CN113104153B - 一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统及其工作方法 - Google Patents

一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统及其工作方法 Download PDF

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CN113104153B CN202110450038.9A CN202110450038A CN113104153B CN 113104153 B CN113104153 B CN 113104153B CN 202110450038 A CN202110450038 A CN 202110450038A CN 113104153 B CN113104153 B CN 113104153B
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Abstract

本发明公开了一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统及其工作方法，所述的波浪补偿控制系统包括液压执行机构、测量系统、电液伺服阀、波浪补偿控制单元、控制箱、PLC和主控计算机。本发明由包括2D激光雷达的相对运动测量单元获得靠帮后的换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点的相对位移量，便于实现栈桥桥体前端与目标船上的换乘点随动控制。本发明采用时间序列法对换乘栈桥底座随船的运动及换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点的相对位移进行极短期预报，进而采用自抗扰控制技术实现换乘栈桥的液压执行机构协同运动同步控制，主动同步补偿波浪引起的船舶摇荡运动对换乘栈桥的扰动，可使控制系统获得更强的抗干扰能力和更高的控制精度。

Description

一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程领域的装备控制技术，特别是一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统及其工作方法，可实时补偿两艘靠帮船的摇荡运动对海上换乘栈桥产生的扰动，保障人员在两艘靠帮船之间安全换乘。
背景技术
石油勘探船用于深水石油勘探作业，携带有钻探用的设备等，因船载设备多、舱室有限，因此，可容纳船员较少，每隔一段时间需要通过搭载换班人员的倒班船与石油勘探船靠帮进行船舶间人员换乘。石油勘探船称为宿主船，其上安装有动力定位系统，倒班船称为目标船，目标船通过缆绳和碰垫与宿主船靠帮联结，海上换乘栈桥安放在宿主船上，可在宿主船与目标船之间建立起海上人员转运通道。实际中，受到风、浪、流等海洋环境影响，宿主船与目标船均会产生横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和升沉六个自由度的运动，这些摇荡运动会对换乘栈桥产生扰动，给海上人员换乘造成安全隐患，因此，需要设计一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统，保证换乘栈桥平稳，为换班人员通过换乘栈桥在海上船舶间进行安全换乘提供保障。
中国发明专利CN108371766B公开了一种位置补偿可伸缩式登船栈桥控制系统及其工作方法，包括位置补偿控制系统和位置补偿液压系统，通过主动控制栈桥的回转、伸缩及俯仰机构，补偿船舶运动，使栈桥前端随船舶的搭接点随动，实现安全搭接，当搭接完成后，回转、伸缩及俯仰机构均进入被动补偿模式，可用于海上船舶之间人员与物资转运，但该栈桥要求其所在船舶与被搭接船舶均安装有动力定位系统，且要求栈桥前端和被搭接船舶上均安装有运动参考单元MRU，成本高，对被搭接船的配置要求高。
中国发明专利CN107430010B公开了一种电动的海浪主动补偿登乘系统及其控制方法，该系统包括横滚补偿机构、俯仰补偿机构、伸缩补偿机构、位姿检测系统、运动控制系统和电气系统，通过控制三自由度电动机构实现海浪的主动补偿，保障维修人员安全可靠地从船上走上海上风机平台，但该发明的海浪补偿控制保证登乘系统末端与海上风机平台接触的登乘点位置相对不变，即登乘点是固定的，仅适用于将人员和设备从船上运送到海上风机平台上，不适用于海上两船间的人员换乘。
上述发明专利均不能同步补偿船舶运动对栈桥的扰动，也不能保证栈桥桥体始终与水平面保持固定角度不变，影响人员转运的舒适性和货物转运的安全性。
发明内容
本发明要提出一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统及其工作方法，可根据实时检测出的宿主船摇荡运动及换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点的相对位移量，通过控制换乘栈桥的液压执行机构协同运动，主动同步补偿两艘靠帮船的摇荡运动对换乘栈桥产生的扰动，不仅能够在栈桥搭接前控制换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点随动，保证安全搭接，而且能保证搭接后换乘栈桥桥体与水平面保持期望安全角不变，为换班人员通过换乘栈桥在海上船舶间进行安全换乘提供保障。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统，海上换乘栈桥包括升沉机构、回转机构、俯仰机构和桥体伸缩机构，所述的波浪补偿控制系统包括液压执行机构、测量系统、电液伺服阀、波浪补偿控制单元、控制箱、PLC和主控计算机。
所述的液压执行机构，包括液压缸、第一液压马达、第二液压马达和第三液压马达，所述的液压缸用于驱动换乘栈桥的升沉机构伸缩，所述的第一液压马达用于驱动换乘栈桥的回转机构旋转，所述的第二液压马达用于驱动换乘栈桥的俯仰机构俯仰，所述的第三液压马达用于驱动换乘栈桥的桥体伸缩机构伸缩；
所述的测量系统包括第一编码器、第二编码器、第三编码器、拉线位移传感器、第四编码器、倾角传感器、姿态传感器、2D激光雷达、换乘点监视装置和相对运动测量单元，所述的第一编码器安装于第一液压马达上，用于测量第一液压马达的转动量，并获得回转机构的旋转角；所述的第二编码器安装于第二液压马达上，用于测量第二液压马达的转动量；所述的第三编码器安装于第三液压马达上，用于测量第三液压马达的转动量，并获得桥体伸缩机构的伸缩量；所述的拉线位移传感器安装于液压缸上，用于测量升沉机构的位移；所述的第四编码器，用于测量俯仰机构的俯仰角；所述的倾角传感器安装于换乘栈桥桥体上，用于测量换乘栈桥桥体与水平面所成的夹角；所述的姿态传感器安装于宿主船上换乘栈桥底座的几何中心，用于测量换乘栈桥底座随船的升沉位移、横荡位移和横摇角；所述的2D激光雷达安装于宿主船靠近目标船一侧的侧舷附近甲板上，用于扫描目标船的舷顶列板及甲板区域，获得包含被扫描区域几何形状信息的点云数据帧；所述的换乘点监视装置安装于换乘栈桥桥体前端，包括摄像头和激光传感器；所述的摄像头拍摄目标船上的换乘点所在区域，用于监视目标船上的换乘点；所述的激光传感器包括第一激光传感器和第二激光传感器，分别安装于换乘栈桥桥体前端两侧，用于测量换乘栈桥桥体前端两侧分别距目标船甲板的距离；所述的相对运动测量单元，用于获得换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点的相对位移量；
所述的电液伺服阀有多个，分别为第一电液伺服阀、第二电液伺服阀、第三电液伺服阀和第四电液伺服阀，所述的第一电液伺服阀、第二电液伺服阀、第三电液伺服阀和第四电液伺服阀分别用来控制第一液压马达、第二液压马达、第三液压马达和液压缸的液压油流量；
所述的波浪补偿控制单元包括滤波器、宿主船运动预报模块、相对运动预报模块、第一运动限幅模块、第一运动学反解模块、三自由度补偿控制器、第二运动限幅模块、第二运动学反解模块和升沉补偿控制器；
所述的滤波器接收来自第三编码器测得的桥体伸缩机构的伸缩量、倾角传感器测得的换乘栈桥桥体与水平面所成的夹角、第四编码器测得的俯仰机构的俯仰角、姿态传感器测得的换乘栈桥底座随船的升沉位移、横荡位移和横摇角，输出所接收到信息的滤波值；
所述的宿主船运动预报模块接收来自滤波器的滤波值，应用时间序列法对换乘栈桥底座随船的升沉位移、横荡位移和横摇角进行极短期预报，输出下一控制时刻换乘栈桥底座随船的升沉位移、横荡位移和横摇角的预报值；
所述的相对运动预报模块接收来自相对运动测量单元的换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向、纵荡方向和升沉方向的相对位移，应用时间序列法对换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向、纵荡方向和升沉方向的相对位移进行极短期预报，输出下一控制时刻换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向、纵荡方向和升沉方向的相对位移的预报值；
所述的第一运动限幅模块接收来自宿主船运动预报模块、相对运动预报模块的预报值，根据由回转机构、俯仰机构和桥体伸缩机构的物理限制造成的位移、速度、加速度约束条件，规划回转机构、俯仰机构和桥体伸缩机构的运动轨迹，生成满足回转机构、俯仰机构和桥体伸缩机构运动约束条件的三个液压马达控制指令信号；
所述的第一运动学反解模块接收第一运动限幅模块生成的三个液压马达控制指令信号，解算出三个液压马达各自的期望转动量；
所述的三自由度补偿控制器接收来自第一运动学反解模块的三个液压马达各自的期望转动量，通过三自由度自抗扰补偿控制律，获得达到各液压马达的期望转动量所需的对应第一电液伺服阀、第二电液伺服阀和第三电液伺服阀控制电压；所述的三自由度补偿控制器的工作模式称为主动补偿模式；
所述的第二运动限幅模块接收来自滤波器的桥体伸缩机构的伸缩量、换乘栈桥桥体与水平面所成的夹角和俯仰机构的俯仰角的滤波值，根据由升沉机构的物理限制造成的位移、速度、加速度约束条件，规划升沉机构的运动轨迹，生成满足升沉机构运动约束条件的液压缸控制指令信号；
所述的第二运动学反解模块接收来自第二运动限幅模块的液压缸控制指令信号，根据换乘栈桥的控制目标，即换乘栈桥桥体与水平面始终保持某一安全角不变，解算出液压缸的期望伸缩量；
所述的升沉补偿控制器接收来自第二运动学反解模块的液压缸期望伸缩量，通过自抗扰升沉补偿控制律，获得达到液压缸期望伸缩量所需的第四电液伺服阀的控制电压；所述的升沉补偿控制器的工作模式称为升沉补偿模式；
所述的控制箱安装于宿主船甲板上；所述的PLC安装于控制箱内，用于实现滤波器、第一运动限幅模块、三自由度补偿控制器、第二运动限幅模块和升沉补偿控制器的功能；所述的主控计算机安装于控制箱内，用于实现所述的第一运动学反解模块、第二运动学反解模块、相对运动测量单元、宿主船运动预报模块和相对运动预报模块的功能。
进一步地，所述的2D激光雷达扫描的区域始终包含目标船上的特征点
Figure 921610DEST_PATH_IMAGE001
，且2D激光雷达获得的点云数据帧由
Figure 383422DEST_PATH_IMAGE002
个距离数据组成，并将获得的点云数据帧发送至主控计算机。
进一步地，所述的激光传感器的激光束始终保持垂直水平面向下射向目标船甲板。
进一步地，所述的滤波器为低通滤波器，用以滤除姿态传感器测量信号及倾角传感器测量信号中所含有的高频信号，这是由船舶主机等设备作业引起的甲板高频震动造成的。
进一步地，所述的极短期预报为时间在一个控制周期内的预报。
进一步地，所述的相对运动测量单元的工作方法包括以下步骤：
S1、对2D激光雷达获得的点云数据帧进行预处理
首先，截取来自2D激光雷达扫描角
Figure 113831DEST_PATH_IMAGE003
之内的每帧点云数据，得到
Figure 658688DEST_PATH_IMAGE004
个距离数据组成的点云数据帧，
Figure 373786DEST_PATH_IMAGE005
；然后，计算每帧点云数据中的第
Figure 357398DEST_PATH_IMAGE006
个距离数据与第
Figure 928931DEST_PATH_IMAGE007
个距离数据之差的绝对值
Figure 457739DEST_PATH_IMAGE008
，并计算该绝对值相对数据采集时间间隔
Figure 409996DEST_PATH_IMAGE009
的变化率
Figure 416873DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 170809DEST_PATH_IMAGE011
；并依此进行离群点检测，若目标船舷顶列板及甲板表面平滑，则有
Figure 371983DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 109739DEST_PATH_IMAGE013
为某一适当阈值，当
Figure 654727DEST_PATH_IMAGE014
时，该数据点被判为离群点，即异常数据点，被丢弃；
S2、将点云预处理数据帧与静水中目标船参考数据帧进行匹配
首先，为使点云预处理数据帧与静水中目标船参考数据帧相匹配，点云预处理数据帧需以特征点M为中心旋转，且沿
Figure 292864DEST_PATH_IMAGE015
轴和
Figure 992835DEST_PATH_IMAGE016
轴平移，记旋转角为
Figure 140128DEST_PATH_IMAGE017
、沿
Figure 613441DEST_PATH_IMAGE015
轴平移量为
Figure 482915DEST_PATH_IMAGE018
、沿
Figure 554120DEST_PATH_IMAGE016
轴平移量为
Figure 672993DEST_PATH_IMAGE019
。实际中点云预处理数据帧旋转的最大角为
Figure 90942DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 378704DEST_PATH_IMAGE021
，取步长为
Figure 856697DEST_PATH_IMAGE022
，则遍历整个
Figure 728444DEST_PATH_IMAGE023
区间所需的步数为
Figure 183041DEST_PATH_IMAGE024
。当旋转角
Figure 417320DEST_PATH_IMAGE025
时，通过直方图平移法得到此时点云预处理数据帧需沿
Figure 269476DEST_PATH_IMAGE015
轴和
Figure 723460DEST_PATH_IMAGE016
分别平移
Figure 217633DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 664328DEST_PATH_IMAGE027
，计算此时点云预处理数据帧与静水中目标船参考数据帧之间匹配误差
Figure 438118DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 487720DEST_PATH_IMAGE029
；
然后，在
Figure 877595DEST_PATH_IMAGE030
中搜索帧间匹配误差最小值，当
Figure 791193DEST_PATH_IMAGE031
时，帧间匹配误差最小，记为
Figure 844206DEST_PATH_IMAGE032
，此时
Figure 738694DEST_PATH_IMAGE033
，点云预处理数据帧与静水中目标船参考数据帧相匹配，输出
Figure 168145DEST_PATH_IMAGE015
轴平移位移
Figure 139512DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 832268DEST_PATH_IMAGE035
轴平移位移
Figure 745211DEST_PATH_IMAGE036
。
S3、计算换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点的相对运动
依据第一激光传感器和第二激光传感器测得的换乘栈桥桥体前端两侧距目标船甲板的距离分别为
Figure 447194DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 913418DEST_PATH_IMAGE038
，及目标船和换乘栈桥桥体尺寸计算出换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿纵荡方向的相对位移
Figure 42655DEST_PATH_IMAGE039
；依据2D激光雷达安装于宿主船上的位置及姿态传感器测得的换乘栈桥底座随船的升沉位移、横荡位移和横摇角，计算出波浪扰动使2D激光雷达随宿主沿横荡方向的位移
Figure 52681DEST_PATH_IMAGE040
、沿升沉方向的位移
Figure 558355DEST_PATH_IMAGE041
；则得换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向的相对位移
Figure 566631DEST_PATH_IMAGE042
、沿纵荡方向的相对位移
Figure 273294DEST_PATH_IMAGE043
、沿升沉方向的相对位移
Figure 803239DEST_PATH_IMAGE044
。
一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统的工作方法，包括如下步骤：
A、目标船与宿主船靠帮后，操控者根据换乘点监视装置提供的信息，操控各液压马达驱动回转机构、俯仰机构和桥体伸缩机构，使换乘栈桥桥体前端运动到目标船的换乘点正上方适合换乘栈桥桥体安全搭接的位置；
B、操控者开启换乘栈桥波浪补偿控制系统主动补偿模式。根据相对运动测量单元获得的当前换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向、纵荡方向和升沉方向的相对位移及姿态传感器实时测得的换乘栈桥底座随船的升沉位移、横荡位移和横摇角，第一运动学反解模块解出第一液压马达的期望转动量、第二液压马达的期望转动量和第三液压马达的期望转动量；第一编码器、第二编码器和第三编码器分别实时反馈第一液压马达的实际转动量、第二液压马达的实际转动量和第三液压马达的实际转动量，三自由度补偿控制器根据这些期望转动量和实际转动量，输出第一电液伺服阀、第二电液伺服阀和第三电液伺服阀的控制电压，改变阀门开度，调节这三个液压马达液压油的流量，来控制回转机构、俯仰机构、桥体伸缩机构协同运动，实时补偿两艘靠帮船的摇荡运动对海上换乘栈桥产生的扰动，实现换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点随动，为栈桥桥体安全搭接并固定在换乘点处提供保障；
C、换乘栈桥桥体固定在目标船上的换乘点后，操控者将换乘栈桥波浪补偿控制系统切换到升沉补偿模式。根据第三编码器实时测得的伸缩机构伸缩量、倾角传感器实时测得的换乘栈桥桥体与水平面所成的夹角
Figure 142298DEST_PATH_IMAGE045
、第四编码器实时测得的俯仰机构俯仰角、栈桥桥体与水平面之间期望的安全角
Figure 706878DEST_PATH_IMAGE046
，第二运动学反解模块解算出液压缸的期望伸缩量；根据这个期望伸缩量及拉线位移传感器实时测得的液压缸实际伸缩量，升沉补偿控制器输出第四电液伺服阀的控制电压，改变阀门开度，调节液压缸的液压油流量，来控制升沉机构运动，保证栈桥桥体与水平面始终保持期望的安全角不变。
进一步地，所述的换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿纵荡方向的相对位移
Figure 476119DEST_PATH_IMAGE047
的计算方法如下：
设
Figure 962202DEST_PATH_IMAGE048
表示目标船甲板在上一时刻的姿态，
Figure 104952DEST_PATH_IMAGE049
表示目标船甲板上的换乘点在上一时刻的位置，换乘栈桥桥体前端
Figure 524038DEST_PATH_IMAGE050
与目标船上的换乘点
Figure 104532DEST_PATH_IMAGE049
在上一时刻沿
Figure 435500DEST_PATH_IMAGE016
轴方向对齐，当目标船产生纵摇运动时，目标船甲板姿态变为
Figure 289931DEST_PATH_IMAGE051
，其上的换乘点变为
Figure 392885DEST_PATH_IMAGE052
位置，第一激光传感器激光束射于目标船甲板上
Figure 766579DEST_PATH_IMAGE053
点、第二激光传感器激光束射于目标船甲板上
Figure 696095DEST_PATH_IMAGE054
点，二者测得的换乘栈桥桥体前端两侧距目标船甲板的距离分别为
Figure 183577DEST_PATH_IMAGE055
、
Figure 46097DEST_PATH_IMAGE056
。
在
Figure 295420DEST_PATH_IMAGE057
中，
Figure 741926DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure 62793DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure 750126DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure 498246DEST_PATH_IMAGE061
为第一激光传感器与第二激光传感器间的距离，则得目标船纵摇角计算公式如下：
Figure 10081DEST_PATH_IMAGE062
（1）
在
Figure 275584DEST_PATH_IMAGE063
中，
Figure 801112DEST_PATH_IMAGE064
，
Figure 562876DEST_PATH_IMAGE065
，
Figure 813336DEST_PATH_IMAGE066
，则得到：
Figure 118415DEST_PATH_IMAGE067
Figure 606772DEST_PATH_IMAGE068
在
Figure 929650DEST_PATH_IMAGE069
中，
Figure 542772DEST_PATH_IMAGE070
，结合式(1)得：
Figure 979438DEST_PATH_IMAGE071
在
Figure 322302DEST_PATH_IMAGE072
中，
Figure 816081DEST_PATH_IMAGE073
，则得：
Figure 667552DEST_PATH_IMAGE074
。
进一步地，所述的第一运动学反解模块的计算方法如下：
根据运动学原理，换乘栈桥底座坐标系
Figure 937603DEST_PATH_IMAGE075
相对大地坐标系
Figure 633508DEST_PATH_IMAGE076
的齐次变换矩阵为：
Figure 2916DEST_PATH_IMAGE077
式中，
Figure 154411DEST_PATH_IMAGE078
、
Figure 165836DEST_PATH_IMAGE079
、
Figure 840882DEST_PATH_IMAGE080
分别为姿态传感器测得的换乘栈桥底座随船的升沉位移、横荡位移和横摇角，
Figure 85918DEST_PATH_IMAGE081
、
Figure 285562DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure 209000DEST_PATH_IMAGE083
分别为换乘栈桥底座随船的纵荡位移、纵摇角和艏摇角。
因宿主船安装有动力定位系统，忽略宿主船的横荡、纵荡和艏摇运动对换乘栈桥的影响；又因为换乘栈桥安装于宿主船甲板近目标船一侧的侧舷中心附近，忽略宿主船的纵摇运动对换乘栈桥的影响；因此，只需补偿宿主船的升沉和横摇运动对换乘栈桥产生的扰动，这仅造成换乘栈桥底座产生升沉位移
Figure 443279DEST_PATH_IMAGE078
、横荡位移
Figure 593637DEST_PATH_IMAGE084
、和横摇角
Figure 811736DEST_PATH_IMAGE080
，而
Figure 444794DEST_PATH_IMAGE085
，
Figure 205683DEST_PATH_IMAGE086
，
Figure 589260DEST_PATH_IMAGE087
，所以齐次变换矩阵
Figure 435600DEST_PATH_IMAGE088
简化为：
Figure 825475DEST_PATH_IMAGE089
换乘栈桥底座坐标系
Figure 847395DEST_PATH_IMAGE075
相对大地坐标系
Figure 464190DEST_PATH_IMAGE076
的旋转矩阵为：
Figure 656880DEST_PATH_IMAGE090
2D激光雷达所在位置
Figure 460233DEST_PATH_IMAGE091
点在换乘栈桥底座坐标系
Figure 789190DEST_PATH_IMAGE075
中的坐标为
Figure 45727DEST_PATH_IMAGE092
。
则2D激光雷达坐标系
Figure 335501DEST_PATH_IMAGE093
相对大地坐标系
Figure 176370DEST_PATH_IMAGE076
的齐次变换矩阵为：
Figure 438462DEST_PATH_IMAGE094
因此，得2D激光雷达所在位置
Figure 131480DEST_PATH_IMAGE091
点在大地坐标系
Figure 970867DEST_PATH_IMAGE076
下的坐标为：
Figure 443918DEST_PATH_IMAGE095
（2）
换乘栈桥桥体前端
Figure 983352DEST_PATH_IMAGE096
点在换乘栈桥底座坐标系
Figure 17911DEST_PATH_IMAGE075
中的坐标为
Figure 436604DEST_PATH_IMAGE097
，记：
Figure 480390DEST_PATH_IMAGE098
换乘栈桥桥体前端坐标系
Figure 280856DEST_PATH_IMAGE099
相对换乘栈桥底座坐标系
Figure 548633DEST_PATH_IMAGE075
的齐次变换矩阵为：
Figure 798830DEST_PATH_IMAGE100
式中，
Figure 741247DEST_PATH_IMAGE101
为换乘栈桥桥体前端坐标系
Figure 3946DEST_PATH_IMAGE102
相对于换乘栈桥底座坐标系
Figure 380308DEST_PATH_IMAGE075
的旋转矩阵，
Figure 180118DEST_PATH_IMAGE103
为换乘栈桥桥体当前长度，
Figure 863909DEST_PATH_IMAGE104
为换乘栈桥登乘平台的半径，
Figure 730977DEST_PATH_IMAGE105
为俯仰机构的当前俯仰角，
Figure 42354DEST_PATH_IMAGE106
为回转机构的当前旋转角，
Figure 34188DEST_PATH_IMAGE107
为升沉机构的当前高度。则换乘栈桥桥体前端坐标系
Figure 724932DEST_PATH_IMAGE102
相对于大地坐标系
Figure 649769DEST_PATH_IMAGE076
的齐次变换矩阵为：
Figure 69731DEST_PATH_IMAGE108
得换乘栈桥桥体前端
Figure 814440DEST_PATH_IMAGE096
点在大地坐标系
Figure 105613DEST_PATH_IMAGE076
中的坐标为：
Figure 150536DEST_PATH_IMAGE109
（3）
当操控者将换乘栈桥切换到主动补偿工作模式时，换乘栈桥的升沉机构高度
Figure 725407DEST_PATH_IMAGE110
、俯仰机构俯仰角
Figure 691833DEST_PATH_IMAGE111
、回转机构的旋转角
Figure 255538DEST_PATH_IMAGE112
，以及换乘栈桥底座升沉位移
Figure 30334DEST_PATH_IMAGE113
、横荡位移
Figure 182311DEST_PATH_IMAGE114
、横摇角
Figure 308136DEST_PATH_IMAGE115
均由测量系统获得，则依式(2)知此时2D激光雷达所在位置
Figure 206691DEST_PATH_IMAGE091
点在大地坐标系
Figure 163889DEST_PATH_IMAGE076
下的坐标
Figure 690030DEST_PATH_IMAGE116
，依式(3)知此时换乘栈桥桥体前端
Figure 958944DEST_PATH_IMAGE117
点在大地坐标系
Figure 5397DEST_PATH_IMAGE076
下的坐标
Figure 144998DEST_PATH_IMAGE118
，得2D激光雷达沿升沉方向的位移为
Figure 701964DEST_PATH_IMAGE119
、沿横荡方向的位移为
Figure 536803DEST_PATH_IMAGE120
。
当目标船与宿主船靠帮后，两船间通过缆绳和碰垫联结在一起，目标船受到缆绳和碰垫的约束，其横荡、纵荡和艏摇运动被忽略，其升沉、横摇和纵摇运动引起目标船甲板上的换乘点随动，换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向的相对位移
Figure 39810DEST_PATH_IMAGE121
、沿纵荡方向的相对位移
Figure 909284DEST_PATH_IMAGE122
、沿升沉方向的相对位移
Figure 842473DEST_PATH_IMAGE123
，记
Figure 758083DEST_PATH_IMAGE124
表示换乘栈桥桥体前端
Figure 674568DEST_PATH_IMAGE117
点在大地坐标系
Figure 788761DEST_PATH_IMAGE076
下的期望位置；考虑控制目标是使换乘栈桥桥体前端
Figure 470016DEST_PATH_IMAGE117
点与目标船上的换乘点随动，有：
Figure 639966DEST_PATH_IMAGE125
（4）
令换乘栈桥桥体前端
Figure 799290DEST_PATH_IMAGE096
点在大地坐标系
Figure 532104DEST_PATH_IMAGE076
下的坐标式（3）等于
Figure 40052DEST_PATH_IMAGE117
点在大地坐标系
Figure 478594DEST_PATH_IMAGE076
下期望位置的坐标式（4），解得换乘栈桥回转机构期望的旋转角
Figure 330357DEST_PATH_IMAGE126
、俯仰机构期望的俯仰角
Figure 28929DEST_PATH_IMAGE127
、伸缩机构期望的长度
Figure 442200DEST_PATH_IMAGE128
，则回转机构需补偿的旋转角为
Figure 586742DEST_PATH_IMAGE129
、俯仰机构需补偿的俯仰角为
Figure 946923DEST_PATH_IMAGE130
、伸缩机构需补偿的伸缩量为
Figure 857592DEST_PATH_IMAGE131
。
根据回转机构、俯仰机构和桥体伸缩机构的具体结构，得第一液压马达的期望转动量
Figure 943228DEST_PATH_IMAGE132
，
Figure 808023DEST_PATH_IMAGE133
为回转机构的旋转角与第一液压马达转动量间的传动比；第二液压马达的期望转动量
Figure 595063DEST_PATH_IMAGE134
，
Figure 64965DEST_PATH_IMAGE135
表示俯仰机构俯仰角与第二液压马达转动量间的传动关系；第三液压马达的期望转动量
Figure 462449DEST_PATH_IMAGE136
，
Figure 345698DEST_PATH_IMAGE137
表示伸缩机构伸缩量与第三液压马达转动量间的传动关系。
进一步地，所述的第二运动学反解模块的计算方法如下：
设
Figure 530774DEST_PATH_IMAGE138
表示换乘栈桥桥体在上一时刻的姿态，且换乘栈桥桥体与水平面之间所成角度期望值为
Figure 651921DEST_PATH_IMAGE139
，换乘栈桥桥体前端
Figure 718840DEST_PATH_IMAGE117
与目标船上的换乘点处固定连接，宿主船与目标船的摇荡运动对换乘栈桥产生扰动时，换乘栈桥桥体姿态变为
Figure 528534DEST_PATH_IMAGE140
为保证换乘栈桥桥体与水平面保持期望角
Figure 657377DEST_PATH_IMAGE141
不变，主动控制升沉机构伸缩，使换乘栈桥桥体姿态变为
Figure 570713DEST_PATH_IMAGE142
。
在
Figure 74113DEST_PATH_IMAGE143
中，由正弦定理得：
Figure 167840DEST_PATH_IMAGE144
（5）
式中，
Figure 477205DEST_PATH_IMAGE145
，
Figure 743583DEST_PATH_IMAGE146
为换乘栈桥桥体当前长度，
Figure 480201DEST_PATH_IMAGE147
，
Figure 231863DEST_PATH_IMAGE148
为升沉机构的伸缩位移。
当
Figure DEST_PATH_IMAGE149
时，有
Figure 63349DEST_PATH_IMAGE150
和
Figure DEST_PATH_IMAGE151
，依式(5)知，升沉机构的伸缩位移
Figure 495817DEST_PATH_IMAGE152
，根据升沉机构的具体结构，得液压缸期望伸缩量
Figure DEST_PATH_IMAGE153
；
当
Figure 728304DEST_PATH_IMAGE154
时，有
Figure DEST_PATH_IMAGE155
，
Figure 357475DEST_PATH_IMAGE156
，依式(5)知，升沉机构的伸缩位移
Figure DEST_PATH_IMAGE157
，根据升沉机构的具体结构，得液压缸期望伸缩量
Figure 100653DEST_PATH_IMAGE158
。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明由包括2D激光雷达的相对运动测量单元获得靠帮后的换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点的相对位移量，便于实现栈桥桥体前端与目标船上的换乘点随动控制，特别是无需目标船安装运动参考单元MRU，降低了成本。
2、本发明采用时间序列法对换乘栈桥底座随船的运动及换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点的相对位移进行极短期预报，进而采用自抗扰控制技术实现换乘栈桥的液压执行机构协同运动同步控制，主动同步补偿波浪引起的船舶摇荡运动对换乘栈桥的扰动，可使控制系统获得更强的抗干扰能力和更高的控制精度。
3、本发明考虑换乘栈桥回转机构、俯仰机构、桥体伸缩机构、升沉机构的物理限制，采用运动限幅模块，合理规划这些运动机构的运动轨迹，生成满足各运动机构的位移、速度、加速度约束条件的各液压执行机构控制指令信号，可使这些运动机构的运动状态不超出其运动状态极限值，也可使各机构平滑运动，避免换乘栈桥产生振动，延长使用寿命。
4、本发明的换乘栈桥与目标船上的换乘点固定后，只需控制其升沉机构即可保证栈桥桥体与水平面保持安全角度不变，易于控制且节能，保证人员在海上两船间换乘的安全性与舒适性。
附图说明
图1为本发明的换乘栈桥工作示意图。
图2为本发明的换乘栈桥结构示意图。
图3为本发明的换乘栈桥的三自由度补偿控制器工作流程示意图。
图4为本发明的换乘栈桥的升沉补偿控制器工作流程示意图。
图5为本发明的相对运动测量单元工作原理示意图。
图6为图5的E区域局部放大图。
图7为换乘栈桥桥体前端与目标船甲板上的换乘点的几何关系图。
图8为第一运动学反解的带有坐标系的换乘栈桥侧视图。
图9为第一运动学反解的带有坐标系的换乘栈桥俯视图。
图10为第二运动学反解的带有坐标系的换乘栈桥侧视图。
图11为当图10中的
Figure DEST_PATH_IMAGE159
时，换乘栈桥各机构几何关系图。
图12为当图10中的
Figure 59732DEST_PATH_IMAGE160
时，换乘栈桥各机构几何关系图。
图13为本发明的相对运动测量单元工作方案流程图。
图中：1、控制箱，2、2D激光雷达，3、PLC，4、主控计算机，5、换乘栈桥底座，6、液压缸，7、升沉机构，8、第一液压马达，9、回转机构，10、登乘平台，11、第二液压马达，12、俯仰机构，13、第三液压马达，14、桥体伸缩机构，15、换乘点监视装置，16、第一编码器，17、第二编码器，18、第三编码器，19、拉线位移传感器，20、第四编码器，21、倾角传感器，22、姿态传感器，23、相对运动测量单元，24、第一电液伺服阀，25、第二电液伺服阀，26、第三电液伺服阀，27、第四电液伺服阀，28、滤波器，29、宿主船运动预报模块，30、相对运动预报模块，31、第一运动限幅模块，32、第一运动学反解模块，33、三自由度补偿控制器，34、第二运动限幅模块，35、第二运动学反解模块，36、升沉补偿控制器，37、第一激光传感器，38、第二激光传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-13所示，一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统，海上换乘栈桥包括升沉机构7、回转机构9、俯仰机构12和桥体伸缩机构14，所述的波浪补偿控制系统包括液压执行机构、测量系统、电液伺服阀、波浪补偿控制单元、控制箱1、PLC3和主控计算机4。
所述的液压执行机构，包括液压缸6、第一液压马达8、第二液压马达11和第三液压马达13，所述的液压缸6用于驱动换乘栈桥的升沉机构7伸缩，所述的第一液压马达8用于驱动换乘栈桥的回转机构9旋转，所述的第二液压马达11用于驱动换乘栈桥的俯仰机构12俯仰，所述的第三液压马达13用于驱动换乘栈桥的桥体伸缩机构14伸缩；
所述的测量系统包括第一编码器16、第二编码器17、第三编码器18、拉线位移传感器19、第四编码器20、倾角传感器21、姿态传感器22、2D激光雷达2、换乘点监视装置15和相对运动测量单元23，所述的第一编码器16安装于第一液压马达8上，用于测量第一液压马达8的转动量，并获得回转机构9的旋转角；所述的第二编码器17安装于第二液压马达11上，用于测量第二液压马达11的转动量；所述的第三编码器18安装于第三液压马达13上，用于测量第三液压马达13的转动量，并获得桥体伸缩机构14的伸缩量；所述的拉线位移传感器19安装于液压缸6上，用于测量升沉机构7的位移；所述的第四编码器20，用于测量俯仰机构12的俯仰角；所述的倾角传感器21安装于换乘栈桥桥体上，用于测量换乘栈桥桥体与水平面所成的夹角；所述的姿态传感器22安装于宿主船上换乘栈桥底座5的几何中心，用于测量换乘栈桥底座5随船的升沉位移、横荡位移和横摇角；所述的2D激光雷达2安装于宿主船靠近目标船一侧的侧舷附近甲板上，用于扫描目标船的舷顶列板及甲板区域，获得包含被扫描区域几何形状信息的点云数据帧；所述的换乘点监视装置15安装于换乘栈桥桥体前端，包括摄像头和激光传感器；所述的摄像头拍摄目标船上的换乘点所在区域，用于监视目标船上的换乘点；所述的激光传感器包括第一激光传感器37和第二激光传感器38，分别安装于换乘栈桥桥体前端两侧，用于测量换乘栈桥桥体前端两侧分别距目标船甲板的距离；所述的相对运动测量单元23，用于获得换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点的相对位移量；
所述的电液伺服阀有多个，分别为第一电液伺服阀24、第二电液伺服阀25、第三电液伺服阀26和第四电液伺服阀27，所述的第一电液伺服阀24、第二电液伺服阀25、第三电液伺服阀26和第四电液伺服阀27分别用来控制第一液压马达8、第二液压马达11、第三液压马达13和液压缸6的液压油流量；
所述的波浪补偿控制单元包括滤波器28、宿主船运动预报模块29、相对运动预报模块30、第一运动限幅模块31、第一运动学反解模块32、三自由度补偿控制器33、第二运动限幅模块34、第二运动学反解模块35和升沉补偿控制器36；
所述的滤波器28接收来自第三编码器18测得的桥体伸缩机构14的伸缩量、倾角传感器21测得的换乘栈桥桥体与水平面所成的夹角、第四编码器20测得的俯仰机构12的俯仰角、姿态传感器22测得的换乘栈桥底座5随船的升沉位移、横荡位移和横摇角，输出所接收到信息的滤波值；
所述的宿主船运动预报模块29接收来自滤波器28的滤波值，应用时间序列法对换乘栈桥底座5随船的升沉位移、横荡位移和横摇角进行极短期预报，输出下一控制时刻换乘栈桥底座5随船的升沉位移、横荡位移和横摇角的预报值；
所述的相对运动预报模块30接收来自相对运动测量单元23的换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向、纵荡方向和升沉方向的相对位移，应用时间序列法对换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向、纵荡方向和升沉方向的相对位移进行极短期预报，输出下一控制时刻换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向、纵荡方向和升沉方向的相对位移的预报值；
所述的第一运动限幅模块31接收来自宿主船运动预报模块29、相对运动预报模块30的预报值，根据由回转机构9、俯仰机构12和桥体伸缩机构14的物理限制造成的位移、速度、加速度约束条件，规划回转机构9、俯仰机构12和桥体伸缩机构14的运动轨迹，生成满足回转机构9、俯仰机构12和桥体伸缩机构14运动约束条件的三个液压马达控制指令信号；
所述的第一运动学反解模块32接收第一运动限幅模块31生成的三个液压马达控制指令信号，解算出三个液压马达各自的期望转动量；
所述的三自由度补偿控制器33接收来自第一运动学反解模块32的三个液压马达各自的期望转动量，通过三自由度自抗扰补偿控制律，获得达到各液压马达的期望转动量所需的对应第一电液伺服阀24、第二电液伺服阀25和第三电液伺服阀26的控制电压；所述的三自由度补偿控制器33的工作模式称为主动补偿模式；
所述的第二运动限幅模块34接收来自滤波器28的桥体伸缩机构14的伸缩量、换乘栈桥桥体与水平面所成的夹角和俯仰机构12的俯仰角的滤波值，根据由升沉机构7的物理限制造成的位移、速度、加速度约束条件，规划升沉机构7的运动轨迹，生成满足升沉机构7运动约束条件的液压缸6控制指令信号；
所述的第二运动学反解模块35接收来自第二运动限幅模块34的液压缸6控制指令信号，根据换乘栈桥的控制目标，即换乘栈桥桥体与水平面始终保持某一安全角不变，解算出液压缸6的期望伸缩量；
所述的升沉补偿控制器36接收来自第二运动学反解模块35的液压缸6期望伸缩量，通过自抗扰升沉补偿控制律，获得达到液压缸6期望伸缩量所需的第四电液伺服阀27的控制电压；所述的升沉补偿控制器36的工作模式称为升沉补偿模式；
所述的控制箱1安装于宿主船甲板上；所述的PLC3安装于控制箱1内，用于实现滤波器28、第一运动限幅模块31、三自由度补偿控制器33、第二运动限幅模块34和升沉补偿控制器36的功能；所述的主控计算机4安装于控制箱1内，用于实现所述的第一运动学反解模块32、第二运动学反解模块35、相对运动测量单元23、宿主船运动预报模块29和相对运动预报模块30的功能。
进一步地，所述的2D激光雷达2扫描的区域始终包含目标船上的特征点
Figure DEST_PATH_IMAGE161
，且2D激光雷达2获得的点云数据帧由
Figure 306732DEST_PATH_IMAGE162
个距离数据组成，并将获得的点云数据帧发送至主控计算机4。
进一步地，所述的激光传感器的激光束始终保持垂直水平面向下射向目标船甲板。
进一步地，所述的滤波器28为低通滤波器，用以滤除姿态传感器22测量信号及倾角传感器21测量信号中所含有的高频信号，这是由船舶主机等设备作业引起的甲板高频震动造成的。
进一步地，所述的极短期预报为时间在一个控制周期内的预报。
进一步地，所述的相对运动测量单元23的工作方法包括以下步骤：
S1、对2D激光雷达2获得的点云数据帧进行预处理
首先，截取来自2D激光雷达2扫描角
Figure DEST_PATH_IMAGE163
之内的每帧点云数据，得到
Figure 751095DEST_PATH_IMAGE164
个距离数据组成的点云数据帧，
Figure 766806DEST_PATH_IMAGE165
，然后，计算每帧点云数据中的第
Figure 426064DEST_PATH_IMAGE166
个距离数据与第
Figure DEST_PATH_IMAGE167
个距离数据之差的绝对值
Figure 472124DEST_PATH_IMAGE168
，并计算该绝对值相对数据采集时间间隔
Figure DEST_PATH_IMAGE169
的变化率
Figure 807379DEST_PATH_IMAGE170
，
Figure DEST_PATH_IMAGE171
；并依此进行离群点检测，若目标船舷顶列板及甲板表面平滑，则有
Figure 987300DEST_PATH_IMAGE172
，
Figure DEST_PATH_IMAGE173
为某一适当阈值，当
Figure 888348DEST_PATH_IMAGE174
时，该数据点被判为离群点，即异常数据点，被丢弃；
S2、将点云预处理数据帧与静水中目标船参考数据帧进行匹配
首先，为使点云预处理数据帧与静水中目标船参考数据帧相匹配，点云预处理数据帧需以特征点
Figure 89867DEST_PATH_IMAGE161
为中心旋转，且沿
Figure DEST_PATH_IMAGE175
轴和
Figure 741778DEST_PATH_IMAGE176
轴平移，记旋转角为
Figure DEST_PATH_IMAGE177
、沿
Figure 364871DEST_PATH_IMAGE175
轴平移量为
Figure 906711DEST_PATH_IMAGE178
、沿
Figure 560153DEST_PATH_IMAGE016
轴平移量为
Figure 574726DEST_PATH_IMAGE019
。实际中点云预处理数据帧旋转的最大角为
Figure 581603DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 837004DEST_PATH_IMAGE021
，取步长为
Figure 271134DEST_PATH_IMAGE022
，则遍历整个
Figure 743311DEST_PATH_IMAGE023
区间所需的步数为
Figure 52413DEST_PATH_IMAGE024
。当旋转角
Figure 176573DEST_PATH_IMAGE025
时，通过直方图平移法得到此时点云预处理数据帧需沿
Figure 142123DEST_PATH_IMAGE015
轴和
Figure 304858DEST_PATH_IMAGE016
分别平移
Figure 11127DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 615022DEST_PATH_IMAGE027
，计算此时点云预处理数据帧与静水中目标船参考数据帧之间匹配误差
Figure 79370DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 198242DEST_PATH_IMAGE029
；
然后，在
Figure 177044DEST_PATH_IMAGE030
中搜索帧间匹配误差最小值，当
Figure 556816DEST_PATH_IMAGE031
时，帧间匹配误差最小，记为
Figure 706913DEST_PATH_IMAGE032
，此时
Figure 345704DEST_PATH_IMAGE033
，点云预处理数据帧与静水中目标船参考数据帧相匹配，输出
Figure 832924DEST_PATH_IMAGE015
轴平移位移
Figure 628055DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 965685DEST_PATH_IMAGE035
轴平移位移
Figure 793570DEST_PATH_IMAGE036
。
S3、计算换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点的相对运动
依据第一激光传感器37和第二激光传感器38测得的换乘栈桥桥体前端两侧距目标船甲板的距离分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE179
和
Figure 65239DEST_PATH_IMAGE180
，及目标船和换乘栈桥桥体尺寸计算出换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿纵荡方向的相对位移
Figure DEST_PATH_IMAGE181
；依据2D激光雷达2安装于宿主船上的位置及姿态传感器22测得的换乘栈桥底座5随船的升沉位移、横荡位移和横摇角，计算出波浪扰动使2D激光雷达2随宿主沿横荡方向的位移
Figure 13079DEST_PATH_IMAGE182
、沿升沉方向的位移
Figure DEST_PATH_IMAGE183
；则得换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向的相对位移
Figure 548054DEST_PATH_IMAGE184
、沿纵荡方向的相对位移
Figure DEST_PATH_IMAGE185
、沿升沉方向的相对位移
Figure 253448DEST_PATH_IMAGE186
。
一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统的工作方法，包括如下步骤：
A、目标船与宿主船靠帮后，操控者根据换乘点监视装置15提供的信息，操控各液压马达驱动回转机构9、俯仰机构12和桥体伸缩机构14，使换乘栈桥桥体前端运动到目标船的换乘点正上方适合换乘栈桥桥体安全搭接的位置；
B、操控者开启换乘栈桥波浪补偿控制系统主动补偿模式。根据相对运动测量单元23获得的当前换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向、纵荡方向和升沉方向的相对位移及姿态传感器22实时测得的换乘栈桥底座5随船的升沉位移、横荡位移和横摇角，第一运动学反解模块32解出第一液压马达8的期望转动量、第二液压马达11的期望转动量和第三液压马达13的期望转动量；第一编码器16、第二编码器17和第三编码器18分别实时反馈第一液压马达8的实际转动量、第二液压马达11的实际转动量和第三液压马达13的实际转动量，三自由度补偿控制器33根据这些期望转动量和实际转动量，输出第一电液伺服阀24、第二电液伺服阀25和第三电液伺服阀26的控制电压，改变阀门开度，调节这三个液压马达液压油的流量，来控制回转机构9、俯仰机构12、桥体伸缩机构14协同运动，实时补偿两艘靠帮船的摇荡运动对海上换乘栈桥产生的扰动，实现换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点随动，为栈桥桥体安全搭接并固定在换乘点处提供保障；
C、换乘栈桥桥体固定在目标船上的换乘点后，操控者将换乘栈桥波浪补偿控制系统切换到升沉补偿模式。根据第三编码器18实时测得的伸缩机构伸缩量、倾角传感器21实时测得的换乘栈桥桥体与水平面所成的夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE187
、第四编码器20实时测得的俯仰机构12的俯仰角、栈桥桥体与水平面之间期望的安全角
Figure 735333DEST_PATH_IMAGE188
，第二运动学反解模块35解算出液压缸6的期望伸缩量；根据这个期望伸缩量及拉线位移传感器19实时测得的液压缸6实际伸缩量，升沉补偿控制器36输出第四电液伺服阀27的控制电压，改变阀门开度，调节液压缸6的液压油流量，来控制升沉机构7运动，保证栈桥桥体与水平面始终保持期望的安全角不变。
进一步地，所述的换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿纵荡方向的相对位移
Figure DEST_PATH_IMAGE189
的计算方法如下：
设
Figure 522238DEST_PATH_IMAGE190
表示目标船甲板在上一时刻的姿态，
Figure DEST_PATH_IMAGE191
表示目标船甲板上的换乘点在上一时刻的位置，换乘栈桥桥体前端
Figure 369059DEST_PATH_IMAGE192
与目标船上的换乘点
Figure 233853DEST_PATH_IMAGE191
在上一时刻沿
Figure DEST_PATH_IMAGE193
轴方向对齐，当目标船产生纵摇运动时，目标船甲板姿态变为
Figure 991200DEST_PATH_IMAGE194
，其上的换乘点变为
Figure DEST_PATH_IMAGE195
位置，第一激光传感器37激光束射于目标船甲板上
Figure 848386DEST_PATH_IMAGE196
点、第二激光传感器38激光束射于目标船甲板上
Figure DEST_PATH_IMAGE197
点，二者测得的换乘栈桥桥体前端两侧距目标船甲板的距离分别为
Figure 554524DEST_PATH_IMAGE198
、
Figure DEST_PATH_IMAGE199
。
在
Figure 733046DEST_PATH_IMAGE200
中，
Figure DEST_PATH_IMAGE201
，
Figure 75380DEST_PATH_IMAGE202
，
Figure DEST_PATH_IMAGE203
，
Figure 459176DEST_PATH_IMAGE204
为第一激光传感器37与第二激光传感器38间的距离，则得目标船纵摇角计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE205
（1）
在
Figure 713046DEST_PATH_IMAGE206
中，
Figure DEST_PATH_IMAGE207
，
Figure 142978DEST_PATH_IMAGE208
，
Figure DEST_PATH_IMAGE209
，则得到：
Figure 242128DEST_PATH_IMAGE210
Figure DEST_PATH_IMAGE211
在
Figure 808326DEST_PATH_IMAGE212
中，
Figure DEST_PATH_IMAGE213
，结合式(1)得：
Figure 764257DEST_PATH_IMAGE214
在
Figure DEST_PATH_IMAGE215
中，
Figure 964246DEST_PATH_IMAGE216
，则得：
Figure DEST_PATH_IMAGE217
进一步地，所述的第一运动学反解模块32的计算方法如下：
根据运动学原理，换乘栈桥底座5坐标系
Figure 598577DEST_PATH_IMAGE218
相对大地坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE219
的齐次变换矩阵为：
Figure 553370DEST_PATH_IMAGE220
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE221
、
Figure 83797DEST_PATH_IMAGE222
、
Figure DEST_PATH_IMAGE223
分别为姿态传感器22测得的换乘栈桥底座5随船的升沉位移、横荡位移和横摇角，
Figure 287989DEST_PATH_IMAGE224
、
Figure DEST_PATH_IMAGE225
、
Figure 257170DEST_PATH_IMAGE226
分别为换乘栈桥底座5随船的纵荡位移、纵摇角和艏摇角。
因宿主船安装有动力定位系统，忽略宿主船的横荡、纵荡和艏摇运动对换乘栈桥的影响；又因为换乘栈桥安装于宿主船甲板近目标船一侧的侧舷中心附近，忽略宿主船的纵摇运动对换乘栈桥的影响；因此，只需补偿宿主船的升沉和横摇运动对换乘栈桥产生的扰动，这仅造成换乘栈桥底座5产生升沉位移
Figure DEST_PATH_IMAGE227
、横荡位移
Figure 97948DEST_PATH_IMAGE228
和横摇角
Figure DEST_PATH_IMAGE229
，而
Figure 127172DEST_PATH_IMAGE230
，
Figure DEST_PATH_IMAGE231
，
Figure 225185DEST_PATH_IMAGE232
，所以齐次变换矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE233
简化为：
Figure 437205DEST_PATH_IMAGE234
换乘栈桥底座5坐标系
Figure 802808DEST_PATH_IMAGE218
相对大地坐标系
Figure 179432DEST_PATH_IMAGE219
的旋转矩阵为：
Figure DEST_PATH_IMAGE235
2D激光雷达2所在位置
Figure 292969DEST_PATH_IMAGE236
点在换乘栈桥底座5坐标系
Figure 216670DEST_PATH_IMAGE218
中的坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE237
。则2D激光雷达2坐标系
Figure 47436DEST_PATH_IMAGE238
相对于换乘栈桥底座5坐标系
Figure 795294DEST_PATH_IMAGE218
的齐次变换矩阵为：
Figure DEST_PATH_IMAGE239
则2D激光雷达2坐标系
Figure 523691DEST_PATH_IMAGE238
相对大地坐标系
Figure 811934DEST_PATH_IMAGE219
的齐次变换矩阵为：
Figure 951797DEST_PATH_IMAGE240
因此，得2D激光雷达2所在位置
Figure 106442DEST_PATH_IMAGE236
点在大地坐标系
Figure 836982DEST_PATH_IMAGE219
下的坐标为：
Figure DEST_PATH_IMAGE241
（2）
换乘栈桥桥体前端
Figure 289435DEST_PATH_IMAGE192
点在换乘栈桥底座5坐标系
Figure 188865DEST_PATH_IMAGE218
中的坐标为
Figure 809683DEST_PATH_IMAGE242
，记：
Figure DEST_PATH_IMAGE243
换乘栈桥桥体前端坐标系
Figure 231652DEST_PATH_IMAGE244
相对换乘栈桥底座5坐标系
Figure 769687DEST_PATH_IMAGE218
的齐次变换矩阵为：
Figure DEST_PATH_IMAGE245
式中，
Figure 5846DEST_PATH_IMAGE246
为换乘栈桥桥体前端坐标系
Figure 439977DEST_PATH_IMAGE244
相对于换乘栈桥底座5坐标系
Figure 4163DEST_PATH_IMAGE218
的旋转矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE247
为换乘栈桥桥体当前长度，
Figure 532840DEST_PATH_IMAGE248
为换乘栈桥登乘平台10的半径，
Figure DEST_PATH_IMAGE249
为俯仰机构12的当前俯仰角，
Figure 856462DEST_PATH_IMAGE250
为回转机构9的当前旋转角，
Figure DEST_PATH_IMAGE251
为升沉机构7的当前高度。则换乘栈桥桥体前端坐标系
Figure 54969DEST_PATH_IMAGE244
相对于大地坐标系
Figure 91010DEST_PATH_IMAGE219
的齐次变换矩阵为：
Figure 439689DEST_PATH_IMAGE252
得换乘栈桥桥体前端
Figure 105901DEST_PATH_IMAGE192
点在大地坐标系
Figure 711194DEST_PATH_IMAGE219
中的坐标为：
Figure DEST_PATH_IMAGE253
（3）
当操控者将换乘栈桥切换到主动补偿工作模式时，换乘栈桥的升沉机构7高度
Figure 76405DEST_PATH_IMAGE254
、俯仰机构12俯仰角
Figure DEST_PATH_IMAGE255
、回转机构9的旋转角
Figure 478043DEST_PATH_IMAGE256
，以及换乘栈桥底座5升沉位移
Figure DEST_PATH_IMAGE257
、横荡位移
Figure 917202DEST_PATH_IMAGE258
、横摇角
Figure DEST_PATH_IMAGE259
均由测量系统获得，则依式(2)知此时2D激光雷达2所在位置
Figure 519828DEST_PATH_IMAGE260
点在大地坐标系
Figure 657155DEST_PATH_IMAGE219
下的坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE261
，依式(3)知此时换乘栈桥桥体前端
Figure 125454DEST_PATH_IMAGE262
点在大地坐标系
Figure 595619DEST_PATH_IMAGE219
下的坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE263
，得2D激光雷达2沿升沉方向的位移为
Figure 631796DEST_PATH_IMAGE264
、沿横荡方向的位移为
Figure DEST_PATH_IMAGE265
。
当目标船与宿主船靠帮后，两船间通过缆绳和碰垫联结在一起，目标船受到缆绳和碰垫的约束，其横荡、纵荡和艏摇运动被忽略，其升沉、横摇和纵摇运动引起目标船甲板上的换乘点随动，换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向的相对位移
Figure 551692DEST_PATH_IMAGE266
、沿纵荡方向的相对位移
Figure DEST_PATH_IMAGE267
、沿升沉方向的相对位移
Figure 59247DEST_PATH_IMAGE268
，记
Figure DEST_PATH_IMAGE269
表示换乘栈桥桥体前端
Figure 741507DEST_PATH_IMAGE262
点在大地坐标系
Figure 623619DEST_PATH_IMAGE219
下的期望位置；考虑控制目标是使换乘栈桥桥体前端
Figure 280948DEST_PATH_IMAGE262
点与目标船上的换乘点随动，有：
Figure 641129DEST_PATH_IMAGE270
（4）
令换乘栈桥桥体前端
Figure 85886DEST_PATH_IMAGE262
点在大地坐标系
Figure 404478DEST_PATH_IMAGE219
下的坐标式(3)等于
Figure 33387DEST_PATH_IMAGE262
点在大地坐标系
Figure 964303DEST_PATH_IMAGE219
下期望位置的坐标式(4)，解得换乘栈桥回转机构9期望的旋转角
Figure DEST_PATH_IMAGE271
、俯仰机构12期望的俯仰角
Figure 946122DEST_PATH_IMAGE272
、伸缩机构期望的长度
Figure DEST_PATH_IMAGE273
，则回转机构9需补偿的旋转角为
Figure 497933DEST_PATH_IMAGE274
、俯仰机构12需补偿的俯仰角为
Figure DEST_PATH_IMAGE275
、伸缩机构需补偿的伸缩量为
Figure 971728DEST_PATH_IMAGE276
。
根据回转机构9、俯仰机构12和桥体伸缩机构14的具体结构，得第一液压马达8的期望转动量
Figure DEST_PATH_IMAGE277
，
Figure 173116DEST_PATH_IMAGE278
为回转机构9的旋转角与第一液压马达8转动量间的传动比；第二液压马达11的期望转动量
Figure DEST_PATH_IMAGE279
，
Figure 212704DEST_PATH_IMAGE280
表示俯仰机构12俯仰角与第二液压马达11转动量间的传动关系；第三液压马达13的期望转动量
Figure DEST_PATH_IMAGE281
，
Figure 935416DEST_PATH_IMAGE282
表示伸缩机构伸缩量与第三液压马达13转动量间的传动关系。
进一步地，所述的第二运动学反解模块35的计算方法如下：
设
Figure DEST_PATH_IMAGE283
表示换乘栈桥桥体在上一时刻的姿态，且换乘栈桥桥体与水平面之间所成角度期望值为
Figure 896507DEST_PATH_IMAGE284
，换乘栈桥桥体前端
Figure 434804DEST_PATH_IMAGE262
与目标船上的换乘点处固定连接，宿主船与目标船的摇荡运动对换乘栈桥产生扰动时，换乘栈桥桥体姿态变为
Figure DEST_PATH_IMAGE285
，为保证换乘栈桥桥体与水平面保持期望角
Figure 328899DEST_PATH_IMAGE286
不变，主动控制升沉机构7伸缩，使换乘栈桥桥体姿态变为
Figure DEST_PATH_IMAGE287
。
在
Figure 284829DEST_PATH_IMAGE288
中，由正弦定理得：
Figure DEST_PATH_IMAGE289
（5）
式中，
Figure 921037DEST_PATH_IMAGE290
Figure DEST_PATH_IMAGE291
为换乘栈桥桥体当前长度，
Figure 558298DEST_PATH_IMAGE292
，
Figure DEST_PATH_IMAGE293
为升沉机构(7)的伸缩位移。
当
Figure 775741DEST_PATH_IMAGE294
时，有
Figure DEST_PATH_IMAGE295
和
Figure 371414DEST_PATH_IMAGE296
，依式(5)知，升沉机构7的伸缩位移
Figure DEST_PATH_IMAGE297
，根据升沉机构7的具体结构，得液压缸6期望伸缩量
Figure 572676DEST_PATH_IMAGE298
；
当
Figure DEST_PATH_IMAGE299
时，有
Figure 184267DEST_PATH_IMAGE300
，
Figure DEST_PATH_IMAGE301
，依式(5)知，升沉机构7的伸缩位移
Figure 727987DEST_PATH_IMAGE302
，根据升沉机构7的具体结构，得液压缸6期望伸缩量
Figure DEST_PATH_IMAGE303
。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统，所述的海上换乘栈桥包括升沉机构(7)、回转机构(9)、俯仰机构(12)和桥体伸缩机构(14)，其特征在于：所述的波浪补偿控制系统包括液压执行机构、测量系统、电液伺服阀、波浪补偿控制单元、控制箱(1)、PLC(3)和主控计算机(4)；
所述的液压执行机构，包括液压缸(6)、第一液压马达(8)、第二液压马达(11)和第三液压马达(13)，所述的液压缸(6)用于驱动换乘栈桥的升沉机构(7)伸缩，所述的第一液压马达(8)用于驱动换乘栈桥的回转机构(9)旋转，所述的第二液压马达(11)用于驱动换乘栈桥的俯仰机构(12)俯仰，所述的第三液压马达(13)用于驱动换乘栈桥的桥体伸缩机构(14)伸缩；
所述的测量系统包括第一编码器(16)、第二编码器(17)、第三编码器(18)、拉线位移传感器(19)、第四编码器(20)、倾角传感器(21)、姿态传感器(22)、2D激光雷达(2)、换乘点监视装置(15)和相对运动测量单元(23)，所述的第一编码器(16)安装于第一液压马达(8)上，用于测量第一液压马达(8)的转动量，并获得回转机构(9)的旋转角；所述的第二编码器(17)安装于第二液压马达(11)上，用于测量第二液压马达(11)的转动量；所述的第三编码器(18)安装于第三液压马达(13)上，用于测量第三液压马达(13)的转动量，并获得桥体伸缩机构(14)的伸缩量；所述的拉线位移传感器(19)安装于液压缸(6)上，用于测量升沉机构(7)的位移；所述的第四编码器(20)，用于测量俯仰机构(12)的俯仰角；所述的倾角传感器(21)安装于换乘栈桥桥体上，用于测量换乘栈桥桥体与水平面所成的夹角；所述的姿态传感器(22)安装于宿主船上换乘栈桥底座(5)的几何中心，用于测量换乘栈桥底座(5)随船的升沉位移、横荡位移和横摇角；所述的2D激光雷达(2)安装于宿主船靠近目标船一侧的侧舷附近甲板上，用于扫描目标船的舷顶列板及甲板区域，获得包含被扫描区域几何形状信息的点云数据帧；所述的换乘点监视装置(15)安装于换乘栈桥桥体前端，包括摄像头和激光传感器；所述的摄像头拍摄目标船上的换乘点所在区域，用于监视目标船上的换乘点；所述的激光传感器包括第一激光传感器(37)和第二激光传感器(38)，分别安装于换乘栈桥桥体前端两侧，用于测量换乘栈桥桥体前端两侧分别距目标船甲板的距离；所述的相对运动测量单元(23)，用于获得换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点的相对位移量；
所述的电液伺服阀有多个，分别为第一电液伺服阀(24)、第二电液伺服阀(25)、第三电液伺服阀(26)和第四电液伺服阀(27)，所述的第一电液伺服阀(24)、第二电液伺服阀(25)、第三电液伺服阀(26)和第四电液伺服阀(27)分别用来控制第一液压马达(8)、第二液压马达(11)、第三液压马达(13)和液压缸(6)的液压油流量；
所述的波浪补偿控制单元包括滤波器(28)、宿主船运动预报模块(29)、相对运动预报模块(30)、第一运动限幅模块(31)、第一运动学反解模块(32)、三自由度补偿控制器(33)、第二运动限幅模块(34)、第二运动学反解模块(35)和升沉补偿控制器(36)；
所述的滤波器(28)接收来自第三编码器(18)测得的桥体伸缩机构(14)的伸缩量、倾角传感器(21)测得的换乘栈桥桥体与水平面所成的夹角、第四编码器(20)测得的俯仰机构(12)的俯仰角、姿态传感器(22)测得的换乘栈桥底座(5)随船的升沉位移、横荡位移和横摇角，输出所接收到信息的滤波值；
所述的宿主船运动预报模块(29)接收来自滤波器(28)的滤波值，应用时间序列法对换乘栈桥底座(5)随船的升沉位移、横荡位移和横摇角进行极短期预报，输出下一控制时刻换乘栈桥底座(5)随船的升沉位移、横荡位移和横摇角的预报值；
所述的相对运动预报模块(30)接收来自相对运动测量单元(23)的换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向、纵荡方向和升沉方向的相对位移，应用时间序列法对换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向、纵荡方向和升沉方向的相对位移进行极短期预报，输出下一控制时刻换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向、纵荡方向和升沉方向的相对位移的预报值；
所述的第一运动限幅模块(31)接收来自宿主船运动预报模块(29)、相对运动预报模块(30)的预报值，根据由回转机构(9)、俯仰机构(12)和桥体伸缩机构(14)的物理限制造成的位移、速度、加速度约束条件，规划回转机构(9)、俯仰机构(12)和桥体伸缩机构(14)的运动轨迹，生成满足回转机构(9)、俯仰机构(12)和桥体伸缩机构(14)运动约束条件的三个液压马达控制指令信号；
所述的第一运动学反解模块(32)接收第一运动限幅模块(31)生成的三个液压马达控制指令信号，解算出三个液压马达各自的期望转动量；
所述的三自由度补偿控制器(33)接收来自第一运动学反解模块(32)的三个液压马达各自的期望转动量，通过三自由度自抗扰补偿控制律，获得达到各液压马达的期望转动量所需的对应第一电液伺服阀(24)、第二电液伺服阀(25)和第三电液伺服阀(26)的控制电压；所述的三自由度补偿控制器(33)的工作模式称为主动补偿模式；
所述的第二运动限幅模块(34)接收来自滤波器(28)的桥体伸缩机构(14)的伸缩量、换乘栈桥桥体与水平面所成的夹角和俯仰机构(12)的俯仰角的滤波值，根据由升沉机构(7)的物理限制造成的位移、速度、加速度约束条件，规划升沉机构(7)的运动轨迹，生成满足升沉机构(7)运动约束条件的液压缸(6)控制指令信号；
所述的第二运动学反解模块(35)接收来自第二运动限幅模块(34)的液压缸(6)控制指令信号，根据换乘栈桥的控制目标，即换乘栈桥桥体与水平面始终保持某一安全角不变，解算出液压缸(6)的期望伸缩量；
所述的升沉补偿控制器(36)接收来自第二运动学反解模块(35)的液压缸(6)期望伸缩量，通过自抗扰升沉补偿控制律，获得达到液压缸(6)期望伸缩量所需的第四电液伺服阀(27)的控制电压；所述的升沉补偿控制器(36)的工作模式称为升沉补偿模式；
所述的控制箱(1)安装于宿主船甲板上；所述的PLC(3)安装于控制箱(1)内，用于实现滤波器(28)、第一运动限幅模块(31)、三自由度补偿控制器(33)、第二运动限幅模块(34)和升沉补偿控制器(36)的功能；所述的主控计算机(4)安装于控制箱(1)内，用于实现所述的第一运动学反解模块(32)、第二运动学反解模块(35)、相对运动测量单元(23)、宿主船运动预报模块(29)和相对运动预报模块(30)的功能。
2.根据权利要求1所述的一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统，其特征在于：所述的2D激光雷达(2)扫描的区域始终包含目标船上的特征点M，且2D激光雷达(2)获得的点云数据帧由N个距离数据组成，并将获得的点云数据帧发送至主控计算机(4)。
3.根据权利要求1所述的一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统，其特征在于：所述的激光传感器的激光束始终保持垂直水平面向下射向目标船甲板。
4.根据权利要求1所述的一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统，其特征在于：所述的滤波器(28)为低通滤波器，用以滤除姿态传感器(22)测量信号及倾角传感器(21)测量信号中所含有的高频信号，这是由船舶主机等设备作业引起的甲板高频震动造成的。
5.根据权利要求1所述的一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统，其特征在于：所述的极短期预报为时间在一个控制周期内的预报。
6.根据权利要求1所述的一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统，其特征在于：所述的相对运动测量单元(23)的工作方法包括以下步骤：
S1、对2D激光雷达(2)获得的点云数据帧进行预处理
首先，截取来自2D激光雷达(2)扫描角ψ之内的每帧点云数据，得到n个距离数据组成的点云数据帧，n＜N；然后，计算每帧点云数据中的第m个距离数据与第m-1个距离数据之差的绝对值|Data[m]-Data[m-1]|，并计算该绝对值相对数据采集时间间隔Δt的变化率ξ＝|Data[m]-Data[m-1]|/Δt，m＝2,3，…,n；并依此进行离群点检测，若目标船舷顶列板及甲板表面平滑，则有ξ≤ε，ε为某一适当阈值，当ξ＞ε时，该数据点被判为离群点，即异常数据点，被丢弃；
S2、将点云预处理数据帧与静水中目标船参考数据帧进行匹配
首先，为使点云预处理数据帧与静水中目标船参考数据帧相匹配，点云预处理数据帧需以特征点M为中心旋转，且沿X轴和Z轴平移，记旋转角为θ、沿X轴平移量为Dx、沿Z轴平移量为Dz，实际中点云预处理数据帧旋转的最大角为θm，θ∈[-θm,θm]，取步长为b，则遍历整个[-θm,θm]区间所需的步数为U＝int(θm/b)，当旋转角θ(i)＝b×(i-U)时，通过直方图平移法得到此时点云预处理数据帧需沿X轴和Z轴分别平移Dx(i)和Dz(i)，计算此时点云预处理数据帧与静水中目标船参考数据帧之间匹配误差error(i)，i＝0,1,2,3,…,2U；
然后，在error(i)中搜索帧间匹配误差最小值，当i＝iemin时，帧间匹配误差最小，记为errormin(iemin)，此时θ＝θ(iemin)，点云预处理数据帧与静水中目标船参考数据帧相匹配，输出X轴平移位移Dx＝Dx(iemin)和Z轴平移位移Dz＝Dz(iemin)；
S3、计算换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点的相对运动
依据第一激光传感器(37)和第二激光传感器(38)测得的换乘栈桥桥体前端两侧距目标船甲板的距离分别为q1和q2，及目标船和换乘栈桥桥体尺寸计算出换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿纵荡方向的相对位移DTy；依据2D激光雷达(2)安装于宿主船上的位置及姿态传感器(22)测得的换乘栈桥底座(5)随船的升沉位移、横荡位移和横摇角，计算出波浪扰动使2D激光雷达(2)随宿主沿横荡方向的位移DHx、沿升沉方向的位移DHz；则得换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向的相对位移Sx＝Dx-DHx、沿纵荡方向的相对位移Sy＝DTy、沿升沉方向的相对位移Sz＝Dz-DHz。
7.一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统的工作方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、目标船与宿主船靠帮后，操控者根据换乘点监视装置(15)提供的信息，操控各液压马达驱动回转机构(9)、俯仰机构(12)和桥体伸缩机构(14)，使换乘栈桥桥体前端运动到目标船的换乘点正上方适合换乘栈桥桥体安全搭接的位置；
B、操控者开启换乘栈桥波浪补偿控制系统主动补偿模式，根据相对运动测量单元(23)获得的当前换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向、纵荡方向和升沉方向的相对位移及姿态传感器(22)实时测得的换乘栈桥底座(5)随船的升沉位移、横荡位移和横摇角，第一运动学反解模块(32)解出第一液压马达(8)的期望转动量、第二液压马达(11)的期望转动量和第三液压马达(13)的期望转动量；第一编码器(16)、第二编码器(17)和第三编码器(18)分别实时反馈第一液压马达(8)的实际转动量、第二液压马达(11)的实际转动量和第三液压马达(13)的实际转动量，三自由度补偿控制器(33)根据这些期望转动量和实际转动量，输出第一电液伺服阀(24)、第二电液伺服阀(25)和第三电液伺服阀(26)的控制电压，改变阀门开度，调节这三个液压马达液压油的流量，来控制回转机构(9)、俯仰机构(12)、桥体伸缩机构(14)协同运动，实时补偿两艘靠帮船的摇荡运动对海上换乘栈桥产生的扰动，实现换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点随动，为栈桥桥体安全搭接并固定在换乘点处提供保障；
C、换乘栈桥桥体固定在目标船上的换乘点后，操控者将换乘栈桥波浪补偿控制系统切换到升沉补偿模式，根据第三编码器(18)实时测得的伸缩机构伸缩量、倾角传感器(21)实时测得的换乘栈桥桥体与水平面所成的夹角γ、第四编码器(20)实时测得的俯仰机构(12)的俯仰角、栈桥桥体与水平面之间期望的安全角γd，第二运动学反解模块(35)解算出液压缸(6)的期望伸缩量；根据这个期望伸缩量及拉线位移传感器(19)实时测得的液压缸(6)实际伸缩量，升沉补偿控制器(36)输出第四电液伺服阀(27)的控制电压，改变阀门开度，调节液压缸(6)的液压油流量，来控制升沉机构(7)运动，保证栈桥桥体与水平面始终保持期望的安全角不变。
8.根据权利要求7所述的一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统的工作方法，其特征在于：所述的第一运动学反解模块(32)的计算方法如下：
根据运动学原理，换乘栈桥底座(5)坐标系{0}相对大地坐标系{G}的齐次变换矩阵为：
Figure FDA0003494688660000061
式中，Sheave、Ssway、δr分别为姿态传感器(22)测得的换乘栈桥底座(5)随船的升沉位移、横荡位移和横摇角，Ssurge、δp、δz分别为换乘栈桥底座(5)随船的纵荡位移、纵摇角和艏摇角；
因宿主船安装有动力定位系统，忽略宿主船的横荡、纵荡和艏摇运动对换乘栈桥的影响；又因为换乘栈桥安装于宿主船甲板近目标船一侧的侧舷中心附近，忽略宿主船的纵摇运动对换乘栈桥的影响；因此，只需补偿宿主船的升沉和横摇运动对换乘栈桥产生的扰动，这仅造成换乘栈桥底座(5)产生升沉位移Sheave、横荡位移Ssway和横摇角δr，而Ssurge＝0，δp＝0，δz＝0，所以齐次变换矩阵
Figure FDA0003494688660000062
简化为：
Figure FDA0003494688660000071
换乘栈桥底座(5)坐标系{0}相对大地坐标系{G}的旋转矩阵为：
Figure FDA0003494688660000072
2D激光雷达(2)所在位置A点在换乘栈桥底座(5)坐标系{0}中的坐标为(D1,D2,h1)，则2D激光雷达(2)坐标系{1}相对于换乘栈桥底座(5)坐标系{0}的齐次变换矩阵为：
Figure FDA0003494688660000073
则2D激光雷达(2)坐标系{1}相对大地坐标系{G}的齐次变换矩阵为：
Figure FDA0003494688660000074
因此，得2D激光雷达(2)所在位置A点在大地坐标系{G}下的坐标为：
Figure FDA0003494688660000075
换乘栈桥桥体前端P点在换乘栈桥底座(5)坐标系{0}中的坐标为(Lsin(α)cos(β)+acos(β)，Lsin(α)sin(β)+asin(β)，-Lcos(α)+h)，记：
Figure FDA0003494688660000081
换乘栈桥桥体前端坐标系{2}相对换乘栈桥底座(5)坐标系{0}的齐次变换矩阵为：
Figure FDA0003494688660000082
式中，
Figure FDA0003494688660000083
为换乘栈桥桥体前端坐标系{2}相对于换乘栈桥底座(5)坐标系{0}的旋转矩阵，L为换乘栈桥桥体当前长度，a为换乘栈桥登乘平台(10)的半径，α为俯仰机构(12)的当前俯仰角，β为回转机构(9)的当前旋转角，h为升沉机构(7)的当前高度，则换乘栈桥桥体前端坐标系{2}相对于大地坐标系{G}的齐次变换矩阵为：
Figure FDA0003494688660000084
得换乘栈桥桥体前端P点在大地坐标系{G}中的坐标为：
Figure FDA0003494688660000091
当操控者将换乘栈桥切换到主动补偿工作模式时，换乘栈桥的升沉机构(7)高度h0、俯仰机构(12)俯仰角α0、回转机构(9)的旋转角β0，以及换乘栈桥底座(5)升沉位移Sheave0、横荡位移Ssway0、横摇角δr0均由测量系统获得，则依式(2)知此时2D激光雷达(2)所在位置A点在大地坐标系{G}下的坐标GA0＝[GXA0 GYA0 GZA0]T，依式(3)知此时换乘栈桥桥体前端P点在大地坐标系{G}下的坐标GPtip0＝[GXtip0 GYtip0 GZtip0]T，得2D激光雷达(2)沿升沉方向的位移为DHz＝GZA-GZA0、沿横荡方向的位移为DHx＝GXA-GXA0；
当目标船与宿主船靠帮后，两船间通过缆绳和碰垫联结在一起，目标船受到缆绳和碰垫的约束，其横荡、纵荡和艏摇运动被忽略，其升沉、横摇和纵摇运动引起目标船甲板上的换乘点随动，换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向的相对位移Sx、沿纵荡方向的相对位移Sy、沿升沉方向的相对位移Sz，记Sm＝[Sx Sy Sz]T；GPtip_d＝[GXtip_d GYtip_ d GZtip_d]T表示换乘栈桥桥体前端P点在大地坐标系{G}下的期望位置；考虑控制目标是使换乘栈桥桥体前端P点与目标船上的换乘点随动，有：
GPtip_d＝GPtip0+Sm (4)
令换乘栈桥桥体前端P点在大地坐标系{G}下的坐标式(3)等于P点在大地坐标系{G}下期望位置的坐标式(4)，解得换乘栈桥回转机构(9)期望的旋转角βd＝f1(GXtip_d,GYtip_d,GZtip_d)、俯仰机构(12)期望的俯仰角αd＝f2(GXtip_d,GYtip_d,GZtip_d)、伸缩机构期望的长度Ld＝f3(GXtip_d,GYtip_d,GZtip_d)，则回转机构(9)需补偿的旋转角为Δβ＝βd-β0、俯仰机构(12)需补偿的俯仰角为Δα＝αd-α0、伸缩机构需补偿的伸缩量为ΔL＝Ld-L0；
根据回转机构(9)、俯仰机构(12)和桥体伸缩机构(14)的具体结构，得第一液压马达(8)的期望转动量η1＝kΔβ，k为回转机构(9)的旋转角与第一液压马达(8)转动量间的传动比；第二液压马达(11)的期望转动量η2＝f4(Δα)，f4(·)表示俯仰机构(12)俯仰角与第二液压马达(11)转动量间的传动关系；第三液压马达(13)的期望转动量η3＝f5(ΔL)，f5(·)表示伸缩机构伸缩量与第三液压马达(13)转动量间的传动关系。
9.根据权利要求7所述的一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统的工作方法，其特征在于：所述的第二运动学反解模块(35)的计算方法如下：
设DP表示换乘栈桥桥体在上一时刻的姿态，且换乘栈桥桥体与水平面之间所成角度期望值为γd，换乘栈桥桥体前端P与目标船上的换乘点处固定连接，宿主船与目标船的摇荡运动对换乘栈桥产生扰动时，换乘栈桥桥体姿态变为DP′，为保证换乘栈桥桥体与水平面保持期望角γd不变，主动控制升沉机构(7)伸缩，使换乘栈桥桥体姿态变为D′P′；
在ΔDD′P′中，由正弦定理得：
Figure FDA0003494688660000101
式中，|DP′|＝L，L为换乘栈桥桥体当前长度，|DD′|＝Δh，Δh为升沉机构(7)的伸缩位移；
当γ≤γd时，有∠D′P′D＝γd-γ和∠P′D′D＝α-(γd-γ)，依式(5)知，升沉机构(7)的伸缩位移
Figure FDA0003494688660000111
根据升沉机构(7)的具体结构，得液压缸(6)期望伸缩量ΔX＝Δh；
当γ＞γd时，有∠D′P′D＝γ-γd，∠P′D′D＝180°-[α+(γ-γd)]，依式(5)知，升沉机构(7)的伸缩位移
Figure FDA0003494688660000112
根据升沉机构(7)的具体结构，得液压缸(6)期望伸缩量ΔX＝-Δh。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113608487A (zh) * 2021-08-26 2021-11-05 大连海事大学 一种海上可伸缩廊桥装置的控制系统
CN114298924B (zh) * 2021-12-13 2024-09-17 燕山大学 舰船用三自由度输送平台控制方法
CN114560057B (zh) * 2022-01-28 2023-02-17 大连海事大学 一种波浪补偿海上廊桥多模态实验系统及其工作方法
CN114735140B (zh) * 2022-04-12 2023-03-10 哈尔滨工程大学 一种风电桩登乘栈桥的干扰速度补偿方法、设备和介质
CN115107935B (zh) * 2022-06-30 2023-06-09 大连海事大学 一种海上廊桥快速精准波浪补偿控制方法
CN115180084A (zh) * 2022-08-03 2022-10-14 苏州海希夫智控科技有限公司 一种主动型船用波浪补偿防摇方法
NO20230121A1 (en) * 2023-02-07 2024-08-08 Nekkar Asa Gangway module and system
CN117163219B (zh) * 2023-09-15 2024-05-14 哈尔滨理工大学 一种考虑杆长杆间约束的船载栈桥前馈模糊控制方法
CN118323348B (zh) * 2024-06-12 2024-08-20 泰州市金泰船舶设备有限公司 一种波浪补偿舷梯系统及其控制方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012003517A1 (de) * 2012-02-24 2013-08-29 FHS Förder-und Hebesysteme GmbH Vorrichtung zur Bildung eines Übergangs zwischen einem Wasserfahrzeug und einer Offshore-Anlage
CN103979419A (zh) * 2014-05-30 2014-08-13 大连海事大学 基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统及方法
CN106368114A (zh) * 2016-10-17 2017-02-01 上海电机学院 一种人行栈桥波浪补偿装置及方法
WO2018030897A1 (en) * 2016-08-10 2018-02-15 Rolls-Royce Marine As Motion compensating crane system
CN108411766A (zh) * 2017-11-30 2018-08-17 中船华南船舶机械有限公司 一种位置补偿可伸缩式登船栈桥控制系统及控制方法
CN109553005A (zh) * 2018-11-16 2019-04-02 山东大学 一种用于海上浮动平台的刚柔式多维波浪运动补偿装置
EP3722197A1 (de) * 2019-04-11 2020-10-14 Robert Bosch GmbH System zur bewegungskompensation zwischen zwei objekten, fahrzeug mit dem system, feststehende struktur mit dem system und verfahren mit dem system
CN112407144A (zh) * 2021-01-11 2021-02-26 九江精密测试技术研究所 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

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012003517A1 (de) * 2012-02-24 2013-08-29 FHS Förder-und Hebesysteme GmbH Vorrichtung zur Bildung eines Übergangs zwischen einem Wasserfahrzeug und einer Offshore-Anlage
CN103979419A (zh) * 2014-05-30 2014-08-13 大连海事大学 基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统及方法
WO2018030897A1 (en) * 2016-08-10 2018-02-15 Rolls-Royce Marine As Motion compensating crane system
CN106368114A (zh) * 2016-10-17 2017-02-01 上海电机学院 一种人行栈桥波浪补偿装置及方法
CN108411766A (zh) * 2017-11-30 2018-08-17 中船华南船舶机械有限公司 一种位置补偿可伸缩式登船栈桥控制系统及控制方法
CN109553005A (zh) * 2018-11-16 2019-04-02 山东大学 一种用于海上浮动平台的刚柔式多维波浪运动补偿装置
EP3722197A1 (de) * 2019-04-11 2020-10-14 Robert Bosch GmbH System zur bewegungskompensation zwischen zwei objekten, fahrzeug mit dem system, feststehende struktur mit dem system und verfahren mit dem system
CN112407144A (zh) * 2021-01-11 2021-02-26 九江精密测试技术研究所 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

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于时间序列分析法的气垫船升沉运动预报;包佳程，杜佳璐，张金男;《大连海事大学学报》;20171231;全文 *
深海平台人员转运栈桥力学结构与补偿特性;徐志强，李万莉，王志勇，谌志新;《船舶工程》;20201231;全文 *

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