CN106494577B - 一种人行栈桥主动波浪补偿装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种人行栈桥主动波浪补偿装置，包括升降基座，承载台一端可旋转地设于升降基座上，承载台另一端悬空；伸缩支撑杆的一端固定于升降基座上，伸缩支撑杆的另一端固定于承载台底面；MRU传感器垂直固定于升降基座上；测距传感器设于承载台悬空的最远段底面，并将距离探测方向设为向下的方向；升降基座上还设有用于根据MRU传感器和测距传感器所测参数，控制伸缩支撑杆及升降基座动作的控制器。本发明还提供了一种人行栈桥主动波浪补偿方法。本发明提供的装置及方法原理简单、结构清晰，实施方便，成本低廉，可以有效降低因浮体随波浪起伏摇摆造成的栈桥颠簸，提高了人员通行的效率和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种人员栈桥主动波浪补偿装置及方法，尤其涉及一种应用于海上两个浮体之间人员和物资交流栈桥的主动波浪补偿装置及方法。
背景技术
在海上经常需要人员在两个浮体之间或固定物与浮体之间进行交流，比如引水员需要进入服务船只引航、舰船临时停靠不规则岸边进行补给、舰船与大型浮体进行人员补充替换，等等。为此，需要在二者之间架设小型临时栈桥供人员通行。而由于海上不免有海浪，有时甚至是大浪，由此而导致栈桥起伏颠簸，人员物资移动不便，甚至导致危险发生。如果能够跟随海浪的起伏，主动调整栈桥桥身的相对姿态，就能最大限度减少桥身因波浪而导致的起伏颠簸，进而提高人员物资通行效率，减少可能的人员伤害。
目前，关于波浪补偿的研究与开发已经非常深入，但是都集中在吊装过程中波浪升沉补偿方面。
比如中国专利号2012102199684所载专利公开的“主动升沉波浪补偿控制系统和控制方法”，采用波浪频谱分析加上波浪升沉趋势预测算法，在引入卡尔曼滤波的情况下，取得了很好的补偿效果。
又比如中国专利号2014102404279所载专利公开了一种“基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统及方法”，通过同时采集浮体升沉和海面波浪运动波形，在趋势预测与判断的基础上判定吊装负载如水时机，取得了很好的实际效果。
在人行的栈桥主动波浪补偿方面，尚未见有关专利。中国专利申请号201610270241.7所载专利公开了“一种波浪补偿智能登乘装置”，利用油缸及配套储能装置，实现了登乘装置的被动波浪补偿。
对于浮体与固定岸之间、浮体与半固定平台(如海上钻井平台)之间以及两个浮体之间架设的人行栈桥的主动波浪补偿，国内专利文献比较少见。
本发明正是为了实现海上高效安全人员通行栈桥该需求而产生的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可以进行主动波浪补偿的人员通行栈桥主动波浪补偿装置及方法，以提高海上浮体之间人员通行的效率和安全性。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种人行栈桥主动波浪补偿装置，其特征在于：包括升降基座，承载台一端可旋转地设于升降基座上，承载台另一端悬空；伸缩支撑杆的一端固定于升降基座上，伸缩支撑杆的另一端固定于承载台底面；MRU传感器垂直固定于升降基座上；测距传感器设于承载台悬空的最远段底面，并将距离探测方向设为向下的方向；
升降基座上还设有用于根据MRU传感器和测距传感器所测参数，控制伸缩支撑杆及升降基座动作的控制器。
优选地，所述基座由底盘和升降柱两部分构成，升降柱垂直固定于底盘上。
更优选地，所述承载台一端通过轴挂接在所述升降柱上；所述伸缩支撑杆的一端固定于所述底盘上。
优选地，所述控制器由微控制单元MCU、操作按键、控制接口三部分构成，微控制单元MCU连接操作按键和控制接口，所述升降柱、伸缩支撑杆、MRU传感器和测距传感器均与控制接口连接。
更优选地，所述MCU为DSP芯片或可编程控制器。
优选地，所述升降柱、伸缩支撑杆都是可以用弱电信号控制进行伸缩的机构，如电控油缸、电控大推力直线电机等。
更优选地，所述升降柱、伸缩支撑杆通过直线电机实现电控伸缩，或通过电控液压传动装置实现伸缩驱动。
优选地，所述升降基座的底盘直接固定在浮体表面，或固定在旋转台上。
本发明还提供了一种人行栈桥主动波浪补偿方法，其特征在于：采用上述的人行栈桥波浪补偿装置，栈桥固定在承载台上，升降基座固定在栈桥下方一侧的浮体表面，测距传感器伸到栈桥下方另一侧的浮体表面上方；栈桥与承载台为紧密结合，栈桥的控制姿态完全跟随承载台而变化；当波浪补偿尚未启动时，通过控制器的操作按键直接控制升降柱的升降和伸缩支撑杆的伸缩动作；当波浪补偿启动之后，装置进入主动补偿状态；主动补偿的步骤如下：
步骤1：装置上电，MCU不断采集MRU传感器检测的浮体升沉位移和俯仰角度数据、测距传感器检测的距离数据；
步骤2：根据测距传感器测到的距离S与事先设置的最小安全距离D之间的偏差情况，计算升降柱和伸缩支撑杆的升降/伸缩执行参数；
步骤3：对浮体升沉位移波动数据进行快速傅里叶变换处理，根据控制精度，取得主要功率谱的幅度参数序列；根据参数序列计算下一个动作周期的升沉位移预测数值；如果主动补偿已经启动，则根据升沉位移预测数值，计算升降柱和伸缩支撑杆的升降/伸缩动作参数；
步骤4：对浮体俯仰角度波动数据进行快速傅里叶变换处理，根据控制精度，再次取得主要功率谱的幅度参数序列；根据再次取得的参数序列计算下一个动作周期的俯仰角度预测数值；如果主动补偿已经启动，则根据俯仰角度预测数值，计算升降柱和伸缩支撑杆的升降/伸缩动作参数；
步骤5：结合动态补偿已经启动状态和上一个周期参数执行情况与实际检测的值之间的差异情况，合并计算步骤2、步骤3、步骤4计算出的动作参数，得到最终执行参数，并将其传给升降柱和伸缩支撑杆执行实际升降/伸缩动作；
步骤6：查看是否有按键停止波浪补偿，如果没有则采集MRU检测的浮体升沉位移和俯仰角度数据、测距传感器的距离数据，回到步骤2；否则结束主动波浪补偿，回到手动操控的状态
优选地，所述步骤2中，当测距传感器测到的距离S小于事先设置的最小安全距离D时，无条件驱动升降柱升起，同时伸缩支撑杆伸展；当升降柱升到极限值时，在伸缩支撑杆伸展长度小于设定的极限值时，继续驱动伸缩支撑杆伸展，使得栈桥在安全的前提下适当上翘，避免栈桥与浮体之间的碰撞挤压。
优选地，所述步骤2中，当测距传感器测到的距离S大于事先设置的最小安全距离D时，进行逆向调节，驱动升降柱下降，同时伸缩支撑杆收缩。
本发明通过软件运行在控制器上，接受操作按键的操作指令，设置波浪补偿初始条件和运行、停止波浪补偿动作，达到了以下三个控制目标：一是保证测距传感器测到的距离(也就是人行栈桥与浮体之间的距离)大于安全距离，以免发生碰撞或挤压事故；二是通过调节栈桥动态俯仰，抵消浮体俯仰导致栈桥的俯仰变化；三是提高了海上浮体之间人员通行的效率和安全性。
本发明提供的装置及方法原理简单、结构清晰，实施方便，成本低廉，可以有效降低因浮体随波浪起伏摇摆造成的栈桥颠簸，提高了人员通行的效率和安全性。
附图说明
图1为本实施例提供的人行栈桥主动波浪补偿装置立体示意图；
图2为本实施例提供的人行栈桥主动波浪补偿装置主视图；
图3为基座结构示意图；
图4为控制器结构示意图；
图5为人行栈桥主动波浪补偿装置搭载栈桥示意图；
图6为人行栈桥主动波浪补偿方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
图1和图2分别为本实施例提供的人行栈桥主动波浪补偿装置立体示意图和主视图，所述的人行栈桥主动波浪补偿装置由承载台1、升降基座2、控制器3、伸缩支撑杆4、MRU传感器5和测距传感器6共七部分构成。
承载台1为长方形平台，用于承载人员通行栈桥。
结合图3，升降基座2由底盘201和升降柱202两部分构成。两个升降柱202垂直固定在底盘201上，上部设置机构用于固定承载台1。
承载台1一端用支撑轴挂接在升降基座2的升降柱202上，另外一端悬空；伸缩支撑杆4一端固定在升降基座2的底盘201上，另一端固定在承载台1底面，并沿宽度方向对称分布；MRU(Motion Reference Unit)传感器5垂直固定在升降基座2的底盘201上；测距传感器6安装在承载台1悬空的最远段底面，并将距离探测方向设为向下的方向。
结合图4，控制器3由MCU、操作按键、控制接口三部分构成。升降柱202、伸缩支撑杆4、MRU传感器5和测距传感器6分别接入控制器3的控制接口。
图5为人行栈桥主动波浪补偿装置搭载栈桥示意图，栈桥A固定在承载台1上，基座2固定在栈桥下方一侧的第一浮体B表面，测距传感器6伸到栈桥下方另一侧的第二浮体C表面上方。栈桥A与承载台1为紧密结合，栈桥A的控制姿态完全跟随承载台1而变化。
实施时，控制器3的MCU可使用DSP芯片、可编程控制器等，MRU传感器能够高速检测浮体升沉位移变化量、俯仰角度变化量并将数据传递给MCU；升降柱202、伸缩支撑杆4可以采用大力直线电机实现电控伸缩，也可以采用电控液压传动装置实现伸缩驱动；MRU传感器5可以采用商业化的船体MRU成品；测距传感器7可以采用激光测距传感器；升降基座2的底盘201可以直接固定在浮体表面，也可以固定在旋转台上，以提供旋转随动性能便于部署。
本发明提供的人行栈桥主动波浪补偿方法以计算机软件的形式实现，该软件运行在控制器3上。该软件接受操作按键的操作指令、设置波浪补偿初始条件和运行参数、启动和停止波浪补偿动作。装置上电后，MCU自动持续高速采集MRU检测的参数，持续分析浮体升沉、俯仰波形，并模拟预测其波形。当波浪补偿尚未启动时，按键能够直接控制升降柱和伸缩支撑杆的升降/伸缩动作。当按下波浪补偿启动按钮之后，装置进入自动补偿状态。
自动进行主动波浪补偿的方法如下：
一、主动波浪补偿的控制目标
控制目标是在保证栈桥安全的前提下，尽量保证栈桥的平稳，也就是减少上下起伏和动态俯仰；具体来说有以下三个目标：
1)一是保证测距传感器测到的距离(也就是人行栈桥与浮体之间的距离)大于安全距离，以免发生碰撞或挤压事故；
2)二是通过调节栈桥动态升沉，抵消浮体升沉导致栈桥的起伏；
3)三是通过调节栈桥动态俯仰，抵消浮体俯仰导致栈桥的俯仰变化。
二、主动波浪补偿方法
采用下列方法实现上述三个目标：
1、保证测距传感器测到的距离大于安全距离的方法
1)当发现保证测距传感器测到的距离S小于事先设置的最小安全距离D时，无条件驱动双柱升降基座的升降柱升起，同时伸缩支撑杆伸展；设升降柱升起的速度为v1，伸缩支撑杆伸展速度为v2，则v2＝t*v1，避免承载平台与升降柱之间的角度关系，以尽量保证栈桥不会过度俯仰；t为具体实现时伸缩支撑杆安装角度和长度与升降柱之间的动态三角几何关系函数。
2)当升降柱升到级限制时，在伸缩支撑杆伸展长度小于实现设定的极限值时，继续驱动伸缩支撑杆伸展，使得栈桥在安全的前提下适当上翘；最大限度避免栈桥与浮体之间的碰撞挤压。
3)当发现保证测距传感器测到的距离S大于事先设置的最小安全距离D时，进行逆向调节，即缓慢驱动双柱升降基座的升降柱下降，同时伸缩支撑杆收缩。
2、通过调节栈桥动态升沉，抵消浮体升沉导致栈桥的起伏的方法：
装置上电起，MCU就不断采集MRU检测的浮体升沉位移信息；然后执行下述步骤：
步骤2.1：对浮体升沉位移波动数据进行快速傅里叶变换处理，根据控制精度，取得主要功率谱的幅度参数序列(a1，a2，...，an)；
步骤2.2：根据参数序列(a1，a2，...，an)计算下一个动作周期的升沉位移预测数值；
步骤2.3：如果动态补偿已经启动，则根据上述升沉位移预测数值，计算双柱升降基座的升降柱和伸缩支撑杆的升降/收缩动作参数，传递给综合执行软件模块；
步骤2.4：综合执行软件模块根据上一个周期动作参数执行情况与实际测量的升沉位移之间的偏差计算本次调节的执行参数，并结合其它来源的执行参数(俯仰主动补偿部分计算的参数)，计算出最终升降柱和伸缩支撑杆的升降/收缩动作参数，然后将参数传递给升降柱和伸缩支撑杆执行升降/收缩动作；
步骤2.5：继续获取MRU最新检测值，回到上述最初步骤；直至动态补偿被终止。
3、通过调节栈桥动态俯仰，抵消浮体俯仰导致栈桥的俯仰变化。
装置上电起，MCU就不断采集MRU检测的浮体俯仰角度信息；然后执行下述步骤：
步骤3.1：对浮体俯仰角度波动数据进行快速傅里叶变换处理，根据控制精度，取得主要功率谱的幅度参数序列(b1，b2，...，bn)；
步骤3.2：根据参数序列(b1，b2，...，bn)计算下一个动作周期的俯仰角度预测数值；
步骤3.3：如果动态补偿已经启动，则根据上述俯仰角度预测数值，计算双柱升降基座的升降柱和伸缩支撑杆的升降/收缩动作参数，传递给综合执行软件模块；
步骤3.4：综合执行软件模块根据上一个周期动作参数执行情况与实际测量的俯仰角度之间的偏差计算本次调节的执行参数，并结合其它来源的执行参数(升沉主动补偿部分计算的参数、测距传感器的距离参数)，计算出最终升降柱和伸缩支撑杆的升降/收缩动作参数，然后将参数传递给升降柱和伸缩支撑杆执行升降/收缩动作；
步骤3.5：继续获取MRU最新检测值，回到上述最初步骤；直至动态补偿被终止。
将上述三个目标的实现方法合并，就得到人行栈桥动态波浪补偿的全局方法。图6用流程图的方法辅助描述了人行栈桥主动波浪补偿控制流程，图中以装置上电开始，按照流程先后进行：
1)装置上电，MCU就不断采集MRU检测的浮体升沉位移和俯仰角度数据、距离传感器的距离数据；
2)根据测距传感器测到的距离S与事先设置的最小安全距离D之间的偏差情况，计算升降柱和伸缩支撑杆的升降/伸缩执行参数；
3)对浮体升沉位移波动数据进行快速傅里叶变换处理，根据控制精度，取得主要功率谱的幅度参数序列(a1，a2，...，an)；根据参数序列(a1，a2，...，an)计算下一个动作周期的升沉位移预测数值；如果动态补偿已经启动，则根据升沉位移预测数值，计算双柱升降基座的升降柱和伸缩支撑杆的升降/收缩动作参数；
4)对浮体俯仰角度波动数据进行快速傅里叶变换处理，根据控制精度，取得主要功率谱的幅度参数序列(b1，b2，...，bn)；根据参数序列(b1，b2，...，bn)计算下一个动作周期的俯仰角度预测数值；如果动态补偿已经启动，则根据俯仰角度预测数值，计算双柱升降基座的升降柱和伸缩支撑杆的升降/收缩动作参数；
5)结合动态补偿已经启动状态和上一个周期参数执行情况与实际检测的值之间的差异情况，合并计算上述三个步骤计算出的动作参数，得到最终执行参数，并将其传给升降柱和伸缩支撑杆执行实际升降/收缩动作。
6)查看是否有按键停止波浪补偿，如果没有则采集MRU检测的浮体升沉位移和俯仰角度数据、距离传感器的距离数据，回到步骤2)；否则结束主动波浪补偿，回到手动操控的状态。
仿真结果表明，通过上述措施，可以有效降低因浮体随波浪起伏摇摆造成的栈桥颠簸，提高人员通行的效率和安全性。
Claims (9)
1.一种人行栈桥主动波浪补偿方法，采用人行栈桥主动波浪补偿装置，所述人行栈桥主动波浪补偿装置包括升降基座(2)，承载台(1)一端可旋转地设于升降基座(2)上，承载台(1)另一端悬空；伸缩支撑杆(4)的一端固定于升降基座(2)上，伸缩支撑杆(4)的另一端固定于承载台(1)底面；MRU传感器(5)垂直固定于升降基座(2)上；测距传感器(6)设于承载台(1)悬空的最远段底面，并将距离探测方向设为向下的方向；升降基座(2)上还设有用于根据MRU传感器(5)和测距传感器(6)所测参数，控制伸缩支撑杆(4)及升降基座(2)动作的控制器(3)；
其特征在于：
栈桥固定在承载台(1)上，升降基座(2)固定在栈桥下方一侧的浮体表面，测距传感器(6)伸到栈桥下方另一侧的浮体表面上方；栈桥与承载台为紧密结合，栈桥的控制姿态完全跟随承载台(1)而变化；当波浪补偿尚未启动时，通过控制器(3)的操作按键直接控制升降柱(202)的升降和伸缩支撑杆(4)的伸缩动作；当波浪补偿启动之后，装置进入主动补偿状态；主动补偿的步骤如下：
步骤1：装置上电，MCU不断采集MRU传感器(5)检测的浮体升沉位移和俯仰角度数据、测距传感器(6)检测的距离数据；
步骤2：根据测距传感器(6)测到的距离S与事先设置的最小安全距离D之间的偏差情况，计算升降柱(202)和伸缩支撑杆(4)的升降/伸缩执行参数；
步骤3：对浮体升沉位移波动数据进行快速傅里叶变换处理，根据控制精度，取得主要功率谱的幅度参数序列；根据参数序列计算下一个动作周期的升沉位移预测数值；如果主动补偿已经启动，则根据升沉位移预测数值，计算升降柱(202)和伸缩支撑杆(4)的升降/伸缩动作参数；
步骤4：对浮体俯仰角度波动数据进行快速傅里叶变换处理，根据控制精度，再次取得主要功率谱的幅度参数序列(b1,b2,…,bn)；根据再次取得的参数序列计算下一个动作周期的俯仰角度预测数值；如果主动补偿已经启动，则根据俯仰角度预测数值，计算升降柱(202)和伸缩支撑杆(4)的升降/伸缩动作参数；
步骤5：结合动态补偿已经启动状态和上一个周期参数执行情况与实际检测的值之间的差异情况，合并计算步骤2、步骤3、步骤4计算出的动作参数，得到最终执行参数，并将其传给升降柱(202)和伸缩支撑杆(4)执行实际升降/伸缩动作；
步骤6：查看是否有按键停止波浪补偿，如果没有则采集MRU检测的浮体升沉位移和俯仰角度数据、测距传感器(6)的距离数据，回到步骤2；否则结束主动波浪补偿，回到手动操控的状态。
2.如权利要求1所述的一种人行栈桥主动波浪补偿方法，其特征在于：所述基座(2)由底盘(201)和升降柱(202)两部分构成，升降柱(202)垂直固定于底盘(201)上。
3.如权利要求2所述的一种人行栈桥主动波浪补偿方法，其特征在于：所述承载台(1)一端通过轴挂接在所述升降柱(202)上；所述伸缩支撑杆(4)的一端固定于所述底盘(201)上。
4.如权利要求2所述的一种人行栈桥主动波浪补偿方法，其特征在于：所述控制器(3)由微控制单元MCU、操作按键、控制接口三部分构成，微控制单元MCU连接操作按键和控制接口，所述升降柱(202)、伸缩支撑杆(4)、MRU传感器(5)和测距传感器(6)均与控制接口连接。
5.如权利要求4所述的一种人行栈桥主动波浪补偿方法，其特征在于：所述MCU为DSP芯片或可编程控制器。
6.如权利要求4所述的一种人行栈桥主动波浪补偿方法，其特征在于：所述升降柱(202)、伸缩支撑杆(4)通过直线电机实现电控伸缩，或通过电控液压传动装置实现伸缩驱动。
7.如权利要求1所述的一种人行栈桥主动波浪补偿方法，其特征在于：所述升降基座(2)的底盘(201)直接固定在浮体表面，或固定在旋转台上。
8.如权利要求1所述的一种人行栈桥主动波浪补偿方法，其特征在于：所述步骤2中，当测距传感器(6)测到的距离S小于事先设置的最小安全距离D时，无条件驱动升降柱(202)升起，同时伸缩支撑杆(4)伸展；当升降柱(202)升到极限值时，在伸缩支撑杆(4)伸展长度小于设定的极限值时，继续驱动伸缩支撑杆(4)伸展，使得栈桥在安全的前提下适当上翘，避免栈桥与浮体之间的碰撞挤压。
9.如权利要求8所述的一种人行栈桥主动波浪补偿方法，其特征在于：所述步骤2中，当测距传感器(6)测到的距离S大于事先设置的最小安全距离D时，进行逆向调节，驱动升降柱(202)下降，同时伸缩支撑杆(4)收缩。
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