[發明專利]一種基于機械變形干擾補償的車載平臺快速調平控制方法

有效

• 申請號: 202110706164.6
• 申請日: 2021-06-24
• 公開（公告）號: CN113485459B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 于傳強;周伯俊;譚立龍;劉志浩;柯冰;馬長林;陳漸偉;舒洪斌
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍火箭軍工程大學
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12
• 代理公司: 西安研創天下知識產權代理事務所(普通合伙) 61239
• 代理人: 楊鳳娟

1.一種基于機械變形干擾補償的車載平臺快速調平控制方法，其特征在于：包括步驟

S1.在以無級調速電動缸作為車載平臺調平執行機構的基礎上，根據四支點調平基本原理構建四支點調平模型；

步驟S1所述的四支點調平模型的構建過程包括

S101.設車載平臺的支腿i在水平坐標系OX₀Y₀Z₀中的坐標為⁰P_i＝(⁰P_iX,⁰P_iY,⁰P_iZ)^T，在平臺坐標系OX₁Y₁Z₁中的坐標為¹P_i＝(¹P_iX,¹P_iY,¹P_iZ)^T；α為車身俯仰角、β為車身橫滾角，且α、β不為0，根據空間姿態變換的運動學結論，水平坐標系與平臺坐標系之間的變換矩陣為：

S102.設在平臺坐標系OX₁Y₁Z₁中，各支腿的坐標為：¹P_i＝(¹X_i,¹Y_i,¹Z_i)^T，則于是各支點Z的坐標為：

⁰Z_i＝(-α,β,1)(¹X_i,¹Y_i,¹Z_i)^T??(2)；

S103.在平臺調平之前進行預支承，設此時平臺初始角為α₀和β₀，首先判斷出車載平臺的最高點，將這點作為坐標原點，各支腿的初始位置為：

⁰Z_i＝-α₀¹X_i+β₀¹Y_i+¹Z_i??(3)

顯然，¹Z_i＝0，因此，上式(3)可表示為：

⁰Z_i＝-α₀¹X_i+β₀¹Y_i???(4)

S104.假設i＝h為最高點：⁰Z_h≥⁰Z_i，則任意時刻，各支點與最高點位置差為：

e_i＝⁰Z_h-⁰Z_i＝-α₀(¹X_h-¹X_i)+β₀(¹Y_h-¹Y_i)???(5)

各支腿沿車架前后、左右對稱分布，設支腿分布的長邊間距為L_a，短邊間距為L_b，則有各支腿在平臺坐標系中的坐標為：

根據上式(6)，可計算出各支腿的伸出量；

S105.平臺初始角的傾角正負服從右手規則，即從坐標矢端看，逆時針旋轉為正，根據X軸和Y軸方向兩傾角正負的不同組合，對應的坐標最高的支腿也不同，可以得到：

(1)當α₀＜0，β₀＞0時，支腿1最高，此時e₁＝0，e₂＝-α₀L_a，e₃＝-α₀L_a+β₀L_b，e₄＝β₀L_b；

(2)當α₀＞0，β₀＞0時，支腿2最高，此時e₁＝α₀L_a，e₂＝0，e₃＝β₀L_b，e₄＝α₀L_a+β₀L_b；

(3)當α₀＜0，β₀＞0時，支腿3最高，此時e₁＝α₀L_a-β₀L_b，e₂＝-β₀L_b，e₃＝0，e₄＝α₀L_a；

(4)當α₀＜0，β₀＞0時，支腿4最高，此時e₁＝-β₀L_b，e₂＝-α₀L_a-β₀L_b，e₃＝-α₀L_a，e₄＝0；

根據上述四種情況可以得出：每次調平時，各支腿的調節量為0，α₀L_a||，||β₀L_b||，||α₀L_a||+||β₀L_b||四種數值中的一種，根據高點不同進行分配，且調平過程循環迭代，直至水平度達到要求；

S2.在確定四支點調平方案后，根據調平理論誤差計算構建基于機械變形干擾補償的車載平臺調平干擾模型：

S201.計算車載平臺在調平初始狀態下的支腿承載力；

步驟S201所述的支腿承載力的計算過程包括

S2011.設車載平臺在調平時，兩前支腿對車架的軸向力和徑向力分別為f_1y、f_1x、f_1z；兩后支腿對車架的軸向力和徑向力分別為f_2y、f_2x、f_2z；車身俯仰角為α、車身橫滾角為β；

S2012.以車架平面為基準，追蹤車身狀態變化時車架重力與支腿軸向力間的平衡，支腿軸向方向上的合力等于車架及負載重力在支腿軸向方向上的投影，當車體既有俯仰角又有橫滾角時，受力平衡方程如：

f_1y+f_2y＝mg?cosαcosβ???(11)

f_1x+f_2x＝mg?sinα??????(12)

f_1z+f_2z＝mg?sinβ???(13)

S2013.以兩前支腿連線為旋轉軸，進行力矩平衡分析，力矩平衡方程如下：

[m₁g(l-l₁)+m₂g(l-l₂)]cosαcosβ＝f_2yl???(14)

以兩后支腿連線為旋轉軸，進行力矩平衡分析，力矩平衡方程如下：

[m₁gl₁+m₂gl₂]cosαcosβ＝f_1yl???(15)

根據公式(11)-(15)計算可得：f_1y和f_2y，按照兩腿受力平均計算，可得前支腿單腿承載和后支腿單腿承載；

S202.建立電動缸形變誤差模型；

步驟S202所述的電動缸形變誤差模型的建立過程包括：

S2021.設在以電動缸作為車載平臺調平執行機構時，曲率和

為：∑ρ＝ρ₁₁+ρ₁₂+ρ₂₁+ρ₂₂??(7)

在式(7)中：

S2022.主曲率函數為：

S2023.支腿的總形變量為：

式中，R為滾柱與中心絲杠接觸點處的圓弧半徑；R₁為中心絲杠螺紋滾道的半徑；d₁為接觸點到中心絲杠的半徑；d₂為接觸點到滾柱軸線的半徑；θ為絲杠與滾柱、螺母與滾柱的接觸角；λ為滾柱的導程角；E₁與E₂為滾柱與絲杠彈性模量；μ₁與μ₂為滾柱與絲杠泊松比；F₀為軸向力，n為滾柱個數；根據F(ρ)的值查表獲得；

S203.根據電動缸形變誤差模型，利用基于干擾補償的自適應模糊PID控制算法構建基于機械變形干擾補償的車載平臺調平干擾模型；

步驟S203所述的利用基于干擾補償的自適應模糊PID控制算法構建基于機械變形干擾補償的車載平臺調平干擾模型的過程包括

S2031.首先根據式(9)計算支腿變形的初始誤差，對模糊控制器的輸入誤差e進行補償；

S2032.然后再對誤差e進行求導，計算出誤差變化率e_c，計算出模糊控制器的輸出ΔK_p、ΔK_I與ΔK_D；

所述ΔK_p、ΔK_I與ΔK_D分別表示誤差變化的比例、微分、積分的變化量；

S2033.模糊控制器在運行中通過更新e和e_c，再在e和e_c更新后，根據表1調整ΔK_p、ΔK_I與ΔK_D的值，實現PID參數的在線自整定，得到基于機械變形干擾補償的車載平臺調平干擾模型；

表1：ΔK_p、ΔK_I和ΔK_D模糊規則表

其中，所述模糊控制器的輸入、輸出語言變量e、e_c、ΔK_p、ΔK_I、ΔK_D的模糊論域均為[-6，6]，模糊子集為[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]，各模糊子集采用高斯形隸屬函數，輸出量的逆模糊化采用重心法；

S3.根據四支點調平模型和車載平臺調平干擾模型建立快速調平控制系統，來控制車載平臺進行快速調平；

步驟S3所述的快速調平控制系統的建立過程包括

S301.根據四支點調平模型和車載平臺調平干擾模型在simulink中搭建系統框圖，根據模糊控制器控制規則與解模糊方法，完成FIS文件的編輯，采用試湊法確定模糊PID控制器初始參數K_p、K_I和K_D，搭建自適應模糊PID控制器仿真模型；

S302.在AMESim環境下，從模型庫選擇相應模型進行連接，建立MATLAB/Simulink環境下的聯合仿真模型；

利用四支點調平模型進行調平時，采用三點逐高法進行調平。