一种六自由度主动式波浪补偿吊装方法及吊装系统与流程

本发明属于船舶海上补给时的波浪补偿起重机，特别涉及一种六自由度主动式波浪补偿吊装方法及吊装系统。

背景技术：

随着我国经济的发展，海洋开发与深蓝海军建设的不断深入，海上补给是提高海军战斗力的一项重要战术技术措施，是海军从“黄水”走向“蓝水”的重要保障技术。世界各国海上补给方式有横向补给、纵向补给、垂直补给和并靠补给。横向补给是补给船和接收船编成横队，在保持同向同速航行中，通过跨接于两船间的横向补给装置，由补给船向接收船实施物资补充。可进行液货、干货补给和人员输送，但横向补给只适合在有专用设备的船舶之间进行。纵向补给是补给船和接收船编成纵队,在保持同向同速航行中实施液货补给。纵向补给装置简单，能在较恶劣的海况下进行作业，其缺点是只能补给液货。垂直补给是用直升机将货物从补给船吊运到被补给船的一种补给方法。垂直补给适用于干货物资吊运和伤病员快速转移，不适用于补充大量液货。并靠补给作业中，将两船用缆绳系在一起，采用一定隔离措施(如碰垫装置)来隔离两船并吸收两船在风浪中的碰撞能量，再运用起重机，升降机等装置来补给干货。此法操作简单，补给速度快，适用于近距离海上补给，但其受海况限制。

目前海洋的补给方式主要是横向补给，从未来海军补给发展趋势来看，并靠补给在未来的补给方式中占有越来越重要的地位，特别对导弹鱼雷和集装箱的精确定位补给有着无可比拟的优势，是现代海军提高舰船续航能力、战斗力的重要补给方式。首先，导弹精确定位补给问题已成为我国海军急需解决的重要问题。目前导弹主要补给方式为横向补给，只能进行从补给舰甲板到被补给舰甲板的补给，无法精确定位在发射架上，自动化程度低，效率低下，不符合未来战争发展的需要。而并靠补给可以利用吊机将导弹从补给舰直接安放到被补给舰发射架上，使导弹直接处于发射状态。在并靠补给中，利用起重机精确的将鱼雷安装在发射架上，补给作业精度高，一次型完成。其次，海上集装箱精确定位堆垛对港口物流业意义重大。由于受自然水深的限制和港口货物流量的巨大增长，使得很多港口的泊位严重不足，令装有大量集装箱的大型舰船无法进港进行装卸作业，因此，必须进行水上集装箱补给作业，而与其它物资不同，集装箱由于尺寸和重量较大，且作业过程中要求定位精确，一次性完成。在对集装箱的补给中，要求集装箱一次性精准的堆垛在下方的集装箱上面，而横向补给、纵向补给和垂直补给都没有此功能，只有并靠补给能够实现此种作业方式，因此，发展具有水上集装箱精确定位堆垛的并靠转运技术成为减少港口建设投资风险和提高港口货物吞吐量的必然方式。综上所述，导弹和集装箱的精确定位补给是横向补给、纵向补给和垂直补给方式所达不到的，只能通过并靠补给的作业方式来完成。

六自由度主动式波浪补偿技术是导弹鱼雷和集装箱精确定位补给的重要技术。船舶在水上并靠作业受风浪影响很大，不采用波浪补偿系统，只能在3级以下海况进行并靠作业。在气象条件超过3级海况下，由于海风、海浪、洋流的作用以及船舶自身航行运动的影响，船舶会产生横荡、纵荡、升沉和横摇、纵摇、艏摇六自由度运动，导致并靠补给作业中的两作业装备会产生相对六自由度运动，容易造成起重机所吊货物滑移偏离正常着船点，严重时甚至与甲板上层建筑物相撞，造成事故，尤其是补给弹药等易燃易爆物品或其他易碎物品时，危险性更大。例如，对海上集装箱等大型货物的并靠补给，需要精确地将集装箱放置在另一个集装箱的上方，此时两船舶在水平方向(横荡、纵荡)的相对运动会对集装箱的位置产生较大影响，垂直方向(升沉)相对运动会使两集装箱发生碰撞，而两个集装箱的姿态不同也会发生碰撞。因此，在对集装箱的精确定位补给中，不但要补偿集装箱的位置(横荡、纵荡、升沉)，还要控制其姿态(横摇、纵摇、艏摇)，使其姿态与要堆垛的集装箱姿态保持一致，避免碰撞；对于海上导弹或鱼雷等危险物品的补给，往往需要直接将导弹箱或鱼雷吊装到发射架或填充架上，这就要求弹药与发射架或填充架的位置和姿态在安装过程中保持一致，不能受到舰船横摇、纵摇和艏摇的影响。因此，为了保证海上并靠补给的安全作业，消除并靠补给中两作业装备的相对六自由度运动，必须使用具有六自由度主动式波浪补偿技术的并靠补给起重机来完成作业，在并靠补给中对补给装备与补给对象之间的相对六自由度运动进行补偿校正，以消除海浪引起的装备相对六自由度运动对海上作业的影响，保证海上作业精确、安全、高效的进行。国内现有的船载波浪补偿起重机仅具有升沉方向(一维)的补偿功能，无法进行六自由度补给作业。另外，补给船的六自由度运动和海风会引起集装箱等负载的摆动。在特定情况下，摆动可能非常剧烈并引发严重后果。现有的波浪补偿系统大部分都只具备升沉运动补偿或摆动抑制等单一功能，无法同时实现六自由度相对运动补偿和摆动抑制。由于每次所吊装的货物形状、大小、质量、材料等参数不同，货物的动力学参数不确定。因此，在对每一次货物进行动力学控制前，需要控制器对补给过程中货物的动力学参数进行辨识。为此，迫切需要一种具有抗摆特性的六自由度主动式波浪补偿起重机。

技术实现要素：

本发明的目的是基于悬吊绳牵引并联机构，提供一种具有抗摆特性的六自由度主动式波浪补偿吊装方法及吊装系统。

本发明提供的六自由度主动式波浪补偿吊装方法，包括在补给船的起重设备上设置一基座，在所述基座上设置八套由伺服电机驱动的钢丝绳牵引吊具系统组成的伺服系统和包括两台摄像机组成的双目视觉检测系统，将所述钢丝绳牵引吊具系统中的八根钢丝绳按每两根分别系于负载的四个角，利用所述两台摄像机分别检测并靠补给过程中补给船和被补给船的相对位置及相对姿态，并将所检测的图像信息通过处理器解算两船的相对六自由度运动，获得所述负载相对所述基座的六自由度运动控制参数，再通过钢丝绳牵引吊具系统运动学逆解解算出所述八根钢丝绳运动的控制参数，即钢丝绳的速度与位置参数，根据所述钢丝绳当前速度与位置参数，形成负反馈输入到钢丝绳的控制参数中，所述伺服电机根据所述控制参数控制钢丝绳的转速与方向，使负载相对基座的六自由度运动与被补给船相对基座的六自由度运动一致，达到六自由度相对运动补偿的目的。

吊装过程中所述钢丝绳始终处于张紧状态。

本发明提供的六自由度主动式波浪补偿吊装系统，包括设在补给船起重设备上的基座，所述基座上设有八套伺服系统、检测系统；每一套伺服系统均包括由控制部分所控制的伺服电机减速装置和由伺服电机减速装置驱动的钢丝绳牵引吊具系统；所述检测系统包括两台摄像机及其图像数据采集电路。

所述控制部分包括PC机、模拟量输出数据采集卡、电机驱动器、绝对式编码器、RS485输入数据采集卡、模拟量输入数据采集卡、张力传感器。

所述钢丝绳牵引吊具系统包括由伺服电机减速装置驱动的卷筒、卷绕在卷筒上的钢丝绳、用于钢丝绳导向的第一定滑轮、用于钢丝绳张紧的张紧装置。

所述张紧装置包括设在基座上的支架、设在支架上的第二定滑轮、沿支架滑动的滑轨和设在滑轨上的张紧轮和配重。

有益效果

本发明具有如下特点：一是可以实现横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇、艏摇六自由度位移，速度波浪补偿作业；二是可以控制负载六自由度运动；三是可以检测吊具与被补给船相对六自由度；四是可以检测吊具与负载的相对六自由度；五是可以在线辨识吊具系统负载的惯性参数，包括质量，重心位置，惯性参数；六是在波浪补偿作业中可以抑制负载摆动；七是张紧装置利用配重可以时刻张紧钢丝绳，保证钢丝绳不在卷筒上打滑。

下面结合附图详细说明本发明的技术方案。

附图说明

图1是本发明六自由度主动式波浪补偿吊装系统的作业示意图。

图2是本发明六自由度主动式波浪补偿吊装系统的结构示意图。

图3是图2中A处的局部放大图。

图4是本发明六自由度主动式波浪补偿吊装系统的俯视图。

图5是本发明方法的工作流程框图。

图6是本发明中钢丝绳长度求解向量示意图。

图7是本发明中负载惯性参数辨识过程。

图8是本发明中一套伺服系统硬件框图。

图9是本发明中的张紧装置示意图。

图10是本发明中吊具系统四面体分解示意图。

具体实施方式

补给船T₁和被补给船T₂两船并靠补给作业情况如图1所示，本发明六自由度主动式波浪补偿吊装系统S安装在补给船T₁的起重机吊臂R上。

六自由度主动式波浪补偿吊装系统S如图2—4所示，包括设在补给船起重机吊臂上的基座17，所述基座17上设有八套伺服系统和一套检测系统；每一套伺服系统均包括控制部分、由控制部分控制的伺服电机减速装置7、由伺服电机减速装置7驱动的钢丝绳牵引吊具系统；所述检测系统包括两台摄像机20及其图像数据采集卡。所述控制部分包括PC机、模拟量输出数据采集卡、电机驱动器、绝对式编码器12、RS485输入数据采集卡、模拟量输入数据采集卡、张力传感器16；所述钢丝绳牵引吊具系统包括由伺服电机减速装置驱动的卷筒8、卷绕在卷筒8上的钢丝绳19、用于钢丝绳19导向的定滑轮14、用于钢丝绳19张紧的张紧装置22。所述基座17为框架结构，基座17的中部设有主架板1，八套伺服电机减速装置7通过安装板5和支撑板6安装在主架板1的中间部分，各伺服电机减速装置7通过联轴器连接有主轴3，主轴3下端与安装在主架板1上的带座轴承2连接，卷筒8安装在主轴3上，主轴3上设有皮带轮10；围绕八套伺服电机减速装置7在主架板1上通过支架11安装有与所述伺服电机减速装置7一一对应的八个绝对式编码器12，绝对式编码器12的轴通过联轴器4连接有副轴9，副轴9与主轴3之间通过皮带轮10和皮带连接，副轴9在主轴3的驱动下，带动编码器12旋转，测量钢丝绳19的位置与速度，用于伺服系统控制反馈；四个张紧装置22均匀设在在基座17上，八个定滑轮14分别通过支架15安装在四个张紧装置22上，与每个定滑轮14对应在基座17上通过支架13安装有张力传感器16，每根钢丝绳19的一端经过定滑轮14、张力传感器16与卷筒8固定连接；张紧装置22用于时刻张紧钢丝绳19，张力传感器16用于测量钢丝绳19的张力，通过吊具系统控制钢丝绳19始终保持绳索张紧；两个摄像机20通过摄像机支架21安装在基座17的对角线上；八根钢丝绳19的另一端与负载18连接，每两根钢丝绳19与负载18的一个角连接。

本发明的吊装方法如图5所示，采用本发明的六自由度主动式波浪补偿吊装系统。其工作方式是：补给船和被补给船两船并靠补给过程中，利用两个摄像机20组成的双目视觉系统分别检测两船相对位置和相对姿态，并将所检测的图像信息数据通过数据采集卡输入到处理器解算两船的相对六自由度运动，即三轴转动和三轴平动参数，也是负载18相对基座17六自由度运动控制参数，通过绳牵引吊具系统运动学逆解解算出八根钢丝绳19运动的控制参数，即钢丝绳19的速度与位置参数。同时，八个绝对式多圈编码器12检测吊装负载18的八根钢丝绳19当前速度与位置参数，形成负反馈输入到钢丝绳的控制参数中，张力传感器16检测钢丝绳19的张力，保证钢丝绳19始终处于张紧状态。处理器把控制参数转变为电机的驱动信号输入到电机驱动器当中，电机驱动器根据控制信号来驱动伺服电机7的转速与方向，控制卷筒8的转速与方向，从而控制钢丝绳19的转速与方向，使负载18相对基座17的六自由度运动与被补给船相对基座17的六自由度运动一致，达到六自由度相对运动补偿的目的。

本发明进一步的说明如下：

1)吊具系统位移补偿原理

位移补偿的目标是在并靠补给过程中保证负载相对于被补给船的位置和姿态不受两船相对运动的影响。通过安装在吊具系统上的测量系统，可以得到不同时刻被补给船相对于基座的位置和姿态假设负载相对于基座的位置和姿态和相对于被补给船的期望位置和姿态设定为和那么为了使负载相对于被补给船的位姿不受两船相对运动的影响，需要利用绳牵引并联机构实时控制负载相对于基座的位姿，使其在任意时刻都满足

在这种情况下负载相对被补给船的位姿就是预设的目标值和与两船的相对运动无关。对于绳牵引并联机构，负载相对于基座的位姿是通过改变绳索长度来控制的。根据式(1)和(2)可以计算出任一时刻负载相对基座的位姿，结合绳牵引并联机构的运动学理论，就可以得到该时刻各绳索的目标长度。

本发明中钢丝绳长度求解向量如图6所示，P_i和B_i(i＝1,…,m)分别表示第i根绳索与负载和基座的连接点，p_i和b_i表示从负载和基座坐标系的原点指向相应的绳索连接点的矢量，也就是l_i为第i根绳索对应的矢量，e_i为l_i的单位矢量。根据(h)中的几何关系可知，在坐标系B中

由于和是恒定的，根据式(1)和(2)得到和后，就可以利用式(3)计算从而得到第i根绳索的长度

因此在并靠补给过程中，只要给定负载相对于被补给船的期望位姿，并测量出被补给船相对基座的位姿，就可以根据式(4)计算出位移补偿需要的绳索长度。然后实时控制各绳索的收放使其长度与计算值相等，就能够保证负载与被补给船的相对位姿与预先设定的期望值一致，与两船的相对运动无关。

2)吊具系统速度补偿原理

对式(1)两边求导可得

根据刚体运动学理论，方向余弦矩阵的求导公式为

其中为的斜对称矩阵。假设ω＝[ω_x ω_y ω_z]^T，那么

斜对称矩阵具有如下性质：

[ω×]υ＝ω×υ (8)

其中ω和υ表示任意两个矢量。

一个坐标系相对于另一个坐标系的角速度可以根据两坐标系间的欧拉角及其导数计算出来，也就是

其中

将式(6)和(9)代入式(5)，可以得到负载与基座相对速度的计算公式

可以看出，负载相对于被补给船的速度与负载相对于基座的速度、负载相对于被补给船的位置以及被补给船相对于基座的速度、欧拉角及其导数有关。

绳牵引并联机构负载相对基座的角速度计算公式为

可以看出，负载相对于被补给船的角速度与负载相对于基座的角速度以及被补给船相对于基座的姿态和角速度有关。因此，为了保证负载与被补给船的相对速度为预先设定的值而不受两船相对运动的影响，负载与基座之间的运动旋量必须要满足式(11)和(12)。

对式(4)两边平方然后求导可得

将式(3)代入式(13)并化简得

与式(6)类似，方向余弦矩阵的求导公式还有另外一种形式

将式(15)代入式(14)可以得到

根据向量混合积的性质有

那么式(16)可以重新写为

定义l＝[l₁ l₂ … l_m]^T为绳索长度矢量，将所有绳索对应的式(18)综合到一起可得

式中

称为绳牵引并联机构的雅可比矩阵，是在坐标系B中表示的，只与绳牵引并联机构的几何参数和负载相对于基座的位姿有关，与基座在惯性坐标系中的位姿无关。

控制绳牵引并联机构各绳索的收放速度，使其在任意时刻都满足式(19)，那么负载相对于被补给船的运动速度就等于预先设定值而与两船相对运动无关，这就是速度补偿原理。

3)吊具系统摆动抑制原理

当绳索数目大于或等于负载的自由度数时，绳牵引并联机构是运动学确定的。对于这类机构，只要绳索长度不发生变化，且机构不产生奇异，负载的位姿就是确定的。因此在并靠补给过程中，如果所有绳索都保持张紧，负载一定不会产生摆动，也就是说采用运动学确定机构可以完全避免负载摆动。如果负载产生了摆动，则必定有绳索发生松弛。本发明绳索数目为8，负载自由度数目为6，吊具系统为运动学确定机构，可以抑制负载的摆动。

4)吊具系统负载惯性参数辨识

惯性参数辨识的流程如图7所示。首先设计合理的激励路径。在参数辨识的过程中，激励路径的选取对辨识精度的影响很大，不同类型的参数需要不同的激励路径。本发明要辨识的是惯性参数，激励路径要选择高动态运动，以突出惯性现象。在实际工作过程中，每件负载的补给都包括起升和下放两个阶段，其中只有下放阶段需要进行波浪补偿和精确控制，因此可以在起升阶段使负载沿设定的激励路径运动，并完成参数辨识。

5)伺服系统的硬件设计

如图8所示，为一套伺服系统的硬件设计框图。其中PCI-1710为输入模拟信号采集卡，PCI-1622C为RS485信号采集卡，PCI-1723为模拟信号输出卡，三种采集卡接口都为PCI，与PC机的主板PCI接口连接。张力传感器检测到钢丝绳张力，输出模拟电压信号，模拟电压信号经过ADAM3968接线端子输入为PCI-1710采集卡中，采集卡经A/D转换，把信号输入到PC机中。绝对编码器检测钢丝绳位置(长度)，输出RS485信号，经过RS485接口，信号传入到PCI-1622C数据采集卡，最后输入到PC机中。PCI-1723模拟信号输出卡把PC机要输出的信号经过D/A转换后，经ADAM3968接线端子，把信号输出到电机驱动器上，电机驱动器再把信号传输给电机，驱动电机旋转。电机驱动器可以通过给电机输入不同信号，对电机进行位置控制、扭矩控制和速度控制，安装在伺服电机上的编码器通过RS485信号给驱动器速度/位置反馈。

6)张紧装置原理

如图9所示，所述张紧装置22由设在基座上的支架2201、设在支架2201上的定滑轮2203、沿支架2201滑动的滑轨2204和设在滑轨2204上的张紧轮2203和配重3305组成。

在没有向上的拉力时，滑轨在配重自重的拉力下，可按照箭头所示方向移动。工作时，钢丝绳按照如图所示缠绕在定滑轮上，在钢丝绳拉紧时，滑轨受向上的力，滑轨静止，当钢丝绳松弛时，配重的拉力大于钢丝绳作用在滑轨上的力，滑轨向下运动，同时拉紧钢丝绳。此装置的作用是时刻保持钢丝绳张紧，使钢丝绳不在卷筒上打滑。

7)基座与负载相对六自由度运动检测

基座与负载相对六自由度运动检测如图10所示。把吊具系统的负载四个顶点P₁—P₄作为四面体的顶点，把八根绳索划分为四个四面体，基座平面作为各个四面体的基，连接在负载同一个顶点的两条绳索与引入的原点到顶点的距离参数作为四面体的空间线，如图10(a)、(b)所示。定义四面体坐标系为X,Y,Z，Z＝X×Y。第一个四面体包括三个向量(P₁,B₁,B₂,O_B)，其中，O_B为基座中心点，P₁为到负载与钢丝绳连接点，为四面体顶点，B_i(i＝1,2)为定滑轮与钢丝绳接触点，如图10(c)所示。其中λ₁为引入的未知量，λ₁＝||P₁||。则有

P₁＝λ₁ (21)

λ₁＝λ₁₁X+λ₁₂Y-λ₁₃Z (22)

Where，

第二个四面体包括三个向量(P₂,B₃,B₄,O_B)，其中，P₂为到负载与钢丝绳连接点，为四面体顶点，B_i(i＝3,4)为定滑轮与钢丝绳接触点，如图10(d)所示。其中λ₂为引入的未知量，λ₂＝||P₂||。则有

P₂＝λ₂ (23)

λ₂＝λ₂₁Y-λ₂₂X-λ₂₃Z (24)

Where，

第三个四面体包括三个向量(P₃,B₅,B₆,O_B)，其中，P₃为到负载与钢丝绳连接点，为四面体顶点，B_i(i＝5,6)为定滑轮与钢丝绳接触点，如图10(e)所示。其中λ₃为引入的未知量，λ₃＝||P₃||。则有

P₃＝λ₃ (25)

λ₃＝-λ₃₁X-λ₃₂Y-λ₃₃Z (26)

Where，

第四个四面体包括三个向量(P₄,B₇,B₈,O_B)，其中，P₄为到负载与钢丝绳连接点，为四面体顶点，B_i(i＝7,8)为定滑轮与钢丝绳接触点，如图10(f)所示。其中λ₄为引入的未知量，λ₄＝||P₄||。则有

P₄＝λ₄ (27)

λ₄＝-λ₄₁Y+λ₄₂X-λ₄₃Z (28)

Where，

约束方程为

即

f_i为非线性最小二乘问题，可采用列宁伯格-马奎尔特方法求解出λ_i(i＝1,2,3,4)。负载相对基座位置为

方向向量为R＝[u,v,w]为

其中

其中，A＝180/π。