CN106005278B - 具有六自由度波浪主动补偿功能的船用餐桌及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种船舶波浪补偿技术中的具有六自由度波浪主动补偿功能的船用餐桌及补偿方法，上平台的正上方是与其平行的旋转平台，旋转平台的正上方经桌脚固定连接桌面；旋转平台的中心处连接垂直的传动轴上端，传动轴下端有间隙地从上平台的中心孔中伸出且同轴固定连接液压马达的输出轴；传动轴下端处设有角度传感器，上平台和下平台之间连接五个伺服缸，一个伺服缸竖直连接于上平台和下平台的中心处，另外的四个伺服缸分别沿上平台和下平台的边缘圆周方向均匀布置且倾斜安装，竖直的伺服缸补偿升沉运动，四个倾斜的伺服缸补偿横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇运动，液压马达补偿偏航运动，在船体摇摆不定的状态下提供一个安全稳定的就餐平台。

Description

具有六自由度波浪主动补偿功能的船用餐桌及补偿方法

技术领域

本发明属于船舶波浪补偿技术，尤其涉及一种固联在船体上的具有波浪主动补偿功能的船用餐桌。

背景技术

船用餐桌与船体固联在一起，是目前海上船员就餐的工具，要求船用餐桌安全稳定。由于风浪的影响，海上作业的船舶会随波浪作无规律的摇摆晃动，餐桌也会产生无规律的摇摆晃动，严重影响了就餐人员的正常就餐及餐桌上器皿的安全。因此，必须采取适当措施对餐桌进行波浪补偿，以提高船用餐桌的工作可靠性。

常见的波浪主动补偿系统主要由传感器、控制器和执行器组成，其中控制器是系统的核心部分，由控制器根据传感器检测到的船舶的运动信号，产生一种与之大小相同、方向相反的驱动信号，以实现执行器对船舶进行波浪补偿。

现有的船上带有波浪补偿功能的餐桌，主要分为两类：一是波浪补偿平台为被动补偿平台，采用弹簧阻尼系统补偿船体的摇摆和升沉，精度较低，具有严重的滞后性；二是常规的主动补偿平台，只能对船体的横摇、纵摇和升沉三个自由度进行补偿，无法补偿横荡、纵荡、偏航这三个自由度。

发明内容

本发明旨在提供一种基于波浪补偿平台的具有主动补偿功能的船用餐桌，能对横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇和偏航这六个六自由度进行实时补偿，为就餐人员提供一个稳定的就餐环境。本发明同时提供该船用餐桌的波浪主动补偿方法。

本发明具有六自由度波浪主动补偿功能的船用餐桌采用的技术方案是：包含桌面、桌脚和和波浪补偿平台，波浪补偿平台由上平台、下平台和伺服缸组成，上平台和下平台相互平行，下平台固定连接船体的甲板，上平台的正上方是与其平行的旋转平台，旋转平台的正上方经桌脚固定连接桌面；旋转平台的中心处连接垂直的传动轴上端，传动轴下端有间隙地从上平台的中心孔中伸出且同轴固定连接液压马达的输出轴；传动轴下端处设有角度传感器，在下平台靠近重心位置处设有姿态传感器；上平台和下平台之间连接五个伺服缸，其中一个伺服缸竖直连接于上平台和下平台的中心处，另外的四个伺服缸分别沿上平台和下平台的边缘圆周方向均匀布置且倾斜安装，每个伺服缸上设置一个线位移传感器；姿态传感器输出端通过信号线连接运动控制器输入端，运动控制器经不同的端口分别连接六个D/A转换器和六个A/D转换器，其中一个D/A转换器的输出端依次串接对应的功率放大器、电液伺服阀后连接液压马达，另外五个D/A转换器的输出端各自依次串接对应的功率放大器、电液伺服阀后连接对应的五个伺服缸的输入端；其中一个A/D转换器连接角度传感器，另外五个A/D转换器各自连接对应的五个线位移传感器。

所述船用餐桌的波浪主动补偿方法采用的技术方案是：通过姿态传感器测量船体的横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇和偏航的运动姿态值、、、、、，并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计算出横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇和偏航的补偿值，将补偿值传输给电液伺服阀，电液伺服阀控制五个伺服缸和一个液压马达运动，一个竖直的伺服缸补偿升沉运动，四个倾斜的伺服缸补偿横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇运动；液压马达补偿偏航运动，实现船用餐桌的六自由度补偿。

进一步地，当且，有偏航运动时，控制器控制五个伺服缸不动作、液压马达动作；当且，有纵摇运动时，控制器控制相对布置的第二伺服缸和第四伺服缸动作，其他三个伺服缸和液压马达不动作；当且，有横摇运动时，控制器控制相对布置的第一伺服缸和第三动作，其余三个伺服缸和液压马达不动作；当且，仅有升沉运动时，控制器控制竖直的伺服缸先动作，再控制四个倾斜的伺服缸后动作；当且，仅有纵荡运动时，控制器控制第二伺服缸和第四伺服缸先动作，再控制其余三个伺服缸后动作；当且，仅有横荡运动时，控制器控制第一伺服缸和第三伺服缸先动作，再控制其余三个伺服缸后动作。

本发明的优点是：

1、本发明在实时补偿船体的横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇和偏航的同时也能够全面实时补偿了餐桌的六个六自由度的运动，能够在恶劣的海况下，在船体摇摆不定的状态下，为就餐人员提供一个安全稳定的就餐平台。

2、本发明中的波浪补偿平台采用中心一个伺服缸竖直安装、四个伺服缸倾斜安装、液压马达安装在上平台形心的布局方式，可以实现对船体六个自由度的高精度补偿，具有稳定性高、承载能力强、补偿范围广、一体化等特点。

附图说明

图1为本发明一种具有六自由度主动补偿功能的船用餐桌的结构示意图；

图2为图1中旋转平台7及关联部件图；

图3为图1中波浪补偿平台的几何尺寸标注图；

图4为图1的控制原理图；

图中: 1.下平台；2.球铰；3-1.第一伺服缸；3-2.第二伺服缸；3-3.第三伺服缸；3-4.第四伺服缸；3-5.第五伺服缸；4-1.线位移传感器；4-2.线位移传感器；4-3.线位移传感器；4-4.线位移传感器；4-5.线位移传感器；5.球铰；6.上平台；7.旋转平台；8.餐椅；9.桌面；10.传动轴；11.桌脚；12.液压马达；13.角度传感器；14.姿态传感器。

具体实施方式

参见图1，本发明包含桌面9、桌脚11、旋转平台7和波浪补偿平台，波浪补偿平台由上平台6、下平台1和伺服缸组成，下平台1在上平台6的正下方，下平台1与上平台6相互平行，下平台1通过螺栓固定在船体的甲板上。上平台6和下平台1均为圆形，下平台1外径大于上平台6的外径。旋转平台7在上平台6的正上方，与上平台6平行。旋转平台7为圆形，其中心处连接垂直的传动轴10的上端，传动轴10的下端向下，有间隙地从上平台6的中心孔中伸出，传动轴10的下端同轴固定连接液压马达12的输出轴。在上平台6的下方设置液压马达12，在液压马达12的输出轴上或者在传动轴10的下端安装角度传感器13，用于检测旋转平台7的转动角度。在下平台1靠近重心位置处安装姿态传感器14，姿态传感器14用于测量船体的横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇和偏航的运动参数。

在下平台1和下平台1之间连接5个伺服缸，在每个伺服缸上设置一个线位移传感器。每个伺服缸的上端都通过一个上球铰5连接上平台6，每个伺服缸的下端通过都一个下球铰2连接下平台1。5个伺服缸分别是伺服缸3-1、伺服缸3-2、伺服缸3-3、伺服缸3-4和伺服缸3-5，5个伺服缸上对应的线位移传感器分别是线位移传感器4-1、线位移传感器4-2、线位移传感器4-3、线位移传感器4-4和线位移传感器4-5。

5个伺服缸中，其中一个伺服缸3-5的上端通过一个上球铰5连接于上平台6的中心处、下端通过一个下球铰2连接于下平台1的中心处，使该伺服缸竖直安装，垂直于上平台6和下平台1。另外的四个伺服缸3-1、3-2、3-3、3-4分别沿上平台6和下平台1的外边缘圆周方向均匀布置，倾斜安装。竖直的伺服缸3-5主要承担上平台6的载荷，同时补偿船体的升沉运动；上平台6的绝大部分载荷放在了竖直伺服缸3-5上，四个倾斜的伺服缸3-1、3-2、3-3、3-4只需承担少量载荷，四个倾斜的伺服缸3-1、3-2、3-3、3-4主要用于补偿船体的横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇运动；液压马达12用于补偿船体的偏航运动。

参见图2，在旋转平台7的正上方固定连接桌脚11，通过桌脚11固定桌面9。在桌面9的四周是餐椅8，餐椅8固定在旋转平台7上。当旋转平台7转动时，带动桌脚11、桌面9和餐椅8一起同步旋转。

参见图3所示，在上平台6的中心处开有一个半径为r的通孔，半径r大于传动轴10的半径，传动轴10从通孔中穿过。建立以上平台6的中心为原点的静坐标系和以下平台1的中心为原点的动坐标系。在上平台6上, 中心为竖直的伺服缸3-5上端与上平台6的连接点，四个倾斜的伺服缸3-1、3-2、3-3、3-4与上平台6的连接点是，，四个连接点、、、位于半径为的圆周上，并且沿半径为的圆周均匀布置。在下平台1中，中心为竖直的伺服缸3-5下端与下平台1的连接点，四个倾斜的伺服缸3-1、3-2、3-3、3-4与下平台1的连接点是，，四个连接点、、、位于半径为的圆周上，并且沿半径为的圆周均匀布置，。液压马达12的输出轴与Z轴重合，则扭矩的作用效率最高。下平台1与船体甲板的固定螺栓安装在半径为L的圆周上，L 。上平台6与下平台1的初始垂直距离为。

伺服缸3-1通过连接点和分别与上平台6和下平台1台相连，伺服缸3-2通过连接点和分别与上平台6和下平台1台相连，伺服缸3-3通过连接点和分别与上平台6和下平台1台相连，伺服缸3-4通过连接点和分别与上平台6和下平台1台相连，伺服缸3-5通过连接点和分别与上平台6和下平台1台相连。

参见图4，姿态传感器14的输出端通过信号线连接运动控制器的输入端，运动控制器经不同的端口分别连接六个D/A转换器和六个A/D转换器，六个D/A转换器中的其中一个D/A转换器的输出端依次串接功率放大器、电液伺服阀20后连接液压马达12，另外的五个D/A转换器的输出端各自依次串接对应的功率放大器、电液伺服阀15、16、17、18、19后再各自连接对应的五个伺服缸3-1、3-2、3-3、3-4、3-5的输入端；电液伺服阀15、16、17、18、19分别控制相应的伺服缸的伸缩，电液伺服阀20控制液压马达12的传动，通过伺服缸的往复伸缩对风浪引起的船体的横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇进行实时补偿，通过液压马达12的旋转对船体的偏航进行实时补偿。六个A/D转换器中的其中一个A/D转换器连接角度传感器13，另外的五个A/D转换器5各自连接对应的五个线位移传感器4-1、4-2、4-3、4-4、4-5。姿态传感器14选用SMC的IMU-108传感器，5个伺服缸选用HSGK01-80/dE双向伺服缸，电液伺服阀选用MOOG-D663-4025电液伺服阀，线位移传感器选用的型号是LWH-0450；液压马达12选用BMR-50；角度传感器13选用WDD35D4；球铰2和球铰5选用SI20型球铰；运动控制器选用M3000MOOG控制系统。

当船舶随波浪摇摆晃动时，通过姿态传感器14测量船体由风浪引起的横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇和偏航的运动姿态值，并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计算出横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇和偏航补偿值，将算出的波浪补偿值由数字信号转换成模拟信号，模拟信号经功率放大器后传输给电液伺服阀，电液伺服阀根据处理后的模拟信号控制五个伺服缸3-1、3-2、3-3、3-4、3-5和液压马达12的运动，实现对船舶横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇和偏航的实时补偿。

运动控制器根据反解算法计算补偿值的方法是：根据测出的运动姿态值，，分别求出伺服缸3-1、伺服缸3-2、伺服缸3-3、伺服缸3-4、伺服缸3-5和液压马达12的运动值。其中，横荡的运动姿态值是、纵荡的运动姿态值是、升沉的运动姿态值是、横摇的运动姿态值是、纵摇的运动姿态值是、偏航的运动姿态值是。五个伺服缸3-1、3-2、3-3、3-4、3-5的初始长度分别为，为了抵消船舶在风浪作用下产生的横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇运动，需要控制五个伺服缸3-1、3-2、3-3、3-4、3-5的运动对船体的横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇进行反向补偿。控制器计算得到五个伺服缸对船体实施补偿后最终长度为，则五个伺服缸的理论运动补偿值为=，。液压马达12的初始角度为，为抵消抵消船舶在风浪作用下产生的偏航运动，需要控制液压马达12对船体进行反向补偿，根据姿态传感器14采集到的运动数据，控制器计算得到液压马达12对船体的偏航实时补偿后，最终角度为，则液压马达12的理论旋转角度补偿值为=。

将理论补偿值和经伺服放大器传输给6个电液伺服阀15、16、17、18、19、20，6个电液伺服阀根据输入的模拟信号输出相应的流量和压力，分别控制对应的伺服缸和液压马达12运动，实现对船体六自由度补偿。

当且时，即船体仅有偏航运动，此时船体围绕Z轴发生转动，控制器控制五个伺服缸3-1、3-2、3-3、3-4、3-5不工作，保持静止，五个伺服缸3-1、3-2、3-3、3-4、3-5用于承受餐桌的负载。控制器控制液压马达12工作，对船体的偏航运动进行补偿，液压马达12旋转产生绕Z轴的扭矩，带动旋转平台7围绕Z轴旋转，液压马达12用于对船体偏航运动进行补偿。当且时，即船体仅有纵摇运动时，控制器控制相对布置的伺服缸3-2和3-4动作，其他3个伺服缸和液压马达12不动作， 伺服缸3-2和3-4承担对上平台6的纵摇补偿任务，其他伺服缸主要承担上平台6的载荷，由于伺服缸3-2和3-4基本不承担上平台6的载荷，故动作比较灵敏。当且时，即船体仅有横摇运动，控制器控制相对布置的伺服缸3-1和3-3动作，通过伺服缸3-1和3-3的伸缩对船体的纵摇进行补偿，其他3个伺服缸和液压马达12不动作。此时，伺服缸3-1和3-3承担对上平台6的纵摇补偿任务，其他伺服缸主要承担上平台6的载荷，由于伺服缸3-1和3-3基本不承担上平台6的载荷，故动作比较及时。当且时，即船体仅有升沉运动时，控制器控制中间竖直的伺服缸3-5先动作，对船体的升沉运动实施补偿后，再控制四个倾斜的伺服缸3-1、伺服缸3-2、伺服缸3-3、伺服缸3-4随后动作，四个倾斜的伺服缸动作时间相对于竖直的伺服缸3-5的动作时间点滞后时间T秒，T远远小于姿态传感器14的采样周期。此时，竖直的伺服缸3-5承担了对上平台6的大部分载荷和升沉补偿任务，四个倾斜的伺服缸随后跟进，承担了上平台6的少部分载荷，同时保证竖直伺服缸3-5不发生失稳，竖直伺服缸3-5对船体进行升沉补偿时，作用力为轴向力，效率最高。当且时，即船体仅有纵荡运动时，此时伺服缸3-2和伺服缸3-4首先动作，对船体的纵荡进行补偿，伺服缸3-1、伺服缸3-3、伺服缸3-5随后动作，伺服缸3-1、伺服缸3-3、伺服缸3-5的动作时间点相对于伺服缸3-2和伺服缸3-4的动作时间点滞后时间段也是T秒，此时，倾斜的伺服缸3-2和伺服缸3-4承担对船体纵荡的补偿任务，竖直的伺服缸3-5承担上平台6的载荷，与伺服缸3-1和伺服缸3-3一起动作，保证平台对船体的纵荡补偿安全有效。当且即船体仅有横荡运动时，此时伺服缸3-1和伺服缸3-3首先动作，对船体的纵荡进行补偿，伺服缸3-2、伺服缸3-4、伺服缸3-5随后动作，伺服缸3-2、伺服缸3-4、伺服缸3-5的动作时间点相对于伺服缸3-1和伺服缸3-3的动作时间点滞后时间段也是T秒，此时，倾斜的伺服缸3-1和伺服缸3-3承担对船体横荡的补偿任务，竖直的伺服缸3-5承担上平台6的载荷，与伺服缸3-2和伺服缸3-4一起动作，保证平台对船体的横荡补偿安全有效。

伺服缸和液压马达12运动的同时，利用对应的线位移传感器测量伺服缸的实际位移值，，通过角度传感器13测量液压马达12的实际角位移值，将测得的位移值和角位移值由模拟信号模数转换后变成数字信号，将转换后的数字信号反馈给控制器。控制器将反馈的伺服缸的实际位移值与反解算法求出的理论补偿值进行比较，将液压马达12的实际角位移值与反解算法求出的理论补偿值进行比较，得到运动控制偏差分别是、。控制器根据运动控制偏差和分别对5个伺服缸和1个液压马达12进行PID闭环控制，以提高上平台6对船舶横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇和偏航运动的补偿精度，确保餐桌平稳。

Claims (6)

1.一种具有六自由度波浪主动补偿功能的船用餐桌，包含桌面、桌脚和波浪补偿平台，波浪补偿平台由上平台（6）、下平台（1）和伺服缸组成，上平台（6）和下平台（1）相互平行，下平台（1）固定连接船体的甲板，其特征是：上平台（6）的正上方是与其平行的旋转平台（7），旋转平台（7）的正上方经桌脚固定连接桌面；旋转平台（7）的中心处连接垂直的传动轴（10）上端，传动轴（10）下端有间隙地从上平台（6）的中心孔中伸出且同轴固定连接液压马达（12）的输出轴；传动轴（10）下端处设有角度传感器（13），在下平台（1）靠近重心位置处设有姿态传感器（14）；上平台（6）和下平台（1）之间连接五个伺服缸，其中一个伺服缸（3-5）竖直连接于上平台（6）和下平台（1）的中心处，另外的四个伺服缸（3-1、3-2、3-3、3-4）分别沿上平台（6）和下平台（1）的边缘圆周方向均匀布置且倾斜安装，每个伺服缸上设置一个线位移传感器；姿态传感器（14）输出端通过信号线连接运动控制器输入端，运动控制器经不同的端口分别连接六个D/A转换器和六个A/D转换器，其中一个D/A转换器的输出端依次串接对应的功率放大器、电液伺服阀后连接液压马达（12），另外五个D/A转换器的输出端各自依次串接对应的功率放大器、电液伺服阀后连接对应的五个伺服缸的输入端；其中一个A/D转换器连接角度传感器（13），另外五个A/D转换器各自连接对应的五个线位移传感器。

2.根据权利要求1所述具有六自由度波浪主动补偿功能的船用餐桌，其特征是：四个倾斜的伺服缸与上平台（6）的四个连接点位于半径为的圆周上，四个倾斜的伺服缸与下平台（1）的四个连接点位于半径为的圆周上，。

3.根据权利要求2所述具有六自由度波浪主动补偿功能的船用餐桌，其特征是：上平台（6）和下平台（1）均为圆形，下平台（1）外径大于上平台（6）的外径。

4.一种如权利要求1所述具有六自由度波浪主动补偿功能的船用餐桌的波浪主动补偿方法，其特征是：通过姿态传感器（14）测量船体的横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇和偏航的运动姿态值、、、、、，并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计算出横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇和偏航的补偿值，将补偿值传输给电液伺服阀，电液伺服阀控制五个伺服缸（3-1、3-2、3-3、3-4、3-5）和一个液压马达（12）运动，一个竖直的伺服缸（3-5）补偿升沉运动，四个倾斜的伺服缸（3-1、3-2、3-3、3-4）补偿横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇运动；液压马达（12）补偿偏航运动，实现船用餐桌的六自由度补偿。

5.根据权利要求4所述具有六自由度波浪主动补偿功能的船用餐桌的波浪主动补偿方法，其特征是：当且，有偏航运动时，控制器控制五个伺服缸不动作、液压马达（12）动作；当且，有纵摇运动时，控制器控制相对布置的第二伺服缸（3-2）和第四伺服缸（3-4）动作，其他三个伺服缸和液压马达（12）不动作；当且，有横摇运动时，控制器控制相对布置的第一伺服缸（3-1）和第三伺服缸（3-3）动作，其余三个伺服缸和液压马达（12）不动作；当且，仅有升沉运动时，控制器控制竖直的伺服缸（3-5）先动作，再控制四个倾斜的伺服缸后动作；当且，仅有纵荡运动时，控制器控制第二伺服缸（3-2）和第四伺服缸（3-4）先动作，再控制其余三个伺服缸后动作；当且，仅有横荡运动时，控制器控制第一伺服缸（3-1）和第三伺服缸（3-3）先动作，再控制其余三个伺服缸后动作。

6.根据权利要求5所述具有六自由度波浪主动补偿功能的船用餐桌的波浪主动补偿方法，其特征是：后动作的伺服缸相对先动作的伺服缸的滞后时间小于姿态传感器（14）的采样周期。