CN111605674A - 一种应用于内河航道测量系统的三自由度摇摆补偿装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种应用于内河航道测量系统的三自由度摇摆补偿装置，包括：姿态仪和运算单元用于根据运动参数，以计算船体摇晃补偿量；线性模组的升降端通过L型转接板组件连接于姿态调整平台的固定端，线性模组的底部通过安装座组件固定在测量船上，线性模组用于调整姿态调整平台沿垂直方向的高度；姿态调整平台包括上平台和下平台，上平台靠近线性模组的一侧安装有L型转接板组件，上平台和下平台之间设置有至少两个伺服电动缸，下平台用于安装航道测量装置，伺服电动缸用于调整下平台沿水平方向的倾角。通过本申请中的技术方案，对摇摆补偿装置的结构进行简化，利用两根小行程电动缸补偿角度、一个线性模组补偿升沉量，降低摇摆补偿装置的成本。

Description

一种应用于内河航道测量系统的三自由度摇摆补偿装置

技术领域

本申请涉及航道水文测量的技术领域，具体而言，涉及一种应用于内河航道测量系统的三自由度摇摆补偿装置。

背景技术

随着内河通航船舶的大型化与内河航道养护的精细化，对内河航道水下测量的精度提出了更高的要求。对内河航道的水下测量，可以为内河航道管理部门提供航道基础数据，并作为向通航的船舶发布通航尺度公告的依据，为船舶的安全通行提供数据参考；同时，测量数据也可以让内河航道管理部门及时有效的掌握航道水下信息，从而为航道的疏浚、清障等工作提供准确的数据信息。

内河航道测量过程中，使用的各型超声波测深仪器均刚性的连接在测量船上，当受到河面由于风、水流、过往船舶船行波等因素影响时，会造成测量船水平及上下间摆动，使测量的声束不能垂直于河床，造成了测量数值的偏差，影响了测量的精度和效率。

而现有技术中，通常是采用六自由度平台实现摇摆补偿，由6根大行程电动缸协同作用，对角度和升沉量进行补偿，其中，每个电动缸的行程既决定了升沉量又决定了角度，其结构、控制算法复杂，成本高。

发明内容

本申请的目的在于：对摇摆补偿装置的结构进行简化，利用两根小行程电动缸补偿角度、一个线性模组补偿升沉量，降低摇摆补偿装置的成本。

本申请的技术方案是：提供了一种应用于内河航道测量系统的三自由度摇摆补偿装置，该装置包括：姿态仪，姿态调整平台，线性模组、安装座组件和运算单元；

姿态仪设置于测量船的底部，姿态仪用于测量测量船在航行过程中的横摇角度和升沉高度；

运算单元用于当判定横摇角度大于或等于预设横摇补偿阈值时，根据横摇角度和升沉高度，计算姿态调整平台的纵向补偿量和横向补偿量；

线性模组的升降端通过L型转接板组件连接于姿态调整平台的固定端，线性模组的底部通过安装座组件固定在测量船上，线性模组用于根据纵向补偿量，调整姿态调整平台沿垂直方向的高度；

姿态调整平台包括上平台和下平台，上平台靠近线性模组的一侧安装有L型转接板组件，上平台和下平台之间设置有至少两个伺服电动缸，下平台用于安装航道测量装置，伺服电动缸用于根据横向补偿量，调整下平台沿水平方向的倾角。

上述任一项技术方案中，进一步地，上平台为等边三角环形，下平台为镂空的等边三角形，上平台和下平台的边长相等，且同心设置。

上述任一项技术方案中，进一步地，上平台靠近线性模组一侧的两个顶点处分别安装有一个伺服电动缸，装置还包括：五个虎克铰和一根支撑立柱；

四个虎克铰用于连接伺服电动缸的顶端和上平台的顶点、以及伺服电动缸的底端和下平台的顶点；

支撑立柱的上端固定连接于上平台的另一个顶点，支撑立柱的下端通过另一个虎克铰连接于下平台的另一个顶点。

上述任一项技术方案中，进一步地，纵向补偿量的计算公式为：

式中，s1为纵向补偿量，l为下平台的边长，α为横摇角度，h为升沉高度；

横向补偿量的计算公式为：

式中，x1为横向补偿量，l₀为伺服电动缸处于行程中位时的行程，l为下平台的边长。

上述任一项技术方案中，进一步地，航道测量装置包括声纳天线和换能器，下平台的中心位置处设置有通孔，装置还包括：安装杆组件和固定套；

固定套为安装于通孔的内侧，固定套用于固定安装杆组件；

安装杆组件穿过固定套，安装杆组件为管状，安装杆组件的上端安装有声纳天线，安装杆组件的下端安装有换能器。

上述任一项技术方案中，进一步地，上平台和下平台为直径等于500mm的圆形的内接三角形，上平台和下平台由铝制材料制成。

上述任一项技术方案中，进一步地，虎克铰为十字轴万向节型。

本申请的有益效果是：

本申请中的补偿装置，通过在上、下平台之间设置由十字轴万向节型虎克铰连接的两组伺服电动缸和一根支撑立柱，其中，支撑立柱的上端固定连接在上平台用于提供支撑，再将上、下平台通过线性模组与测量船相连，将对测量船摇晃、升降的补偿，转换为伺服电动缸、线性模组的运动。本申请中的补偿装置，具有补偿范围广、可靠性高、准确快速、结构简单、轻便、成本低等特点。

本申请通过角度传感器和高度传感器，检测测量船的摇摆和升沉的运动参数，并将其转换为数字信号，传输到运算单元进行处理，经过反解运算计算出摇摆及升沉的补偿量，驱动姿态调整平台中的伺服电动缸和线性模组运动，实现对测量船摇摆和升沉的补偿，使得声纳天线能够获得较为准确的测量数据。

本申请中通过设置滚珠、丝杠结构的伺服电动缸和线性模组，进行姿态调整平台姿态调整过程中的动力传输，承载能力强，自锁性能好，能够准确、快速地对受到的摇摆和升沉运动影响的进行补偿，让测深仪能够在复杂的海况下安全高效地执行检测任务。

附图说明

本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请的一个实施例的应用于内河航道测量系统的三自由度摇摆补偿装置的示意图；

图2是根据本申请的一个实施例的线性模组的示意图；

图3是根据本申请的一个实施例的姿态调整平台的示意图；

图4是根据本申请的一个实施例的声纳检测部分的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本实施例提供了一种应用于内河航道测量系统的三自由度摇摆补偿装置，该装置包括：姿态调整平台，线性模组11和安装座组件12；线性模组11的升降端通过L型转接板组件3连接于姿态调整平台的固定端，线性模组11的底部通过安装座组件12固定在测量船上，线性模组11用于根据纵向补偿量，调整姿态调整平台沿垂直方向的高度，即改变线性模组11中滑块的行程；

具体的，安装座组件12的一端固定安装在测量船的一个水平台面上，安装座组件12的另一端连接于线性模组11，线性模组11上设置有滑块，该滑块可沿垂直方向滑动。滑块与L型转接板组件3相连，进而将姿态调整平台安装在线性模组11上，由线性模组11带动姿态调整平台沿垂直方向运动，其中，安装座组件12可由铝制材料制成，重量≤11.6kg。

需要说明的是，线性模组11中滑块的初始位置被设置在线性模组11行程的中间位置，以便于充分利用线性模组11的行程，进行上升或下降调节。

如图2所示，本实施例中的线性模组11为防尘线性模组，设置有滚珠丝杠，参数指标为：5mm丝杠导程、600mm行程、额定出力2050N、滑块最大重心距222mm时的最大载重55kg、最大速度250mm/s、电机功率750W@220VAC、电机上方外置、整体防护等级IP65，通过背侧螺纹孔固定于安装座组件上，整体重量≤40kg。

线性模组11上还设置有拖链13和拖链槽14，用于规整姿态调整平台电线走向，拖链槽14侧面通过螺钉固定在线性模组11下侧面，拖链13一端通过螺钉固定在拖链槽14内表面，另一端固定在线性模组11的滑块上，拖链13重量≤0.5kg，拖链槽14重量≤1kg。

姿态调整平台包括上平台1和下平台2，上平台1靠近线性模组11的一侧安装有L型转接板组件3，上平台1和下平台2之间设置有至少两个伺服电动缸4，下平台2用于安装航道测量装置，伺服电动缸4用于根据横向补偿量，改变伺服电动缸4中滚珠丝杠的行程，调整下平台2沿水平方向的倾角。

具体的，如图3所示，上平台1为等边三角环形，下平台2为镂空的等边三角形，上平台1和下平台2的边长相等，且同心设置，其中，上平台1和下平台2为直径等于500mm的圆形的内接三角形，上平台1和下平台2由铝制材料制成。

上平台1的一条边通过L型转接板组件3与线性模组11中的滑块相连，上平台1的下方通过2个伺服电动缸4和一根根支撑立柱5与下平台2相连，其中，伺服电动缸4安装在连接L型转接板组件3的一侧。

伺服电动缸4中设置有滚珠丝杠，且内部防转，伺服电动缸4的参数指标为：丝杠导程2.5mm、行程300mm、额定出力680N、额定速度125mm/s、含电机驱动器功率100W@220VAC、电机平行式安装、每缸3个限位开关、整缸防护等级IP65。

进一步的，上平台1靠近线性模组11一侧的两个顶点处分别安装有一个伺服电动缸4，装置还包括：五个虎克铰6和一根支撑立柱5；四个虎克铰6用于连接伺服电动缸4的顶端和上平台1的顶点、以及伺服电动缸4的底端和下平台2的顶点，其中，虎克铰6为十字轴万向节型。

具体的，通过设置十字轴万向节型的虎克铰6，使得下平台2与伺服电动缸4的连接处具有相互垂直的两个方向旋转自由度，单个虎克铰重量≤0.6kg。

支撑立柱5的上端固定连接于上平台1的另一个顶点，支撑立柱5的下端通过另一个虎克铰6连接于下平台2的另一个顶点，其中，支撑立柱5的长度尺寸按照两根伺服电动缸4处于行程中位时的尺寸确定。

需要说明的是，支撑立柱5的上端不使用虎克铰6连接，是为了避免姿态调整平台的纵向刚度不足，在工作过程中引起摇晃，支撑立柱5的重量≤0.6kg。

进一步的，航道测量装置包括声纳天线10和换能器9，下平台2的中心位置处设置有通孔，装置还包括：安装杆组件7和固定套8；固定套8为安装于通孔的内侧，固定套8用于固定安装杆组件7；安装杆组件7穿过固定套8，安装杆组件7为管状，安装杆组件7的上端安装有声纳天线10，安装杆组件7的下端安装有换能器9。

具体的，如图4所示，安装杆组件7为中空的管状结构，其上端设置有声纳安装平台，用于安装声纳天线10，其下端设置有安装孔，用于安装换能器9。换能器9可以实现电能和声能的相互转换，声纳天线10用于产生需要的电信号，激励换能器9将电信号转变为声信号向水中发射，水声信号若遇到水下目标便会被反射，然后以声纳回波的形式返回到换能器9，换能器9接收后又将其转变为电信号。

固定套8形状为侧边切开的T形套筒，一方面其内圆通过侧边螺钉锁紧夹持安装杆组件7，另一方面其外圆与下平台2中心位置处的通孔内圆相配合，通过螺钉将法兰压紧，对安装杆组件7，起到定位与固定作用。

本实施例中，还可以在下平台2的下方设置三根加强杆，用于固定安装杆组件7，加强杆采用钢条两端折弯成形，两端分别用螺栓压紧固定于安装杆组件7和下平台2。

本实施例中通过在测量船底部设置姿态仪，由姿态仪对测量船的姿态进行检测，测量测量船在航行过程中的横摇角度和升沉高度，将检测到的运动参数(包括横摇角度和升沉高度)转换为数字信号，发送至运算单元，由运算单元经过反解运算，计算出摇摆及升沉的补偿量。

需要说明的是，姿态仪可以由角度传感器和高度传感器代替，因此，该装置还包括：角度传感器和高度传感器；角度传感器和高度传感器安装于测量船的底部，角度传感器用于检测测量船发生摇晃时的横摇角度和纵摇角度，高度传感器用于检测测量船发生摇晃时的升沉高度。

该装置中还包括运算单元，运算单元用于当判定横摇角度大于或等于预设横摇补偿阈值时，根据横摇角度和升沉高度，计算姿态调整平台的纵向补偿量和横向补偿量，其中，运算单元仅具备数据运算功能即可。

当判定测量船在内河航道上发生横摇，且横摇角度大于或等于预设横摇补偿阈值时，设横摇角度为α，升沉高度为h，此时，需对下平台2的水平方向角度和中心点垂直方向的位移进行补偿，由运算单元根据测量出的横摇角度α、升沉高度h，结合上下平台的边长，进行反解运算，计算得出该装置的横纵补偿量，进而驱动线性模组11和伺服电动缸4运动，对测量船摇晃进行补偿，其中，线性模组11的纵向补偿量的计算公式为：

式中，s1为纵向补偿量，l为下平台边长。

伺服电动缸4的横向补偿量的计算公式为：

式中，x1为横向补偿量，l₀为伺服电动缸4处于行程中位时的行程，l为下平台边长。

需要说明的是，当α≥0，即测量船因横摇沿水平面逆时针方向晃动时，此时伺服电动缸4做伸长运动，反之，伺服电动缸4做收缩运动。

待确定纵向补偿量和横向补偿量之后，线性模组11和伺服电动缸4动作，即线性模组11做上下运动、伺服电动缸4做伸缩运动，完成对姿态调整平台的垂直高度和水平角度的补偿，进而抵消测量船摇晃对声纳天线10和换能器9的影响，提高航道测量的精度。

本实施例中，姿态仪还用于测量所述测量船在航行过程中的纵摇角度，当判定测量船在内河航道上发生纵摇，且纵摇角度大于或等于预设纵摇补偿阈值时，设纵摇角度为β，此时，下平台中心点的位置不变，因此，由运算单元进行修正运算，对测量船摇晃进行修正，其中，线性模组11的纵向修正量的计算公式为：

s2＝h

伺服电动缸4的横向修正量的计算公式为：

需要说明的是，此时伺服电动缸4的动作方向与测量船因纵摇产生位移的方向相反。

待确定纵向修正量和横向修正量之后，线性模组11和伺服电动缸4动作，即线性模组11做上下运动、伺服电动缸4做伸缩运动，完成对姿态调整平台的垂直高度和水平角度的修正，进而抵消测量船摇晃对声纳天线10和换能器9的影响，提高航道测量的精度。

以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了一种应用于内河航道测量系统的三自由度摇摆补偿装置，该装置包括：姿态仪设置于测量船的底部，姿态仪用于测量测量船在航行过程中的横摇角度和升沉高度；运算单元用于当判定横摇角度大于或等于预设横摇补偿阈值时，根据横摇角度和升沉高度，计算姿态调整平台的纵向补偿量和横向补偿量；线性模组的升降端通过L型转接板组件连接于姿态调整平台的固定端，线性模组的底部通过安装座组件固定在测量船上，线性模组用于调整姿态调整平台沿垂直方向的高度；姿态调整平台包括上平台和下平台，上平台靠近线性模组的一侧安装有L型转接板组件，上平台和下平台之间设置有至少两个伺服电动缸，下平台用于安装航道测量装置，伺服电动缸用于调整下平台沿水平方向的倾角。通过本申请中的技术方案，对摇摆补偿装置的结构进行简化，利用两根小行程电动缸补偿角度、一个线性模组补偿升沉量，降低摇摆补偿装置的成本。

在本申请中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除与其真实形状存在一定差异，附图仅用于对本申请的原理进行说明，并非意在对本申请进行限制。

尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (7)

1.一种应用于内河航道测量系统的三自由度摇摆补偿装置，其特征在于，该装置包括：姿态仪，姿态调整平台，线性模组(11)、安装座组件(12)和运算单元；

所述姿态仪设置于所述测量船的底部，所述姿态仪用于测量所述测量船在航行过程中的横摇角度和升沉高度；

所述运算单元用于当判定所述横摇角度大于或等于预设横摇补偿阈值时，根据所述横摇角度和所述升沉高度，计算所述姿态调整平台的纵向补偿量和横向补偿量；

所述线性模组(11)的升降端通过L型转接板组件(3)连接于所述姿态调整平台的固定端，所述线性模组(11)的底部通过所述安装座组件(12)固定在测量船上，所述线性模组(11)用于根据所述纵向补偿量，调整所述姿态调整平台沿垂直方向的高度；

所述姿态调整平台包括上平台(1)和下平台(2)，所述上平台(1)靠近所述线性模组(11)的一侧安装有所述L型转接板组件(3)，所述上平台(1)和所述下平台(2)之间设置有至少两个伺服电动缸(4)，所述下平台(2)用于安装航道测量装置，所述伺服电动缸(4)用于根据所述横向补偿量，调整所述下平台(2)沿水平方向的倾角。

2.如权利要求1所述的应用于内河航道测量系统的三自由度摇摆补偿装置，其特征在于，所述上平台(1)为等边三角环形，所述下平台(2)为镂空的等边三角形，所述上平台(1)和所述下平台(2)的边长相等，且同心设置。

3.如权利要求2所述的应用于内河航道测量系统的三自由度摇摆补偿装置，其特征在于，所述上平台(1)靠近所述线性模组(11)一侧的两个顶点处分别安装有一个所述伺服电动缸(4)，所述装置还包括：五个虎克铰(6)和一根支撑立柱(5)；

四个所述虎克铰(6)用于连接所述伺服电动缸(4)的顶端和所述上平台(1)的顶点、以及所述伺服电动缸(4)的底端和所述下平台(2)的顶点；

所述支撑立柱(5)的上端固定连接于所述上平台(1)的另一个顶点，所述支撑立柱(5)的下端通过另一个虎克铰(6)连接于所述下平台(2)的另一个顶点。

4.如权利要求2所述的应用于内河航道测量系统的三自由度摇摆补偿装置，其特征在于，所述纵向补偿量的计算公式为：

式中，s1为所述纵向补偿量，l为所述下平台的边长，α为所述横摇角度，h为所述升沉高度；

所述横向补偿量的计算公式为：

式中，x1为所述横向补偿量，l₀为所述伺服电动缸处于行程中位时的行程，l为所述下平台的边长。

5.如权利要求1所述的应用于内河航道测量系统的三自由度摇摆补偿装置，所述航道测量装置包括声纳天线(10)和换能器(9)，其特征在于，所述下平台(2)的中心位置处设置有通孔，所述装置还包括：安装杆组件(7)和固定套(8)；

所述固定套(8)为安装于所述通孔的内侧，所述固定套(8)用于固定所述安装杆组件(7)；

所述安装杆组件(7)穿过所述固定套(8)，所述安装杆组件(7)为管状，所述安装杆组件(7)的上端安装有所述声纳天线(10)，所述安装杆组件(7)的下端安装有所述换能器(9)。

6.如权利要求2所述的应用于内河航道测量系统的三自由度摇摆补偿装置，其特征在于，所述上平台(1)和所述下平台(2)为直径等于500mm的圆形的内接三角形，所述上平台(1)和所述下平台(2)由铝制材料制成。

7.如权利要求3所述的应用于内河航道测量系统的三自由度摇摆补偿装置，其特征在于，所述虎克铰(6)为十字轴万向节型。

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