基于海上浮吊作业要求的主动波浪补偿模拟方法及装置与流程

本发明属于海洋工程领域，涉及一种主动波浪补偿模拟装置及方法，特别是一种基于海上浮吊作业要求的主动波浪补偿模拟方法及装置。

背景技术：

在最近的几十年里，海洋工业已经被看成一个增长的兴趣点，开发新技术和相关的海洋装备去完成持续增长的海洋工业的需求。目前，近海装备的操作具有高度不确定性，会导致事故的发生，在这种如此具有挑战性的操作环境情况下，海上浮吊将在运用到运输和吊装作业中起到一个重要的作用。

在汹涌的海洋环境中，海上浮吊的操作会存在许多问题，比如摇摆、精确定位、避免碰撞和操作安全。在大多数情况下，操作者需要去处理大量的关于杆杆和按钮去操作吊车的各个环节。当考虑到工作效率和安全性时，这种仅仅依靠操作员的丰富经验和高水平技术的控制将很难管理。尤其，当在极端的海洋环境下，一个大浪发生，这种不可靠控制将不可能手动实现的。同时，大量的资金投入在训练操作员身上，这将产生很大的浪费，因为在真正恶劣的环境下无法训练，且测试新的控制方法在真实的环境中是非常困难。

技术实现要素：

本发明的第一个目的是针对现有的技术存在的问题，提出了一种基于海上浮吊作业要求的主动波浪补偿模拟方法，该方法具有能够模拟海上恶劣环境，用于测试不同的控制方法和训练，从而来降低实际海上浮吊作业要求风险度。

本发明的第一个目的可通过下列技术方案来实现：

一种基于海上浮吊作业要求的主动波浪补偿模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1造波：随机正弦信号发生器应用于重现波，形成运动平台的输入信号,信号的产生：

式中，ah为随机深沉振幅[0,150]mm均匀分布，aφ为随机横摇振幅[0,100]mm均匀分布，aθ为随机纵摇振幅[0,100]mm的均匀分布，f为随机频率变量[0,0.1]hz均匀分布，ω为随机相位变量[-π,π]；

s2深沉运动、横摇运动和纵摇运动的检测：利用安装在运动平台上的加速度传感器来监测运动平台的横摇运动和纵摇运动，通过arduino开发板采集运动的原始数据，将来自扰动横摇角运动φ和纵摇角运动θ的原始数据进行滤波，并进行信号采集；深沉运动直接通过读取运动平台的实际角度来获取位移，通过应用正向运动学和网络通信协议采集数据；

s3输入设备：一个标准的操纵杆作为一个通用的输入设备，操纵杆的每个自由度拥有一个平移轴，控制机械手的工作空间，当操作者的手离开机械手，机械手自动的恢复到末端器保持的最后位置的点，机械手的信号i，比例缩放因子k，通过udp协议采集数据；

s4服务器控制线程：末端执行器的位置xc，可以通过如下变换矩阵获得tc：

tc＝tztθtφta，

式中，tz为深沉变换矩阵，tθ为纵倾变换矩阵，tφ为横倾变换矩阵，ta为机械手变换矩阵，在每一个控制迭代中，末端执行器：

xsnew＝xsold+ki

式中，xsnew为新的设定值，xsold为来自之前控制迭代的设定值，初始设定值由操作员设定，计算出xsnew和xc差值，配置相应的采样点；

s5驱动线程：读取机械手的实际联合配置θa，把动作值传输到服务器。

本发明的第二个目的是针对现有的技术存在问题，提出了一种基于海上浮吊作业要求的主动波浪补偿模拟装置，该基于海上浮吊作业要求的主动波浪补偿模拟装置具有能够模拟海上浮吊作业的特点。

本发明的第二个目的可通过下列技术方案来实现：

一种基于海上浮吊作业要求的主动波浪补偿模拟装置，包括基座，其特征在于，所述的运动平台设置在基座上，所述的机械手设置在运动平台上；所述的运动平台包括上平台、电机一、电机二和电机三，所述的电机一、电机二和电机三固定在基座上，所述的电机一、电机二和电机三输出轴的轴心交于一点，且电机一、电机二和电机三两两之间的间距相等，电机一、电机二和电机三输出轴上分别铰接有支架一、支架二和支架三，所述的支架一、支架二和支架上分别设置有万向节一、万向节二和万向节三，所述的万向节一、万向节二和万向节三的另一端均设置在上平台上；所述的机械手固定在上平台上。

万向节一、万向节二和万向节三的旋转角控制在125度，相当于万向节垂直向上，相应的平台角度去执行最大的高度，任何万向节角度更高的位移将使得平台相应的角度再次下降。

在上述基于海上浮吊作业要求的主动波浪补偿模拟装置中，所述的运动平台的设计先设定深沉运动位移h：

式中，a1为下臂，a2为上臂，α1为连接角度；

所述横摇运动中h2和h3的高度计算公式：

δ(h2,h3)＝sin(φ)l，

式中，l为顶部三角形的长度，ф为横摇角，得出：

所述纵摇运动中h2和h3的高度的计算公式如下：

h2＝h3＝-sin(θ)m1，

式中，θ为纵摇角，h1的计算公式如下：

h1＝sin(θ)m2，

纵摇角θ的计算公式如下：

在上述基于海上浮吊作业要求的主动波浪补偿模拟装置中，所述的运动平台由plc所控制，电机一、电机二和电机三的运转由逆变器进行控制。

电机一、电机二和电机三的控制在界面上操作完成，尤其，使用了可编程电源板，避免花费昂贵的h桥电路，其中，可编程电源板可以通过来自plc的profibus进行远程控制。同时，电机运转由逆变器进行控制。

在上述基于海上浮吊作业要求的主动波浪补偿模拟装置中，所述的机械手采用能够实现六个自由度转动的库卡6r90sixx机械手。

在上述基于海上浮吊作业要求的主动波浪补偿模拟装置中，所述的机械手关节参数θi

式中，为来自结构的普通其次变化矩阵。

在上述基于海上浮吊作业要求的主动波浪补偿模拟装置中，所述的运动平台和机械手上分别设置有独立的平台控制模块和机械手控制模块。

与现有技术相比，本基于海上浮吊作业要求的主动波浪补偿模拟方法及装置具有以下优点：

利用运动平台来模拟波浪运动，使用者通过操纵杆控制机械手的运动，波浪运动通过一个安装在运动平台上的加速度传感器监测出来，这个数据被用于机械手的负反馈控制的控制算法，实现主动波浪补偿。建立在开放代码的软硬件环境中，控制软件的实现是通过应用严格的多线程的标准，为了满足实时的需求，相关的仿真和实验结果被拿出来去验证关于当前结构的效率。特别的是，它能够被用来验证这个方法考虑到有效地降低风险，来自个体和综合评价的潜在的海上作业危险。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的俯视结构示意图；

图3是本发明的运动平台设计示意图。

图中，1、基座；2、上平台；3、电机一；4、电机二；5、电机三；6、支架一；7、支架二；8、支架三；9、万向节一；10、万向节二；11、万向节三；12、机械手。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，一种基于海上浮吊作业要求的主动波浪补偿模拟方法，包括以下步骤：

s1造波：随机正弦信号发生器应用于重现波，形成运动平台的输入信号,信号的产生：

式中，ah为随机深沉振幅[0,150]mm均匀分布，aφ为随机横摇振幅[0,100]mm均匀分布，aθ为随机纵摇振幅[0,100]mm的均匀分布，f为随机频率变量[0,0.1]hz均匀分布，ω为随机相位变量[-π,π]；

s2深沉运动、横摇运动和纵摇运动的检测：利用安装在运动平台上的加速度传感器来监测运动平台的横摇运动和纵摇运动，通过arduino开发板采集运动的原始数据，arduino是一个开放源的电子产品原型平台，软件方面，arduino提供了许多函数库使得微控制器编程变得更简单。选择了使用arduino开发板使得当前的框架很容易维护，预留了以后加入新的特征的可能性；将来自扰动横摇角运动φ和纵摇角运动θ的原始数据进行滤波，并进行信号采集；深沉运动直接通过读取运动平台的实际角度来获取位移，通过应用正向运动学和网络通信协议采集数据；

s3输入设备：一个标准的操纵杆作为一个通用的输入设备，操纵杆的每个自由度拥有一个平移轴，控制机械手12的工作空间，当操作者的手离开机械手12，机械手12自动的恢复到末端器保持的最后位置的点，机械手12的信号i，比例缩放因子k，通过udp协议采集数据；

s4服务器控制线程：末端执行器的位置xc，可以通过如下变换矩阵获得tc：

tc＝tztθtφta，

式中，tz为深沉变换矩阵，tθ为纵倾变换矩阵，tφ为横倾变换矩阵，ta为机械手12变换矩阵，在每一个控制迭代中，末端执行器：

xsnew＝xsold+ki

式中，xsnew为新的设定值，xsold为来自之前控制迭代的设定值，初始设定值由操作员设定，计算出xsnew和xc差值，配置相应的采样点，为了确保机械手12平滑的运动，有必要从这些现有的采样点中生成轨迹，来设计出高性能的跟踪控制器，确保没有运动学和动力学的限制被超出，以至于会跟随指定的路径运行而不会漂移；

s5驱动线程：读取机械手12的实际联合配置θa，把动作值传输到服务器。

基于海上浮吊作业要求的主动波浪补偿模拟装置，包括基座1，运动平台设置在基座1上，机械手12设置在运动平台上；运动平台包括上平台2、电机一3、电机二4和电机三5，所述的电机一3、电机二4和电机三5固定在基座1上，电机一3、电机二4和电机三5输出轴的轴心交于一点，且电机一3、电机二4和电机三5两两之间的间距相等，电机一3、电机二4和电机三5输出轴上分别铰接有支架一6、支架二7和支架三8，所述的支架一6、支架二7和支架三8上分别设置有万向节一9、万向节二10和万向节三11，万向节一9、万向节二10和万向节三11的另一端均设置在上平台2上；机械手12固定在上平台2上。

电机一3、电机二4和电机三5分别通过支架一6、支架二7和支架分贝使万向节一9、万向节二10和万向节三11带动上平台2进行三个自由度的运动。深沉运动需要三个电机同时调节，而且横摇运动和纵摇运动只需要其中任意两个电机同时运动即可完成，且基座1和上平台2都是正三角结构，静止时具有绝对的稳定性。

万向节一9、万向节二10和万向节三11的旋转角控制在125度，相当于万向节垂直向上，相应的平台角度去执行最大的高度，任何万向节角度更高的位移将使得平台相应的角度再次下降。

如图3所示，运动平台的设计先设定深沉运动位移h：

式中，a1为下臂，a2为上臂，α1为连接角度；

横摇运动中h2和h3的高度计算公式：

δ(h2,h3)＝sin(φ)l，

式中，l为顶部三角形的长度，ф为横摇角，得出：

纵摇运动中h2和h3的高度的计算公式如下：

h2＝h3＝-sin(θ)m1，

式中，θ为纵摇角，h1的计算公式如下：

h1＝sin(θ)m2，

纵摇角θ的计算公式如下：

运动平台由plc所控制，电机一3、电机二4和电机三5的运转由逆变器进行控制。

电机一3、电机二4和电机三5的控制在界面上操作完成，尤其，使用了可编程电源板，避免花费昂贵的h桥电路，其中，可编程电源板可以通过来自plc的profibus进行远程控制。同时，电机运转由逆变器进行控制。

机械手12采用能够实现六个自由度转动的库卡6r90sixx机械手12。机械手12关节参数θi

式中，为来自结构的普通其次变化矩阵。运动平台和机械手12上分别设置有独立的平台控制模块和机械手12控制模块。

运动平台被用于模拟波浪运动，使用者通过操纵杆控制机械手12的运动，波浪运动通过一个安装在运动平台上的加速度传感器监测出来，这个数据被用于机械手12的负反馈控制的控制算法，实现主动波浪补偿。建立在开放代码的软硬件环境中，控制软件的实现是通过应用严格的多线程的标准，为了满足实时的需求，相关的仿真和实验结果被拿出来去验证关于当前结构的效率。特别的是，它能够被用来验证这个方法考虑到有效地降低风险，来自个体和综合评价的潜在的海上作业危险。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了1、基座；2、上平台；3、电机一；4、电机二；5、电机三；6、支架一；7、支架二；8、支架三；9、万向节一；10、万向节二；11、万向节三；12、机械手等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。