特种车辆用多点智能自动调平系统的研制

邵益龙 田锋 王国忠 张继刚

杭州恒宏机械有限公司 浙江杭州 311212

1 前言

目前，调平系统主要有三种形式：液压调平、机电调平及手动调平。液压调平形式大量应用在工程车辆上[1]，包括起重机械和建筑机械等设备上，但对于调平要求较高的车辆或平台，往往采用液压伺服系统进行控制，它的缺点是液压系统要一直处于工作状态，即使采用液压锁也不能保证平台较长时间处于高精度位置参数要求的稳定状态。

而普通的机械电控形式通常装置于调平平台上，以四点调平的形式进行调平。调平系统工作时由水平传感器传递角度信号给控制系统[2]，控制系统通过控制电机、传递系统实现对平台的精确调平，并通过电机制动器的制动，对调平后的支撑系统进行长时间的锁定[3]。机械电控的形式可以达到长时间的锁定调平，但是也存在调平时间较长，调平步骤较繁琐的问题。

手动电控形式是目前有些单位为节约成本后实行的一种新型调平形式。缺点是调平时间过长，优点是成本较低。

本项目研制的自动调平系统，可以更加高效地完成调平，可适用于特种车辆以及其他有调平需求的车辆及场合。其调平精度高、速度快、操作使用简便，能够极大地缩短调平时间，并且使其装载大吨位化，达到单腿最大支撑30 t。可扩展使用范围，适用于有调平需求的雷达、通讯、检测等特种车辆，使车辆在特殊情况下利用电动调平支腿实现自动或手动调平，从而具有平稳、防盗和防车辆轮胎老化等功能，该系统具有广阔的应用前景和较高的使用价值。

2 项目主要研究开发内容

本项目以多点智能自动调平系统为研究对象，通过设计过程控制系统、顶升机构、机械系统和信号传输系统，保证系统在正常工作时稳定、可靠，最终推广并实现大批量生产、应用。

2.1 系统总体构造设计

系统由四个主要部分组成，如图1所示。调平支腿系统主要由电动机械支腿及调平系统组成；下位机控制系统主要由单片机系统构成；液晶屏服务系统主要由嵌入式系统和触摸式液晶屏组成；遥控器无线系统主要由无线收发模块和指令系统组成。

图1 控制线路示意图

2.2 机械传动设计

设计一种以电机做动力装置的支腿机构，实现宽范围的调速功能和大吨位的举升。机械传动由四部份组成，如图2所示。

图2 调平系统总体示意图

a. 动力系统。动力系统由DC24V无刷电机承担，主要负责系统动力的供给，系统采用DC24V的直流无刷电机，能够提高整套系统的工作精度，使之能够满足工业以及军工要求。

b. 减速系统。通过行星减速机对电机直接减速，再通过齿轮箱减速，使系统转速降低，同时增大输出扭矩。减速系统的主要任务是把电机输出的较高转速降低至适宜于系统运动要求的低转速，同时逐级传递并放大系统的扭矩，使各项参数符合系统设计要求的数值，以保证系统处于正常、平稳的工作状态。

c. 顶升系统。由减速系统输出轴带动丝杆副运动，丝杆副使系统的旋转运动变成直线运动，达到顶升需要的运动形式；顶升系统的主要工作是把动力系统经过减速系统后的低转速、大扭矩的工况转化成上下的举升运动，以达到系统要求的运动工况；考虑到系统使用的是有限的车载电源，因此在这里不采用传统的磨擦传动副，而使用高效率的滚动传动副——滚珠丝杆副，以提高效率，降低有限的车载电源消耗。

d. 信号传输系统。根据电子控制的需要，在一些特定的位置设置电信号传送装置，以告知控制系统支腿的运动状况。为配合电气控制系统实现要求的控制功能，在支腿运动到极端位置时，设置了位置信号，位置信号由微动开关或接近开关担任，为配合电气控制系统正确判断支腿的工作状态及工作进程，防止系统的误动作。

2.3 控制系统的设计

设计一种具有友好人机交互界面和高速高精度特点的控制系统，可完成实时快速采样目标平台的水平值及支腿状态数据值。进行软件程序设计，通过控制系统控制支腿状态，实现对目标平台快速高精度调平，采用无线发射技术方便操作。控制系统框图如图3所示。

图3 控制系统框图

控制系统分为三部分：嵌入式控制系统部分、液晶屏控制部分和遥控器控制部分，如图4所示。嵌入式控制系统部分主要负责支腿电压电流信息的采集、支腿位置状态的采集和支腿接触器的继电器控制，由Atmega64单片机负责嵌入式控制系统的运行；液晶屏控制部分提供四个支腿状态信息的显示和四个支腿的动作控制，以Atmel ARM9为处理核心，提供自动控制和手动控制两种方式；远程通讯系统提供手动控制支腿上行、支腿下行、停止等功能。嵌入式控制系统设计方案如下。

图4 控制系统设计图

2.3.1 控制系统硬件设计

嵌入式控制系统部分（图5）主要负责四个支腿电压电流信息的采集、支腿位置状态的采集和支腿接触器的继电器控制，由Atmega64单片机总体负责嵌入式控制系统的运行。

2.3.2 软件控制程序的设计

人机控制程序的设计显示内容如图6所示。

a. 当前水平度——角度值；

b.各电机工作电流——4个电机；

c.各电机升降运动状态——升、降、停止、转脚四种；

d.限位信息——上下限位，只需要提示，针对4个电机；

e.当前电压值——总电压值；

f.电机触地状态——触地、未触地，两种状态；

g.系统故障点显示——嵌入式控制系统提供；

h.报警显示：欠压、过流、水平度失衡、上下限位、脚倾斜；

i.调平模式：手动、自动两种可以任意选择。

手动调平操作：只在手动调平时生效。为了显示方便，可用另一个窗体来显示手动调平模式。

预警信息：欠压、过流、水平度失衡、上下限位、脚倾斜，同时输出指令让MCU板控制报警接口，协议自定。

3 技术要点及关键技术

图6 主工作界面

3.1 关键技术

3.1.1 快速收放调速机制

3.1.1.1 电机变速

使用无刷电机可调转速的特点，将额定转速为1800 rad/min的电机在空行程阶段加速到3000 rad/min，使支腿收放速度达到10 mm/s，如果250 mm的空行程只需要25 s就可以完成。并且在接近支撑工作时可降低转速，进入高精度的调平阶段，由此大大提高工作效率。

3.1.1.2 增设自动换挡机构

通过在电机出轴端增设无级变速器，可保证支腿下放及顶升过程中，输出动力不间断，同时可弥补电机调速的局限性。

3.1.2 具有通信功能智能化控制系统

两个角度传感器SCA103T负责对X、Y两维方向的检测，实现了对系统当前倾角状态的检测，两路ADC实现对支腿电压和电流的检测，Atmega64单片机采集4路支腿的位置状态信息，并有4路继电器输出控制支腿动作。嵌入式控制系统通过RS485接口与液晶屏进行通信，利用MAX485芯片实现RS485通信，传输距离可达100 m。

3.1.2.1 数据实时采样

支腿状态数据的实时采样和目标平台水平度数据采样的实时性与准确性是调平系统实现调平目的的重要数据支撑和理论依据。

a. 目标平台水平度监控采样高精度倾角传感器作为检测单元，倾角传感器数据输出速率达到了200 次/s，有效保证目标平台水平度的实时检测；

b. 设计电流、扭力检测部件，限位及高速脉冲接收端口，实时检测支腿当前的状态，控制系统分析支腿状态，指令支腿的动作。

3.1.2.2 智能化程序算法

通过试验建立数学模型：

调平试验平台在非水平状态下的静力学模型，也就是在调平过程没有结束，在调平过程中对试验平台进行静力学分析。试验平台在人为调整水平时，对平台建立数学模型，研究各个支腿的受力情况。首先在进行建模计算时，支腿处于理想情况下，只承受竖直方向的力。

3.1.3 可靠性

因为特种车辆的使用环境有时非常恶劣，有时会在温度非常低的北方或者戈壁滩上，因此对整套调平系统的耐低温要求非常高。对此情况，笔者对整套调平系统进行了耐低温设计，包括使用耐低温的电子元器件，耐低温的触摸屏，-40℃的耐低温油脂，军工级的-40℃～+70℃低温电机和控制器。

由于本控制系统中，控制元件为低温无刷直流电机，电机转角和滚珠丝杆的输出位移一一对应，故采用位置型PID控制器，通过角度传感器，输出目标为滚珠丝杆的输出位移。

3.2 主要创新点

3.2.1 一键调平的嵌入式智能化控制

实时采样目标平台的水平状态，各个支腿举升时的负载质量、电流、支腿的当前状态，反馈给调平控制系统，控制系统通过调平数学模型计算，自动判别支腿的高低，将动作指令分配给相应的支腿，形成完整的闭环控制系统。系统从自动放腿到支腿着地支撑，再到系统调平完毕，并自动排除虚腿，可实现系统全自动完成所有动作，并实时判别工作状态是否异常等。

自动调平装置控制器为自动调平装置的控制核心，主要由嵌入式控制器、I/O接口模块组、显示屏、继电器、电流测样传感器、蜂鸣器、电源转换电路、开关、旋钮、连接电缆和接插件等附件组成。

3.2.2 负载自适应性快速调节功能

根据调平系统的使用特点，支腿在放腿过程中，部分行程为空载运行，为了缩短调平的时间，支腿机构设计时选用宽范围调速的伺服电机，配合变速机构，在控制系统检测到支腿为空载运行时，大范围地提高运行速度，当支腿承受载荷时，控制系统适时增加电机输出扭矩，调整电机速度，使系统具有大扭力举升的能力。

3.2.3 负载阻尼动态调整技术

当支腿收回时受到负载向下的压力，为了保证设备的安全，防止目标平台下降时失控，采用自主研发的滚珠丝杆负载阻尼装置，应用脉冲宽度调节制式，当外部负载发生变化时，采样电阻上的电压随之发生变化，将其反馈至嵌入式控制系统上进行处理，从而调节输出电流，保证调平支撑腿匀速下降。

3.3 主要技术与性能指标

3.3.1 基本功能

a. 自动放列：水平检测与调平执行子系统应能接收来自控制器或者操作人员指令，自动下降电动调平支腿，直到各电动调平支腿全部着地并保证一定的着地压力，向控制器返回放列完毕的信号；

b. 自动调平：在自动放置电动调平支腿之后，控制器应能根据水平传感器测量车辆倾斜的角度，控制电动调平支腿的升降使得倾斜角度满足调平精度要求，水平检测与调平执行子系统应能给控制器返回调平结束信号；

c. 自动撤收：水平检测与调平执行子系统在接收到撤收指令后，应能自动完成解锁，收回电动调平支腿，待完全到位后，给控制器返回撤收完毕信号；

d. 手动放列和撤收：在自动控制器出现故障或特殊情况下，系统应能通过人工按钮操作完成上述动作。

3.3.2 主要技术指标

a. 控制方式：支持手动、自动两种方式；

b. 电压：DC24 V或AC220 V；

c. 系统负载≤60 t；

d. 控制系统调平精度：倾斜角误差±0.01°；

e. 系统顶平时间≤5 min；展开时间≤5 min；

f. 调平时间≤30 s；

g. 坡度要求≤3°。

4 结语

多点智能自动调平系统采用了电动调平支腿、嵌入式系统、WINCE、线通信等高新技术，实现对特种车辆的自动或手动水平调节。通过模拟系统完整工作流程的方式在实验室中进行系统样机的联调测试与功能试验，主要包括RS485通信测试、无线遥控距离测试、无线通信误码率等系统联调工作，整体系统疲劳测试、可靠性测试，在实验室环境中验证系统总体功能和性能指标均达到行业标准要求。同时系统样机的完整功能在实验室功能测试的基础通过了更严格的厂房现场测试。因此，产品具有广阔的应用前景和较高的附加值。

[1]张继刚,陆江强,陆鸣.一种适用于铁运重装车辆定位的举升便宜装置[J].专用汽车,2016(5): 93-95.

[2]张继刚,王国忠,邵益龙.专用汽车自动调平支承装置的结构与分类[J].专用汽车,2012 (10): 81-83.

[3]高永伟,陆鸣,张继刚,等.1tSUV轻量化自动支撑系统结构设计[J].专用汽车,2017(11):96-98.