多点支撑平台的上装姿态控制方法

1.本发明属于姿态控制领域，具体涉及一种多点支撑平台的上装姿态控制方法


背景技术：

2.多点支撑平台的上装姿态控制需求十分广泛。例如多轴独立悬架车辆、军民用特种车辆的多支腿调平、多点支撑大尺寸构件的精密加工与装配、机床基础的支撑安装调试等。仅以多轴独立悬架车辆为例，车辆涉水、铁路、航空运输等需要预先实施车身高升低降，以提高通过能力；上下纵、侧向斜坡前可预先高升低降、俯仰侧倾，以提高通过性和驾驶员视野。在姿态控制的同时若能同步实现各车轮载荷的分配控制，能够显著提高车辆的通过性、机动性和姿态稳定性。
3.多于三点支撑的上装姿态控制属于典型的超静定问题，承载中各支腿和平台的弹性变形以及支撑载荷相互影响。传统的姿态控制方法均将上装简化为刚体，基于点追逐法和角度误差法，通过反复迭代测试和作动实现调平功能，存在速度慢、精度低、反复振荡、支腿载荷不受控，甚至出现虚腿和过载等问题。例如 cn202010002450.x的中国专利公开了一种调平控制系统及方法，其方法是首先调节支腿高度使第一倾角满足精度要求，再使第二倾角满足精度要求，重复整个流程，直到第一、第二倾角均小于极限倾角，则调平结束。该专利通过反复迭代测试和作动实现调平功能，并不能很好地保证调平精度、速度，更不能同时实现对支腿载荷的完全控制。而在车辆姿态控制领域，目前多采用的互联方案，即通过悬架气压或液压管路的互联实现将多点支撑超静定降阶为静定问题。例如cn105539060a的中国专利公开了一种液压互联悬架，通过将后悬液压缸反向串联，平衡两侧车轮承受的载荷，实现防侧倾效果。然而这种互联方案难以实现高升低降、俯仰侧倾等不同姿态控制的灵活切换需求，而且也不能实现对各车轮承载的同步控制。
4.要解决上述不足，必需从解决超静定系统的变形和承载耦合关系出发，实施平台几何与支腿载荷的耦合控制。因此，本专利充分考虑支腿、平台的变形交互作用以及支腿和平台之间的承载交互作用，提出一种高速且同步的实现平台几何与支腿载荷耦合控制的方法，能够根据操作员给出的升降、侧倾、俯仰及三者任意组合的档杆指令，精确计算各支腿作动量，达到精确、快速实现姿态控制的同时，各支腿载荷达到最优载荷的目的。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种多点支撑平台的上装姿态控制方法，该方法充分考虑了支腿变形、平台的变形以及支腿和平台之间的承载交互作用，构建了高速且同步实现平台几何与支腿载荷耦合的方法，解决现有姿态控制方法中速度慢、精度低、反复振荡、支腿载荷不受控，甚至出现虚腿和过载等问题。
6.本发明公开了多点支撑平台的上装姿态控制方法，该装置共有大于4的n条支腿沿上装纵向对称面对称分布；支腿为液压支腿，上端与上装的下水平表面固定连接，下端垂直的支撑固定在地面上并只进行垂直于地面方向的伸缩运动，每条支腿的结构尺寸、与上装
的连接结构完全相同；各个支腿最大作动行程、伸缩速率完全相同；每条支腿上安装有两个液压敏感元件构成测量垂向载荷的力传感器和测量作动量的位移传感器，上装上表面有主轴沿平台纵向的二维倾角传感器；操作员通过控制升降档杆侧倾挡杆和俯仰挡杆给与系统命令输入，通过控制器的解析计算，得到各支腿的作动量，以此来对平台进行姿态调整，其特征在于包括以下步骤：
7.本发明实例提供了一种多点支撑平台的上装姿态控制方法，具体包括以下步骤：
8.步骤1，将n条支腿分别赋予序号1～n；以上装的几何中心为坐标系原点，按右手定则将平台的纵、横、垂向分别设为x、y、z轴，各支腿与上装连结点的坐标记为(xi，yi，zi)，i＝1～n，倾角和力矩的正方向判定由右手螺旋定则确定；
9.步骤2，驱动第i条支腿垂向作动伸长，同时保持其他的支腿不动，由所述的位移传感器实时测量直至产生一个设定位移，按照从1 到n的次序分别由所述的力传感器测量每条支腿的载荷增量，将各载荷增量除以所述设定位移并依次放入一个n
×
n维矩阵第i列的第1到n行中；循环驱动各支腿执行上述操作，直至构造出n
×
n 维的承载交互作用矩阵
[0010][0011]
步骤3，在步骤2驱动第i条支腿产生所述设定位移的同时，由二维倾角传感器分别测量平台绕x轴和y轴的倾角增量，将各倾角增量除以所述设定位移，并依次放入一个2
×
n维矩阵的第i列的第1、2行，构造出2
×
n维的变形交互作用矩阵
[0012][0013]
步骤4，将承载交互作用矩阵依次输入到(n+2)
×
n维矩阵的第1 行到第n行，将变形交互作用矩阵依次输入到(n+2)
×
n维矩阵的最后两行，构造出承载与变形耦合控制矩阵
[0014][0015]
步骤5，利用力传感器测量各支腿的当前载荷f
it
；
[0016]
步骤6，将上装总重记为g，将各支腿均摊上装总重作为理想载荷，以各支腿载荷f
it
与理想载荷g/n的均方差最小为目标，以平台绕x、y轴的力矩平衡和沿z轴的力平衡为约束，各支腿的理论最优载荷计算模型为
[0017][0018]
将公式4利用lagrange乘子法求解，各支腿的最优载荷f
i*
满足公式5
[0019][0020]
步骤7，监测操作员的档杆指令，并生成相应的作动基准值，包括：
[0021]
当操作员的档杆指令仅为升降动作中的上升或下降时，分别设定升降作动基准值为
△
z和
‑△
z；
[0022]
当操作员的档杆指令仅为侧倾动作中的左倾或右倾时，分别设定侧倾作动基准值为
△
θ
xt
和
‑△
θ
xt
，同时将俯仰作动基准值置零；
[0023]
当操作员的档杆指令仅为俯仰动作中的前俯或后仰时，分别设定俯仰作动基准值为
△
θ
yt
和
‑△
θ
yt
，同时将侧倾作动基准值置零；
[0024]
当操作员的档杆指令为侧倾和俯仰的组合时，按照上述基准值的正、负号规则，分别设定侧倾作动基准值和俯仰作动基准值；
[0025]
当操作员的档杆指令为升降和侧倾的组合，或升降和俯仰的组合时，按照上述基准值的正、负号规则，分别设定升降作动基准值和侧倾作动基准值的组合，或升降作动基准值和俯仰作动基准值的组合；
[0026]
当操作员的档杆指令为升降、侧倾和俯仰的组合时，按照上述基准值的正、负号规则，分别设定升降作动基准值、侧倾作动基准值和俯仰作动基准值；
[0027]
步骤8，结合步骤4所述的承载与变形耦合控制矩阵，步骤5所述的各支腿的当前载荷，步骤6所述的各支腿的最优载荷，以及步骤7确定的作动基准值，构造出平台几何与支腿载荷耦合控制方程：
[0028][0029]
公式6中f
it
为各支腿的当前载荷，f
i*
为各支腿的最优载荷， {f
it-f
i*
}是n条支腿的n
×
1维载荷偏差列向量，{
△
θ
t
}2×1自上而下分别为侧倾作动基准值和俯仰作动基准值构成的2
×
1维列向量；求解公式6即可得到侧倾、俯仰及涉及二者组合的档杆指令下，上装作动
对应方向单位倾角的同时支腿载荷达到理论最优载荷需要的各支腿作动量
△ei
；
[0030]
步骤9，在步骤8所述各支腿作动量上，按照步骤7所述基准值的正、负号规则，叠加步骤7设定的升降作动基准值，得到总支腿作动量；
[0031]
步骤10，根据步骤9得到的总支腿作动量，控制各支腿进行同步作动；
[0032]
步骤11，循环检测并识别操作员对档杆的操纵指令是否全部置零，若是则支腿锁死，作动结束；若否，则回到步骤5，直至步骤11 的支腿锁死条件满足；
[0033]
2.进一步的，其中，步骤2所述设定位移为支腿最大行程的1％～5％；
[0034]
3.进一步的，其中，步骤7中若操作员给出的操作指令中仅含有升降指令，则步骤8所述各支腿作动量全部置0；若操作员给出的操作指令中没有升降指令，则升降作动基准值置0。
[0035]
本发明的有益效果如下：
[0036]
1)该方法提供的姿态控制方法在实现高精度的几何姿态控制上，同时使各支腿的载荷分配达到理想载荷，从根本上解决了传统方法中支腿载荷不受控的情况，姿态调整后的平台稳定性更高；
[0037]
2)考虑支腿、平台间的变形交互作用和承载交互作用，得到的姿态控制所需作动量可无迭代达到姿态控制目标，实现了速度快、精度高、姿态调整过程中振荡小、鲁棒性高的优势；
[0038]
3)构建的控制策略可根据操作员给出的升降、侧倾、俯仰及三者任意组合的档杆指令，精确且快速的响应操作员指令，显著提升姿态控制效率。
附图说明
[0039]
图1为本发明一种多点支撑平台的上装姿态控制方法的流程图；
[0040]
图2为本发明一种多点支撑平台的上装姿态控制方法提供的结构原理示意图；
[0041]
图3为本发明支腿的结构示意图；
[0042]
图中：1支腿；2力传感器；3上装；4二维倾角传感器；5控制器；6升降档杆；7侧倾档杆；8俯仰档杆；9激光位移传感器； 10液压敏感元件
具体实施方式
[0043]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本专利充分考虑支腿、平台的变形交互作用以及支腿和平台之间的承载交互作用，提出一种高速且同步的实现平台几何与支腿载荷耦合控制的方法，能够根据操作员给出的升降、侧倾、俯仰及三者任意组合的档杆指令，精确计算各支腿作动量，达到精确、快速实现姿态控制的同时，各支腿载荷达到最优载荷的目的。本发明多点支撑平台的上装姿态控制方法，其控制流程图如图1 所示，具体包括以下步骤：
[0044]
本发明公开了多点支撑平台的上装姿态控制方法，该装置共有大于4的n条支腿(1)沿上装(3)纵向对称面对称分布；支腿(1) 为液压支腿，上端与上装(3)的下水平表面固定连接，下端垂直的支撑固定在地面上并只进行垂直于地面方向的伸缩运动，每条支腿(1)的结构尺寸、与上装的连接结构完全相同；各个支腿(1) 的最大作动行程、伸缩速率完全相
同；每条支腿(1)上安装有两个液压敏感元件(10)构成测量垂向载荷的力传感器(2)和测量作动量的位移传感器(9)，上装(3)上表面有主轴沿平台纵向的二维倾角传感器(4)；操作员通过控制升降档杆(6)侧倾挡杆(7) 和俯仰挡杆(8)给与系统命令输入，通过控制器(5)的解析计算，得到各支腿(1)的作动量，以此来对平台进行姿态调整，其特征在于包括以下步骤：
[0045]
本发明实例提供了一种多点支撑平台的上装姿态控制方法，具体包括以下步骤：
[0046]
步骤1，将n条支腿(1)分别赋予序号1～n；以上装(3)的几何中心为坐标系原点，按右手定则将平台的纵、横、垂向分别设为 x、y、z轴，各支腿(1)与上装(3)连结点的坐标记为(xi，yi， zi)，i＝1～n，倾角和力矩的正方向判定由右手螺旋定则确定；
[0047]
步骤2，驱动第i条支腿(1)垂向作动伸长，同时保持其他的支腿(1)不动，由所述的位移传感器(9)实时测量直至产生一个设定位移，按照从1到n的次序分别由所述的力传感器(2)测量每条支腿(1)的载荷增量，将各载荷增量除以所述设定位移并依次放入一个n
×
n维矩阵第i列的第1到n行中；循环驱动各支腿 (1)执行上述操作，直至构造出n
×
n维的承载交互作用矩阵
[0048][0049]
步骤3，在步骤2驱动第i条支腿(1)产生所述设定位移的同时，由二维倾角传感器(4)分别测量平台绕x轴和y轴的倾角增量，将各倾角增量除以所述设定位移，并依次放入一个2
×
n维矩阵的第i列的第1、2行，构造出2
×
n维的变形交互作用矩阵
[0050][0051]
步骤4，将承载交互作用矩阵依次输入到(n+2)
×
n维矩阵的第1 行到第n行，将变形交互作用矩阵依次输入到(n+2)
×
n维矩阵的最后两行，构造出承载与变形耦合控制矩阵
[0052][0053]
步骤5，利用力传感器(2)测量各支腿的当前载荷f
it
；
[0054]
步骤6，将上装(3)总重记为g，将各支腿(1)均摊上装(3) 总重作为理想载荷，以各支腿(1)载荷f
it
与理想载荷g/n的均方差最小为目标，以平台绕x、y轴的力矩平衡和沿z轴的力平衡为约束，各支腿的理论最优载荷计算模型为
[0055][0056]
将公式4利用lagrange乘子法求解，各支腿(1)的最优载荷f
i*
满足公式5
[0057][0058]
步骤7，监测操作员的档杆指令，并生成相应的作动基准值，包括：
[0059]
当操作员的档杆指令仅为升降动作中的上升或下降时，分别设定升降作动基准值为
△
z和
‑△
z；
[0060]
当操作员的档杆指令仅为侧倾动作中的左倾或右倾时，分别设定侧倾作动基准值为
△
θ
xt
和
‑△
θ
xt
，同时将俯仰作动基准值置零；
[0061]
当操作员的档杆指令仅为俯仰动作中的前俯或后仰时，分别设定俯仰作动基准值为
△
θ
yt
和
‑△
θ
yt
，同时将侧倾作动基准值置零；
[0062]
当操作员的档杆指令为侧倾和俯仰的组合时，按照上述基准值的正、负号规则，分别设定侧倾作动基准值和俯仰作动基准值；
[0063]
当操作员的档杆指令为升降和侧倾的组合，或升降和俯仰的组合时，按照上述基准值的正、负号规则，分别设定升降作动基准值和侧倾作动基准值的组合，或升降作动基准值和俯仰作动基准值的组合；
[0064]
当操作员的档杆指令为升降、侧倾和俯仰的组合时，按照上述基准值的正、负号规则，分别设定升降作动基准值、侧倾作动基准值和俯仰作动基准值；
[0065]
步骤8，结合步骤4所述的承载与变形耦合控制矩阵，步骤5所述的各支腿的当前载荷，步骤6所述的各支腿的最优载荷，以及步骤7确定的作动基准值，构造出平台几何与支腿载荷耦合控制方程：
[0066][0067]
公式6中f
it
为各支腿的当前载荷，f
i*
为各支腿的最优载荷， {f
it-f
i*
}是n条支腿的n
×
1维载荷偏差列向量，{
△
θ
t
}2×1自上而下分别为侧倾作动基准值和俯仰作动基准值构成的2
×
1维列向量；求解公式6即可得到侧倾、俯仰及涉及二者组合的档杆指令下，上装作动
对应方向单位倾角的同时支腿载荷达到理论最优载荷需要的各支腿作动量
△ei
；
[0068]
步骤9，在步骤8所述各支腿作动量上，按照步骤7所述基准值的正、负号规则，叠加步骤7设定的升降作动基准值，得到总支腿作动量；
[0069]
步骤10，根据步骤9得到的总支腿作动量，控制各支腿进行同步作动；
[0070]
步骤11，循环检测并识别操作员对档杆的操纵指令是否全部置零，若是则支腿(1)锁死，作动结束；若否，则回到步骤5，直至步骤11的支腿锁死条件满足；
[0071]
2.进一步的，其中，步骤2所述设定位移为支腿最大行程的1％～5％；
[0072]
3.进一步的，其中，步骤7中若操作员给出的操作指令中仅含有升降指令，则步骤8所述各支腿作动量全部置0；若操作员给出的操作指令中没有升降指令，则升降作动基准值置0。
[0073]
最后应说明的是，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。