一种可移动式自动调平平台结构与控制系统设计

高龙伟 ， 曾 坤

（长安大学，陕西 西安 710000）

0 前言

随着科学技术的发展，越来越多的领域开始应用调平技术，例如军事上的雷达车、导弹系统等都应用了自调平系统技术，减少了调平时间，提高了调平精度，同时，机电自动化也减少了对操作人员数量的需求[1-2]。民用上高空作业平台，极大地提高了操作人员的安全性[3]；搬运机器人采用倾角传感器测得负载平台的倾角，进行实时的调整，保持搭载的货物平衡[4]；丘陵山地拖拉机通过位于后桥上的两个摆动机构在转动时产生的高度差，实现车身的姿态调整，提高了拖拉机的适用性，确保了操作人员的安全[5]。两轮自平衡车通过测得车身的加速度、速度、倾斜角度等信息，利用动态平衡的原理保持车身的姿态。

通过分析研究多种测试仪器所需的工作条件，设计了一种可移动式自动调平平台结构与控制系统。该系统具有以下优点：

1）精确度较高，调整时间短；

2）空间尺寸小，结构紧凑，轻便灵活；

3）编写相应的控制程序，减少工作时的振动、冲击现象；

4）采用精密柔索传动的方式，使得系统的稳定性大大提高。

在机构运动学分析的基础上，通过借助Adams进行运动学和动力学分析，最后加工样机后进行现场实验，证明了实验方案的正确性和可行性。该自调平机构可以搭载多种检测仪器。

1 系统总体设计方案

通过安装在载物台上的倾角传感器测得载物台的横滚角和俯仰角，将其作为信号输入到控制系统中，经过控制系统中编写的程序，将其解析成PWM控制信号，并传送给电机驱动器；直流无刷电机得到信号后，开始带动大绳轮，最后驱动载物台转动到合适的位置。控制系统整体结构如图1所示。

图1 控制系统整体结构

2 自调平系统结构设计与分析

2.1 自调平系统结构设计

自调平系统结构如图2所示，该自调平系统的整体结构尺寸为300 mm×300 mm×250 mm，载物台与底板之间采用了万向节进行支撑，万向节具有两个旋转自由度，既能满足载物台的自由度，同时也能提供较大的支撑力，极大地提高了该自调平系统的负载力。自调平系统的负载力是由两个120 W的直流无刷电机和减速比为100的谐波减速器提供，可以为系统提供稳定的动力。当大绳轮进行转动时，绳索会带动载物台进行横向、纵向的角度变化，自调平系统的运动拓扑图如图3所示。控制器与上位机之间的信息通信采用的是RS485，上位机可以实时显示检测载物台的角度变化。

图2 自调平系统机械结构

图3 平台立体运动拓扑简图

2.2 载物台角度与绳索伸缩长度关系分析

虎克铰构型坐标变化示意图，如图4所示，坐标系∑O1是并联机构的基座坐标系，坐标系∑O2是载物台的坐标系，载物台与底板由四个节点相连，A1B1、A2B2、A3B3、A4B4分别代表了四根绳索，当自调平系统工作运行时，绳索A1B1、A3B3和A1'B1'、A3'B3'具有A1B1＋A3B3＝A1'B1'＋A3'B3'的关系[6]。

图4 虎克铰构型坐标变化示意图

当载物台进行单轴运动时，虎克铰中心O位置保持不变。通过改变绳索的伸缩长度，可调整自调平系统载物台的偏转角度。欧拉角β形成与α类似。载物台单轴几何结构如图5所示。

图5 载物台单轴几何结构

点A的位置在∑O1坐标系中固定为（r,0,0），点A1的位置在∑O2坐标系中固定为（r,0,h2），利用方向余弦矩阵可以将点A1的位置转换到∑O1坐标系中，即：

于是有：

其中，La为绳索伸缩的长度。

2.3 Simulink和Adams联合仿真

绳索式驱动系统的控制是并联机构的控制，一般可分为两类，一类为铰点空间控制，该控制是通过控制系统中的各个支链来实现对整体的控制；一类为工作空间控制，该控制是将系统的工作平台作为控制目标，将其姿态作为反馈量输送到控制系统中，此方法虽然不需要进行运动学逆解，但是由于下平台姿态的不确定性，就需要依靠精确度较高的视觉系统进行测量，导致系统的成本过大[7]。因此，本文选用了铰点空间控制，通过电机编码器测量绳索的伸缩长度以及速度，以此作为控制系统的反馈量。

为了验证运动系统的正确性并分析绳索的受力情况，本节采用Simulink和Adams联合仿真来进行验证。

2.3.1 Adams模型的建立

Adams软件中配备了建立绳索的工具箱Cable，提供了柔索的参数化建模的环境[8]。本文采用了Adams/Cable工具箱中的简化模式，如图6所示，实现了绳索的快速建模，极大地提高了仿真分析的效率[9]。

图6 自调平系统虚拟样机模型

2.3.2 控制模型的建立

根据系统的设计需求，自调平系统的控制模型采用了PID控制方法，PID控制器在实际应用中只需通过调节比例、积分、微分三个参数就能取得良好的效果，因此在运动控制以及过程控制系统中应用十分广泛[10]。由于本系统采用的直流无刷电机具有高度的非线性特性，因此决定采用模糊PID控制，提高系统的稳定性。

模糊PID是将检测值与目标值的差值和差值变化率作为输入，来对PID控制器的三个参数进行实时调整，使得系统的性能更佳。自调平系统的控制仿真如图7所示，PID的三个初始值Kp＝0.15，Ki＝0.5，Kd＝2.5。自调平系统阶跃响应曲线如图8所示。

图7 自调平系统控制仿真图

图8 自调平系统阶跃响应曲线

由阶跃响应曲线可知，模糊PID在超调量和响应速度上都优于传统PID，其位置响应模糊PID在1.5 s时已经基本稳定，比传统PID提前了1 s，自调平系统的控制精度也有很大提升。因此，采用模糊PID控制器的调节效果要比仅仅使用传统PID的效果更好。

2.3.3 联合仿真实验

本小结将前两节分别建立好的Adams模型和控制模型相结合，两者之间的数据传输通过Adams/controls建立。首先在Simulink中设定自调平系统的载物台倾角α为4°和β为0°，将这两个作为输入值，求出大绳轮的旋转角度，同时设置载物台的水平精度误差为0.3°[11]。设置完毕后，开始进行仿真，即可得到图9。

图9 载物台运动变化图

通过观察分析图9载物台运动变化图可知，在初始角度α为4°和β为0°的条件下，仿真时间5 s的情况下，载物台的水平度已经基本在所设置的误差范围内。

3 结论

该自调平系统设计了合理、可靠的机械结构，采用了柔索式的传动方式，在很大程度上减小了结构的尺寸，以直流无刷电机作为动力源，MPU6050倾角传感器测得载物台的倾角。通过系统的运动学分析，求得载物台角度与绳索伸缩长度的关系，为后续的控制提供了依据。采用了模糊PID控制[12-13]，提升了自调平系统的适应能力、调平精度、调平速度，使得其具有更好的市场。目前，该自调平系统仅能够满足静态调平，对于调平系统运动过程中的调整需要后期不断完善控制方法。