CN111678039B - 适用于船用装卸臂自动对接的电控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于船用装卸臂自动对接的电控系统，包括影像信息接口模块，用于提供对接双方的实时空间距离；角度传感器模块，用于提供装卸臂各关节和控制对接法兰姿态的转动装置的实时转动角度；冗余控制器模块，用于计算完成对接、紧急脱离时各部件所需实现的角度、位移；液压比例阀驱动模块，用于接收冗余控制器模块的控制命令驱动装卸臂运动；遥控模块和或本地操作台，用于向冗余控制器模块发出操纵命令，并显示对接状态信号；报警保护模块，用于触发报警信号并执行保护动作；障碍物检测模块，用于检测是否存在障碍物，以决定冗余控制器模块是否响应操纵命令而启动自动对接。本发明的电控系统能实现高精度、高可靠性、高安全性的装卸臂自动对接。

Description

适用于船用装卸臂自动对接的电控系统

技术领域

本发明属于装卸设备电控系统技术领域，特别涉及一种适用于船用装卸臂自动对接的电控系统。

背景技术

在我国环境问题日趋严重的情况下，作为一种清洁能源的LNG已经得到了广泛的关注，随之而来的是LNG及其配套设备的需求量不断上涨。船用装卸臂是服务于码头油气储运的关键装备，可靠易用的装卸臂产品将为满足人们的能源需求、保护自然环境提供支撑。

现有装卸臂产品提供手动控制的操纵方式，在将装卸臂的管口连接至船上集管法兰时，操作人员手持遥控器登船对装卸臂进行手动点动控制，在对接过程的末端，装卸臂管口需要精确地、缓缓地移向相应的船上集管法兰。手动对接的过程对操作的熟练、准确程度提出了很高的要求，耗费人力，且存在一定的碰撞风险。因此需要有一种能实现自动对接的装卸臂设备，来提高液体码头装卸过程的便捷性、可靠性。

要实现装卸臂的自动对接，现有的装卸臂设备及其电控系统存在以下问题。

(1)缺少船上目标法兰的定位装方法。装卸臂的电控系统需要通过实时解算掌握船上目标法兰相对于装卸臂对接法兰的空间距离，作为自动对接过程中对装卸臂动作进行控制的依据。

(2)液压执行机构的运行速度不能平缓调节。流经液压管路的液体流速决定装卸臂运动的速度。若无法精确调节液压管路内的液体流速，则很难提升装卸臂动作的控制精度，对实现自动对接构成一定的障碍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于船用装卸臂自动对接的电控系统，以解决现有装卸臂自动化程度不高、可靠性不高等技术问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于船用装卸臂自动对接的电控系统，所述电控系统包括冗余控制器模块、影像信息接口模块、角度传感器模块、液压比例阀驱动模块以及遥控模块和或本地操作台；

所述影像信息接口模块，用于提供船上目标法兰与装卸臂对接法兰的实时空间距离；

所述角度传感器模块，包括至少一个角度传感器，用于提供装卸臂各关节的实时转动角度；还用于提供控制装卸臂对接法兰姿态的转动装置的实时转动角度；

所述冗余控制器模块，包括至少一个冗余控制器，用于采集所述影像信息接口模块、角度传感器模块的数据，并根据这些数据计算完成对接、紧急脱离时装卸臂各关节所需实现的角度、位移，以及完成对接时所述转动装置所需实现的角度；

所述液压比例阀驱动模块，用于接收所述冗余控制器模块的控制指令，并对装卸臂动作进行调速控制，驱动装卸臂各关节按所述角度、位移平稳运动；

所述遥控模块和或本地操作台，均与所述冗余控制器模块进行双向通信，用于向冗余控制器模块发出操纵命令，并显示冗余控制器模块发来的自动对接状态信号，实现自动对接。

进一步地，所述系统还包括报警保护模块，用于触发报警信号并执行保护动作。

进一步地，所述报警保护模块包括：

报警信息监测装置，用于监测装卸臂的各关节是否处于极限位置；

警示装置，用于在装卸臂的某关节处于极限位置时触发报警信号；

保护装置，用于在接收到报警信号后依次执行对接双方切断、分离保护动作。

进一步地，所述报警信息监测装置，包括至少一个用于检测装卸臂各关节位置的位置检测元件；

所述保护装置，包括紧急切断驱动油缸、紧急脱离驱动油缸，以及至少一个用于检测上述两个油缸活塞杆位置的位置检测元件；在检测到紧急切断驱动油缸活塞杆处于已切断位置时，触发执行对接双方切断动作；在检测到紧急脱离油缸活塞杆处于已脱离位置时，触发装卸臂自动回缩即对接双方脱离动作。

进一步地，所述影像信息接口模块包括至少一个影像传感器，每一个影像传感器的工作区间对应于船上目标法兰与装卸臂对接法兰的某一空间距离范围。

进一步地，所述冗余控制器模块采用硬件热冗余配置，包括至少两个冗余控制器，其中一个冗余控制器作为主节点，其余冗余控制器作为从节点，主节点与从节点之间实时在线备份数据，主节点故障时，由从节点接替工作，从节点之间以此类推；每个冗余控制器对应一个冗余控制模块，所有冗余控制模块同时处理对接、紧急脱离电信号，并分别与对应的冗余控制器实时交换数据。

进一步地，所述冗余控制器模块采集所述影像信息接口模块、角度传感器模块的数据，并根据这些数据计算完成对接、紧急脱离时装卸臂各关节所需实现的角度、位移，过程包括：

(1)通过坐标变换获取装卸臂对接法兰中心在以基座中心为原点的基座坐标系中的坐标；

(2)根据影像信息接口模块提供的船上目标法兰与装卸臂对接法兰的空间距离、装卸臂对接法兰中心点在基座坐标系中的坐标，求取船上目标法兰中心点在基座坐标系中的坐标：

(3)接收到对接指令，执行：

根据上述(1)、(2)获得的坐标，通过装卸臂运动学方程反向解算装卸臂对接法兰中心点运动至船上目标法兰中心点处，装卸臂各关节运动的角度，并结合路径规划算法获取最优位移路径；

根据船上目标法兰的姿态求取所述转动装置所需转动的角度，该角度驱动船上目标法兰与装卸臂对接法兰平行；

接收到紧急脱离指令，执行：

根据上述(1)、(2)获得的坐标，通过装卸臂运动学方程反向解算装卸臂对接法兰中心点远离船上目标法兰中心点运动或恢复至初始位置，装卸臂各关节运动的角度，并结合路径规划算法获取最优位移路径。

进一步地，所述液压比例阀驱动模块包括至少一个比例阀放大器、至少一个电液比例阀以及至少一个液压执行机构；所述比例阀放大器接收所述冗余控制器模块的控制指令，驱动所述电液比例阀按预设的开度打开，进而驱动所述液压执行机构驱动装卸臂各关节按一定速度运动。

进一步地，所述系统还包括障碍物检测模块，用于检测装卸臂周围是否存在障碍物，在无障碍物时触发冗余控制器模块响应遥控模块和或本地操作台发出的操纵命令，并发送控制指令至液压比例阀驱动模块，实现自动对接；否则冗余控制器模块不响应遥控模块和或本地操作台发出的操纵命令，且不发送控制指令至液压比例阀驱动模块。

进一步地，所述遥控模块和或本地操作台还用于手动操纵所述装卸臂进行对接。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)能实现装卸臂对接法兰与船上目标法兰的自动对接，且可实现自动/手动模式切换；2)装卸臂动作速度平缓可调，实现装卸臂平稳运动，提高了控制和运动精度；3)设有报警保护模块，能够提高系统的安全性；4)在不同的空间范围内启动安装于不同位置处的影像传感器，能够充分利用影像传感器的最佳工作距离，提高所测空间距离的准确度和可靠度，进而提高对接的精度，同时也能延长每个影像传感器的工作寿命；5)冗余控制器模块根据影像信息接口模块与角度传感器模块的数据获得自动对接的控制依据，控制依据随船上目标法兰的移动、随装卸臂位移误差的产生而实时更新，提高了对接的精度；6)冗余控制器模块采用硬件热冗余配置，形成多条控制信号通路，任意一条通路出现故障，并不影响控制效果，提高了系统对接、紧急脱离等动作的可靠性；7)设有障碍物检测模块，在检测到障碍物时，冗余控制器模块不会响应遥控模块和或本地操作台发出的自动对接操纵命令，提高了系统工作的安全性；8)角度传感器模块包括检测控制装卸臂对接法兰姿态的转动装置的角度的传感器，能够实时反馈装卸臂对接法兰的姿态数据，驱动转动装置转动使船上目标法兰与装卸臂对接法兰保持平行，实现了装卸臂对接法兰的转动姿态的控制。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为一个实施例中适用于船用装卸臂自动对接的电控系统框图。

图2为一个实施例中装卸臂机械本体结构示意图。

图3为一个实施例中冗余控制器机柜结构示意图。

图4为一个实施例中装卸臂关节模型示意图，其中图(a)为背视图，图(b)为右视图。

图5为一个实施例中遥控器面板示意图。

图中部件编号如下：

2管控平台，3装卸臂机械本体；21第一影像传感器，22第二影像传感器；31立柱，32耳轴箱，33内臂，34外臂，35三维接头，36配重；52控制机柜，53本地操作台，54遥控模块；521第一冗余控制器，522第二冗余控制器，523第一冗余控制模块，524第二冗余控制模块；541启动按钮，542停止按钮，543确认按钮，544辅助启动按钮，545允许自动指示灯，546等待确认指示灯，547对接完成指示灯；551回转角度传感器，552内臂角度传感器，553外臂角度传感器，554三维接头角度传感器，561回转极限位置接近开关，562外臂极限位置接近开关。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，结合图1，提供了一种适用于船用装卸臂自动对接的电控系统，该系统包括冗余控制器模块、影像信息接口模块、角度传感器模块、液压比例阀驱动模块以及遥控模块和或本地操作台；

影像信息接口模块，用于提供船上目标法兰与装卸臂对接法兰的实时空间距离；

角度传感器模块，包括至少一个角度传感器，用于提供装卸臂各关节的实时转动角度；还用于提供控制装卸臂对接法兰姿态的转动装置的实时转动角度；

这里，角度传感器一般设置在各关节处；

示例性优选地，角度传感器采用绝对式旋转编码器。

冗余控制器模块，包括至少一个冗余控制器，用于采集影像信息接口模块、角度传感器模块的数据，并根据这些数据计算完成对接、紧急脱离时装卸臂各关节所需实现的角度、位移，以及完成对接时所述转动装置所需实现的角度；

这里，在装卸臂运动过程中，影像信息接口模块、角度传感器模块实时反馈对接双方的位置姿态变化，实时更新目标法兰的位置姿态、有效消除装卸臂的位移误差，提高了对接的精度。

液压比例阀驱动模块，用于接收冗余控制器模块的控制指令，并对装卸臂动作进行调速控制，驱动装卸臂各关节按上述角度、位移平稳运动；

遥控模块和或本地操作台，均与冗余控制器模块进行双向通信，用于向冗余控制器模块发出操纵命令，并显示冗余控制器模块发来的自动对接状态信号，实现自动对接。

这里，操纵命令包括启动自动对接、暂停自动对接等。自动对接状态信号包括允许自动对接、对接结束提示信号等。

这里，遥控模块和或本地操作台上设有自动对接信号反馈指示灯，可操作性强。

进一步地，在其中一个实施例中，适用于船用装卸臂自动对接的电控系统还包括报警保护模块，用于触发报警信号并执行保护动作。

采用本实施例的方案，能够提高系统安全性能。

进一步地，在其中一个实施例中，上述报警保护模块包括：

报警信息监测装置，用于监测装卸臂的各关节是否处于极限位置；

这里，极限位置包括水平回转左/右方向预报警位置、一级报警位置、二级报警位置等；外臂前伸方向预报警位置、一级报警位置、二级报警位置等；这些位置根据装卸臂本身的参数以及实际需求自定义设置；

警示装置，用于在装卸臂的某关节处于极限位置时触发报警信号；

这里，报警信号为声光报警信号，且针对上述预报警、一级报警、二级报警等三种极限位置对应三种不同频率的声光报警信号。

保护装置，用于在接收到报警信号后依次执行对接双方切断、分离保护动作；

这里，切断是指断开对接双方互通的通道，分离是指对接双方分离。

进一步地，在其中一个实施例中，上述报警信息监测装置，包括至少一个用于检测装卸臂各关节位置的位置检测元件；

上述保护装置，包括紧急切断驱动油缸、紧急脱离驱动油缸，以及至少一个用于检测上述两个油缸活塞杆位置的位置检测元件；在检测到紧急切断驱动油缸活塞杆处于已切断位置时，触发执行对接双方切断动作；在检测到紧急脱离油缸活塞杆处于已脱离位置时，触发装卸臂自动回缩即对接双方脱离动作。

示例性优选地，上述位置检测元件采用接近开关。

进一步地，在其中一个实施例中，上述影像信息接口模块包括至少一个影像传感器，每一个影像传感器的工作区间对应于船上目标法兰与装卸臂对接法兰的某一空间距离范围。

采用本实施例的方案，在不同的空间范围内启动安装于不同位置处的影像传感器，能够充分利用影像传感器的最佳工作距离，提高所测空间距离的准确度和可靠度，进而提高对接的精度，同时也能延长每个影像传感器的工作寿命。

进一步地，在其中一个实施例中，上述冗余控制器模块采用硬件热冗余配置，包括至少两个冗余控制器，其中一个冗余控制器作为主节点，其余冗余控制器作为从节点，主节点与从节点之间实时在线备份数据，主节点故障时，由从节点接替工作，从节点之间以此类推；每个冗余控制器对应一个冗余控制模块，所有冗余控制模块同时处理对接、紧急脱离电信号，并分别与对应的冗余控制器实时交换数据。

采用本实施例的方案，能形成多条控制信号通路，任意一条通路出现故障，并不影响控制效果，提高了系统对接、紧急脱离等动作的可靠性；

进一步地，在其中一个实施例中，上述冗余控制器模块采集影像信息接口模块、角度传感器模块的数据，并根据这些数据计算完成对接、紧急脱离时装卸臂各关节所需实现的角度、位移，以及完成对接时所述转动装置所需实现的角度，过程包括：

(1)通过坐标变换获取装卸臂对接法兰中心在以基座中心为原点的基座坐标系中的坐标；

(2)根据影像信息接口模块提供的船上目标法兰与装卸臂对接法兰的空间距离、装卸臂对接法兰中心点在基座坐标系中的坐标，求取船上目标法兰中心点在基座坐标系中的坐标：

(3)接收到对接指令，执行：

根据上述(1)、(2)获得的坐标，通过装卸臂运动学方程反向解算装卸臂对接法兰中心点运动至船上目标法兰中心点处，装卸臂各关节运动的角度，并结合路径规划算法获取最优位移路径；

根据船上目标法兰的姿态求取所述转动装置所需转动的角度，该角度驱动船上目标法兰与装卸臂对接法兰平行；

接收到紧急脱离指令，执行：

根据上述(1)、(2)获得的坐标，通过装卸臂运动学方程反向解算装卸臂对接法兰中心点远离船上目标法兰中心点运动或恢复至初始位置，装卸臂各关节运动的角度，并结合路径规划算法获取最优位移路径。

进一步地，在其中一个实施例中，上述液压比例阀驱动模块包括至少一个比例阀放大器、至少一个电液比例阀以及至少一个液压执行机构；比例阀放大器接收冗余控制器模块的控制指令，驱动电液比例阀按预设的开度打开，进而驱动液压执行机构驱动装卸臂各关节按一定速度运动。

这里，冗余控制器与比例阀放大器电性连接，冗余控制器向比例阀放大器输出一个模拟量信号；比例阀放大器与电液比例阀的线圈电性连接，将冗余控制器的信号经过隔离、放大处理后，输出至电液比例阀的线圈；模拟量信号转换为电液比例阀阀体的开度，进而转换为相应液压管路内的流速。控制电液比例阀的阀体按5％-100％之间的任意开度打开，在同等液压系统压力下，即可获得平顺变化的装卸臂运动速度。在自动对接过程中，距离较远时使装卸臂以较快速度运动，接近目标法兰时，逐渐降低速度以避免碰撞、获得较高的运动精度。

采用本实施例的方案，装卸臂动作速度平缓可调，实现装卸臂平稳运动，提高了控制和运动精度，进而提高对接精度。

进一步地，在其中一个实施例中，适用于船用装卸臂自动对接的电控系统还包括障碍物检测模块，用于检测装卸臂周围是否存在障碍物，在无障碍物时触发冗余控制器模块响应遥控模块和或本地操作台发出的操纵命令，并发送控制指令至液压比例阀驱动模块，实现自动对接；否则冗余控制器模块不响应遥控模块和或本地操作台发出的操纵命令，且不发送控制指令至液压比例阀驱动模块。

采用本实施例的方案，能够提高系统工作的安全性，防止人员等被自动对接过程中的装卸臂伤害。

进一步地，在其中一个实施例中，上述遥控模块和或本地操作台还用于手动操纵装卸臂进行对接。

采用本实施例的方案，能实现自动/手动两种工作模式切换，适应实际需求。

作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明适用于船用装卸臂自动对接的电控系统进行进一步说明，包括以下内容：

本实施例针对的船用装卸臂机械本体结构如图2所示，机械本体3包括立柱31、耳轴箱32、内臂33、外臂34、三维接头35和配重36。立柱31与耳轴箱32沿水平摆动方向相对运动，耳轴箱32与内臂33沿垂直俯仰方向相对运动，内臂33与外臂34沿垂直俯仰方向相对运动，外臂34与三维接头35沿水平摆动方向相对运动，三维接头35自身有垂直俯仰、垂直转动等两个方向自由度，于是装卸臂机械本体形成了六自由度。其中，立柱31与耳轴箱32之间(耳轴箱32绕立柱31水平回转)、耳轴箱32与内臂33之间(内臂33绕耳轴箱32转动)、内臂33与外臂34之间(外臂34绕内臂33转动)、外臂34与三维接头35之间(三维接头35绕外臂水平回转)等四个自由度由液压执行机构驱动，受装卸臂电控系统控制，三维接头35的垂直俯仰自由度在重力作用下自由下垂，外臂34伸展角度改变时，三维接头35始终在重力作用下下垂且与外臂34的夹角作相应改变。三维接头35与地面之间的夹角决定了装卸臂管口面与地面的夹角，该夹角越接近90°则越利于装卸臂管口与船上集管法兰的对接，通过合理调配三维接头35的重量分布，使得空管状态下管口面相对地面的角度始终满足法兰对接的需求。三维接头35的另一个自由度即管口垂直面内的转动，对对接法兰面之间的夹角不产生影响。

于是，由四个液压驱动自由度、三维接头35处的两个在重力作用下运动的自由度构成的六自由度装卸臂，在包络线范围内总是能够使管口法兰面移动至船上集管法兰面附近并符合垂直要求。本实施例的机械本体3适用于自动对接。

本实施例中角度传感器模块包括4个角度传感器：回转角度传感器551、内臂角度传感器552、外臂角度传感器553和三维接头角度传感器554，且优选为绝对式旋转编码器。其中，回转角度传感器551安装在立柱31与耳轴箱32连接处的旋转接头上，检测该旋转接头内外圈的转角θ₁；内臂角度传感器552安装在耳轴箱32与内臂33连接处的旋转接头上，检测该旋转接头内外圈的转角θ₂；外臂角度传感器553安装在内臂33与配重36相连接的回转支撑的圆心处，检测该回转支撑内外圈的转角θ₃；三维接头角度传感器554安装在外臂34与三维接头35连接处的旋转接头上，检测该旋转接头内外圈的转角θ₅。自动对接过程中，角度传感器实时采集初始读数并上传至冗余控制器，进行一定的比例换算，得到角度数值{θ₁,θ₂,θ₃,θ₅}，冗余控制器将该角度数值上传至管控平台2，作为自动对接动作的控制依据。

本实施例中影像信息接口模块包括两个影像传感器，分别为安装于立柱上、三维接头前方的第一影像传感器21、第二影像传感器22，两个影像传感器均连接至管控平台2，当装卸臂距离目标法兰较远时，第一影像传感器21起作用，装卸臂运动至较接近目标法兰位置时，优选距离2米以内时，第二影像传感器22起作用。管控平台2识别影像传感器传输的图像中的船上目标法兰，根据实际法兰的形状尺寸及图像中法兰的形状尺寸计算出船上目标法兰距离装卸臂对接法兰的空间距离

结合图3，本实施例中冗余控制器模块包括设置于控制机柜52中的第一冗余控制器521、第二冗余控制器522，以及与两个冗余控制器相对应的第一冗余控制模块523、第二冗余控制模块524。第一冗余控制器521与第二冗余控制器522之间通过光纤连接，并实时在线备份数据；第一冗余控制器521和第一冗余控制模块523之间电性连接，第二冗余控制器522和第二冗余控制模块524之间电性连接。两个冗余控制模块523、524同时处理与对接、紧急脱离动作相关的电信号，并分别与两个冗余控制器521、522实时交换数据，形成两条控制信号通路，任一通路出现故障，并不影响控制效果。该配置能够显著提高紧急脱离动作的可靠性。

冗余控制器模块采集影像信息接口模块、角度传感器模块的数据，并根据这些数据计算完成对接、紧急脱离时装卸臂各关节所需实现的角度、位移，以及完成对接时所述转动装置所需实现的角度，过程包括：

(1)获取装卸臂对接法兰中心在以基座中心为原点的基座坐标系中的位置坐标：

结合图4，装卸臂包括5个关节，从基座开始延伸分别记为关节A1至A5，装卸臂末端对接法兰中心点记为A6；

假设以装卸臂基座中心为原点的基座坐标系为{0}，关节A1点在{0}中的矢量为：

坐标系{0}沿z轴平移l₀，l₀为关节A1点到基底的距离，再沿z轴旋转θ₁，变换为坐标系{1}；关节A2在坐标系{1}中的矢量如下：

式中，c₁表示cosθ₁，s₁表示sinθ₁，l₁为关节A1点到关节A2点的距离；

坐标系{1}沿x轴平移l₁，再沿x轴旋转-θ₂，变换为坐标系{2}，关节A3点在坐标系{2}中的矢量为：

式中，c₂表示cosθ₂，s₂表示sinθ₂，l₂为关节A2点到关节A3点的距离；

坐标系{2}沿z轴平移l₂，再沿x轴旋转(θ₃-π)，变换为坐标系{3}，关节A4点在坐标系{3}中的矢量为：

式中，c₃表示cosθ₃，s₃表示sinθ₃，l₃为关节A3点到关节A4点的距离；

坐标系{3}沿z轴平移l₃，再沿x轴旋转-θ₄，变换为坐标系{4}，θ₄＝θ₃-θ₂，关节A4点在重力作用下下垂，关节A5点在坐标系{4}中的矢量为：

式中，c_2-3表示cos(θ₂-θ₃)，s_2-3表示sin(θ₂-θ₃)，l₄为关节A4点到关节A5点的距离；

坐标系{4}沿z轴平移l₄，再沿z轴旋转θ₅，变换为坐标系{5}，A6点在坐标系{5}中的矢量为：

式中，c₅表示cosθ₅，s₅表示sinθ₅，l₅为关节A5点到A6点的距离；

由上获得装卸臂对接法兰中心点A6在坐标系{0}中的矢量为：

{x,y,z}为装卸臂对接法兰中心点A6在坐标系{0}中的位置坐标；

上述z轴垂直地面向上，沿z轴旋转表示装卸臂水平运动，沿x轴旋转表示装卸臂前后运动；

(2)根据影像信息接口模块提供的船上目标法兰与装卸臂对接法兰的空间距离、装卸臂对接法兰中心点在坐标系{0}中的坐标，求取船上目标法兰中心点在坐标系{0}中的坐标：

求取船上目标法兰中心点在坐标系{0}中的矢量为：

式中，

表示船上目标法兰与装卸臂对接法兰的空间距离，{a,b,c}为船上目标法兰中心点在坐标系{0}中的坐标；

(3)接收到对接指令，执行：

根据上述(1)、(2)获得的坐标，通过装卸臂运动学方程反向解算当装卸臂对接法兰中心点A6运动至坐标{a,b,c}处，装卸臂各关节运动的角度；以该角度值为目标，结合路径规划算法获取最优位移路径。同时，根据船上目标法兰的姿态求取三维接头所需转动的角度，该角度驱动船上目标法兰与装卸臂对接法兰平行。在液压比例阀驱动模块的作用下，装卸臂按优选路径自动向目标法兰方向移动，且装卸臂对接法兰根据转动角度进行转动，实现对接。

接收到紧急脱离指令，执行：

根据上述(1)、(2)获得的坐标，通过装卸臂运动学方程反向解算当装卸臂对接法兰中心点A6远离坐标{a,b,c}运动或恢复至初始位置，装卸臂各关节运动的角度；以该角度值为目标，结合路径规划算法获取最优位移路径。在液压比例阀驱动模块的作用下，装卸臂按优选路径自动向远离目标法兰的方向移动，实现紧急脱离。

本实施例中的报警信息监测装置包括设置于立柱31与耳轴箱32连接处的回转支承上的回转极限位置接近开关561，设置于内臂33下绳轮处的外臂极限位置接近开关562，分别用于检测装卸臂水平回转左/右方向、外臂前伸方向是否处于预设极限位置。

系统实现自动对接过程由遥控模块和或本地操作台控制，通过人工触发遥控模块和或本地操作台上的自动对接启动装置启动。启动装置触发后，冗余控制器模块不会立即响应启动自动对接命令，而是由系统中的障碍物检测模块先检测装卸臂周围是否存在障碍物，若码头环境内存在不利于装卸臂自动动作的安全隐患或障碍物，则冗余控制器模块不执行遥控模块和或本地操作台发出的启动自动对接命令，并向遥控模块和或本地操作台反馈不具备对接条件的指示信号；若码头环境内不存在不利于装卸臂自动动作的安全隐患或障碍物，则冗余控制器模块向遥控模块和或本地操作台反馈允许自动对接的指示信号，并响应自动对接启动命令，通过上述过程处理影像信息接口模块、角度传感器模块的数据，计算完成对接、紧急脱离时装卸臂各关节所需实现的角度、位移，并发送控制指令至液压比例阀驱动模块，驱动装卸臂各关节平稳运动实现自动对接，在自动对接进行的过程中，可以通过触发遥控模块和或本地操作台上的自动对接暂停装置随时暂停自动对接过程，系统会自动切换至人工手动对接模式，若要再次启动自动对接，触发自动对接启动装置即可。在自动对接过程完成后，冗余控制器模块向遥控模块和或本地操作台反馈自动对接结束提示信号，之后在对接完成状态下，由报警保护模块实时检测系统状态，在出现异常情况时，及时触发报警信号并执行对接双方切断、分离等保护动作。

本实施例中遥控模块54的面板如图5所示，其上设置启动按钮541、停止按钮542、确认按钮543、辅助启动按钮544、允许自动指示灯545、等待确认指示灯546、对接完成指示灯547、手动/自动模式切换按钮以及手动对接操作装置。本地操作台53的面板设置可以与遥控模块54的面板相同。

通过遥控模块54和或本地操作台53上的手动/自动模式切换按钮选定对接模式，选定手动模式时，通过手动对接操作装置控制装卸臂进行对接；选定自动模式时，通过启动按钮541一键触发启动自动对接，仅当障碍物检测模块检测到装卸臂周围不存在障碍物，且反馈为允许自动指示灯545常亮时，冗余控制器模块才会响应自动对接启动命令，并发送控制指令至液压比例阀驱动模块，以驱动装卸臂各关节平稳运动实现自动对接。自动对接进行过程中，随时按下停止按钮542，都将暂停自动对接过程，同时等待确认指示灯546将闪烁。此时切换至手动对接或切换至本地操作台控制，等待确认指示灯546将熄灭。此时若要继续进行被中断的自动对接过程，需按下确认按钮543，再按下启动按钮541，则自动对接过程继续。自动对接过程结束后，对接完成指示灯547长亮，至浮动状态开启后，该指示灯熄灭。

本实施例提供的另一种自动对接操纵方案为：自动对接进行过程中，操作员需始终按下辅助启动按钮544，若中途松开，则视同暂停。辅助启动按钮544也可置于遥控器的侧面、底部、手柄背面等其它部位。

综上，本发明提出的适用于船用装卸臂自动对接的电控系统能实现高精度、高可靠性、高安全性的装卸臂自动对接。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种适用于船用装卸臂自动对接的电控系统，其特征在于，所述电控系统包括冗余控制器模块、影像信息接口模块、角度传感器模块、液压比例阀驱动模块以及遥控模块或本地操作台；

所述影像信息接口模块，用于提供船上目标法兰与装卸臂对接法兰的实时空间距离；

所述角度传感器模块，包括至少一个角度传感器，用于提供装卸臂各关节的实时转动角度；还用于提供控制装卸臂对接法兰姿态的转动装置的实时转动角度；

所述冗余控制器模块，用于采集所述影像信息接口模块、角度传感器模块的数据，并根据这些数据计算完成对接、紧急脱离时装卸臂各关节所需实现的角度、位移，以及完成对接时所述转动装置所需实现的角度；

所述液压比例阀驱动模块，用于接收所述冗余控制器模块的控制指令，并对装卸臂动作进行调速控制，驱动装卸臂各关节按所述角度、位移平稳运动；

所述遥控模块或本地操作台，均与所述冗余控制器模块进行双向通信，用于向冗余控制器模块发出操纵命令，并显示冗余控制器模块发来的自动对接状态信号，实现自动对接；

所述影像信息接口模块包括至少一个影像传感器，每一个影像传感器的工作区间对应于船上目标法兰与装卸臂对接法兰的某一空间距离范围；

所述冗余控制器模块采用硬件热冗余配置，包括至少两个冗余控制器，其中一个冗余控制器作为主节点，其余冗余控制器作为从节点，主节点与从节点之间实时在线备份数据，主节点故障时，由从节点接替工作，从节点之间以此类推；每个冗余控制器对应一个冗余控制模块，所有冗余控制模块同时处理对接、紧急脱离电信号，并分别与对应的冗余控制器实时交换数据；

所述冗余控制器模块采集所述影像信息接口模块、角度传感器模块的数据，并根据这些数据计算完成对接、紧急脱离时装卸臂各关节所需实现的角度、位移，以及完成对接时所述转动装置所需实现的角度，过程包括：

(1)通过坐标变换获取装卸臂对接法兰中心在以基座中心为原点的基座坐标系中的坐标；

(2)根据影像信息接口模块提供的船上目标法兰与装卸臂对接法兰的空间距离、装卸臂对接法兰中心点在基座坐标系中的坐标，求取船上目标法兰中心点在基座坐标系中的坐标：

(3)接收到对接指令，执行：

根据上述(1)、(2)获得的坐标，通过装卸臂运动学方程反向解算装卸臂对接法兰中心点运动至船上目标法兰中心点处，装卸臂各关节运动的角度，并结合路径规划算法获取最优位移路径；

根据船上目标法兰的姿态求取所述转动装置所需转动的角度，该角度驱动船上目标法兰与装卸臂对接法兰平行；

接收到紧急脱离指令，执行：

根据上述(1)、(2)获得的坐标，通过装卸臂运动学方程反向解算装卸臂对接法兰中心点远离船上目标法兰中心点运动或恢复至初始位置，装卸臂各关节运动的角度，并结合路径规划算法获取最优位移路径。

2.根据权利要求1所述的适用于船用装卸臂自动对接的电控系统，其特征在于，所述系统还包括报警保护模块，用于触发报警信号并执行保护动作。

3.根据权利要求2所述的适用于船用装卸臂自动对接的电控系统，其特征在于，所述报警保护模块包括：

报警信息监测装置，用于监测装卸臂的各关节是否处于极限位置；

警示装置，用于在装卸臂的某关节处于极限位置时触发报警信号；

保护装置，用于在接收到报警信号后依次执行对接双方切断、分离保护动作。

4.根据权利要求3所述的适用于船用装卸臂自动对接的电控系统，其特征在于，所述报警信息监测装置，包括至少一个用于检测装卸臂各关节位置的位置检测元件；

所述保护装置，包括紧急切断驱动油缸、紧急脱离驱动油缸，以及至少一个用于检测上述两个油缸活塞杆位置的位置检测元件；在检测到紧急切断驱动油缸活塞杆处于已切断位置时，触发执行对接双方切断动作；在检测到紧急脱离油缸活塞杆处于已脱离位置时，触发装卸臂自动回缩即对接双方脱离动作。

5.根据权利要求1所述的适用于船用装卸臂自动对接的电控系统，其特征在于，所述液压比例阀驱动模块包括至少一个比例阀放大器、至少一个电液比例阀以及至少一个液压执行机构；所述比例阀放大器接收所述冗余控制器模块的控制指令，驱动所述电液比例阀按预设的开度打开，进而驱动所述液压执行机构驱动装卸臂各关节按一定速度运动。

6.根据权利要求1所述的适用于船用装卸臂自动对接的电控系统，其特征在于，所述系统还包括障碍物检测模块，用于检测装卸臂周围是否存在障碍物，在无障碍物时触发冗余控制器模块响应遥控模块或本地操作台发出的操纵命令，并发送控制指令至液压比例阀驱动模块，实现自动对接；否则冗余控制器模块不响应遥控模块或本地操作台发出的操纵命令，且不发送控制指令至液压比例阀驱动模块。

7.根据权利要求1所述的适用于船用装卸臂自动对接的电控系统，其特征在于，所述遥控模块或本地操作台还用于手动操纵所述装卸臂进行对接。

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