自适应减震的非线性弹簧-可变阻尼系统和移动平台系统

本发明涉及一种自适应减震的非线性弹簧-可变阻尼系统和移动平台系统。

背景技术：

移动检测平台在结构表面移动过程中，经过不平整的结构表面时会产生震动，震动将会对移动检测平台的平顺性和稳定性产生重大影响，进而影响到检测探头的安全性和数据采集的稳定性和准确性，因此移动检测平台必须设置减震系统，降低对移动平台的冲击荷载，改善滚轮的接地性，抑制移动平台的跳动，提高移动平台的平顺性和稳定性，保证检测设备安全有效运行。

传统被动式减震系统采用的弹簧和减震器的特性是固定的，即其刚度和阻尼都是不可变的，由于其结构简单、性能可靠、成本低、不需额外能量，因而被广泛应用。然而，按照随机震动理论，它只能在特定的结构表面状态和速度下才能达到最优减震效果，难以适应不同的结构表面和使用状况，因此对于需在不同结构表面和状况下进行检测的移动检测平台而言，被动式减震系统并不适用。

而主动悬架减震系统则需要复杂的传感器和电子控制设备执行机构不仅要选用高精度的液压伺服装置，而且要较大的外部动力来驱动，导致成本高、结构复杂、可靠性低，目前也主要应用于赛车上。

目前在汽车中主要使用的是线性弹簧和阻尼系数可变的减震器组成的半主动悬架减震系统，其性能好于被动减震悬架且结构简单、无须力源、能量损耗小、成本远低于主动悬架。但它只能通过改变减震器的阻尼特性而适应不同的道路和行驶状况的需要，其减震性能还需要进一步优化。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种自适应减震的非线性弹簧-可变阻尼系统，应用于移动平台，旨在解决移动平台移动过程中的平顺性和稳定性问题。

本发明的另一目的是提供一种移动平台系统，旨在解决移动平台移动过程中的平顺性和稳定性问题。

针对本发明的一个目的，本发明采用以下技术方案：

一种自适应减震的非线性弹簧-可变阻尼系统，应用于移动平台，包括：

容纳有阻尼油的一油缸；

一活塞，其容纳于所述油缸，所述活塞能够沿着所述油缸移动而使阻尼油流动；

至少一连杆，其与所述活塞连接；

至少一弹簧，其变形过程受所述连杆约束；和

一阻尼自适应调节装置，其配置成能够自适应地根据所述移动平台的震动而改变阻尼油的流动阻力，以对系统阻尼进行控制；

其中，当所述移动平台震动时，所述连杆和所述弹簧能够使所述活塞受到非线性弹簧力。

进一步地，所述活塞能沿所述油缸在第一方向上移动，至少一所述弹簧沿第二方向布置于一弹簧缸内，所述弹簧缸固定于所述移动平台，所述弹簧缸内还设有能够沿着所述弹簧缸在第二方向上运动的至少一滑块，所述弹簧的一端与所述滑块连接；所述连杆的一端与所述滑块连接，而另一端与所述活塞连接。

进一步地，所述第一方向垂直于所述第二方向，且所述弹簧的伸长量与所述活塞的位移满足以下约束条件：

(x0+ux)²+(y0+uy)²＝l²

其中，定义一坐标系(o,x,y)，其坐标原点为所述活塞的中轴线和所述滑块的中轴线的交点，x0为所述滑块处于初始平衡位置的坐标值，y0为所述活塞处于初始平衡位置的坐标值，ux为所述滑块相对于其初始平衡位置的位移，也即所述弹簧的伸长量，uy为所述活塞相对于其初始平衡位置的位移，l为所述连杆的长度；

所述非线性弹簧力在第一方向上的大小满足以下公式：

其中，kx为所述弹簧的弹簧系数。

进一步地，所述弹簧缸具有沿第二方向延伸的两个容纳腔，每一所述容纳腔都容纳有一所述弹簧和与所述弹簧连接的一所述滑块，每一所述滑块分别连接有一所述连杆，两个所述连杆同时连接至所述活塞；

其中，当两个所述滑块处于初始平衡位置时，两个滑块关于所述活塞的中轴线对称，且两个所述连杆关于所述活塞的中轴线对称。

进一步地，所述阻尼自适应调节装置包括：

一动力传感器，用于检测所述移动平台的震动；

一微控制单元，与所述动力传感器通讯连接，以接收源自所述动力传感器的所述移动平台的震动信息；

一驱动件，与所述微控制单元通讯连接；和

一可变阻尼调节器，设于所述油缸内并与所述驱动件连接；

其中，所述微控制单元配置成能够基于所述震动信息，从而根据预定的控制目标来控制所述驱动件，使得所述可变阻尼调节器在所述驱动件的作用下改变阻尼油循环流动的阻力。

进一步地，所述可变阻尼调节器具有供阻尼油流过以进行循环流动的至少一阻尼孔，所述阻尼孔具有一完全打开位置和一完全关闭位置，所述阻尼孔配置成能够在所述驱动件的作用下在所述完全打开位置和所述完全关闭位置之间切换。

进一步地，所述可变阻尼调节器包括一第一阻尼盘和一第二阻尼盘，所述第一阻尼盘和所述第二阻尼盘层叠设置，所述第二阻尼盘与所述驱动件连接，并可被所述驱动件带动从而相对所述第一阻尼盘转动；

所述第一阻尼盘具有至少一第一孔，所述第二阻尼盘具有与所述第一孔对应的至少一第二孔，所述第一孔和所述第二孔组成所述阻尼孔；

其中，所述驱动件能够改变所述第二阻尼盘的转动角度，从而改变所述第二孔的角度，使得所述阻尼孔在所述完全打开位置和所述完全关闭位置之间切换。

进一步地，所述阻尼自适应调节装置还包括：

一电荷放大器，与所述动力传感器通讯连接；和

一模拟数字转换器，与所述电荷放大器通讯连接，用于接收所述电荷放大器的放大信号。

针对本发明的另一目的，本发明采用以下技术方案：

一种移动平台系统，包括：

一移动平台；和

设于所述移动平台的上述的自适应减震的非线性弹簧-可变阻尼系统。

进一步地，所述移动平台设有检测探头。

本发明的有益效果包括：非线性弹簧-可变阻尼系统一方面使活塞在第一方向上受到非线性弹簧力，使得活塞的受力与移动平台的震动形成良好的对应关系，另一方面可以自适应地根据移动平台的震动而改变阻尼油的流动阻力，以对系统阻尼进行负反馈闭环控制，通过这两个方面的共同作用，能够很好地等效成为移动平台竖向震动的减震系统。与线性-阻尼系统相比，本非线性弹簧-可变阻尼系统的振幅得到极大抑制。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例所示出的移动平台系统的结构示意图；

图2是根据本发明的一个实施例所示出的非线性弹簧-可变阻尼系统的结构示意图；

图3是图2中的局部放大图；

图4是线性弹簧和非线性弹簧的弹簧力和位移的关系曲线示意图；

图5是根据本发明的一个实施例所示出的阻尼自适应调节装置的原理示意图；

图6a是根据本发明的一个实施例所示出的第一阻尼盘的示意图；

图6b是根据本发明的一个实施例所示出的第二阻尼盘的示意图；

图6c是表示第一阻尼盘的角度的示意图；

图6d和图6e是表示第二阻尼盘的角度的示意图；

图6f是阻尼孔处于完全打开位置的示意图，其中的阴影线面积代表阻尼孔的大小；

图6g是阻尼孔处于完全打开位置和完全关闭位置之间的示意图，其中的阴影线面积代表阻尼孔的大小；

图6h是阻尼孔处于完全关闭位置的示意图；

图7a是阻尼孔处于完全打开位置时，可变阻尼调节器的剖面示意图；

图7b是阻尼孔处于完全打开位置和完全关闭位置之间时，可变阻尼调节器的剖面示意图；

图7c是阻尼孔处于完全关闭位置时，可变阻尼调节器的剖面示意图；

图8是非线性弹簧-可变阻尼系统的原理示意图；

图9是线性弹簧-阻尼系统和非线性弹簧-可变阻尼系统响应的幅-频曲线示意图。

附图标号说明：100、移动平台系统；200、非线性弹簧-可变阻尼系统；300、阻尼自适应调节装置；1、移动平台；2、检测探头；3、结构表面；4、滚轮；5、阻尼油；6、油缸；61、腔体；62、支腿；63、第一空间；64、第二空间；65、第一壁；66、第二壁；67、收容空间；7、活塞；8、连杆；9、弹簧；10、第一密封圈；11、油管；12、弹簧缸；121、容纳腔；13、滑块；14、动力传感器；15、电荷放大器；16、模拟数字转换器；17、微控制单元；18、驱动件；181、本体；182、驱动部；183、第三密封圈；19、可变阻尼调节器；20、阻尼孔；21、第一阻尼盘；211、第一孔；22、第二阻尼盘；221、第二孔；23、第二密封圈；30、检测探头的中轴线；40、活塞的中轴线；50、滑块的中轴线；k、等效非线性弹簧；η、可变阻尼器；m、系统等效质量。

具体实施方式

为便于更好地理解本发明的目的、结构、特征以及功效等，现结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。应注意的是，图中示出的特征不是必须按照比例绘制。此外，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，一种移动平台系统100，包括一移动平台1和设于移动平台1的自适应减震的非线性弹簧-可变阻尼系统200。

移动平台1可以设置检测探头2，形成移动检测平台，检测探头2可以是各种适宜的检测探头2，例如可以是超声波检测探头或动力检测探头，因此对应的，移动平台1为超声波移动检测平台或动力移动检测平台。在一些实施例中，移动平台1也可以是车辆。移动平台1可以设置用于移动的一个或多个滚轮4，移动平台1通过滚轮4在地面或结构表面3上移动。

移动平台1上可以设置一个或多个非线性弹簧-可变阻尼系统200，例如可以设置两个。非线性弹簧-可变阻尼系统200可以根据对应滚轮4的数量进行设置。例如，移动平台1有两个滚轮4，那么非线性弹簧-可变阻尼系统200可以对应设置两个。在一些实施例中，检测探头2可以设于移动平台1的中部，在初始状态下(即移动平台1未受到震动并处于水平面上)，两个非线性弹簧-可变阻尼系统200可以关于检测探头2的中轴线30对称。

如图1和图2所示，非线性弹簧-可变阻尼系统200包括容纳有阻尼油5的一油缸6、容纳于油缸6的一活塞7、与活塞7连接的一连杆8、变形过程受连杆8约束的一弹簧9和用于调节系统阻尼的一阻尼自适应调节装置300。其中，阻尼自适应调节装置300配置成能够自适应地根据移动平台1的震动而改变阻尼油5的流动阻力，以对系统阻尼进行负反馈闭环控制。当移动平台1震动时，连杆8和弹簧9能够使活塞7受到非线性弹簧力。如图8所示，系统相当于受到等效非线性弹簧k和可变阻尼器η的双重作用。系统阻尼是指，移动平台在震动过程中受到的阻尼，即活塞7在移动过程中所受到的阻尼。系统阻尼的大小可以通过阻尼比进行衡量，阻尼比即阻尼系统与临界阻尼系统之比。

如图2和图3所示，油缸6沿第一方向延伸，并且具有沿第一方向延伸的腔体61。例如，第一方向可以是竖直方向。阻尼油5和活塞7容纳于腔体61。阻尼油5可以是现有的任何适宜的阻尼油。油缸6的外部设有与腔体61连通的油管11。油管11的一端与腔体61的下部连通，另一端与腔体61的上部连通。阻尼油5能够从腔体61流出至油管11，并从油管11重新流回至腔体61内。油缸6还可以包括一支腿62，油缸6可以通过支腿62安装于滚轮4上。

活塞7沿第一方向设置于油缸6内并能沿腔体61在第一方向上移动。当活塞7沿着油缸6移动时，会使得阻尼油5流动，当阻尼油5流动时，可以从腔体61内排出进入油管11的一端，再从油管11的另一端重新进入腔体61内，由此实现阻尼油5的循环流动。活塞7和油缸6之间可以设置有第一密封圈10，实现活塞7和油缸6之间的密封。

非线性弹簧-可变阻尼系统200可以包括一弹簧缸12。弹簧缸12固定于移动平台1。弹簧缸12沿第二方向延伸，并且具有沿第二方向延伸的容纳腔121。第一方向可以垂直于第二方向。例如，当第一方向是竖直方向时，第二方向可以是水平方向。容纳腔121内设有沿第二方向进行布置的弹簧9和能够沿着容纳腔121在第二方向上运动的滑块13。滑块13的运动基本上受到移动平台1震动的影响，根据不同的震动情况，滑块13可能向外侧运动，也可能向内侧运动。弹簧9的一端与滑块13连接，另一端固定于弹簧缸12。当滑块13水平运动时，弹簧9会被滑块13带动实现变形过程。例如，当滑块13向外侧水平运动时，弹簧9的长度会被拉长；当滑块13向内侧水平运动时，弹簧9的长度会被缩短。即，弹簧9的变形过程受连杆8约束。

连杆8的一端与滑块13连接，而另一端与活塞7连接。连杆8可以分别与滑块13和活塞7活动连接，例如铰接。连杆8可以是刚性的，或者基本上是刚性的。当滑块13运动时，可以带动连杆8同步运动，从而可以带动活塞7上下移动。例如，当活塞7向外运动时，可以带动连杆8向外侧移动，从而带动活塞7向上移动，使得阻尼油5从油缸6的上方流出至油管11，并从油缸6的下方流回；当活塞7向内运动时，可以带动连杆8向内侧移动，从而带动活塞7向下移动，使得阻尼油5从油缸6的下方流出至油管11，并从油缸6的上方流回。在这个过程中，震动的能量被衰减，从而达到减震的目的。

弹簧9的伸长量和活塞7的位移满足以下约束条件：

(x0+ux)²+(y0+uy)²＝l²

其中，定义一坐标系(o,x,y)，其坐标原点为活塞7的中轴线40和滑块13的中轴线50的交点，x0为滑块13处于初始平衡位置的坐标值，y0为活塞7处于初始平衡位置的坐标值，ux为滑块13相对于其初始平衡位置的位移，也即弹簧9的伸长量，uy为活塞7相对于其初始平衡位置的位移，l为连杆8的长度。

可以看出，上述约束条件实质为勾股定理。

根据上面的约束条件，弹簧9通过连杆8施加于活塞7上的弹簧力，其在第一方向上的大小满足以下公式：

fy＝2kxux(uy+y0)/(ux+x0)

将上述公式利用泰勒展开求得第一方向上的弹簧力的大小满足以下公式：

其中，kx为弹簧7的弹簧系数。

因此，可以看出，活塞7在第一方向上受到的弹簧力为非线性弹簧力，即等效于活塞7在第一方向上与一非线性弹簧k连接。如图4所示，和线性弹簧力相比，非线性弹簧力的弹簧力的大小和弹簧9的位移不成线性关系。由于移动平台1的震动基本上是沿第一方向的震动，因此活塞7在第一方向上受到的非线性弹簧力可以与移动平台1在第一方向上的震动形成对应关系。由于活塞7受到的是非线性弹簧力，减震效果相比线性弹簧力更为良好，能够使得移动平台1更好适应不同的结构表面3和使用状况。

在一些实施例中，如图2所示，弹簧缸12具有沿第二方向延伸的两个容纳腔121，每一容纳腔121都容纳有一弹簧9和与弹簧9连接的一滑块13，每一滑块13分别连接有一连杆8，两个连杆8同时连接至活塞7。当两个滑块13处于初始平衡位置时，两个滑块13关于活塞7的中轴线对称，且两个连杆8关于活塞7的中轴线对称。通过活塞7左右两侧的连杆8共同对活塞7施加非线性弹簧力，能够达到更好的减震效果。

如图5所示，阻尼自适应调节装置300包括一动力传感器14、与动力传感器14通讯连接的一电荷放大器15、与电荷放大器15通讯连接的一模拟数字转换器16、与模拟数字转换器16通讯连接的一微控制单元17、与微控制单元17通讯连接的一驱动件18和与驱动件18连接的可变阻尼调节器19。

动力传感器14用于检测移动平台1的震动。动力传感器14可以安装在靠近滚轮4的位置，例如动力传感器14可以安装在支腿62上。

动力传感器14能够将移动平台1产生的特定的机械量转变成微弱的电荷量，并且输出阻抗极高，通过适配电荷放大器15，可以将此微弱的电荷量变换成与其成正比的电压，并将高输出阻抗变为低输出阻抗。

模拟数字转换器16(a/d转换器)用于接收电荷放大器15的放大信号，并将模拟信号转变为数字信号。

通过电荷放大器15和模拟数字转换器16，微控制单元17(mcu)可以与动力传感器14建立通讯连接，以接收源自动力传感器14的移动平台1的震动信息。微控制单元17配置成能够基于震动信息，从而根据预定的控制目标来控制驱动件18，使得可变阻尼调节器19在驱动件18的作用下改变阻尼油5循环流动的阻力。其中，预定的控制目标可设为移动平台1振动的加速度或位移幅值。

可变阻尼调节器19具有供阻尼油5流过以进行循环流动的至少一阻尼孔20，阻尼孔20具有一完全打开位置和一完全关闭位置，阻尼孔20配置成能够在驱动件18的作用下在完全打开位置和完全关闭位置之间切换。

请参照图3、图6a～6h，图7a～7c，可变阻尼调节器19包括一第一阻尼盘21和一第二阻尼盘22，第一阻尼盘21和第二阻尼盘22上下层叠设置。第一阻尼盘21相对油缸6固定。第二阻尼盘22与驱动件18连接，并可被驱动件18带动从而相对第一阻尼盘21转动。第一阻尼盘21具有至少一第一孔211，第二阻尼盘22具有与第一孔211对应的至少一第二孔221，第一孔211和第二孔221组成阻尼孔20。第一阻尼盘21和第二阻尼盘22都呈圆柱形，而且它们的横截面大小相等，并且第一阻尼盘21和第二阻尼盘22与腔体61的形状适配，从而保证第一阻尼盘21和第二阻尼盘22能够沿着周向和腔体61的内壁紧密接触。这样就可以保证阻尼油5基本上只能从阻尼孔20的位置越过第一阻尼盘21和第二阻尼盘22进行流动。第一阻尼盘21和油缸6之间还可以设置第二密封圈23，以进一步保证密封效果。

在一些实施例中，第一阻尼盘21具有沿周向均匀设置的四个第一孔211，第二阻尼盘22具有沿周向均匀设置的四个第二孔221，相邻两个第一孔211之间成90度，相邻两个第二孔221之间也成90度。第一孔211和第二孔221的大小和形状可以根据实际需要进行设置。

在一些实施例中，第一孔211和第二孔221都呈槽形，而且它们的横截面形状完全相同，并且第一孔211和第二孔221分别相对于第一阻尼盘21和第二阻尼盘22中心的位置可以完全相同。

请参照图6c～图6e，图中θ0表示第一阻尼盘21的当前角度，θ1和θ2表示第二阻尼盘22的角度。

如图6f和图7a所示，当第一孔211和第二孔221的位置在周向上完全对准时，即第二阻尼盘22的当前角度θ＝θ0时，阻尼孔20的大小等于第一孔211的大小，也等于第二孔221的大小，此时阻尼孔20处于完全打开位置。

如图6h和图7c所示，当第一孔211和第二孔221的位置完全没有对准时，此时第二阻尼盘22的当前角度θ＝θ2，即第一孔211和第二孔221的位置在周向上完全错位，此时不再出现阻尼孔20，即阻尼孔20处于完全关闭位置。

如图6g和图7b所示，而当第一孔211和第二孔221在周向上部分重叠时，此时第二阻尼盘22的当前角度θ＝θ1，阻尼孔20的大小就相当于第一孔211和第二孔221重叠部分的大小。此外，为了能够保证阻尼孔20可以处于完全关闭位置，第一孔211和第二孔221的周向长度不能太长，从而保证第一孔211和第二孔221能够完全错位而不会有任何相互重叠的部分。

由于驱动件18能够带动第二阻尼盘22相对第一阻尼盘21进行转动，因此可以通过控制和改变驱动件18的转动角度，从而能够改变第二阻尼盘22的转动角度，进而改变第二孔221的角度，这样，第二孔221相对于第一孔211的周向位置就会发生改变，就可以使得阻尼孔20在完全打开位置和完全关闭位置之间切换。当阻尼孔20的大小发生改变时，阻尼油5的流动阻力也会发生相应的改变。具体来说，阻尼孔20越大，阻尼油5的流动阻力越小，系统阻尼也越小，阻尼孔20越小，阻尼油5的流动阻力越大，系统阻尼也越大。由于阻尼孔20能够在完全打开位置和完全关闭位置之间调节，因此能够实现大范围的自适应的系统阻尼调节，使得移动平台1能够适应很多不同的结构表面3，达到良好的减震效果。

驱动件18可以是任何适宜的驱动件，根据不同的实施例，驱动件18可以是电机或气缸等。例如，电机可以是步进电机，气缸可以是旋转气缸。

如图2和图3所示，油缸6的腔体61可以包括第一空间63和第二空间64，第一空间63和第二空间64之间通过阻尼孔20进行连通。油缸6的顶部设有用于限定腔体61的第一壁65，油缸6的底部设有用于限定腔体61的第二壁66，第一壁65和第一阻尼盘21之间限定了第一空间63，第二壁66和第二阻尼盘22之间限定了第二空间64，驱动件18的本体181安装于第二壁66的外侧，驱动件18的驱动部182穿过第二壁66并伸入至第二空间64从而连接至第二阻尼盘22。驱动部182和第二壁66之间设有用于密封的第三密封圈183。油缸6还可以在支腿62和第二壁66之间形成收容空间67，驱动件18的本体181可以收容于收容空间67，实现结构的紧凑，减少对空间的占用。

在一些实施例中，驱动件18为步进电机。微控制单元17根据预定的控制目标控制驱动件18，从而控制系统阻尼。例如，当移动平台1震动时，动力传感器14采集到对应的数据，并将这些数据发送给微控制单元17，微控制单元17将其与预定的控制目标进行比较，如果发现实际的控制目标超过了设定的控制目标，则微控制单元17向步进电机发送脉冲，步进电机带动第二阻尼盘22转动，减小阻尼孔20，从而增大系统阻尼，使得活塞7移动时受到的阻力增大，从而抑制移动平台1的震动。即，微控制单元17通过对系统阻尼进行负反馈闭环控制，可以自适应地调节阻尼，实现移动检测平台的自适应减震。

非线性弹簧-可变阻尼系统200一方面使活塞7在第一方向上受到非线性弹簧力，使得活塞7的受力与移动平台1的震动形成良好的对应关系，另一方面可以自适应地根据移动平台1的震动而改变阻尼油5的流动阻力，以对系统阻尼进行负反馈闭环控制，通过这两个方面的共同作用，能够很好地等效成为移动平台1竖向震动的减震系统。

如图9所示，图中，ω为系统激振平率；ω0为系统固有频率；ζi为阻尼比(阻尼系数与临界阻尼系数之比)。可以看出，与线性弹簧-阻尼系统相比，本非线性弹簧-可变阻尼系统200的振幅得到极大抑制，而且当系统阻尼自适应地调节至大于某一数值(如阻尼比大于ζ3)时，其系统响应的幅-频曲线非常平滑，实现良好的自适应减震效果。

以上详细说明仅为本发明之较佳实施例的说明，非因此局限本发明之专利范围，所以，凡运用本创作内容所为之等效技术变化，均包含于本创作之专利范围内。