(tái)傾 角值大于闊值，然后讓支腿縮短相應(yīng)微小距離，W便保持平臺(tái)水平坐標(biāo)不發(fā)生改變；若不是 "虛腿"，平臺(tái)傾角值變化大于闊值，同樣讓支腿縮短相應(yīng)微小距離。該種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需 要額外添加硬件來檢測(cè)是否存在"虛腿"，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了開發(fā)成本。但是該種方 法也有致命的缺點(diǎn)；在確定水平傾角變化的闊值時(shí)往往憑借多次試驗(yàn)或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，有很 大的隨機(jī)性，且一旦平臺(tái)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，又需做大量的工作確定水平傾角變化的闊值。
[0004] (2)在平臺(tái)支腿上加裝壓力傳感器。該種方法是通過支腿受力大小來檢測(cè)各個(gè)支 腿是否為"虛腿"，在調(diào)平時(shí)平臺(tái)支腿一直伸長。若壓力傳感器得到的支腿壓力大于闊值，說 明該支腿不是"虛腿";若小于闊值，說明是"虛腿"。該種方案也存在缺點(diǎn)；增加了力傳感器 并隨著力傳感器使用時(shí)間的增加，靈敏度和精度都會(huì)下降，且增加了系統(tǒng)開發(fā)成本。
[0005] (3)在電機(jī)中加裝電流傳感器，通過電機(jī)電流的大小判定支腿是否為"虛腿"。在 電機(jī)驅(qū)動(dòng)支腿運(yùn)動(dòng)時(shí)，若電機(jī)負(fù)載小，對(duì)應(yīng)電流小，說明相應(yīng)支腿為"虛腿"，通過電流大小 的改變可W判定和消除"虛腿"。該種方法不會(huì)改變系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，但增加了電流傳感器 及控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
[0006] 本發(fā)明利用電機(jī)繞組電流估計(jì)支腿支撐力并優(yōu)化調(diào)平后的支腿支撐力，設(shè)計(jì)"虛 腿"補(bǔ)償控制策略使得各支腿受力達(dá)到優(yōu)化值的鄰域，達(dá)到調(diào)平并消除"虛腿"現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是：提出一種消除四點(diǎn)支撐機(jī)電調(diào)平系統(tǒng)的虛腿補(bǔ)償控制方法，旨 在解決現(xiàn)有的消除虛腿的方法硬件成本高，和支腿受力不優(yōu)化的問題。
[0008] 本發(fā)明的原理是利用電動(dòng)支腿電機(jī)繞組電流估計(jì)支腿受力大小并計(jì)算調(diào)平后各 支腿的優(yōu)化支撐力，W達(dá)到將車載平臺(tái)調(diào)平且消除"虛腿"的目的。該消除四點(diǎn)支撐機(jī)電式 車載平臺(tái)虛腿的系統(tǒng)包括；車載平臺(tái)、水平傾角傳感器、四個(gè)按照矩形布置的電動(dòng)支腿和控 制器，電動(dòng)支腿的電機(jī)為交流同步伺服電機(jī)。車載平臺(tái)到達(dá)工作位置后，該四點(diǎn)支撐機(jī)電調(diào) 平系統(tǒng)虛腿補(bǔ)償控制方法包括W下步驟：
[0009] 步驟一，同時(shí)驅(qū)動(dòng)四個(gè)電動(dòng)支腿獨(dú)立伸長，使四個(gè)支腿全部處于觸地狀態(tài)并停 止；
[0010] 步驟二，低速伸展四條支腿，將輪胎抬離地面，并檢測(cè)輪胎離地后各支腿電機(jī)繞組 電流，計(jì)算調(diào)平后各伺服電機(jī)的優(yōu)化繞組電流額定值；
[0011] 步驟=，根據(jù)狀態(tài)反饋量（載車平臺(tái)姿態(tài)，電機(jī)軸位置、速度和繞組電流）設(shè)計(jì)調(diào) 平控制策略進(jìn)行調(diào)平，至車載平臺(tái)處于水平狀態(tài)，且各支撐腿伺服電機(jī)繞組電流達(dá)到額定 值的一個(gè)鄰域內(nèi)。
[0012] 本發(fā)明在現(xiàn)有通用四點(diǎn)支撐機(jī)電調(diào)平系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件的改進(jìn)，不增加機(jī)械 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件和控制系統(tǒng)硬件成本；由于建立繞組電流與支腿受力映射關(guān)系時(shí)消除了系統(tǒng) 不確定變量的影響，因此既實(shí)現(xiàn)了調(diào)平目的又消除了 "虛腿"現(xiàn)象，且使得各支腿受力優(yōu)化。
【附圖說明】
[0013] 圖1是機(jī)電式車載平臺(tái)調(diào)平系統(tǒng)的俯視示意圖，圖中；11、12、21、22是支腿編號(hào)。
[0014] 圖2是調(diào)平控制流程圖。
[0015] 圖3是螺紋面受力簡(jiǎn)圖，其中；1 ;基座；2 ;螺桿；3 角模形；g ;螺桿作用在螺紋 面上的壓力；gv;g在垂直于螺紋面上的壓力分力；gh;g在平行于螺紋面上的壓力分力；f: 作用在S角模形上的水平推力，用于在半斤為r的力臂上產(chǎn)生螺桿扭矩；P ;螺桿螺距；r : 螺桿半徑；e :螺紋螺旋角；ll、l2;S角形邊長，其中1 1= P，1 2= 2 31 r。
[001引圖4是X軸（a )和y軸（0 )傾角變化曲線仿真圖；
[0017] 圖5是各支腿受力曲線仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明 進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步描述。
[0019] 如圖1所示為機(jī)電式車載平臺(tái)調(diào)平系統(tǒng)的俯視示意圖。支腿按照矩形布置，編號(hào) 如圖所示，圖中a,b分別為矩形沿y軸和X軸方向的邊長，a。，b。為系統(tǒng)重屯、距離矩形邊的 距離；圖中所示的坐標(biāo)軸固定于平臺(tái)之上，定義平臺(tái)先繞X軸的轉(zhuǎn)角為a，在該姿態(tài)下再繞 y軸的轉(zhuǎn)角為0。使用水平傾角傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車載平的姿態(tài)，即a和0，四個(gè)電動(dòng)支腿 均使用交流伺服電機(jī)。
[0020] 圖2是調(diào)平的流程圖，雷達(dá)車就位后，各步驟的實(shí)施方法如下：
[002。 步驟一，同時(shí)驅(qū)動(dòng)四個(gè)電動(dòng)支腿獨(dú)立伸長，當(dāng)伺服電機(jī)電流增大至給定闊值后，判 定該條支撐腿觸地，則停止相應(yīng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至四個(gè)支腿全部觸地，此時(shí)電動(dòng)支腿和車 載平臺(tái)均處于靜止?fàn)顟B(tài)，執(zhí)行步驟二；
[0022] 步驟二，低速伸展四條支腿，將輪胎抬離地面，并檢測(cè)輪胎離地后各支腿電機(jī)繞組 電流，計(jì)算調(diào)平后各伺服電機(jī)的優(yōu)化繞組電流額定值，檢測(cè)電流和計(jì)算優(yōu)化繞組電流額定 值的方法證明如下：
[0023] 絲桿螺母的受力圖可W展開成如圖2所示的平面問題，=角模形表示螺紋，螺桿 的推力等效于作用在螺紋面的力，表示成g，=角模形向左移動(dòng)（假設(shè)此時(shí)伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)）， 則螺桿上升，反之則下降。圖中：假設(shè)螺旋副接觸面的摩擦系數(shù)為y，=角模形與基座的摩 擦系數(shù)為0。容易證明當(dāng)y〉tan0時(shí)，令f = 0,該機(jī)構(gòu)能自鎖。電動(dòng)支腿具有自鎖功能， 因此該里默認(rèn)y〉tan 0來說明兩種情況下f與g的關(guān)系。
[0024] (1)S角模形勻速向左移動(dòng)時(shí)（此時(shí)螺桿上升，伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)），滿足：
[00巧]f = g(sin 白 cos 白 + y cos 白 cos 白）+C (1)
[0026] (2)S角模形勻速向右移動(dòng)時(shí)（此時(shí)螺桿下降，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)），滿足：
[0027] f = g(siri 白 cos 白一y cos 白 cos 白）+C 〇)
[002引上兩式中；C為常量，為螺旋傳動(dòng)的靜摩擦力。
[002引按照?qǐng)D3所示，各支撐腿螺桿作用在螺紋面上的壓力用gu(i = 1，2 ;j = 1，。表 示，作用在S角模形上的水平推力用fy(i = 1，2 ;j = 1，2)表示，相應(yīng)的伺服電機(jī)繞組電流 用Iu(i = 1，2 ;j = 1，2)表示，當(dāng)支腿將輪胎抬離地面并低速運(yùn)行時(shí)，滿足（1)式，進(jìn)而有
[0030]
[0031] (3)式是輪胎抬離地面后且處于低速上升時(shí)各支腿滿足的受力方程，其中fu可能 趨近0。用i；,表示調(diào)平后支腿受力的優(yōu)化解，則有
[00巧](5)式的超靜定問題有4個(gè)變量=個(gè)方程，因此解不是唯一的，優(yōu)化解滿足變形協(xié) 調(diào)方程，該方程為
[0036]
C6)
[0037] (5)式~（6)式的解是存在且唯一的。
[003引執(zhí)行電機(jī)的繞組電流與輸出扭矩成正比，即電流I - f，用lu表示fy對(duì)應(yīng)的電流 值，用表示兩對(duì)應(yīng)的電流值，則有
[0039]
C7)
[0040] 方程組（7)式的解是容易得到且唯一的。
[0041] 步驟=，根據(jù)狀態(tài)反饋量（載車平臺(tái)姿態(tài)、電機(jī)軸位置、速度和繞組電流）設(shè)計(jì)調(diào) 平控制策略進(jìn)行調(diào)平，至車載平臺(tái)處于水平狀態(tài)；調(diào)平后繼續(xù)同步低速伸展四個(gè)支腿并保 持調(diào)平控制策略有效，控制各支腿伺服電機(jī)繞組電流達(dá)到（7)式解的一個(gè)鄰域內(nèi)后完成調(diào) 平。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種四點(diǎn)支撐機(jī)電調(diào)平系統(tǒng)虛腿補(bǔ)償控制方法，其特征在于：利用電機(jī)的繞組電流 估計(jì)支腿受力大小，進(jìn)而計(jì)算調(diào)平后各支撐腿的優(yōu)化支撐力并轉(zhuǎn)換成電機(jī)繞組電流的目標(biāo) 值，利用帶電流反饋的控制策略將載車平臺(tái)調(diào)平并消除虛腿；建立電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的繞組 電流與支腿受力映射關(guān)系，使用電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的繞組電流估計(jì)支腿受力大小，將優(yōu)化支 撐力轉(zhuǎn)換成電機(jī)繞組電流的目標(biāo)值，轉(zhuǎn)換過程消除系統(tǒng)不確定變量的影響。2. -種根據(jù)權(quán)利要求1所述的四點(diǎn)支撐機(jī)電調(diào)平系統(tǒng)虛腿補(bǔ)償控制方法，其特征在 于：所述的利用帶電流反饋的控制策略將載車平臺(tái)調(diào)平并消除虛腿的方法如下：電機(jī)的轉(zhuǎn) 向始終使得支腿處于伸長狀態(tài)直至調(diào)平結(jié)束，并使用低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的繞組電流估計(jì)支腿受 力，帶電流反饋的調(diào)平控制策略使得系統(tǒng)調(diào)平角度誤差具有指數(shù)穩(wěn)定性。3. -種根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的四點(diǎn)支撐機(jī)電調(diào)平系統(tǒng)虛腿補(bǔ)償控制方法，其特 征在于：所述調(diào)平流程為：步驟一，雷達(dá)車就位后，同時(shí)驅(qū)動(dòng)四個(gè)電動(dòng)支腿獨(dú)立伸長，當(dāng)伺 服電機(jī)電流驟然增大至給定閾值后，判定該條支撐腿觸地，則停止相應(yīng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至 四個(gè)支腿全部觸地；步驟二，低速伸展四條支腿，將輪胎抬離地面，并檢測(cè)輪胎離地后各支 腿電機(jī)繞組電流，計(jì)算調(diào)平后各伺服電機(jī)的優(yōu)化繞組電流額定值；步驟三，根據(jù)載車平臺(tái)姿 態(tài)，電機(jī)軸位置、速度和繞組電流的狀態(tài)反饋量進(jìn)行調(diào)平控制，至載車平臺(tái)處于水平狀態(tài)， 且各支撐腿伺服電機(jī)繞組電流達(dá)到額定值的一個(gè)鄰域內(nèi)。
【專利摘要】一種四點(diǎn)支撐機(jī)電調(diào)平系統(tǒng)虛腿補(bǔ)償控制方法，實(shí)現(xiàn)將車載平臺(tái)調(diào)節(jié)至水平狀態(tài)，且使得四個(gè)支腿受力均勻，消除虛腿。調(diào)平系統(tǒng)包括載車平臺(tái)和四個(gè)按照矩形分布的電動(dòng)支腿。啟動(dòng)調(diào)平程序后，首先控制器驅(qū)動(dòng)四個(gè)支腿同時(shí)伸展，使四個(gè)支腿全部觸地并停止伸展；接著使各支腿電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，持續(xù)緩慢將輪胎抬離地面，同時(shí)檢測(cè)各支腿電機(jī)繞組電流值并轉(zhuǎn)換成支撐力；然后計(jì)算調(diào)平后各支撐腿的優(yōu)化支撐力并轉(zhuǎn)換成電機(jī)繞組電流的目標(biāo)值，轉(zhuǎn)換過程消除中間不確定變量影響；最后利用帶電流反饋的控制策略將載車平臺(tái)調(diào)平并消除虛腿。本發(fā)明在現(xiàn)有調(diào)平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變的情況下，直接通過軟件來消除虛腿，降低了系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)成本。
【IPC分類】G05D3/12
【公開號(hào)】CN104950922
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510362327
【發(fā)明人】莊文許, 潘加松, 張毅
【申請(qǐng)人】中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所
【公開日】2015年9月30日
【申請(qǐng)日】2015年6月26日