CN107037823A - 一种用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台及其实验方法，其特点是：包括运动模拟平台、所述运动模拟平台上的运动补偿平台、数据采集处理及控制装置，运动模拟平台为六自由度并联机构，运动补偿平台采用三自由度并联机构，数据采集处理及控制装置包括设置在所述运动模拟平台上的姿态传感器、PAC及计算机。运动模拟平台优选为6‑SPS型Stewart并联机构或6‑UPS型Stewart并联机构，运动补偿平台优选为3‑SPS型并联机构、3‑UPU型并联机构或3‑RPS型并联机构。可以减小实验成本，并消除在海洋平台或船舶上进行实验的安全隐患。本发明的实验方法简单，便于操作，实验效率高。

Description

一种用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台及其实验方法

技术领域

本发明属于浮式海洋平台技术领域，涉及海洋平台用的实验平台，具体说是一种用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台及其实验方法。

背景技术

随着经济的发展，陆地资源逐渐短缺，开发的重心渐渐由陆地向海洋转移。海洋中复杂的环境对海上的工作生产带来了极大的影响，尤其是在波浪载荷下海洋平台或船舶会产生六个自由度的复杂运动，对平台上的设备和人员带来了极大的安全隐患，如晃动对海上吊装的影响，科考船只的晃动对船载仪器的影响，平台间的相对运动对海上人员、物资转移的影响。在海洋平台或船舶上安装运动补偿装置是解决此问题的一种有效方案。基于并联机构承载能力比较大、刚度强度高等优点，目前用多自由度并联机构进行运动补偿的方法得到了广泛应用。国外Ampelmann装置采用六自由度Stewart并联机构建立了船与海上风机塔之间人员转运通道，Barge Master装置采用三自由度并联机构搭建了海上吊装稳定平台；国内浙江大学和燕山大学分别基于6-SPS和4-SPS并联机构研发相应的运动补偿平台，华中科技大学基于两个三自由度并联机构串联研发出一种新型适应式运动补偿平台。此类运动补偿装置的应用离不开前期大量的实验模拟，由于在海洋平台或船舶上进行实验成本较高且存在较大的安全隐患，因此,本领域亟待设计一种可在实验室条件下进行模拟海洋平台运动补偿的实验平台，可以减小实验成本，并消除在海洋平台或船舶上进行实验的安全隐患。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的上述问题，提供一种用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台及其实验方法，可以减小实验成本，并消除在海洋平台或船舶上进行实验的安全隐患；本发明还提供一种用于模拟海洋平台运动补偿实验平台的实验方法，实验方法简单，便于操作，实验效率高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台，其特征在于，包括运动模拟平台、所述运动模拟平台上的运动补偿平台、数据采集处理及控制装置，所述运动模拟平台为六自由度并联机构，所述运动补偿平台采用三自由度并联机构，所述数据采集处理及控制装置包括设置在所述运动模拟平台上的姿态传感器、PAC及计算机。

对上述技术方案的改进：所述运动模拟平台为6-SPS型Stewart并联机构或6-UPS型Stewart并联机构，所述运动补偿平台为3-SPS型并联机构、3-UPU型并联机构或3-RPS型并联机构。

对上述技术方案的进一步改进：所述6-SPS型Stewart并联机构包括运动模拟平台基座、下平台、运动模拟平台液压回路及液压缸Ⅱ，所述3-SPS型并联机构包括补偿平台底座、限位支架、限位杆、上平台、补偿平台液压回路及液压缸Ⅰ,所述运动模拟平台基座通过地脚螺栓与地面固定，所述液压缸Ⅱ下端通过球铰与所述运动模拟平台基座相连，所述液压缸Ⅱ上端通过球铰与所述下平台相连，所述液压缸Ⅱ的伸缩由伺服阀控制。

对上述技术方案的进一步改进：所述补偿平台底座与所述的下平台固定，所述限位支架与所述限位杆配合使用，限制运动补偿平台只保留横摇、纵摇、垂荡三个自由度的运动，所述液压缸Ⅰ的下端通过球铰与补偿平台底座相连，所述液压缸Ⅰ的上端通过球铰与所述上平台相连，所述液压缸Ⅰ的伸缩由伺服阀控制。

对上述技术方案的进一步改进：所述下平台由一块方形钢板制成，支撑所述运动补偿平台，所述上平台由一块方形钢板制成。

对上述技术方案的进一步改进：所述数据采集处理及控制装置中的姿态传感器放置于所述下平台的几何中心处，用于获取下平台的两个方位的倾角（横摇、纵摇）及垂荡参数；所述PAC控制器用于数据处理计算及发送数据给所述伺服阀，从而控制液压缸Ⅰ和液压缸Ⅱ的伸缩；所述计算机用于运动参数的设置，通过计算机编写的VB控制程序，发送相关数据给PAC控制器，同时可将PAC控制器获取的运动参数及时地在程序中显示，加强人机交互。

一种上述用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）由计算机给定运动模拟平台的横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡及垂荡六个自由度的运动参数，通过以太网连接发送数据给PAC控制器，通过PAC程序中设定的杆长求解程序，分别计算出运动模拟平台的六个液压缸Ⅱ的伸缩量，并经过D/A转换成六个伺服阀的指令信号，通过运动模拟平台液压回路伺服控制液压缸Ⅱ，同时液压缸Ⅱ位移数据实时发送给PAC控制器，形成反馈调节，从而使运动模拟平台模拟海洋平台的运动；

（2）运动模拟平台上的姿态传感器获取其横摇、纵摇、垂荡的运动参数，将运动姿态数据发送给PAC控制器，根据获取的运动模拟平台在三个自由度的运动参数反求出补偿平台的运动参数，通过PAC程序中设定的杆长求解程序，分别计算出运动补偿平台的三个液压缸Ⅰ的伸缩量，并经过D/A转换成六个伺服阀的指令信号，通过补偿平台液压回路伺服控制液压缸Ⅰ，同时液压缸Ⅰ的位移数据实时发送给PAC控制器，最终实现运动补偿。

本发明的优点和积极效果是：

（1）本发明提供一种用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台，在实验室内进行实验，可以减小实验成本，并消除在海洋平台或船舶上进行实验的安全隐患。

（2）本发明的结构简单、紧凑，加工装配容易，运行稳定、可靠。

（3）本发明提供一种用于模拟海洋平台运动补偿实验平台的实验方法简单，便于操作，实验效率高，实验成本低。

附图说明

图1是本发明一种用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台的整体结构示意图；

图2是本发明一种用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台系统的工作原理图。

图中：1.上平台；2.限位支架；3.限位杆；4.液压缸Ⅰ，5.姿态传感器，6.补偿平台底座，7.下平台，8.液压缸Ⅱ，9. 运动模拟平台基座。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1、图2，本发明一种用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台的实施例，包括运动模拟平台、运动模拟平台上的运动补偿平台、数据采集处理及控制装置，所述运动模拟平台为六自由度并联机构，所述运动补偿平台采用三自由度并联机构，所述数据采集处理及控制装置包括设置在所述运动模拟平台上的姿态传感器5、PAC及计算机。

优选的，所述运动模拟平台为6-SPS型Stewart并联机构或6-UPS型Stewart并联机构，所述运动补偿平台为3-SPS型并联机构、3-UPU型并联机构或3-RPS型并联机构。

具体而言：上述6-SPS型Stewart并联机构包括运动模拟平台基座9、下平台7、运动模拟平台液压回路及液压缸Ⅱ。运动模拟平台基座9通过地脚螺栓与地面固定，液压缸Ⅱ 8下端通过球铰与运动模拟平台基座9相连，液压缸Ⅱ8上端通过球铰与下平台7相连，所述液压缸Ⅱ 8的伸缩由伺服阀控制。下平台7由一块方形钢板制成，用于支撑运动补偿平台。

上述3-SPS型并联机构包括补偿平台底座6、限位支架、限位杆、上平台、补偿平台液压回路及液压缸Ⅰ4。补偿平台底座6与下平台7固定，限位支架2与限位杆3配合使用，限制运动补偿平台只保留横摇、纵摇、垂荡三个自由度的运动。液压缸Ⅰ4的下端通过球铰与补偿平台底座相连，所述液压缸Ⅰ4的上端通过球铰与上平台1相连，液压缸Ⅰ4的伸缩由伺服阀控制。上平台1由一块方形钢板制成，姿态传感器5设置在上平台1上，通过上平台1的位姿检测补偿的效果。

上述数据采集处理及控制装置中的姿态传感器5放置于下平台7的几何中心处，用于获取下平台7的两个方位的倾角（横摇、纵摇）及垂荡参数；所述PAC控制器用于数据处理计算及发送数据给所述伺服阀，从而控制液压缸Ⅰ4和液压缸Ⅱ8的伸缩；所述计算机用于运动参数的设置，通过计算机编写的VB控制程序，发送相关数据给PAC控制器，同时可将PAC控制器获取的运动参数及时地在程序中显示，加强人机交互。

参见图1、图2，本发明一种用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台的实验方法的实施例，包括如下步骤：

（1）由计算机给定运动模拟平台的横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡及垂荡六个自由度的运动参数，通过以太网连接发送数据给PAC控制器，通过PAC程序中设定的杆长求解程序，分别计算出运动模拟平台的六个液压缸Ⅱ8的伸缩量，并经过D/A转换成六个伺服阀的指令信号，通过运动模拟平台液压回路伺服控制液压缸Ⅱ8，同时液压缸Ⅱ8位移数据实时发送给PAC控制器，形成反馈调节，从而使运动模拟平台模拟海洋平台的运动；

（2）运动模拟平台上的姿态传感器获取其横摇、纵摇、垂荡的运动参数，将运动姿态数据发送给PAC控制器，根据获取的运动模拟平台在三个自由度的运动参数反求出补偿平台的运动参数，通过PAC程序中设定的杆长求解程序，分别计算出运动补偿平台的三个液压缸Ⅰ4的伸缩量，并经过D/A转换成六个伺服阀的指令信号，通过补偿平台液压回路伺服控制液压缸Ⅰ4，同时液压缸Ⅰ4的位移数据实时发送给PAC控制器，最终实现运动补偿。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台，其特征在于，包括运动模拟平台、所述运动模拟平台上的运动补偿平台、数据采集处理及控制装置，所述运动模拟平台为六自由度并联机构，所述运动补偿平台采用三自由度并联机构，所述数据采集处理及控制装置包括设置在所述运动模拟平台上的姿态传感器、PAC及计算机。

2.按照权利要求1所述的用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台，其特征在于，所述运动模拟平台为6-SPS型Stewart并联机构或6-UPS型Stewart并联机构，所述运动补偿平台为3-SPS型并联机构、3-UPU型并联机构或3-RPS型并联机构。

3.按照权利要求2所述的用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台，其特征在于，所述6-SPS型Stewart并联机构包括运动模拟平台基座、下平台、运动模拟平台液压回路及液压缸Ⅱ，所述3-SPS型并联机构包括补偿平台底座、限位支架、限位杆、上平台、补偿平台液压回路及液压缸Ⅰ,所述运动模拟平台基座通过地脚螺栓与地面固定，所述液压缸Ⅱ下端通过球铰与所述运动模拟平台基座相连，所述液压缸Ⅱ上端通过球铰与所述下平台相连，所述液压缸Ⅱ的伸缩由伺服阀控制。

4.按照权利要求3所述的用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台，其特征在于，所述补偿平台底座与所述的下平台固定，所述限位支架与所述限位杆配合使用，限制运动补偿平台只保留横摇、纵摇、垂荡三个自由度的运动，所述液压缸Ⅰ的下端通过球铰与补偿平台底座相连，所述液压缸Ⅰ的上端通过球铰与所述上平台相连，所述液压缸Ⅰ的伸缩由伺服阀控制。

5.按照权利要求2-4任一项所述的用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台，其特征在于，所述下平台由一块方形钢板制成，支撑所述运动补偿平台，所述上平台由一块方形钢板制成。

6.按照权利要求1-4任一项所述的用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台，其特征在于，所述数据采集处理及控制装置中的姿态传感器放置于所述下平台的几何中心处，用于获取下平台的两个方位的倾角及垂荡参数；所述PAC控制器用于数据处理计算及发送数据给所述伺服阀，从而控制液压缸Ⅰ和液压缸Ⅱ的伸缩；所述计算机用于运动参数的设置，通过计算机编写的VB控制程序，发送相关数据给PAC控制器，同时可将PAC控制器获取的运动参数及时地在程序中显示。

7.按照权利要求5所述的用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台，其特征在于，所述数据采集处理及控制装置中的姿态传感器放置于所述下平台的几何中心处，用于获取下平台的两个方位的倾角及垂荡参数；所述PAC控制器用于数据处理计算及发送数据给所述伺服阀，从而控制液压缸Ⅰ和液压缸Ⅱ的伸缩；所述计算机用于运动参数的设置，通过计算机编写的VB控制程序，发送相关数据给PAC控制器，同时可将PAC控制器获取的运动参数及时地在程序中显示。

8.一种如权利要求1-7任一项所述用于模拟海洋平台运动补偿的实验平台的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）由计算机给定运动模拟平台的横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡及垂荡六个自由度的运动参数，通过以太网连接发送数据给PAC控制器，通过PAC程序中设定的杆长求解程序，分别计算出运动模拟平台的六个液压缸Ⅱ的伸缩量，并经过D/A转换成六个伺服阀的指令信号，通过运动模拟平台液压回路伺服控制液压缸Ⅱ，同时液压缸Ⅱ位移数据实时发送给PAC控制器，形成反馈调节，从而使运动模拟平台模拟海洋平台的运动；

（2）运动模拟平台上的姿态传感器获取其横摇、纵摇、垂荡的运动参数，将运动姿态数据发送给PAC控制器，根据获取的运动模拟平台在三个自由度的运动参数反求出补偿平台的运动参数，通过PAC程序中设定的杆长求解程序，分别计算出运动补偿平台的三个液压缸Ⅰ的伸缩量，并经过D/A转换成六个伺服阀的指令信号，通过补偿平台液压回路伺服控制液压缸Ⅰ，同时液压缸Ⅰ的位移数据实时发送给PAC控制器，最终实现运动补偿。