一种全自动下车支腿调平系统

苏亮 熊忆 段娟香 艾国栋

长沙中联消防机械有限公司 湖南长沙 410300

1 前言

在分秒必争的火灾救援现场，消防设备快速进入工作就绪状态，对于提升救援效率，减少损失，意义重大。装备一键式自动操作系统能够减少操作步骤，同时，高效、稳定的自动操作过程也可以节省人工操作的耗时，减少动作完成时间，从而提升整体功能的易用性、快速性，具有积极的意义。

2 现有车辆下车支腿调平系统

目前，现有的车辆下车支腿调平方式有两种,手动调平方式和自动调平方式。其中，手动调平的方式耗时长，依赖熟练的操作人员，不利于提高消防作业效率。

自动调平的方式也有如下问题：

a.车身本身存在变形，调平结束后，下车实际平整度得不到保证；

b.在不同的路面情况下，自动调平适应能力弱，有可能出现垂直油缸到底后无法结束调平的情况；

c.调平结束后，四个垂直支腿虽然触地，但是各支腿如果只是触地，而不是均衡承受车身质量，在上装转动时，质心变化会导致各支腿受力的变化，弱支撑支腿很可能因为受力进一步减小而离地，造成虚腿的现象，影响整车安全性。

针对上述诸多问题，笔者设计开发了一种全面优化的下车自动调平控制系统，通过改进检测方式及判定条件，运用分步调节结合模糊PID控制的调平方法，并结合支腿反力的修正调节，全方位地提升自动调平的实际效果，通过对试验车调试与测试结果分析，验证了该系统的可靠性。

3 自动调平系统的构成

常见的支腿设计结构如图1所示，自动调平系统通过对支腿的伸出、收回状态以及车辆的倾斜程度进行实时检测，用控制器控制各支腿阀的动作，并对调平结果进行自动判定。

图1 常见支腿结构

整个控制系统的构架如图2所示。

图2 下车自动调平控制系统框图

系统为了解决车身形变造成倾角检测数据不准确的问题，在车身前侧增加单轴倾角传感器，如图3(b)中X2与X1一起，用于检测左右侧车身倾斜角度。车辆前侧X方向调平参考X2数据，后侧X方向上的调平参考X1数据，由于两个传感器分别安装在副车架距离支腿很近的位置，检测数据受车架变形扭曲的影响很小，确保了数据的准确性，从而规避了车架变形带来的倾角误差，保证了调平后支腿的平整度。

同时，将压力传感器替代接近开关，作为垂直支腿伸出到位的检测方法，如图3(b)中支腿末端四个黑色区域所示，压力传感器不仅可以判定支腿是否触地，同时也能够检测支腿的受力大小。本系统利用压力信号，在自动调平角度误差满足判定条件后，再对受力最小的弱支撑腿实施微调的伸出控制，提高弱支撑支腿的受力数据。此方式对车身角度基本无影响，却能够有效地改善三点强支撑的情况，为上装的动作提供了稳定的支撑。

图3 双倾角传感器及反力检测设计

4 自动调平系统的控制策略

系统采用分步骤的调平方式，将自动调平分为五步，步骤如下：第一步，伸水平支腿，将支腿伸出到位；第二步，伸垂直支腿，将支腿伸出触地；第三步，粗调平，快速通过倾角传感器的X轴和Y轴来调节其中两或三个支腿实现车身的基本水平；第四步，轮胎离地，撑起所有的支腿，直到轮胎离地；第五步，精调平，通过倾角传感器的X轴和Y轴来调节其中的三个或者两个支腿，将车身精准调整至设定水平。

图4 车身倾斜四区间

如图4所示，通过分析双轴倾角传感器的X轴和Y轴的输入信号可以把车身平面分为四个区间，如当检测到X＜0且Y＞0时，程序判断车身向1区倾斜，以此定义后续流程中X、Y轴方向的正负。本方案中，定义前高后低为Y轴正向，右高左低为X轴正向，反之为负向。

整个车身调平的过程包括伸水平支腿、伸垂直支腿、粗调平、轮胎离地、精调平，整体工作流程如图5所示。

各垂直支腿触地后，都将停止动作等待所有支腿触地，当系统检测到水平支腿、垂直支腿伸出到位后，开始执行粗调平。调平过程中，任意一个支腿的伸出都将影响X轴和Y轴方向的角度数据，同时按照图4中所表述的倾斜区间判定车身所处区间，对四个支腿进行单独控制。

图5 调平控制流程

由于四个支腿中任一支腿的动作都将对车身角度产生影响，从而影响其他三个支腿的输出数据，因此，四个支腿同时动作的属性决定了彼此之间互为干扰，而单纯的PID控制器依赖精确的数学模型，在数学模型不精确的情况下，将降低系统控制性能，同时无法很好地控制超调[1]。使用过程中，往往会将支腿撑得太高导致油缸达到行程极限无法完成调平。针对这种情况，引入模糊PID控制算法。模糊控制是基于模糊集理论、模糊语言和模糊逻辑推理的一种智能控制方法。模糊PID控制是将模糊理论应用到PID控制系统中，从而构成模糊PID控制器[2]，用于控制调平过程中出现过调的现象，同时保证调平的快速性。在粗调平和精调平的过程中，应用模糊PID调节方法，并设置不同的误差允许值。

同时，在轮胎离地过程中，为了保证轮胎离地信号，保证每一个支腿至少以一定的速度撑起，精调平时，将下车调平的允许误差加入判断，允许误差设置为±0.5°，只有当两个轴向的误差都小于允许误差，才能判定下车调平，最后检测四个支腿反力数据，对支腿反力最小的支腿进行单腿伸出控制。

5 试验分析

以53 m云梯消防车作为试验对象，并采集下车调平相关的倾角及垂直支腿阀开口等数据，通过人工操作、常规自动调平、改进自动调平的方式采样数据并进行效果的比对。试验用53 m云梯消防车如图6所示。

图6 试验用53 m云梯消防车

表1 第一组试验对比数据

表2 第二组试验对比数据

从两组试验的对比数据如表1、2所示， 从表中可以看出，手动操作模式通过人推动机械手柄杆操作支腿动作，由于不能同时自如地操控几个支腿，调平耗时较长，且调平后整车平整度无法保证，为了保证精度则需要更长的调整时间。常规自动控制模式第一组调平完成后，单个支腿弱支撑的现象明显，对上装的动态稳定性支持较弱；第二组测试时出现了调平不成功的现象，暴露了控制算法的缺陷，可靠性较低。而改进的自动调平模式在时间、精度、受力均匀性上都有很好的效果。

再对比两种自动调平的过程，如图7所示。为了方便数据比对，实现时间轴同步，将倾角数据及支腿PWM值列入同一张表中，为了方便观察，仅选取一组X轴数据，观察调平角度变化。图7中，X、Y轴零点在1 000附近，视为调平目标值。从图7可以看出，在调平开始时，水平支腿伸出引发质心的变化导致X、Y轴数据的波动；12 s左右，水平支腿伸出到位，四个垂直支腿伸出；25 s左右，支腿触地开始调平，后续调平过程中，X轴方向出现过调的现象，四个支腿控制电流波动较大。

图7 常规自动调平数据

图8显示采用模糊PID控制方法的调平，图中后段可以看出，整个车身撑起过程稳定，粗调平、精调平过程中各支腿控制电流曲线平滑，X、Y轴数据能够快速趋近零点值，且相比常规调平方式，耗时更短。

图8 改进算法控制调平数据

6 结语

本文设计了一种全面的支腿全自动调平控制系统，设置两个倾角传感器检测车身角度，解决了车身形变导致检测误差对调平精度的影响；采用分步式模糊PID调平控制策略，将整个过程分成五步，在垂直支腿调平过程中，逐级将车辆调整至目标状态，最后，在不影响车身角度的前提下，辅助以支腿反力数据，对弱支撑垂直支腿进行单独微调整。相较于常规方法，本系统具备调平实际精度更高、调整时间更短、过程平稳、地面条件适应能力更强、一次调平成功率更高、支撑更可靠等多种优点。同时，本方案并不局限于消防车的应用场景，可以满足任何需要配备自动调平功能的支撑平台，具备较高的应用价值。