CN112407144A - 一种铰接式四自由度登乘栈桥用的主动波浪补偿控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铰接式四自由度登乘栈桥用的主动波浪补偿控制系统及其控制方法，该系统包括姿态传感器、主动波浪补偿装置、流量阀、运动缸/马达和位置反馈器件；所述主动波浪补偿装置包括与姿态传感器连接的姿态调整单元，所述姿态调整单元连接主动运动补偿单元，主动运动补偿单元连接逆运动求解器，逆运动求解器连接调节器，调节器分别与铰接式四自由度登乘栈桥上的俯仰关节、回转关节、橫摇关节、伸缩关节连接。该系统能实时补偿船舶的波浪运动，使栈桥末端位置相对于大地始终保持稳定。

Description

一种铰接式四自由度登乘栈桥用的主动波浪补偿控制系统及 其控制方法

技术领域

本发明涉及一种铰接式四自由度登乘栈桥用的主动波浪补偿控制系统及其控制方法。

背景技术

登乘栈桥是船上人员换乘必不可少的配套设备。由于受到洋流、海流以及风浪的影响，深海作业船舶会发生横摇、纵摇和升沉等波浪运动，使得栈桥在船舶的带动下随着船舶一起运动，造成栈桥与登靠点发生碰撞，而海上栈桥一般都有十米至几十米长，通常是几吨，几十吨，甚至上百吨，如果发生碰撞将造成严重的人身财产安全事故，这对海上的安全作业构成很大威胁。因此在深海高海况下，船舶上的人员换乘将无法进行安全有效的作业，如深海油气勘探、海上风塔维护等。深海作业亟需具备波浪补偿功能。

主动波浪补偿是指因风浪作用引起作业船只产生摇晃运动而进行的主动维稳校正补偿。主动波浪补偿技术主要应用于人员换乘、海上补给、海洋钻井、深海探测等方面。通过波浪补偿可以大大增强海上作业的安全性、高效性和可靠性。主动波浪补偿技术研究的核心是波浪补偿控制系统，控制系统的良好性能和可操作性是波浪补偿系统安全高效作业的前提。因此，开展波浪补偿控制系统的研究与设计，研制具有高性能、高精度控制算法的波浪补偿控制设备与方法对促进国内波浪补偿控制系统的发展及海上船舶补给装备的研制具有重要参考和促进意义，对提高我国对海洋工程装备的核心竞争力具有非常重要的战略意义，也是当今重要的理论与技术课题。

发明内容

本发明其目的就在于提供一种铰接式四自由度登乘栈桥用的主动波浪补偿控制系统及其控制方法，以解决上述背景技术中的问题。

为实现上述目的而采取的技术方案是，一种铰接式四自由度登乘栈桥用的主动波浪补偿控制系统，该系统包括姿态传感器、主动波浪补偿装置、流量阀、运动缸/马达和位置反馈器件；所述主动波浪补偿装置包括与姿态传感器连接的姿态调整单元，所述姿态调整单元连接主动运动补偿单元，主动运动补偿单元连接逆运动求解器，逆运动求解器连接调节器，调节器分别与铰接式四自由度登乘栈桥上的俯仰关节、回转关节、橫摇关节、伸缩关节连接，所述的俯仰关节、回转关节、橫摇关节、伸缩关节均包括有流量阀、运动缸/马达、位置反馈器件，运动缸/马达均分别与流量阀和位置反馈器件连接，所述流量阀和位置反馈器件均与调节器连接。

进一步，所述流量阀包括有俯仰流量阀、回转流量阀、橫摇流量阀、伸缩流量阀。

进一步，所述运动缸/马达包括有俯仰液压缸、回转液压马达、橫摇液压缸、伸缩液压缸。

进一步，所述位置反馈器件包括俯仰角度传感器、回转角度传感器、橫摇角度传感器、伸缩位移传感器。

进一步，所述的主动波浪补偿控制系统上还连接有触摸屏、压力表、控制/应急按钮、压力继电器、泵站、开关阀、声光报警器、状态运行灯。

一种铰接式四自由度登乘栈桥用的主动波浪补偿控制系统的控制方法，该方法包括以下步骤：

（1）姿态传感器提供船舶以大地作为参考的姿态信息（m）；

（2）姿态调整单元根据栈桥当前回转关节角度（R）把姿态信息（m）调整成栈桥的姿态信息（m’）；

（3）主动运动补偿单元（3）结合当前栈桥姿态信息（m’）与关节铰点位置（y）计算得到栈桥在当前姿态下各铰点的位置（y’）；

（4）逆运动求解器根据当前铰点位置（y’）、用户命令（CMD）以及末端目标稳定点（P）逆解出维稳栈桥末端各关节应运动到的目标位置（Pos）；

（5）调节器与流量阀和运动缸/马达组成闭环调节系统，通过比对目标位置（Pos）和当前反馈位置（Pos’）计算出流量阀调节量（DA），流量阀再通过改变流量（Q）以使运动缸/马达运动运动，经过多次闭环迭代使得运动缸运动到指定位置。

有益效果

与现有技术相比本发明具有以下优点。

本发明把主动波浪补偿控制系统应用到登乘栈桥上，建设一座带有主动波浪补偿功能的登乘栈桥，其能实时补偿船舶的波浪运动，使栈桥末端位置相对于大地始终保持稳定，以便人员在栈桥和固定设施之间行走往来。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步详述。

图1为本发明的主动波浪补偿实施方法的示意图；

图2为本发明中铰接式四自由度登乘栈桥侧视图；

图3为本发明中铰接式四自由度登乘栈桥俯视图；

图4为本发明的电气控制示意图；

图5为本发明中登乘栈桥运动模式转换示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述。

一种铰接式四自由度登乘栈桥用的主动波浪补偿控制系统，该系统包括姿态传感器1、主动波浪补偿装置9、流量阀6、运动缸/马达7和位置反馈器件8；所述主动波浪补偿装置9包括与姿态传感器1连接的姿态调整单元2，如图1-图4所示，所述姿态调整单元2连接主动运动补偿单元3，主动运动补偿单元3连接逆运动求解器4，逆运动求解器4连接调节器5，调节器5分别与铰接式四自由度登乘栈桥100上的俯仰关节101、回转关节102、橫摇关节103、伸缩关节104连接，所述的俯仰关节101、回转关节102、橫摇关节103、伸缩关节104均包括有流量阀6、运动缸/马达7、位置反馈器件8，运动缸/马达7均分别与流量阀6和位置反馈器件8，所述流量阀6和位置反馈器件8均与调节器5连接。

所述流量阀6包括有俯仰流量阀61、回转流量阀62、橫摇流量阀63、伸缩流量阀64。

所述运动缸/马达7包括有俯仰液压缸71、回转液压马达72、橫摇液压缸73、伸缩液压缸74。

所述位置反馈器件8包括俯仰角度传感器81、回转角度传感器82、橫摇角度传感器83、伸缩位移传感器84。

所述的主动波浪补偿控制系统上还连接有触摸屏9、压力表10、控制/应急按钮11、压力继电器12、泵站13、开关阀15、声光报警器16、状态运行灯17。

一种铰接式四自由度登乘栈桥用的主动波浪补偿控制系统的控制方法，该方法包括以下步骤：

（1）姿态传感器1提供船舶以大地作为参考的姿态信息（m）；

（2）姿态调整单元2根据栈桥当前回转关节角度（R）把姿态信息（m）调整成栈桥的姿态信息（m’）；

（3）主动运动补偿单元（3）结合当前栈桥姿态信息（m’）与关节铰点位置（y）计算得到栈桥在当前姿态下各铰点的位置（y’）；

（4）逆运动求解器根据当前铰点位置（y’）、用户命令（CMD）以及末端目标稳定点（P）逆解出维稳栈桥末端各关节应运动到的目标位置（Pos）；

（5）调节器5与流量阀6和运动缸/马达7组成闭环调节系统，通过比对目标位置（Pos）和当前反馈位置（Pos’）计算出流量阀调节量DA），流量阀6再通过改变流量（Q）以使运动缸/马达7运动运动，经过多次闭环迭代使得运动缸运动到指定位置。

本发明在具体实施时，登乘栈桥通过运动模式的切换完成波浪补偿及人员换乘。本发明共有10种运动模式如图5所示，其中6种运动模式和4种调试模式。运动模式为栈桥正常运行时需用到的运动模式，他们分别为空闲模式、手动模式、自动模式、回收模式、手自模式和被动模式。调试模式指在进行设备调试时用到的运动模式，主要用来对调节器进行调试，他们分别为停止模式、位置模式、阶跃模式和正弦模式。下面分别介绍这10种工作模式：

空闲模式：系统刚上电时的工作模式，在这个工作模式下，控制系统只做系统状态监测和显示，不做控制。监测和显示的状态包括：姿态传感器采集到的船体姿态，栈桥各关节位置以及液压系统各部件压力及液压阀状态等信息，操作人员可通过这些信息判断系统是否正常。

手动模式：在空闲模式下，操作人员按下手动模式按钮进入到手动模式。在该模式下，操作人员可通过操作台上的操作手柄手动操作栈桥各关节运动。再次按下手动模式按钮使其弹起退出手动模式，回到空闲模式。

自动模式：在空闲模式下，按下自动模式按钮系统进入到自动波浪补偿模式。在该模式下，栈桥先是自动运动到平衡位置，随后通过主动波浪补偿装置计算出当前栈桥末端在惯性系下的坐标位置，再以此坐标位置作为目标稳定点进行主动波浪补偿，时刻主动调整各关节运动位置保持栈桥末端稳定。

回收模式：在自动模式下，按下自动模式按钮使其弹起，系统进入到回收模式。在这个模式下控制系统停止主动波浪补偿，自动回收栈桥。

手自模式：在自动模式下，按下手动模式按钮，系统进入到手自模式。在这个模式下系统不光能主动补偿波浪运动，还能通过手柄控制栈桥末端移动位置。该模式是在主动波浪补偿稳定后，调整末端位置时用到。

被动模式：在手自模式调整好末端位置后，按下被动模式按钮系统进入到被动补偿模式。该模式下，伸缩关节进入恒张力模式，横摇和俯仰关节继续保持主动波浪补偿状态，回转关节处于漂浮状态。恒张力模式为伸缩关节以一定的恒力向外伸出栈桥，使栈桥顶靠住登靠设施，当顶靠的反作用力大于恒力时，栈桥在该力的作用下缩回；当顶靠的反作用小于恒力时，栈桥会伸出。这样就保证了栈桥末端始终与靠登靠设施紧密接触，防止人员踏空的情况发生。

停止模式：在空闲模式下，接收到串口发来的停止命令时系统进入到停止模式。在停止模式下系统进行位置闭环控制，使各个关节保持当前位置不变。停止模式也是各个调试模式的入口模式，只有在停止模式下，系统才接受位置、阶跃和正弦模式指令。在停止模式下收到停止命令时，系统返回空闲模式。

位置模式：位置模式为位置调试模式，只有在停止模式下才能进入。在位置模式下，关节在调节器的作用下自行运动到指定位置并稳定下来。用此模式可以观察单个关节的位置闭环情况。

阶跃模式：阶跃模式为阶跃调试模式，只有在停止模式下才能进入。在阶跃模式下，关节在调节器的作用下进行一个阶跃位置的运动并稳定下来。用此模式可以观察单个关节的位置阶跃情况。

正弦模式：正弦模式为正弦调试模式，只有在停止模式下才能进入。在正弦模式下，关节在调节器的作用下进行指定幅值和相位的正弦运动。用此模式可以观察单个关节的正弦摇摆情况。

在栈桥进行调试和使用时，应遵循以下步骤：

正常使用栈桥时，应按顺序遵循以下步骤。其中，步骤3为参数调试步骤，只要栈桥有合适的控制参数，该步骤可省略：

步骤1：在空闲模式下观察姿态传感器姿态信息是否正常，观察各液压阀状态是否正常，观察液压系统压力是否正常。

步骤2：在手动模式下，操作各运动关节运动一周，观察位置反馈信息是否正常。

步骤3：在系统正常的情况下，发送停止命令，使系统进入停止模式。通过调整控制参数使各个关节的阶跃曲线、位置曲线和正弦曲线良好。

步骤4：在进行主动波浪补偿时，先按下自动模式按钮，系统自动运动到平衡位置并开始主动波浪补偿。

步骤5：待主动波浪补偿稳定后，按下手动模式按钮，系统进入到手自模式。在这个模式下，通过操作手柄调整栈桥末端位置，使栈桥末端对准登靠装置的登靠点。

步骤6：当栈桥末端对准后，按下被动模式按钮，此时伸缩关节以恒张力模式伸出栈桥并与登靠点保持紧密接触。

步骤7：在人员换乘结束后，要收回栈桥时，按下被动模式按钮使其弹起，系统进入手自模式。操作手柄使栈桥末端缩回到不触碰登靠装置的安全位置。

步骤8：按下手动模式按钮使其弹起，系统进入主动补偿模式；再按下自动模式按钮使其弹起，系统进入回收模式，栈桥自动回收各个运动关节。待栈桥自动回收完成后系上绳索固定栈桥，以便栈桥下次使用。

Claims (6)

1.一种铰接式四自由度登乘栈桥用的主动波浪补偿控制系统，该系统包括姿态传感器（1）、主动波浪补偿装置（9）、流量阀（6）、运动缸/马达（7）和位置反馈器件（8）；所述主动波浪补偿装置包括与姿态传感器（1）连接的姿态调整单元（2），其特征在于，所述姿态调整单元（2）连接主动运动补偿单元（3），主动运动补偿单元（3）连接逆运动求解器（4），逆运动求解器（4）连接调节器（5），调节器（5）分别与铰接式四自由度登乘栈桥（100）上的俯仰关节（101）、回转关节（102）、橫摇关节（103）、伸缩关节（104）连接；所述的俯仰关节（101）、回转关节（102）、橫摇关节（103）、伸缩关节（104）均包括有流量阀（6）、运动缸/马达（7）、位置反馈器件（8），运动缸/马达（7）均分别与流量阀（6）和位置反馈器件（8）连接，所述流量阀（6）和位置反馈器件（8）均与调节器（5）连接。

2.根据权利要求1所述的一种铰接式四自由度登乘栈桥用的主动波浪补偿控制系统，其特征在于，所述流量阀（6）包括有俯仰流量阀（61）、回转流量阀（62）、橫摇流量阀（63）、伸缩流量阀（64）。

3.根据权利要求1所述的一种铰接式四自由度登乘栈桥用的主动波浪补偿控制系统，其特征在于，所述运动缸/马达（7）包括有俯仰液压缸（71）、回转液压马达（72）、橫摇液压缸（73）、伸缩液压缸（74）。

4.根据权利要求1所述的一种铰接式四自由度登乘栈桥用的主动波浪补偿控制系统，其特征在于，所述位置反馈器件（8）包括俯仰角度传感器（81）、回转角度传感器（82）、橫摇角度传感器（83）、伸缩位移传感器（84）。

5.根据权利要求1所述的一种铰接式四自由度登乘栈桥用的主动波浪补偿控制系统，其特征在于，所述的主动波浪补偿控制系统上还连接有触摸屏（14）、压力表（10）、控制/应急按钮（11）、压力继电器（12）、泵站（13）、开关阀（15）、声光报警器（16）、状态运行灯（17）。

6.根据权利要求1所述的一种铰接式四自由度登乘栈桥用的主动波浪补偿控制系统的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）姿态传感器（1）提供船舶以大地作为参考的姿态信息（m）；

（2）姿态调整单元（2）根据栈桥当前回转关节角度（R）把船舶的姿态信息（m）调整成栈桥的姿态信息（m’）；

（3）主动运动补偿单元（3）结合当前栈桥姿态信息与关节铰点位置（y）计算得到栈桥在当前姿态下各铰点的位置（y’）；

（4）逆运动求解器根据当前铰点位置（y’）、用户命令（CMD）以及末端目标稳定点（P）逆解出维稳栈桥末端各关节应运动到的目标位置（Pos）；

（5）调节器（5）与流量阀（6）、运动缸/马达（7）与位置反馈器件（8）组成闭环调节系统，通过比对目标位置（Pos）和当前反馈位置（Pos’）计算出流量阀调节量（DA），流量阀（6）再通过改变流量（Q）以使运动缸/马达（7）运动运动，经过多次闭环迭代使得运动缸运动到指定位置。

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