CN112209273A - 一种基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置及其协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置及其协同控制方法，采用视觉检测相机检测缆绳间隙，在排缆过程中视觉检测系统可自适应调节轴向、径向位置，有效解决视觉检测相机动态标定问题，从而提高缆绳间隙视觉检测精度；采用交叉耦合协同控制策略，将缆绳间隙、储缆卷筒转速、丝杆转速进行相应变换，作为自动排缆协同控制反馈调节环，提高了排缆控制的响应速度与精度；本发明的有益效果：通过直接表征排缆质量的缆绳间隙作为排缆协同控制反馈量，实现海洋绞车快速有序自动排缆，有效避免排缆过程中出现乱缆、夹缆现象，提高缆绳使用寿命和海洋绞车运行、海洋装备作业的安全性。

Description

一种基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置及其协同 控制方法

技术领域

本发明属于绞车自动排缆装置及其控制方法，具体地说是一种基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置及其协同控制方法。

背景技术

随着人口急剧膨胀、陆地资源日益枯竭、环境不断恶化，世界各国聚焦蕴藏着丰富的石油、天然气资源以及矿产资源的海洋。海洋绞车是水面支持系统中关键的甲板机械装备，主要依托母船广泛地应用于海洋资源勘探与开发装备的收放及其在深海作业过程中的固定。近年来，海洋资源勘查与开发逐渐从近海向深海转移，随着装备作业深度的不断加大，要求海洋绞车缆绳超长，甚至达到10000米。在绞车运行中，缆绳从卷筒中放出以便海洋装备入海作业，回放海洋装备时缆绳又有序排列并储存于卷筒之中。但是，在缆绳超长、复杂多变海况、工况条件等影响下，绞车有时出现乱缆（空槽、咬缆、背缆）、夹缆现象，从而导致海洋装备收放作业停顿、甚至失败；乱缆、夹缆引发相互挤压容易损坏缆绳，而海洋绞车缆绳一般为脐带缆，不仅具有牵引、吊装功能，并且具有深海供电、控制和通讯功能；缆绳问题轻则海洋装备不能预期作业，重则不能收回装备，成为海洋绞车运行、海洋装备作业的安全隐患。

目前，绞车有机械式、电控式两种自动排缆方式。机械式自动强排缆方法属于间接驱动方式，采用链传动、齿轮传动（减速器）、齿轮齿条传动、带传动以及双向牙嵌式离合器（换向器）等装置将储缆卷筒主轴与排缆丝杆连接，以储缆卷筒动力源驱动排缆机构，采用机械传动比强制储缆卷筒主轴与排缆丝杠协同运动进行自动排缆。电控式自动排缆方法主要有两类，一类是通过检测卷筒转速、丝杆转速或位移，按照卷筒旋转一周排缆机构沿卷筒轴向方向平移一个缆径位移量的原理，以丝杆转速或位移作为反馈，控制丝杆转速与转向，使导缆轮与储缆卷筒之间协调运动，实现自动排缆；另一类是通过检测缆绳偏角，控制丝杆转速与转向，保持缆绳在收放过程中与导缆轮零偏角，使排缆机构与储缆卷筒协同运动，实现自动排缆。缆绳排列密实整齐主要是通过机械传动关系（机械式强排缆）、检测卷筒与丝杆转速或缆绳偏角（电控式排缆）并进行相应控制来间接保证。由于没有检测直接表征排缆质量的物理量，且在自动排缆过程中存在摩擦磨损、检测误差、信号干扰，一旦排缆出现偏差，排缆控制器无从知晓，不能实现自动纠偏，只能人为观察并干预，实行手动纠偏。这对海洋绞车运行、海洋装备造成潜在安全隐患。因此，发明一种基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置及其控制方法，通过机器视觉检测缠绕在储缆卷筒上缆绳之间的间隙，结合检测储缆卷筒转速、丝杆转速，然后采取相应的措施确保排缆质量，是十分必要的。

发明内容

为了克服现有绞车排缆技术上的不足，本发明提供一种结构简单、安全可靠的基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置以及协同控制方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置及其协同控制方法，包括基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置、协同控制方法；所述基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置，它包括排缆机构、视觉检测系统、控制器，用于储缆卷筒转速、丝杆转速、缆绳间隙等检测与数据采集；所述协同控制方法，用于储缆卷筒、丝杆协同控制，实现海洋绞车有序自动排缆。

在本发明中，所述的基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置，其特征是：所述的排缆机构包括丝杆、减速器、丝杆驱动伺服电机、丝杆伺服驱动器、丝杆编码器、导缆轮、左行程开关、右行程开关；所述丝杆驱动伺服电机通过减速器与丝杆相连接；所述丝杆编码器与丝杆相连接，用于检测丝杆转速；所述丝杆伺服驱动器通过电缆与丝杆驱动伺服电机相连接；所述导缆轮通过内螺纹与丝杆相连，通过外圆弧形槽与缆绳相接触；所述左行程开关、右行程开关安装在机架上，两者之间有效距离与储缆卷筒的内框长度相同。

在本发明中，所述的基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置，其特征是：所述的视觉检测系统包括视觉检测相机、导轨、齿轮齿条装置、相机伺服电机、相机伺服驱动器、图像采集与处理模块、光源组；所述视觉检测相机固定安装在导轨滑动端上，并通过图像采集与处理模块与控制器相连；所述导轨固定端安装在导缆轮上，随丝杆正反转进行往返运动，实现视觉检测相机与缆绳缠绕到储缆卷筒卷入、放出轴向位置相对不变；所述相机伺服电机通过齿轮齿条装置与导轨滑动端相连，根据缆绳缠绕层数相机伺服电机驱动齿轮齿条装置带动导轨滑动端运动，调节视觉检测相机与最上层缆绳之间的距离，使两者径向距离保持相对不变；所述相机伺服驱动器与相机伺服电机通过电缆连接，对相机伺服电机进行驱动控制；所述光源组包括N个光源，光源的个数由储缆卷筒的长度而定，并均匀分布安装，增强被检测缆绳的光照亮度，提高缆绳间隙视觉检测成像效果以及检测精度。

在本发明中，所述的基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置，其特征是：所述的控制器为可编程逻辑控制器，通过控制线缆与丝杆伺服驱动器、相机伺服驱动器、变频器相连接，控制丝杆驱动伺服电机、相机伺服电机的转速，并通过电缆与丝杆编码器、左行程开关、右行程开关相连，丝杆编码器用于检测丝杆转速，左行程开关、右行程开关用于检测导缆轮沿丝杆平移运动的左、右限位信号。

在本发明中，所述的协同控制方法，用于储缆卷筒、丝杆交叉耦合协同控制，实现海洋绞车有序自动排缆，其特征是：

步骤一：根据海洋作业装备收放速度，设置储缆卷筒转速控制给定值，通过卷筒编码器检测储缆卷筒转速，将实测的储缆卷筒转速作为反馈对储缆卷筒速度进行控制；

步骤二：根据储缆卷筒实测转速，通过一定的变换关系设置丝杆转速控制给定值，并通过丝杆编码器检测丝杆转速，将实测的丝杆转速作为反馈对丝杆转速进行控制；

步骤三：通过缆绳间隙实测值、储缆卷筒转速实测值、丝杆转速实测值进行相应变换得到控制量，作为电驱动海洋绞车自动排缆交叉耦合协同控制反馈，再经过相应的变换分别送至储缆卷筒控制器、丝杆控制器，形成自动排缆协同控制调节环，对电驱动海洋绞车自动排缆进行交叉耦合协同控制，大大提高了排缆控制的响应速度与精度，有效确保自动排缆控制。

本发明的有益效果在于：本发明通过视觉检测相机检测排缆过程中缠绕到储缆卷筒上缆绳间隙，视觉检测相机可跟随丝杆正反转而轴向往返运动，确保视觉检测相机在排缆过程实时对准缆绳缠绕到储缆卷筒卷入、放出位置，并通过相机伺服电机驱动齿轮齿条装置，根据缆绳缠绕层数自动调节视觉检测相机径向位置，保证视觉检测相机与最上层缆绳之间的距离相对不变，通过轴向、径向两个维度上的自适应调节，有效解决了视觉检测相机在排缆运动过程中的动态标定问题，提高了缆绳间隙视觉检测精度；本发明将缆绳间隙、储缆卷筒转速、丝杆转速经过相应变换后作为海洋绞车自动排缆交叉耦合协同控制反馈，形成自动排缆协同控制调节环，大大提高了排缆控制的响应速度与精度，实现海洋绞车快速有序自动排缆，避免排缆过程中出现乱缆、夹缆现象，提高缆绳使用寿命和海洋绞车运行、海洋装备作业的安全性。

附图说明

图1为基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置总体结构框图。

图2为电驱动海洋绞车自动排缆交叉耦合协同控制策略框图。

具体实施方案

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图，附图1是基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置总体结构框图，本发明中基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置，包括排缆机构、视觉检测系统、控制器；所述排缆机构包括丝杆A1、减速器Ⅱ A2、丝杆驱动伺服电机A3、丝杆伺服驱动器A4、丝杆编码器A5、导缆轮A6、左行程开关A7、右行程开关A8；所述视觉检测系统包括视觉检测相机B1、导轨B2、齿轮齿条装置B3、相机伺服电机B4、相机伺服驱动器B5、图像采集与处理模块B6、光源组B7；所述控制器C1为可编程逻辑控制器（PLC）。

所述丝杆驱动伺服电机A3通过减速器Ⅱ A2与丝杆A1相连接，所述丝杆伺服驱动器A4通过电缆与丝杆驱动伺服电机A3相连接，所述丝杆编码器A5与丝杆A1相连接，所述左行程开关A7、右行程开关A8安装在机架上，两者之间有效距离与储缆卷筒D1的内框长度相同，所述导缆轮A6通过内螺纹与丝杆A1相连，通过导缆轮A6外圆弧形槽与缆绳A9相接触；根据左行程开关A7、右行程开关A8信号，控制器C1控制丝杆伺服驱动器A4来驱动丝杆驱动伺服电机A3实现丝杆A1正反转，从而使导缆轮A6在丝杆A1上往返运动实现自动换层排缆。

所述导轨B2固定端安装在导缆轮A6上，所述视觉检测相机B1安装导轨B2滑动端上，所述相机伺服电机B4通过齿轮齿条装置B3与导轨B2滑动端相连，所述相机伺服驱动器B5与相机伺服电机B4通过电缆连接，所述图像采集与处理模块B6连接视觉检测相机B1和控制器C1；导轨B2与导缆轮A6随丝杆A1正反转进行往返运动，使视觉检测相机B1与缆绳A9缠绕到储缆卷筒D1卷入、放出轴向位置相对不变，同时根据缆绳缠绕层数控制器C1控制相机伺服驱动器B5来驱动相机伺服电机B4经齿轮齿条装置B3带动导轨B2运动，自动调节视觉检测相机B1与最上层缆绳A9之间的距离，使两者径向距离保持相对不变，通过相机伺服电机B4轴向、径向两个维度上的自适应调节，有效解决相机伺服电机B4在排缆运动过程中的动态标定问题；所述图像采集与处理模块B6采集视觉检测相机B1的图像，并进行相应的图像处理得到缆绳间隙测量值送至控制器C1；所述光源组B7包括多个光源，光源的个数由储缆卷筒D1的长度而定，并均匀分布安装，增强被检测缆绳的光照亮度，提高缆绳间隙视觉检测成像效果以及检测精度。

所述控制器C1与丝杆编码器A5、卷筒编码器D3、左行程开关A7、右行程开关A3相连，采集丝杆A1转速、储缆卷筒D1转速、左限位与右限位信号；并与图像采集与处理模块B6相连，采集缆绳间隙检测值；还与丝杆伺服驱动器A4、相机伺服驱动器B5、变频器D2相连接，控制丝杆A1、导轨B2、储缆卷筒D1的运动速度大小、运动方向以及启停，从而实现自动精确排缆，确保海洋绞车以及海洋作业装备E1的安全可靠运行。

附图2是电驱动海洋绞车自动排缆交叉耦合协同控制策略框图，所述协同控制方法，用于储缆卷筒D1、丝杆A1交叉耦合协同控制，实现海洋绞车快速有序自动排缆，其特征是：

步骤一：根据海洋作业装备收放速度，设置储缆卷筒D1转速控制给定值n ₁ ^*，通过储缆卷筒控制器CON1控制变频器D4，驱动变频电机D3经减速器Ⅰ D2，带动储缆卷筒D1旋转进行收放缆绳A9；通过储缆卷筒编码器D5检测储缆卷筒转速n ₁，将实测的储缆卷筒转速n ₁作为反馈形成储缆卷筒控制外环，对储缆卷筒转速进行控制进行收放海洋作业装备；

步骤二：根据储缆卷筒实测转速n ₁，通过一定的变换关系f _n1-n2设置丝杆转速控制给定值n ₂ ^*，通过丝杆控制器CON2控制丝杆伺服驱动器A4，驱动伺服伺服电机A3经减速器Ⅱ A2，带动丝杆A1旋转，使导缆轮A6实现平移运动，并通过丝杆编码器A5检测丝杆转速n ₂，将实测的丝杆转速n ₂作为反馈形成丝杆控制外环，对丝杆转速进行控制进行自动排缆；

步骤三：图像采集与处理模块B6采集视觉检测相机B1的图像，并进行相应的图像处理得到缆绳间隙测量值δ，将此缆绳间隙实测值δ、储缆卷筒转速实测值n ₁、丝杆转速实测值n ₂进行相应变换∑f(e ₁₂,δ)得到控制量，然后经过相应的变换f ₁、f ₂后分别送至储缆卷筒控制器CON1、丝杆控制器CON2，作为电自动排缆协同控制反馈，形成自动排缆协同控制调节环，对电驱动海洋绞车自动排缆进行交叉耦合协同调节控制，大大提高了自动排缆控制的响应速度与精度，避免排缆过程中出现乱缆、夹缆现象，提高缆绳使用寿命和海洋绞车运行、海洋装备作业的安全性。

Claims (6)

1.一种基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置及其协同控制方法，其特征在于，包括基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置、协同控制方法；所述基于视觉检测的电驱动海洋绞车自动排缆装置，其特征在于，包括视觉检测系统，用于排缆过程中缆绳缠绕至储缆卷筒上缆绳间隙检测，并作为控制反馈量实现自动有序排缆，所述视觉检测系统包括视觉检测相机、导轨、齿轮齿条装置、相机伺服电机、相机伺服驱动器、图像采集与处理模块、分布式光源组；所述协同控制方法，采用交叉耦合协同控制策略，用于储缆卷筒、丝杆协同控制，实现海洋绞车快速有序自动排缆。

2.根据权利要求1所述视觉检测系统，其特征在于，所述导轨固定端安装在导缆轮上，随丝杆正反转进行往返运动，实现视觉检测相机与缆绳缠绕至储缆卷筒卷入、放出轴向位置相对不变。

3.根据权利要求1所述视觉检测系统，其特征在于，所述视觉检测相机安装在导轨滑动端上，所述相机伺服电机通过齿轮齿条装置与导轨滑动端相连，根据缆绳缠绕层数相机伺服电机驱动齿轮齿条装置带动导轨滑动端运动，自动调节视觉检测相机径向位置，保证视觉检测相机与最上层缆绳之间的距离相对不变，通过轴向、径向两个维度上的自适应调节，有效解决视觉检测相机在排缆运动过程中的动态标定问题，提高缆绳间隙视觉检测精度。

4.根据权利要求1所述视觉检测系统，其特征在于，所述视觉检测相机通过图像采集与处理模块和控制器相连，所述图像采集与处理模块采集视觉检测相机图像，并进行相应的图像处理得到缆绳间隙测量值送至控制器，作为自动排缆协同控制反馈量。

5.根据权利要求1所述视觉检测系统，其特征在于，所述光源组包括N个光源，光源的个数由储缆卷筒的长度而定，且均匀分布安装，增强被检测缆绳的光照亮度，提高缆绳间隙视觉检测成像效果以及检测精度。

6.根据权利要求1所述所述协同控制方法，采用交叉耦合协同控制策略，先将缆绳间隙、储缆卷筒转速、丝杆转速进行相应变换，分别送至储缆卷筒控制器、丝杆控制器作为自动排缆交叉耦合协同控制反馈，形成自动排缆协同控制调节环，对电驱动海洋绞车自动排缆进行交叉耦合协同控制，大大提高了排缆控制的响应速度与精度，实现海洋绞车快速有序自动排缆。

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