CN105966559A - 一种具有波浪补偿功能的登靠装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海上运输和海上船舶作业领域中具有波浪补偿功能的登靠装置及方法，登靠前，舷梯垂直于甲板且固定连接舷梯支架，运动控制器先控制主动波浪补偿平台对船舶的横摇、纵摇和升沉实时补偿，再控制电机反转，电机带动钢丝绳释放舷梯，舷梯绕万向节逆时针旋转，当舷梯角度传感器检测到舷梯相对上平台释放旋转到预设角度度时，电机停止运转；登靠结束后，运动控制器控制电机正转，当舷梯角度传感器检测到舷梯相对上平台旋转到预设角度度时，舷梯垂直于甲板，舷梯固定在舷梯支架上；波浪补偿平台在恶劣的海况中实时补偿船舶的横摇、纵摇和升沉，自动收放舷梯在补偿了上平台到一定平稳状态时才进行收放，提高了登靠时的平稳性和安全性。

Description

一种具有波浪补偿功能的登靠装置及方法

技术领域

本发明属于海上运输和海上船舶作业领域，具体是一种有波浪补偿功能的船用登靠装置及登靠方法。

背景技术

由于风浪的影响，海上作业的船舶会产生无规律的摇摆，这严重影响了工作人员在海上作业登靠时的安全性。目前，船上作业人员登靠方式主要是通过舷梯登靠到其他船舶上或者海上风电塔上。现有的舷梯是带有液压装置的刚性舷梯，通过液压装置的升降来控制舷梯的高度。但海上船舶由于受到波浪的横摇、纵摇和升沉的影响，刚性液压装置无法控制舷梯在一定的安全高度内自动升降，可靠性不高，这些因素都增加了作业人员登靠的不安全性。所以，船上作业人员的安全登靠成为急需解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于多自由度并联稳定平台机构的具有主动波浪补偿功能的登靠装置及登靠方法，不仅能够实现对船舶横摇、纵摇和升沉的实时补偿，而且补偿后能够自动收放舷梯，便于作业人员安全地执行登靠任务。

为达上述目的，本发明一种具有波浪补偿功能的登靠装置采用的技术方案是：该登靠装置包括主动波浪补偿平台、步梯和舷梯，主动波浪补偿平台上方是上平台，下方是和下平台平行的下平台，下平台固定设在船舶的甲板上，在上平台和下平台之间连接六个伺服缸，每个伺服缸上端各通过一个上万向节连接上平台，每个伺服缸上端各通过一个十字万向节连接下平台3。在每个伺服缸上装有一个线位移传感器；下平台的重心位置装有第一姿态传感器，上平台上装有第二姿态传感器，舷梯一端通过万向节铰接上平台上，舷梯另一端是活动端；上平台上表面上固定设有电机箱和舷梯支架，舷梯支架上端固定装有滑轮，电机箱内置放有电机，电机输出轴连接钢丝绳一端，钢丝绳中间绕在舷梯支架上的滑轮上，钢丝绳另一端通过钢丝绳固定环固定连接舷梯的活动端上；舷梯上靠近铰接端处装有舷梯角度传感器，舷梯角度传感器、电机、线位移传感器、第一姿态传感器、第二姿态传感器分别经信号线连接运动控制器。

本发明一种具有波浪补偿功能的登靠装置的登靠方法采用的技术方案是：

登靠之前，舷梯垂直于甲板且固定连接舷梯支架，运动控制器先控制主动波浪补偿平台对船舶的横摇、纵摇和升沉实时补偿，再控制电机反转，电机带动钢丝绳释放舷梯，舷梯绕万向节逆时针旋转，当舷梯角度传感器检测到舷梯相对上平台释放旋转到预设角度度时，电机停止运转，进行登靠；

登靠结束后，运动控制器控制电机正转，电机带动钢丝绳收回舷梯，舷梯绕万向节顺时针旋转，当舷梯角度传感器检测到舷梯相对上平台旋转到预设角度度时，舷梯垂直于甲板，电机停止运转，将舷梯固定在舷梯支架上。

进一步地，第一姿态传感器5测量船舶由横摇、纵摇和升沉值并传输给运动控制器，运动控制器根据波浪补偿值的反解算法求出横摇、纵摇和升沉值的运动补偿值，根据运动补偿值分别控制六个伺服缸的伸缩，在六个伺服缸伸缩的同时，线位移传感器测量出六个伺服缸的位移值并反馈给运动控制器，实现对船舶的横摇、纵摇和升沉实时补偿，运动控制器将六个伺服缸的位移值和反解算法求出的运动补偿值构成六个运动控制偏差，分别对对应的六个伺服缸进行闭环控制，实现对船舶的横摇、纵摇和升沉实时补偿。

进一步地，步骤A中，对船舶的横摇、纵摇和升沉实时补偿后，第二姿态传感器测量上平台的横摇、纵摇和升沉的运动姿态并传输给运动控制器，当 ，，，是横摇值，是纵摇值，是升沉值，运动控制器控制电机反转。

本发明采用上述技术方案后具有的优点是：

1、本发明中的波浪补偿平台能够在恶劣的海况中实时补偿船舶的横摇、纵摇和升沉，提高了工作人员在执行登靠任务时的平稳性和安全性，具有补偿精度高、实时性好，安全性强的特点。自动收放舷梯是在补偿了上平台的姿态值（横摇、纵摇和升沉）达到一定范围后，即达到一定平稳状态时才能进行收放，这样大大提高了工作人员在登靠时的安全性和可靠性。

2、本发明通过角度传感器检测舷梯与上平台之间的角度，当舷梯与上平台间的角度未达到90°时，利用电机驱动转动来实现钢丝绳的收放，从而达到自动收放舷梯的目的。当舷梯与上平台二者之间的角度达到90°时，电机停止运转，再通过绳索等使舷梯固定地直立在上平台上，以节省空间。

3、本发明采用的步梯和舷梯结构简单，造价低，方便维护和制造。舷梯通过万向节与动平台铰接，可通过不同坡度与其他船舶或者风电塔的连接。

4、本发明中多自由度主动波浪补偿平台的上平台上焊接有铁板和扶梯，可以有效避免雨水对传感器和伺服缸等设备的侵蚀，增加工作人员站立在上平台上的安全性。

附图说明

图1为本发明一种具有波浪补偿功能的登靠装置在登靠工作状态时的三维结构示意图；

图2为图1所示本发明登靠装置在非工作状态时的结构示意图；

图3为图1中主动波浪补偿平台的结构示意图；

图4为图3中主动波浪补偿平台的连接原理及几何尺寸标注图；

图5为图4中上平台的连接原理及几何尺寸标注放大图；

图6为图4中下平台的连接原理及几何尺寸标注放大图；

图7为本发明登靠装置的控制原理图。

图中：1.步梯；2.步梯万向节；3.下平台；4.十字万向节；5.第一姿态传感器；6-1.第一线位移传感器；6-2.第二线位移传感器；6-3.第三线位移传感器；6-4.第四线位移传感器；6-5.第五线位移传感器；6-6.第六线位移传感器；7-1.第一伺服缸；7-2.第二伺服缸；7-3.第三伺服缸；7-4.第四伺服缸；7-5.第五伺服缸；7-6.第六伺服缸；8.上万向节；9.上平台；10.第二姿态传感器；11.舷梯支架；12.电机箱；13.舷梯万向节；14.滑轮；15.钢丝绳；16.钢丝绳固定环；17.舷梯；18.钩卡；19.舷梯角度传感器。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明包括主动波浪补偿平台、步梯1和舷梯17。主动波浪补偿平台上方是上平台9，下方是下平台3，上平台9和下平台3相互平行，下平台3通过螺栓固定在船舶的甲板上，在上平台9和下平台3之间连接六个伺服缸。

步梯1的上端通过步梯万向节2铰接上平台9，步梯1的下端支撑在船舶甲板上。作业人员通过步梯1从甲板登上主动波浪补偿平台的上平台9。在步梯1的对面是舷梯17，舷梯17一端通过万向节13铰接在主动波浪补偿平台中的上平台9上，舷梯17另一端是活动端，随着舷梯17绕万向节13旋转，通过舷梯万向节13可以改变舷梯17与上平台9之间的角度。如图2，舷梯17能够旋转到与上平台9垂直。

在上平台9上表面上固定有电机箱12和舷梯支架11，舷梯支架11靠近舷梯17的铰接端，舷梯支架11通过焊接垂直于上平台9上表面。舷梯支架11的上端固定安装滑轮14。电机箱12内置放有电机，电机输出轴连接钢丝绳15一端，钢丝绳15中间绕在舷梯支架11上的滑轮14上，钢丝绳15另一端通过钢丝绳固定环16固定连接舷梯17的另一端活动端上。舷梯17的另一端的端面处设有钩卡18，钩卡18在舷梯17登靠时连接其他船舶或海上风电塔；待连接平稳后，作业人员便可以安全的执行登靠任务。

在舷梯17上靠近铰接端处安装舷梯角度传感器19，用于检测舷梯17所转过的角度。在下平台3的重心位置处安装第一姿态传感器5，第一姿态传感器5通过螺栓固接在下平台3中间位置，用来测量船舶的横摇、纵摇和和升沉的运动参数。在上平台9上安装第二姿态传感器10，第二姿态传感器10通过螺栓固接在上平台9上，用来测量补偿后的上平台9的姿态值。

如图3所示，在主动波浪补偿平台的上平台9和下平台3之间连接六个伺服缸，分别是第一伺服缸7-1、第二伺服缸7-2、第三伺服缸7-3、第四伺服缸7-4、第五伺服缸7-5和第六伺服缸7-6。每个伺服缸的上端各通过一个上万向节8连接上平台9，每个伺服缸的上端各通过一个十字万向节4连接下平台3。在每个伺服缸上安装一个线位移传感器，分别是对应的第一线位移传感器6-1、第二线位移传感器6-2、第三线位移传感器6-3、第四线位移传感器6-4、第五线位移传感器6-5和第六线位移传感器6-6。六个伺服缸通过伸缩对上平台9进行横摇、纵摇和升沉的补偿，通过伺服缸7-1～7-6的伸缩和摇摆来实时补偿上平台9的横摇、纵摇和升沉，六个线位移传感器分别用来测量所在伺服缸的伸缩运动位移量。

如图4、5、6所示，为了清晰地表达六个伺服缸和上平台9、下平台3之间的安装关系，建立以上平台9中心为原点的坐标系和以下平台3中心为原点的坐标系。在图4中，为依序的六个伺服缸上端与上平台9的连接点，上端六个连接点位于半径为R1的圆周上。为依序的六个伺服缸下端与下平台3的连接点，下端这六个连接点位于半径为R2的圆周上，并且R2>R1。上平台9中心与下平台3中心之间的初始垂直距离为。

第一伺服缸7-1分别通过连接点、与上平台9、下平台3相连，第二伺服缸7-2分别通过连接点、与上平台9、下平台3相连，第三伺服缸7-3通过连接点、与上平台9、下平台3相连，第四伺服缸7-4通过连接点、与上平台9、下平台3相连，第五伺服缸7-5通过连接点、与上平台9、下平台3相连，第六伺服缸7-6通过连接点、与上平台9、下平台3相连。

如图5所示，在以上平台9中心为原点的坐标系中，各个连接点的位置分布如下：与轴夹角为，，且与关于轴对称，与轴夹角为，与之间的夹角为，和分别为和的角平分线，且和之间的夹角为；与关于轴对称，与关于轴对称。

如图6所示，在下平台3中心为原点的坐标系中，下端各个连接点的位置分布如下：与轴夹角为，，且与关于轴对称，与轴夹角为，与之间的夹角为，和分别为和的角平分线，且和之间的夹角为；与关于轴对称，与关于轴对称。

如图7所示，下平台3上安装的第一姿态传感器5和上平台9上安装的第二姿态传感器10分别经信号线连接运动控制器，分别将所检测参数输入运动控制器。运动控制器的输出端通过不同端口分别连接七个D/A模块，其中一个D/A模块的输出端经功率放大器连接电机，由电机带动钢丝绳15运动。另外的六个D/A模块的输出端分别依序连接功率放大器、电液伺服阀、伺服缸。六个电液伺服阀分别是电液伺服阀20、21、22、23、24、25，六个电液伺服阀一一对应地连接第一伺服缸7-1、第二伺服缸7-2、第三伺服缸7-3、第四伺服缸7-4、第五伺服缸7-5和第六伺服缸7-6。

运动控制器的输出端通过不同端口分别连接七个A/D模块，其中一个A/D模块连接舷梯角度传感器19，舷梯角度传感器19将检测到舷梯17与上平台9之间的角度经A/D模块输入运动控制器。另外六个A/D模块分别一一对应地连接六个线位移传感器6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6，六个线位移传感器6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6将所检测到的伺服缸的线位移参数输入运动控制器。

当需要执行登靠任务时，作业人员通过步梯1从船舶的甲板上登上主动波浪补偿平台的上平台9，由于船舶在海里工作受到风浪的影响会产生无规律的摇摆，为了保证作业人员在执行登靠任务时的平稳性和安全性，需要对船舶的横摇、纵摇和升沉进行实时补偿，具体如下：

登靠之前，舷梯17垂直于甲板，被固定连接在舷梯支架11上。由安装在下平台3重心位置的第一姿态传感器5测量船舶由风浪引发的横摇、纵摇和升沉值，将测得的姿态值通过数据总线RS422实时传输给运动控制器。运动控制器根据波浪补偿值的反解算法，求出船舶横摇、纵摇和升沉的补偿值。其中的反解算法是指：首先根据第一姿态传感器5测出船舶由风浪引起的运动姿态值（横摇、纵摇和升沉值），假设测出的船舶的运动姿态值分别为，然后根据测得的船舶运动姿态值分别求出六个伺服缸运动值，求出的六个伺服缸运动值分别为，为了抵消风浪对船舶的影响，必须控制六个伺服缸的运动补偿值与所求出的运动值相反，即（）；为补偿船舶横摇、纵摇和升沉六个伺服缸的运动补偿值。然后将求出的运动补偿值由数字信号经过D/A模块转换后变成模拟信号，模拟信号经功率放大器传输给电液伺服阀，六个电液伺服阀根据输入模拟信号输出相应的流量和压力分别控制相对应的六个伺服缸的伸缩，以此来实时补偿船舶由风浪引起的横摇、纵摇和升沉。

在六个伺服缸伸缩的同时，线位移传感器测量出对应的六个伺服缸的位移值和，；将测得的位移值和由模拟信号经A/D模块转换后变成数字信号，将转换后的数字信号再反馈给运动控制器。

运动控制器将六个伺服缸的位移值和反解算法求出的运动补偿值构成六个运动控制偏差，六个运动控制偏差分别是：、、、、和。运动控制器根据六个运动控制偏差分别对对应的六个伺服缸7-1、7-2、7-3、7-4、7-5、7-6进行闭环控制，以实现对船舶的横摇、纵摇和升沉进行实时补偿。

在对船舶的横摇、纵摇和升沉进行实时补偿后，利用第二姿态传感器10测量在波浪补偿后的上平台9的横摇、纵摇和升沉的运动姿态，并将测得的数据实时传输给运动控制器。要求测得的姿态值要在设定的范围内：，，，表示横摇值，表示纵摇值，表示升沉值。当测得的姿态值在设定的范围内时，运动控制器控制电机反转，电机带动钢丝绳15释放舷梯17，舷梯17随着钢丝绳15一起下放，绕万向节13逆时针旋转，旋转到运动控制器预设的角度A时，0＜A≤90°，运动控制器控制电机停转，并利用安装在舷梯17端部的钩卡18与其他船舶或者风电塔相连，待连接平稳后，作业人员便能安全地从舷梯17登上其他船舶或者风电塔。

当作业人员执行完登靠任务后，便从舷梯17回到上平台9中，再由步梯1回到甲板上。为了节约登靠装置在不工作状态时所占的空间，对舷梯17进行收回，运动控制器控制电机正转，电机带动钢丝绳15收回舷梯17，使舷梯17绕万向节13顺时针旋转，当舷梯角度传感器19检测到舷梯17相对上平台9收回旋转到预设的角度A时，电机停止运转，此时钢丝绳15不再收缩，舷梯17垂直于甲板，将舷梯17的扶梯插入上平台9上的扶梯槽孔中，再通过绳索或者插栓插入舷梯支架11底端的通孔内，将舷梯17固定在舷梯支架11上，对舷梯17和舷梯支架11进行二次固定。

Claims (6)

1.一种具有波浪补偿功能的登靠装置，包括主动波浪补偿平台、步梯（1）和舷梯（17），主动波浪补偿平台上方是上平台（9），下方是和下平台（3）平行的下平台（3），下平台（3）固定设在船舶的甲板上，在上平台（9）和下平台（3）之间连接六个伺服缸，每个伺服缸上端各通过一个上万向节（8）连接上平台（9），每个伺服缸上端各通过一个十字万向节（4）连接下平台（3），在每个伺服缸上装有一个线位移传感器；下平台（3）的重心位置装有第一姿态传感器（5），上平台（9）上装有第二姿态传感器（10），其特征是：舷梯（17）一端通过万向节（13）铰接上平台（9）上，舷梯（17）另一端是活动端；上平台（9）上表面上固定设有电机箱（12）和舷梯支架（11），舷梯支架（11）上端固定装有滑轮（14），电机箱（12）内置放有电机，电机输出轴连接钢丝绳（15）一端，钢丝绳（15）中间绕在舷梯支架（11）上的滑轮（14）上，钢丝绳（15）另一端通过钢丝绳固定环（16）固定连接舷梯（17）的活动端上；舷梯（17）上靠近铰接端处装有舷梯角度传感器（19），所述舷梯角度传感器（19）、电机、线位移传感器、第一姿态传感器（5）、第二姿态传感器（10）分别连接运动控制器。

2.根据权利要求1所述一种具有波浪补偿功能的登靠装置，其特征是：步梯（1）设在步梯（1）的对面，上端通过步梯万向节（2）铰接上平台（9），步梯（1）下端支撑在船舶甲板上。

3.根据权利要求1所述一种具有波浪补偿功能的登靠装置，其特征是：六个伺服缸上端与上平台（9）的连接点位于半径为R1的圆周上，六个伺服缸下端与下平台（3）的连接点位于半径为R2的圆周上，R2>R1。

4.一种如权利要求1所述具有波浪补偿功能的登靠装置的登靠方法，其特征是包括以下步骤：

A、登靠之前，舷梯（17）垂直于甲板且固定连接舷梯支架（11），运动控制器先控制主动波浪补偿平台对船舶的横摇、纵摇和升沉实时补偿，再控制电机反转，电机带动钢丝绳（15）释放舷梯（17），舷梯（17）绕万向节（13）逆时针旋转，当舷梯角度传感器（19）检测到舷梯（17）相对上平台（9）旋转到预设角度时，电机停止运转，进行登靠；

B、登靠结束后，运动控制器控制电机正转，电机带动钢丝绳（15）收回舷梯（17），舷梯（17）绕万向节（13）顺时针旋转，当舷梯角度传感器（19）检测到舷梯（17）相对上平台（9）旋转到预设角度时，舷梯（17）垂直于甲板，电机停止运转，将舷梯（17）固定在舷梯支架（11）上。

5.根据权利要求4所述的的登靠方法，其特征是：步骤A中，第一姿态传感器（5）测量船舶由横摇、纵摇和升沉值并传输给运动控制器，运动控制器根据波浪补偿值的反解算法求出横摇、纵摇和升沉值的运动补偿值，根据运动补偿值分别控制六个伺服缸的伸缩，在六个伺服缸伸缩的同时，线位移传感器测量出六个伺服缸的位移值并反馈给运动控制器，实现对船舶的横摇、纵摇和升沉实时补偿，运动控制器将六个伺服缸的位移值和反解算法求出的运动补偿值构成六个运动控制偏差，分别对对应的六个伺服缸进行闭环控制，实现对船舶的横摇、纵摇和升沉实时补偿。

6.根据权利要求4所述的的登靠方法，其特征是：步骤A中，对船舶的横摇、纵摇和升沉实时补偿后，第二姿态传感器（10）测量上平台（9）的横摇、纵摇和升沉的运动姿态并传输给运动控制器，当，，，是横摇值，是纵摇值，是升沉值，运动控制器控制电机反转。