六支腿卡車底盤無(wú)線液壓調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜孟超

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著科技的發(fā)展,車載上裝系統(tǒng)的功能和性能得到了大幅度提高。作為車載上裝系統(tǒng)的基礎(chǔ),車載底盤及為整個(gè)系統(tǒng)提供支撐的液壓支腿調(diào)平系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性直接影響到上裝系統(tǒng)的性能及整車性能。

本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，利用 “三點(diǎn)確定一個(gè)平面”的原理[1]，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了一種卡車車載底盤六支腿液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)。雖然在調(diào)平算法上較三點(diǎn)、四點(diǎn)調(diào)平更為復(fù)雜，且易出現(xiàn)虛腿現(xiàn)象(某根或某幾根支腿不受力或受力相對(duì)小)，但支腿數(shù)量的增加可支持上裝在各個(gè)方向瞬間使底盤更加穩(wěn)定，同時(shí)可降低單根支腿的受力，確保支腿在向兩側(cè)伸出狀態(tài)下剛度足夠。本系統(tǒng)利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)傳輸，增加了節(jié)點(diǎn)布置、更換的靈活性。

文中給出了調(diào)平系統(tǒng)工作原理、結(jié)構(gòu)組成、多點(diǎn)調(diào)平算法和虛腿問(wèn)題的解決辦法，以及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)整個(gè)工作進(jìn)行了總結(jié)。

1 車載上裝系統(tǒng)底盤液壓調(diào)平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

底盤液壓調(diào)平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要包括機(jī)械部分、液壓驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分和電氣控制部分。機(jī)械部分包括車載底盤平面、支腿；液壓系統(tǒng)包括液壓泵站、控制閥組、支腿液壓缸；電控系統(tǒng)主要包括控制器、角度傳感器、荷重傳感器等[2]。圖1中，底盤平面用于支撐上裝系統(tǒng)的重量，克服上裝系統(tǒng)運(yùn)行中的承載力；液壓支腿用于支撐整個(gè)底盤以及調(diào)節(jié)底盤水平度；角度傳感器用于測(cè)量底盤傾斜角度并反饋至控制系統(tǒng)；荷重傳感器用于檢測(cè)支腿軸向受力，探測(cè)虛腿以及輪胎是否離地；液壓機(jī)構(gòu)可自鎖，用于底盤調(diào)平后液壓支腿的鎖定。

1.2 工作原理

圖2為調(diào)平系統(tǒng)工作原理框圖。調(diào)平系統(tǒng)通過(guò)安裝在卡車車載底盤平面上的角度傳感器探測(cè)出底盤與地平面(假設(shè)地平面為參考平面)之間的傾角，并將角度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂破鳎刂破鞲鶕?jù)預(yù)定的調(diào)平算法，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后釋放出調(diào)平指令，經(jīng)功率放大后到達(dá)液壓泵站和控制閥組，液壓泵站和控制閥組依照指令調(diào)整每根支腿液壓缸的伸縮進(jìn)行底盤調(diào)平。底盤調(diào)平后，控制器接收每條支腿上安裝的荷重傳感器的數(shù)據(jù)，判斷是否存在虛腿并確定虛腿位置，若存在虛腿，對(duì)虛腿位置液壓缸給油，直至虛腿消失。由于外部環(huán)境可能隨時(shí)變化，角度傳感器和荷重傳感器一旦探測(cè)到底盤傾斜或出現(xiàn)虛腿，必須再次進(jìn)行調(diào)平。調(diào)平完成后，控制器匯總荷重傳感器返回?cái)?shù)據(jù),計(jì)算六根支腿承載重量之和是否為整備質(zhì)量,若該值小于整備質(zhì)量,可判定為輪胎受力,這時(shí)應(yīng)由控制器發(fā)送指令,控制六支腿伸長(zhǎng),以確保輪胎不承受荷載。

1-荷重傳感器；2-底盤平面；3-角度傳感器；4-液壓泵站；5-支腿

2 調(diào)平算法及虛腿問(wèn)題

2.1 調(diào)平算法

對(duì)于上裝系統(tǒng)為大跨距吊裝或者高空作業(yè)平臺(tái)等類別的作業(yè)系統(tǒng)時(shí)，為保證吊裝或高空作業(yè)任務(wù)的安全進(jìn)行，對(duì)于調(diào)平系統(tǒng)的要求將更加嚴(yán)格，要求控制系統(tǒng)必須擁有優(yōu)秀的調(diào)平算法作為根本支撐。底盤調(diào)平系統(tǒng)調(diào)平之前，使6個(gè)收縮的液壓推桿伸出，直到輪胎脫離地面然后通過(guò)調(diào)整液壓推桿的行程來(lái)完成。目前主流的調(diào)平方法主要包括位置誤差控制和角度誤差控制兩種[3]，從調(diào)平時(shí)間和調(diào)平精度上考慮，采用位置誤差控制法更占優(yōu)勢(shì)。考慮到上裝系統(tǒng)在工作過(guò)程中的穩(wěn)定性，輪胎不允許受力，故采用支腿最高點(diǎn)不動(dòng)法進(jìn)行調(diào)平，即最高點(diǎn)所在支腿不動(dòng)，其余支腿推出適當(dāng)距離以調(diào)平底盤，保證輪胎在調(diào)平過(guò)程中整體位置升高，向遠(yuǎn)離地面方向運(yùn)動(dòng)[4]。圖 3為底盤平面及支腿分布示意圖，令支腿間橫向間距為m，縱向最小間距為n，具體算法如下。

建立如圖4所示的空間坐標(biāo)系，點(diǎn)O位于底盤平面中心，平面XOY與底盤平面重合，Z軸垂直于底盤平面，同時(shí)以點(diǎn)O建立表示絕對(duì)水平面的理論坐標(biāo)系X′OY′面(與絕對(duì)水平面重合)。

圖2 調(diào)平系統(tǒng)工作原理框圖

圖3 底盤支腿分布示意 圖4 底盤坐標(biāo)系

令各支腿初始坐標(biāo)為(x,y,z)。假設(shè)底盤在X軸方向相對(duì)絕對(duì)水平面初始傾角為α，在Y軸方向相對(duì)絕對(duì)水平面初始傾角為β，可以求出這兩坐標(biāo)系之間的變換矩陣C，進(jìn)而可算出在XOY坐標(biāo)系中的任意支點(diǎn)位置坐標(biāo)在X′OY′坐標(biāo)系中的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)。變換矩陣C為：

(1)

假設(shè)底盤平臺(tái)在非水平狀態(tài)下已經(jīng)過(guò)肉眼觀測(cè)并初步調(diào)平，此時(shí)α、β角已經(jīng)較小，則變換矩陣可簡(jiǎn)化為：

(2)

調(diào)平后各支腿坐標(biāo)可表示為：

(3)

解之，得調(diào)平后各支腿坐標(biāo)為：

(4)

令支腿編號(hào)為自然數(shù)i(i≤6)，調(diào)平前最高處支腿編號(hào)為j(j≤6)，則調(diào)平后各支腿需要推出的距離為：

s'i=z'j-z'i.

(5)

解式(5)得：

s'i=-βxi+αyi.

(6)

由公式(6)可求出各支撐腿需要伸縮的實(shí)際位移，其中α、β值可由角度傳感器測(cè)出(忽略傳感器精度影響)。顯然j的取值只可能是1，2，5，6，即底盤的4個(gè)頂點(diǎn)，可根據(jù)α、β的正負(fù)來(lái)進(jìn)行判定。j數(shù)值的具體判定見(jiàn)表1。

表1 底盤最高支腿j的判定

若α>0，β>0，則j取1，即支腿1為最高點(diǎn)，底盤調(diào)平各支腿需推出的距離為：

(7)

其他情況下算法與α>0、β>0同理。

2.2 虛腿問(wèn)題

由于底盤配備6個(gè)支腿，而底盤平面僅需3個(gè)支腿即能確定，因此其余3個(gè)支腿很可能成為虛腿。底盤在受某一方向較大作用力時(shí)，若存在虛腿問(wèn)題，系統(tǒng)將不足以克服該作用力產(chǎn)生的傾翻力矩而造成側(cè)翻，故單方向受力較大時(shí)虛腿問(wèn)題是不允許存在的。針對(duì)虛腿問(wèn)題，本設(shè)計(jì)方案中通過(guò)比較安裝在6個(gè)支腿上的荷載傳感器受力數(shù)據(jù)來(lái)確定受力最小的3個(gè)支腿，并逐步驅(qū)動(dòng)液壓桿推出，直到各支腿受力相差在允許范圍內(nèi)，可認(rèn)為支撐系統(tǒng)不存在虛腿，并將支腿鎖緊，調(diào)平結(jié)束。

2.3 無(wú)線數(shù)據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)搭建

調(diào)平系統(tǒng)采用基于IEEE 802.15.4技術(shù)的ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊都采用TI公司的CC2530芯片，它在TI公司ZigBee無(wú)線(定位)芯片CC2430/CC2431架構(gòu)的基礎(chǔ)上提高了輸出功率和芯片抗干擾性能，配合Zstack2.2.2協(xié)議棧，使其更加適合于復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。

本無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)置有網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)兩種功能化節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的作用主要為建立網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化以及與外部連接；終端節(jié)點(diǎn)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和打包，再將數(shù)據(jù)包發(fā)送入無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中[5]。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)模塊包括USB控制器模塊和無(wú)線收發(fā)模塊兩部分。同時(shí)，模塊上還分別集成有1個(gè)USB口和RS232接口，可以在系統(tǒng)監(jiān)控或者檢修時(shí)方便與上位機(jī)相連，進(jìn)行網(wǎng)路檢查。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)模塊與控制器集成安裝在設(shè)備的同一個(gè)位置，PAN無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)建立成功后網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)模塊一直處于工作狀態(tài)，所以采用直流電源的供電方式。終端節(jié)點(diǎn)設(shè)置為低功耗模式，采用電池供電，在需要工作的時(shí)候喚醒，不需要工作的時(shí)候休眠[6]。

首先在一定距離范圍內(nèi)建立起一個(gè)具備自組網(wǎng)、自適應(yīng)功能的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；然后，安裝在卡車車載底盤平面上的1個(gè)終端節(jié)點(diǎn)模塊(與角度傳感器直接連接)和安裝在6條底盤支腿上的6個(gè)終端節(jié)點(diǎn)模塊(與6個(gè)載荷傳感器直接連接)作為網(wǎng)關(guān)的1號(hào)到7號(hào)子節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)；最后，這些加入網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)直接向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再通過(guò)USB等接口將收到的這些數(shù)據(jù)傳送給PC上位機(jī)。網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)

通過(guò)軟件監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示(信道11，頻率240 5 MHz)。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究并設(shè)計(jì)了一種用于卡車車載上裝系統(tǒng)的六支腿無(wú)線液壓調(diào)平系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)比較各類調(diào)平系統(tǒng)，針對(duì)卡車車載上裝系統(tǒng)的特點(diǎn)，選擇使用液壓驅(qū)動(dòng)進(jìn)行調(diào)平，并對(duì)調(diào)平算法進(jìn)行了詳細(xì)介紹和計(jì)算，引用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集和傳輸。針對(duì)調(diào)平過(guò)程中可能出現(xiàn)的虛腿問(wèn)題，文中給出了具體解決措施。