CN106875815A - 一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台,利用六自由度平台带动被补给和补给船甲板来模拟海浪起伏运动，利用激光传感器检测吊重相对于被补给船甲板的相对速度与位移信号，信号通过控制系统进行处理，计算出下一个控制量并将信号传递给驱动系统，所述驱动系统通过驱动齿轮副进而驱动卷筒，所述卷筒通过绳索带动所述吊重运动，使得所述吊重相对速度和目标速度一致，实现波浪补偿的功能；本发明能够有效地模拟起重机在船舶间补给作业的运动学、动力学特性和对各种不同的波浪补偿控制算法的实际效果进行验证，从而能够有效地推动波浪补偿控制算法在实际生产作业中的应用和普及，具有很好的实用价值和推广价值。

Description

一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台

技术领域

本发明涉及港口机械领域，特别涉及一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台。

背景技术

随着时代快速的发展，经济实现全球化，港口运输越来越频繁，已经成为连接各国经济必不可少的纽带，但港口运输中也存在一系列问题需要进行克服。其中船用起重机是船舶间在海上进行吊运、补给物资的一种重要运输工具，起重机固定在船体上，通过钢丝绳将吊重和卷扬机相连，并通过卷扬机的正反转动来控制吊重的起升和下降，但在作业时海上的波浪起伏容易引起补给船和被补给船的相对运动。当起重机在海上进行物资补给时，如果风浪较大，下降中的重物容易和突然上升的船体发生碰撞，容易造成重大事故，而现实中，常规的船用起重机经常要等待海面风平浪静时进行作业，海洋工程作业流行着要等“好窗口”天气才能施工的习惯，说法就是能作业的平静海面的时间只有窗口那样小。船舶的升沉起伏会导致一些吊装补给作业无法正常进行，使得船用起重机海上作业的待机率超过50%，易导致运输延误、效率降低，造成的经济损失巨大。

为了避免安全隐患、提高工作效率，需要进行波浪补偿，对因海面起伏引起作业装备产生波动而进行的补偿校正，即通过控制吊重在升沉方向的运动来补偿船舶间的相对运动。波浪补偿分为被动式和主动式两种，目前我国研究和应用的主要是被动式波浪补偿系统，但被动式波浪补偿缺点明显：（1）刚度、阻尼等参数一般通过经验设计，在作业中不能随外部状态变化而变化,适应性差；（2）补偿时系统冲击较大，给海上作业带来安全隐患；（3）结构体积十分庞大，需要对被补给船有较大改装。针对被动式补偿的缺陷，主动式波浪补偿系统因其载重冲击小、智能化程度高、体积小、操作方便等优点，主动式波浪补偿系统主要采用闭环反馈控制，但因为波浪的非线性和随机性，会导致单纯的闭环反馈控制难以完全胜任，常常采用控制算法来保证波浪补偿的精确性和鲁棒性。

在这些控制算法的研究过程中，出于安全性和制造成本考虑，大部分学者不具备制造带波浪补偿功能的船用起重机并去海上在各种海况下做真正实验的条件。目前，仍然缺少一种方便、经济、安全、可靠的实验室环境下的主动式波浪补偿的实验系统平台，它能真实的反映起重机在船舶间补给作业的运动学、动力学特性，验证不同波浪补偿控制算法的实际控制效果，推动这些波浪补偿的控制算法在实际生产作业中的应用和普及。基于上述问题，本发明提供了 一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台。

发明内容

本发明的目的是为了解决波浪补偿研究人员或实验人员在实际恶劣环境中做实验的所面对的困难问题和船用起重机因波浪起伏而造成碰撞事故等问题，而提供一种方便、经济、安全、可靠以及接近实际工作环境的实验室环境下的主动式波浪补偿模拟实验系统平台，能够有效地模拟起重机在船舶间补给作业的运动学、动力学特性，并方便的进行控制算法的替换，能够对现有的以及学者最新研究的各种不同的波浪补偿控制算法的实际效果进行验证，能够有效地推动波浪补偿控制算法在实际生产作业中的应用和普及，也能够间接性地克服船用起重架因海浪引起升沉而造成巨大的碰撞损失和作业待机率高以及效率低的缺点。本发明系统采用基于PC机的实时控制系统而不是采用嵌入式实时控制系统，可以针对不同的对象平台自动生成高频代码，能与Matlab和Simulink进行无缝连接，方便实现各种算法，同时有效地避免了嵌入式实时监控系统需要编程和导入程序的繁琐过程，提高了工作的效率。本发明整个使用过程简单、便捷、安全可靠，广泛适用于对港口机械波浪补偿研究的高校和相关研究单位以及公司，有效地节约了实验成本和提高了检测地安全性以及实验的真实性，同时能够有效地为研究者提供更好地实验平台与实验环境以及一定程度上对国家港口运输行业做出一定的贡献，具有很好的实用价值和推广价值。

为了实现上述目的，本发明提供了一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台，所述一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台包括机器本体和系统本体，所述机器本体包括底座、伺服电机、传动箱、升降装置、联轴器、滑轮、绳索、吊重和激光传感器，其中所述传动箱包括连接块、第一对齿轮副、第二对齿轮副、卷筒、轴、离合器和支架，所述升降装置包括立柱、导轨、托板、支座、丝杆、限位开关、起重架、外伸架、支撑板和横梁板；所述系统本体包括检测系统、控制系统、驱动系统，其中所述检测系统包括激光传感器和数据采集卡，所述控制系统包括PC机和运动控制卡，所述驱动系统包括伺服电机驱动器和伺服电机。

优选的，所述底座放置安装于补给船甲板上，所述伺服电机通过螺钉固定安装于所述底座上，所述伺服电机的轴与所述联轴器一端相连接，所述联轴器另一端与所述传动箱的所述第一对齿轮副的主动轴相连接，所述第一对齿轮副的从动轴安装在所述传动箱和所述支架上，并且所述支架一端的所述轴端与所述离合器的一端相连接，所述第一对齿轮副安装于所述轴上向第二级传递转矩，所述第二对齿轮副安装于第二级的主动轴和从动轴上，所述卷筒安装于所述第二对齿轮副的从动轴上。

优选的，所述立柱固定安装于所述底座上，所述立柱之间连接所述横梁，所述导轨固定安装于所述立柱上，所述托板与所述导轨配合连接，构成移动副，所述起重架安装于所述托板上，所述外伸架安装于所述起重架上，所述支撑板安装于所述外伸架上方，所述滑轮安装于所述支撑板上，所述限位开关安装于所述外伸架下方，所述伺服电机与所述丝杆一端相连接，所述支座穿过所述丝杆安装于所述底板上，所述丝杆与所述托板相配合形成丝杆螺母副，所述丝杆的另一端固定安装于所述横梁上。

优化的，所述绳索一端与所述吊重相连接，所述激光传感器安装于所述吊重上，所述绳索穿过所述外伸架的圆孔安装于所述滑轮上，再穿过滑轮三、滑轮二和滑轮一进而所述传动箱的圆孔，缠绕于所述卷筒上，并将所述绳索一端通过螺钉固定于所述卷筒上。

优选的，所述激光传感器通过数据线与所述数据采集卡相连接，所述数据采集卡插在所述PC机上，所述PC机通过数据线与所述运动控制卡相连接，所述运动控制卡通过数据线与所述伺服电机驱动器相连，所述伺服电机驱动器与所述伺服电机相连接。

优选的，所述伺服电机通过联轴器与传动箱相连接，进而通过所述传动箱中的卷筒收和放所述绳索来控制吊重的升降运动。

本发明 一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台的有益效果在于：本发明能够有效地模拟起重机在船舶间补给作业的运动学、动力学特性，并方便的进行控制算法的替换，能够对现有的以及学者最新研究的各种不同的波浪补偿控制算法的实际效果进行验证，能够有效地推动波浪补偿控制算法在实际生产作业中的应用和普及，也能够逐渐性解决船用起重架因海浪引起升沉而造成巨大的碰撞损失和作业待机率高以及效率低的缺点。本发明系统采用基于PC机的实时控制系统而不是采用嵌入式实时控制系统，可以针对不同的对象平台自动生成高频代码，能与Matlab和Simulink进行无缝连接，方便实现各种算法，同时有效地避免了嵌入式实时监控系统需要编程和导入程序的繁琐过程，提高了工作的效率。本发明整个使用过程简单、便捷、安全可靠，广泛适用于对港口机械波浪补偿研究的高校和相关研究所以及公司，有效地节约了实验成本和提高了检测地安全性以及实验的真实性，同时能够有效地为研究者提供更好地实验平台与实验环境以及一定程度上对国家港口运输行业做出一定的贡献，具有很好的实用价值和推广价值。

附图说明

图1为本发明 一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台三维立体图。

图2为本发明 一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台传动箱结构图。

图3为本发明 一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台下端放大图。

图4为本发明 一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台上端放大图。

图5为本发明 一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台局部放大图。

图6为本发明 一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台系统本体示意图。

标注说明：1、机器本体；11、底座；12、伺服电机；13、传动箱；131、连接块；132、第一对齿轮副；133、第二对齿轮副；134、卷筒；135、轴；136、离合器；137、支架；14、升降装置；141、立柱；142、导轨；143、托板；144、支座；145、丝杆；146、限位开关；147、起重架；148、外伸架；149、支撑板；1410、横梁；15、联轴器；16、滑轮；17、绳索；18、吊重；19、激光传感器；2、系统本体；21、检测系统；211、数据采集卡；22、控制系统；221、PC机；222、运动控制卡；23、驱动系统；231、伺服电机驱动器、滑轮三3、滑轮二4和滑轮一 5。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明为解决上述技术问题，本发明提供了 一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台，结合图1至图6，对本实施例进行详细阐述。

所述一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台：包括机器本体1系统2本体；所述机器本体1：包括底座11、伺服电机12、传动箱13、升降装置14、联轴器15、滑轮16、绳索17、吊重18和激光检测器19构成；所述底座11放置安装于补给船甲板上，所述伺服电机12通过螺钉固定安装于所述底座11上，所述伺服电机12的轴与所述联轴器15一端相连接，如图1所示。

所述传动箱13包括连接块131、第一对齿轮副132、第二对齿轮副133、卷筒134、轴135、离合器136和支架137组成；所述联轴器15另一端与所述传动箱13的所述第一对齿轮副132的主动轴相连接，所述第一对齿轮副132的从动轴安装在所述传动箱13和所述支架137上，并且所述支架137一端的所述轴135端与所述离合器136的一端相连接，所述第一对齿轮副132安装于所述轴135上向第二级传递转矩，所述第二对齿轮副133安装于第二级的主动轴和从动轴上，所述卷筒134安装于所述第二对齿轮副133的从动轴上，如图2所示。

所述升降装置14：包括所述立柱141、导轨142、托板143、支座144、丝杆145,限位开关146、起重架147、外伸架148、支撑板149和横梁板1410构成；所述立柱141固定安装于所述底座11上，所述导轨142固定安装于所述立柱141上，所述托板143与所述导轨142配合连接，构成移动副，所述起重架147通过螺钉安装于所述托板143上，所述外伸架148安装与所述起重架147上，所述支撑板149安装于所述外伸架148上方，所述滑轮16安装于所述支撑板149上，所述限位开关146安装于所述外伸架148下方。所述伺服电机12与所述丝杆145一端相连接，所述丝杆145的另一端固定安装于所述横梁1410，所述支座144穿过所述丝杆145通过螺钉固定于所述底座11上，所述丝杆145与所述托板143配合，形成丝杆螺母副，通过所述导轨142导向作用，实现升降的功能，如图3、图4和图5所示。

所述绳索17一端与所述吊重18相连接，所述激光传感器19通过螺钉安装于所述吊重18上，所述绳索17穿过所述外伸架148的圆孔安装于所述滑轮16上，如图4所示，再一次穿过滑轮三3、滑轮二4和滑轮一 5，如图5所示，最后穿过所述传动箱13的圆孔，缠绕于所述卷筒134上，并且所述绳索17的另一端通过螺钉固定安装于所述卷筒134上。

所述系统本体2：包括检测系统21、控制系统22和驱动系统23构成；所述检测系统21：包括所述激光传感器19和数据采集卡211；所述控制系统22：包括PC机221和运动控制卡222；所述驱动系统23：包括伺服电机驱动器231和伺服电机12（带动传动箱的伺服电机）；所述激光传感器19通过数据线与所述数据采集卡211相连接，所述数据采集卡211插在所述PC机221上，所述PC机221通过数据线与所述运动控制卡222相连接，所述运动控制卡222通过数据线与所述伺服电机驱动器231相连，所述伺服电机驱动器231与所述伺服电机12相连接，所述伺服电机12通过所述联轴器15与所述传动箱13相连接，进而通过所述传动箱13中的所述卷筒134收和放所述绳索17来控制吊重的升降运动，连接如图6所示。

当使用本发明时，六自由度平台模拟海浪使得被补给船甲板和补给船甲板（实验平台放置于补给甲板上）产生相对运动，使得相对速度变化时，所述激光传感器19检测到所述吊重18相对于被补给船甲板的相对速度与位移信号，并通过所述数据采集卡211将该信号采集并传送给所述PC机221，所述PC机221上的MATLAB RTW软件实时环境读取该信号，并根据控制算法计算出下一个控制量，并将该控制命令通过所述运动控制卡222转化为相应的信号，将该信号发送给所述驱动系统23，所述驱动系统23根据控制信号实时控制所述伺服驱动器231进而控制所述伺服电机12的转速与方向，从而控制所述卷筒134的转速与方向。由所述卷筒134带动所述吊重18运动，使得所述吊重18相对速度和目标速度一致，实现波浪补偿的功能。所述检测系统21不断地将检测到所述吊重18地相对速度、位移等信号反馈给所述控制系统22，所述控制系统22的控制器根据误差和误差变化率再计算出下一周期的控制信号，并将其传递至所述驱动系统23，实现下一周期的控制。当距离信号为0时，即补给完成，停止作业。本发明提供了一种方便、经济、安全、可靠的实验室环境下的主动式波浪补偿模拟实验系统平台，能够有效地模拟起重机在船舶间补给作业的运动学、动力学特性，并方便的进行控制算法的替换，能够对现有的以及学者最新研究的各种不同的波浪补偿控制算法的实际效果进行验证，能够有效地推动波浪补偿控制算法在实际生产作业中的应用和普及，也能够逐渐性解决船用起重架因海浪引起升沉而造成巨大的碰撞损失和作业待机率高以及效率低的缺点。本发明系统采用基于PC机的实时控制系统而不是采用嵌入式实时控制系统，可以针对不同的对象平台自动生成高频代码，能与Matlab和Simulink进行无缝连接，方便实现各种算法，同时有效地避免了嵌入式实时监控系统需要编程和导入程序的繁琐过程，提高了工作的效率。本发明整个使用过程简单、便捷、安全可靠，广泛适用于对港口机械波浪补偿研究的高校和相关研究所以及公司，有效地节约了实验成本和提高了检测地安全性以及实验的真实性，同时能够有效地为研究者提供更好地实验平台与实验环境以及一定程度上对国家港口运输行业做出一定的贡献，具有很好的实用价值和推广价值。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台，其特征在于：所述一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台包括机器本体和系统本体；所述机器本体包括底座、伺服电机、传动箱、升降装置、联轴器、滑轮、绳索、吊重和激光传感器，其中所述传动箱包括连接块、第一对齿轮副、第二对齿轮副、卷筒、轴、离合器和支架，所述升降装置包括立柱、导轨、托板、支座、丝杆、限位开关、起重架、外伸架、支撑板和横梁板；所述系统本体包括检查系统、控制系统、驱动系统，其中所述检测系统包括激光传感器和数据采集卡，所述控制系统包括PC机和伺服电机，所述驱动系统包括伺服电机驱动器和伺服电机。

2.根据权利要求1所述的一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台，其特征在于：所述底座放置安装于补给船甲板上，所述伺服电机通过螺钉固定安装于所述底座上，所述伺服电机的轴与所述联轴器一端相连接，所述联轴器另一端与所述传动箱的所述第一对齿轮副的主动轴相连接，所述第一对齿轮副的从动轴安装在所述传动箱和所述支架上，并且所述支架一端的所述轴端与所述离合器的一端相连接，所述第一对齿轮副安装于所述轴上向第二级传递转矩，所述第二对齿轮副安装于第二级的主动轴和从动轴上，所述卷筒安装于所述第二对齿轮副的从动轴上。

3.根据权利要求1所述的一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台，其特征在于：所述立柱固定安装于所述底座上，所述立柱之间连接所述横梁，所述导轨固定安装于所述立柱上，所述托板与所述导轨配合连接，构成移动副，所述起重架安装于所述托板上，所述外伸架安装于所述起重架上，所述支撑板安装于所述外伸架上方，所述滑轮安装于所述支撑板上，所述限位开关安装于所述外伸架下方，所述伺服电机与所述丝杆一端相连接，所述支座穿过所述丝杆安装于所述底板上，所述丝杆与所述托板相配合形成丝杆螺母副，所述丝杆的另一端固定安装于所述横梁上。

4.根据权利要求1所述的一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台，其特征在于：所述绳索一端与所述吊重相连接，所述激光传感器安装于所述吊重上，所述绳索穿过所述外伸架的圆孔安装于所述滑轮上，再穿过滑轮三、滑轮二和滑轮一进而所述传动箱的圆孔，缠绕于所述卷筒上，并将所述绳索一端通过螺钉固定于所述卷筒上。

5.根据权利要求1所述的一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台，其特征在于：所述激光传感器通过数据线与所述数据采集卡相连接，所述数据采集卡插在所述PC机上，所述PC机通过数据线与所述运动控制卡相连接，所述运动控制卡通过数据线与所述伺服电机驱动器相连，所述伺服电机驱动器与所述伺服电机相连接。

6.根据权利要求1或5所述的一种主动式波浪补偿模拟实验系统平台，其特征在于：所述伺服电机通过联轴器与传动箱相连接，进而通过所述传动箱中的卷筒收和放所述绳索来控制吊重的升降运动。