特種車輛用多點智能自動調平系統的研制

邵益龍 田鋒 王國忠 張繼剛

杭州恒宏機械有限公司 浙江杭州 311212

1 前言

目前，調平系統主要有三種形式：液壓調平、機電調平及手動調平。液壓調平形式大量應用在工程車輛上[1]，包括起重機械和建筑機械等設備上，但對于調平要求較高的車輛或平臺，往往采用液壓伺服系統進行控制，它的缺點是液壓系統要一直處于工作狀態，即使采用液壓鎖也不能保證平臺較長時間處于高精度位置參數要求的穩定狀態。

而普通的機械電控形式通常裝置于調平平臺上，以四點調平的形式進行調平。調平系統工作時由水平傳感器傳遞角度信號給控制系統[2]，控制系統通過控制電機、傳遞系統實現對平臺的精確調平，并通過電機制動器的制動，對調平后的支撐系統進行長時間的鎖定[3]。機械電控的形式可以達到長時間的鎖定調平，但是也存在調平時間較長，調平步驟較繁瑣的問題。

手動電控形式是目前有些單位為節約成本后實行的一種新型調平形式。缺點是調平時間過長，優點是成本較低。

本項目研制的自動調平系統，可以更加高效地完成調平，可適用于特種車輛以及其他有調平需求的車輛及場合。其調平精度高、速度快、操作使用簡便，能夠極大地縮短調平時間，并且使其裝載大噸位化，達到單腿最大支撐30 t。可擴展使用范圍，適用于有調平需求的雷達、通訊、檢測等特種車輛，使車輛在特殊情況下利用電動調平支腿實現自動或手動調平，從而具有平穩、防盜和防車輛輪胎老化等功能，該系統具有廣闊的應用前景和較高的使用價值。

2 項目主要研究開發內容

本項目以多點智能自動調平系統為研究對象，通過設計過程控制系統、頂升機構、機械系統和信號傳輸系統，保證系統在正常工作時穩定、可靠，最終推廣并實現大批量生產、應用。

2.1 系統總體構造設計

系統由四個主要部分組成，如圖1所示。調平支腿系統主要由電動機械支腿及調平系統組成；下位機控制系統主要由單片機系統構成；液晶屏服務系統主要由嵌入式系統和觸摸式液晶屏組成；遙控器無線系統主要由無線收發模塊和指令系統組成。

圖1 控制線路示意圖

2.2 機械傳動設計

設計一種以電機做動力裝置的支腿機構，實現寬范圍的調速功能和大噸位的舉升。機械傳動由四部份組成，如圖2所示。

圖2 調平系統總體示意圖

a. 動力系統。動力系統由DC24V無刷電機承擔，主要負責系統動力的供給，系統采用DC24V的直流無刷電機，能夠提高整套系統的工作精度，使之能夠滿足工業以及軍工要求。

b. 減速系統。通過行星減速機對電機直接減速，再通過齒輪箱減速，使系統轉速降低，同時增大輸出扭矩。減速系統的主要任務是把電機輸出的較高轉速降低至適宜于系統運動要求的低轉速，同時逐級傳遞并放大系統的扭矩，使各項參數符合系統設計要求的數值，以保證系統處于正常、平穩的工作狀態。

c. 頂升系統。由減速系統輸出軸帶動絲桿副運動，絲桿副使系統的旋轉運動變成直線運動，達到頂升需要的運動形式；頂升系統的主要工作是把動力系統經過減速系統后的低轉速、大扭矩的工況轉化成上下的舉升運動，以達到系統要求的運動工況；考慮到系統使用的是有限的車載電源，因此在這里不采用傳統的磨擦傳動副，而使用高效率的滾動傳動副——滾珠絲桿副，以提高效率，降低有限的車載電源消耗。

d. 信號傳輸系統。根據電子控制的需要，在一些特定的位置設置電信號傳送裝置，以告知控制系統支腿的運動狀況。為配合電氣控制系統實現要求的控制功能，在支腿運動到極端位置時，設置了位置信號，位置信號由微動開關或接近開關擔任，為配合電氣控制系統正確判斷支腿的工作狀態及工作進程，防止系統的誤動作。

2.3 控制系統的設計

設計一種具有友好人機交互界面和高速高精度特點的控制系統，可完成實時快速采樣目標平臺的水平值及支腿狀態數據值。進行軟件程序設計，通過控制系統控制支腿狀態，實現對目標平臺快速高精度調平，采用無線發射技術方便操作。控制系統框圖如圖3所示。

圖3 控制系統框圖

控制系統分為三部分：嵌入式控制系統部分、液晶屏控制部分和遙控器控制部分，如圖4所示。嵌入式控制系統部分主要負責支腿電壓電流信息的采集、支腿位置狀態的采集和支腿接觸器的繼電器控制，由Atmega64單片機負責嵌入式控制系統的運行；液晶屏控制部分提供四個支腿狀態信息的顯示和四個支腿的動作控制，以Atmel ARM9為處理核心，提供自動控制和手動控制兩種方式；遠程通訊系統提供手動控制支腿上行、支腿下行、停止等功能。嵌入式控制系統設計方案如下。

圖4 控制系統設計圖

2.3.1 控制系統硬件設計

嵌入式控制系統部分（圖5）主要負責四個支腿電壓電流信息的采集、支腿位置狀態的采集和支腿接觸器的繼電器控制，由Atmega64單片機總體負責嵌入式控制系統的運行。

2.3.2 軟件控制程序的設計

人機控制程序的設計顯示內容如圖6所示。

a. 當前水平度——角度值；

b.各電機工作電流——4個電機；

c.各電機升降運動狀態——升、降、停止、轉腳四種；

d.限位信息——上下限位，只需要提示，針對4個電機；

e.當前電壓值——總電壓值；

f.電機觸地狀態——觸地、未觸地，兩種狀態；

g.系統故障點顯示——嵌入式控制系統提供；

h.報警顯示：欠壓、過流、水平度失衡、上下限位、腳傾斜；

i.調平模式：手動、自動兩種可以任意選擇。

手動調平操作：只在手動調平時生效。為了顯示方便，可用另一個窗體來顯示手動調平模式。

預警信息：欠壓、過流、水平度失衡、上下限位、腳傾斜，同時輸出指令讓MCU板控制報警接口，協議自定。

3 技術要點及關鍵技術

圖6 主工作界面

3.1 關鍵技術

3.1.1 快速收放調速機制

3.1.1.1 電機變速

使用無刷電機可調轉速的特點，將額定轉速為1800 rad/min的電機在空行程階段加速到3000 rad/min，使支腿收放速度達到10 mm/s，如果250 mm的空行程只需要25 s就可以完成。并且在接近支撐工作時可降低轉速，進入高精度的調平階段，由此大大提高工作效率。

3.1.1.2 增設自動換擋機構

通過在電機出軸端增設無級變速器，可保證支腿下放及頂升過程中，輸出動力不間斷，同時可彌補電機調速的局限性。

3.1.2 具有通信功能智能化控制系統

兩個角度傳感器SCA103T負責對X、Y兩維方向的檢測，實現了對系統當前傾角狀態的檢測，兩路ADC實現對支腿電壓和電流的檢測，Atmega64單片機采集4路支腿的位置狀態信息，并有4路繼電器輸出控制支腿動作。嵌入式控制系統通過RS485接口與液晶屏進行通信，利用MAX485芯片實現RS485通信，傳輸距離可達100 m。

3.1.2.1 數據實時采樣

支腿狀態數據的實時采樣和目標平臺水平度數據采樣的實時性與準確性是調平系統實現調平目的的重要數據支撐和理論依據。

a. 目標平臺水平度監控采樣高精度傾角傳感器作為檢測單元，傾角傳感器數據輸出速率達到了200 次/s，有效保證目標平臺水平度的實時檢測；

b. 設計電流、扭力檢測部件，限位及高速脈沖接收端口，實時檢測支腿當前的狀態，控制系統分析支腿狀態，指令支腿的動作。

3.1.2.2 智能化程序算法

通過試驗建立數學模型：

調平試驗平臺在非水平狀態下的靜力學模型，也就是在調平過程沒有結束，在調平過程中對試驗平臺進行靜力學分析。試驗平臺在人為調整水平時，對平臺建立數學模型，研究各個支腿的受力情況。首先在進行建模計算時，支腿處于理想情況下，只承受豎直方向的力。

3.1.3 可靠性

因為特種車輛的使用環境有時非常惡劣，有時會在溫度非常低的北方或者戈壁灘上，因此對整套調平系統的耐低溫要求非常高。對此情況，筆者對整套調平系統進行了耐低溫設計，包括使用耐低溫的電子元器件，耐低溫的觸摸屏，-40℃的耐低溫油脂，軍工級的-40℃～+70℃低溫電機和控制器。

由于本控制系統中，控制元件為低溫無刷直流電機，電機轉角和滾珠絲桿的輸出位移一一對應，故采用位置型PID控制器，通過角度傳感器，輸出目標為滾珠絲桿的輸出位移。

3.2 主要創新點

3.2.1 一鍵調平的嵌入式智能化控制

實時采樣目標平臺的水平狀態，各個支腿舉升時的負載質量、電流、支腿的當前狀態，反饋給調平控制系統，控制系統通過調平數學模型計算，自動判別支腿的高低，將動作指令分配給相應的支腿，形成完整的閉環控制系統。系統從自動放腿到支腿著地支撐，再到系統調平完畢，并自動排除虛腿，可實現系統全自動完成所有動作，并實時判別工作狀態是否異常等。

自動調平裝置控制器為自動調平裝置的控制核心，主要由嵌入式控制器、I/O接口模塊組、顯示屏、繼電器、電流測樣傳感器、蜂鳴器、電源轉換電路、開關、旋鈕、連接電纜和接插件等附件組成。

3.2.2 負載自適應性快速調節功能

根據調平系統的使用特點，支腿在放腿過程中，部分行程為空載運行，為了縮短調平的時間，支腿機構設計時選用寬范圍調速的伺服電機，配合變速機構，在控制系統檢測到支腿為空載運行時，大范圍地提高運行速度，當支腿承受載荷時，控制系統適時增加電機輸出扭矩，調整電機速度，使系統具有大扭力舉升的能力。

3.2.3 負載阻尼動態調整技術

當支腿收回時受到負載向下的壓力，為了保證設備的安全，防止目標平臺下降時失控，采用自主研發的滾珠絲桿負載阻尼裝置，應用脈沖寬度調節制式，當外部負載發生變化時，采樣電阻上的電壓隨之發生變化，將其反饋至嵌入式控制系統上進行處理，從而調節輸出電流，保證調平支撐腿勻速下降。

3.3 主要技術與性能指標

3.3.1 基本功能

a. 自動放列：水平檢測與調平執行子系統應能接收來自控制器或者操作人員指令，自動下降電動調平支腿，直到各電動調平支腿全部著地并保證一定的著地壓力，向控制器返回放列完畢的信號；

b. 自動調平：在自動放置電動調平支腿之后，控制器應能根據水平傳感器測量車輛傾斜的角度，控制電動調平支腿的升降使得傾斜角度滿足調平精度要求，水平檢測與調平執行子系統應能給控制器返回調平結束信號；

c. 自動撤收：水平檢測與調平執行子系統在接收到撤收指令后，應能自動完成解鎖，收回電動調平支腿，待完全到位后，給控制器返回撤收完畢信號；

d. 手動放列和撤收：在自動控制器出現故障或特殊情況下，系統應能通過人工按鈕操作完成上述動作。

3.3.2 主要技術指標

a. 控制方式：支持手動、自動兩種方式；

b. 電壓：DC24 V或AC220 V；

c. 系統負載≤60 t；

d. 控制系統調平精度：傾斜角誤差±0.01°；

e. 系統頂平時間≤5 min；展開時間≤5 min；

f. 調平時間≤30 s；

g. 坡度要求≤3°。

4 結語

多點智能自動調平系統采用了電動調平支腿、嵌入式系統、WINCE、線通信等高新技術，實現對特種車輛的自動或手動水平調節。通過模擬系統完整工作流程的方式在實驗室中進行系統樣機的聯調測試與功能試驗，主要包括RS485通信測試、無線遙控距離測試、無線通信誤碼率等系統聯調工作，整體系統疲勞測試、可靠性測試，在實驗室環境中驗證系統總體功能和性能指標均達到行業標準要求。同時系統樣機的完整功能在實驗室功能測試的基礎通過了更嚴格的廠房現場測試。因此，產品具有廣闊的應用前景和較高的附加值。

[1]張繼剛,陸江強,陸鳴.一種適用于鐵運重裝車輛定位的舉升便宜裝置[J].專用汽車,2016(5): 93-95.

[2]張繼剛,王國忠,邵益龍.專用汽車自動調平支承裝置的結構與分類[J].專用汽車,2012 (10): 81-83.

[3]高永偉,陸鳴,張繼剛,等.1tSUV輕量化自動支撐系統結構設計[J].專用汽車,2017(11):96-98.