[發明專利]一種海上換乘棧橋波浪補償控制系統及其工作方法

有效

• 申請號: 202110450038.9
• 申請日: 2021-04-25
• 公開（公告）號: CN113104153B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 杜佳璐;劉文吉;孫明瑋
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: B63B17/00
• 分類號: B63B17/00;B63B27/14
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 魯保良;李洪福

1.一種海上換乘棧橋波浪補償控制系統，所述的海上換乘棧橋包括升沉機構(7)、回轉機構(9)、俯仰機構(12)和橋體伸縮機構(14)，其特征在于：所述的波浪補償控制系統包括液壓執行機構、測量系統、電液伺服閥、波浪補償控制單元、控制箱(1)、PLC(3)和主控計算機(4)；

所述的液壓執行機構，包括液壓缸(6)、第一液壓馬達(8)、第二液壓馬達(11)和第三液壓馬達(13)，所述的液壓缸(6)用于驅動換乘棧橋的升沉機構(7)伸縮，所述的第一液壓馬達(8)用于驅動換乘棧橋的回轉機構(9)旋轉，所述的第二液壓馬達(11)用于驅動換乘棧橋的俯仰機構(12)俯仰，所述的第三液壓馬達(13)用于驅動換乘棧橋的橋體伸縮機構(14)伸縮；

所述的測量系統包括第一編碼器(16)、第二編碼器(17)、第三編碼器(18)、拉線位移傳感器(19)、第四編碼器(20)、傾角傳感器(21)、姿態傳感器(22)、2D激光雷達(2)、換乘點監視裝置(15)和相對運動測量單元(23)，所述的第一編碼器(16)安裝于第一液壓馬達(8)上，用于測量第一液壓馬達(8)的轉動量，并獲得回轉機構(9)的旋轉角；所述的第二編碼器(17)安裝于第二液壓馬達(11)上，用于測量第二液壓馬達(11)的轉動量；所述的第三編碼器(18)安裝于第三液壓馬達(13)上，用于測量第三液壓馬達(13)的轉動量，并獲得橋體伸縮機構(14)的伸縮量；所述的拉線位移傳感器(19)安裝于液壓缸(6)上，用于測量升沉機構(7)的位移；所述的第四編碼器(20)，用于測量俯仰機構(12)的俯仰角；所述的傾角傳感器(21)安裝于換乘棧橋橋體上，用于測量換乘棧橋橋體與水平面所成的夾角；所述的姿態傳感器(22)安裝于宿主船上換乘棧橋底座(5)的幾何中心，用于測量換乘棧橋底座(5)隨船的升沉位移、橫蕩位移和橫搖角；所述的2D激光雷達(2)安裝于宿主船靠近目標船一側的側舷附近甲板上，用于掃描目標船的舷頂列板及甲板區域，獲得包含被掃描區域幾何形狀信息的點云數據幀；所述的換乘點監視裝置(15)安裝于換乘棧橋橋體前端，包括攝像頭和激光傳感器；所述的攝像頭拍攝目標船上的換乘點所在區域，用于監視目標船上的換乘點；所述的激光傳感器包括第一激光傳感器(37)和第二激光傳感器(38)，分別安裝于換乘棧橋橋體前端兩側，用于測量換乘棧橋橋體前端兩側分別距目標船甲板的距離；所述的相對運動測量單元(23)，用于獲得換乘棧橋橋體前端與目標船上的換乘點的相對位移量；

所述的電液伺服閥有多個，分別為第一電液伺服閥(24)、第二電液伺服閥(25)、第三電液伺服閥(26)和第四電液伺服閥(27)，所述的第一電液伺服閥(24)、第二電液伺服閥(25)、第三電液伺服閥(26)和第四電液伺服閥(27)分別用來控制第一液壓馬達(8)、第二液壓馬達(11)、第三液壓馬達(13)和液壓缸(6)的液壓油流量；

所述的波浪補償控制單元包括濾波器(28)、宿主船運動預報模塊(29)、相對運動預報模塊(30)、第一運動限幅模塊(31)、第一運動學反解模塊(32)、三自由度補償控制器(33)、第二運動限幅模塊(34)、第二運動學反解模塊(35)和升沉補償控制器(36)；

所述的濾波器(28)接收來自第三編碼器(18)測得的橋體伸縮機構(14)的伸縮量、傾角傳感器(21)測得的換乘棧橋橋體與水平面所成的夾角、第四編碼器(20)測得的俯仰機構(12)的俯仰角、姿態傳感器(22)測得的換乘棧橋底座(5)隨船的升沉位移、橫蕩位移和橫搖角，輸出所接收到信息的濾波值；

所述的宿主船運動預報模塊(29)接收來自濾波器(28)的濾波值，應用時間序列法對換乘棧橋底座(5)隨船的升沉位移、橫蕩位移和橫搖角進行極短期預報，輸出下一控制時刻換乘棧橋底座(5)隨船的升沉位移、橫蕩位移和橫搖角的預報值；

所述的相對運動預報模塊(30)接收來自相對運動測量單元(23)的換乘棧橋橋體前端與目標船上的換乘點沿橫蕩方向、縱蕩方向和升沉方向的相對位移，應用時間序列法對換乘棧橋橋體前端與目標船上的換乘點沿橫蕩方向、縱蕩方向和升沉方向的相對位移進行極短期預報，輸出下一控制時刻換乘棧橋橋體前端與目標船上的換乘點沿橫蕩方向、縱蕩方向和升沉方向的相對位移的預報值；

所述的第一運動限幅模塊(31)接收來自宿主船運動預報模塊(29)、相對運動預報模塊(30)的預報值，根據由回轉機構(9)、俯仰機構(12)和橋體伸縮機構(14)的物理限制造成的位移、速度、加速度約束條件，規劃回轉機構(9)、俯仰機構(12)和橋體伸縮機構(14)的運動軌跡，生成滿足回轉機構(9)、俯仰機構(12)和橋體伸縮機構(14)運動約束條件的三個液壓馬達控制指令信號；

所述的第一運動學反解模塊(32)接收第一運動限幅模塊(31)生成的三個液壓馬達控制指令信號，解算出三個液壓馬達各自的期望轉動量；

所述的三自由度補償控制器(33)接收來自第一運動學反解模塊(32)的三個液壓馬達各自的期望轉動量，通過三自由度自抗擾補償控制律，獲得達到各液壓馬達的期望轉動量所需的對應第一電液伺服閥(24)、第二電液伺服閥(25)和第三電液伺服閥(26)的控制電壓；所述的三自由度補償控制器(33)的工作模式稱為主動補償模式；

所述的第二運動限幅模塊(34)接收來自濾波器(28)的橋體伸縮機構(14)的伸縮量、換乘棧橋橋體與水平面所成的夾角和俯仰機構(12)的俯仰角的濾波值，根據由升沉機構(7)的物理限制造成的位移、速度、加速度約束條件，規劃升沉機構(7)的運動軌跡，生成滿足升沉機構(7)運動約束條件的液壓缸(6)控制指令信號；

所述的第二運動學反解模塊(35)接收來自第二運動限幅模塊(34)的液壓缸(6)控制指令信號，根據換乘棧橋的控制目標，即換乘棧橋橋體與水平面始終保持某一安全角不變，解算出液壓缸(6)的期望伸縮量；

所述的升沉補償控制器(36)接收來自第二運動學反解模塊(35)的液壓缸(6)期望伸縮量，通過自抗擾升沉補償控制律，獲得達到液壓缸(6)期望伸縮量所需的第四電液伺服閥(27)的控制電壓；所述的升沉補償控制器(36)的工作模式稱為升沉補償模式；

所述的控制箱(1)安裝于宿主船甲板上；所述的PLC(3)安裝于控制箱(1)內，用于實現濾波器(28)、第一運動限幅模塊(31)、三自由度補償控制器(33)、第二運動限幅模塊(34)和升沉補償控制器(36)的功能；所述的主控計算機(4)安裝于控制箱(1)內，用于實現所述的第一運動學反解模塊(32)、第二運動學反解模塊(35)、相對運動測量單元(23)、宿主船運動預報模塊(29)和相對運動預報模塊(30)的功能。