一种电动的海浪主动补偿登乘系统及其控制方法与流程

本发明一种电动的海浪主动补偿登乘系统及其控制方法涉及海洋工程技术领域。

背景技术：

风力发电是新能源领域中技术最成熟、最具开发条件和最有发展前景的发电方式之一，各国纷纷视其为新能源战略中最重要的组成部分。我国海上风能资源丰富，近海5到25米水深线以内区域可装机容量约2亿千瓦，远海还有更为丰富的风资源。海上风机发展受限于条件之一缺乏专业的安装船舶资源，海上施工成本高、风险大。国家高度关注海上风电发展，陆续出行了一些指导文件和规定，以促进海上风电稳步发展。与陆地风电场建设相比，海上风电场要面对风浪流等多重载荷的考验，环境条件更复杂，技术开发难度更大，面临许多新的挑战。目前，潮间带、潮下带滩涂风电场及近海风电场，这些水深不超过50米的海上风电场，常用的是固定式基础结构形式，风机轮毂高度80m～110m。风机平台经常需要维修和维护，然而海上风浪原因，人员从船上到平台上具有很大的危险性，非常需要海上补偿平台将人员和设备安全从船上运送到风机平台上。

目前海上登乘系统在国内属于空白，我们在海上浮式钻井平台和海上起重设备有相关的海浪主动补偿技术，主要是针对海上载荷起吊过程中，海浪变化对起重设备的引绳速度进行控制，进而实现海浪的补偿，其所控制的自由度过少，通常是单自由度；严重影响海上登乘时登乘人员的安全。

技术实现要素：

针对目前现有技术中存在的不足，本发明提供了一种电动的海浪主动补偿登乘系统及其控制方法，能够实时将船体受海浪影响后的姿态和位移检测出来，通过控制三自由度电动机构实现海浪的主动补偿，进而保障维修人员安全可靠走上海上风机平台。

本发明的目的是这样实现的：

一种电动的海浪主动补偿登乘系统，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；所诉横滚补偿机构包括第一直流电机、第一丝杠螺母传动机构和第一位移检测传感器；所诉俯仰补偿机构包括第二直流电机、第二丝杠螺母传动机构和第二位移检测传感器；所述伸缩补偿机构包括第三直流电机、第三丝杠螺母传动机构和第三位移检测传感器；所述位姿检测系统包括捷联惯性导航系统、差分gps和组合解算系统；伸缩补偿机构放置在俯仰补偿机构上，位姿检测系统为运动控制系统提供船体的位置和姿态变化参数，运动控制系统分别控制横滚补偿机构、俯仰补偿机构和伸缩补偿机构，电气系统为运动控制系统提供电力。

所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统，所述的

横滚补偿机构：用于补偿船体受海浪影响时产生的横滚方向的角度偏差；

俯仰补偿机构：用于补偿船体受海浪影响时产生的俯仰方向的角度偏差；

伸缩补偿机构：用于补偿船体受海浪影响时产生的前进方向的位移偏差；

位姿检测系统：用于检测船体的位置和姿态变化参数，为运动控制系统提供控制信息反馈；

运动控制系统：用于根据位姿检测系统的参数，通过模型解算和运动控制计算，为混联机构提供实时控制量，平稳安全控制执行机构；

电气系统：用于为整体系统提供稳定能源电力、人机信息对接和系统参数实时监控。

所述一种电动的海浪主动补偿登乘方法，本发明是根据低海况的小型运维船制定，低海况时，海浪单向性强，运维船的船头迎着海浪，船的主推进器和侧向推进器能够控制船的航向和水平位置，而船的横滚、俯仰两个姿态，以及船的升沉就需要海浪主动补偿登乘系统进行补偿。

所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统，还包括登梯和基座，登梯连接在横滚补偿机构上，与甲板有一定空隙，横滚补偿机构和俯仰补偿机构连接在基座上，基座连在甲板上。

在所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统上实现的一种电动的海浪主动补偿登乘系统控制方法，包括

步骤a、通过基座把所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统连接在船体的甲板上；

步骤b、把所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统的末端放置在海上的风机平台上，因为船体受到海浪的影响，所以船体会发生姿态和位置的变化，根据运动学原理，因此形成一个包括三个自由度的登乘系统坐标系，得到各个关节的变换矩阵如下所示：

则最后所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统末端的位姿矩阵为：

根据所得位姿矩阵的表达式，进行登乘系统的控制解算：

设初始时刻t0登乘系统基座中心的位置和姿态矩阵为：

则求出初始时刻t0登乘系统末端的位置和姿态矩阵为：

初始时刻三个运动变量θ1、θ2、l为已知，d1是机构固有参数，也为已知，则dt0内参数也为已知，设为：

步骤c、通过位姿检测系统检测船体变化的位置和姿态变化参数，向运动控制系统提供控制信息反馈；

步骤d、运动控制系统根据位姿检测系统的参数，确定所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统基座中心的位置和姿态矩阵在任意时刻是已知的，所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统主要功能就是保持所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统末端与风机平台接触点位置相对不变，设任意时刻t，登乘系统基座中心的位置和姿态矩阵为：

则有：

上式中根据对应矩阵位置元素相等，建立联立六个等式，但所求的未知量为θ1、θ2、l三个，因此方程数量大于未知数数量，按照所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统主要功能，是保证所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统末端与风机平台接触点位置相对不变，可建立下面三个等式：

n'x(a14-p'x)+n'y(a24-p'y)+n'z(a34-p'z)＝d1-lsinθ1cosθ2

o'x(a14-p'x)+o'y(a24-p'y)+o'z(a34-p'z)＝lcosθ1cosθ2

a'x(a14-p'x)+a'y(a24-p'y)+a'z(a34-p'z)＝lsinθ2

则有：

经过计算后，运动控制系统实时控制横滚补偿机构通过控制第一直流电机旋转带动第一丝杠螺母传动机构实现横滚动作；实时控制俯仰补偿机构通过控制第二直流电机旋转带动第二丝杠螺母传动机构实现俯仰动作；实时控制伸缩补偿机构通过控制第三直流电机旋转带动第三丝杠螺母传动机构实现伸缩动作，因此保持所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统的末端与海上的风机平台接触点位置相对不变。

所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统控制方法，所述位姿检测系统利用捷联惯性导航系统短时间内的高精度结算数据，弥补差分gps在短时间内数据输出频率不高和接收卫星数量不够的缺点；利用差分gps信息的长时间绝对位置信息去弥补捷联惯性导航系统长时间的累积误差，进而满足运动控制系统对反馈信息的实时需求。

所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统控制方法，所述运动控制系统采用滑模控制方法。

有益效果：

本发明一种电动的海浪主动补偿登乘系统及其控制方法，通过位姿监测系统实时监测船体位置和姿态信息，为运动控制系统提供控制信息反馈，运动控制系统根据位姿检测系统的参数，通过模型解算和运动控制计算，实时控制横滚补偿机构、俯仰补偿机构和伸缩补偿机构对海浪进行主动补偿，而保障维修人员安全可靠走上海上风机平台。

本发明具有重量轻、体积小、结构紧凑、集成度高、运动控制灵活，满足低海况条件下的小型运维船的使用要求。

本发明采用电机驱动方式，具有启动速度快、成本低，相对于液压驱动方式，功率低、占用空间小。

本发明采用滑模控制能够在不确定参数和未知干扰条件下获得较高的控制精度。

本发明采用捷联惯性导航系统与差分gps组合方式，能够相互校准和互补，输出高频率、实时的运维船的位置和姿态信息，为登乘系统准确可靠地控制提供反馈。

附图说明

图1是一种电动的海浪主动补偿登乘系统组成图。

图2是一种电动的海浪主动补偿登乘系统结构图。

图3是一种电动的海浪主动补偿登乘系统的运动学建模图。

图4是船体位置和姿态检测方法的流程图。

图中：1横滚补偿机构、11第一直流电机、12第一丝杠螺母传动机构、13第一位移检测传感器、2俯仰补偿机构、21第二直流电机、22第二丝杠螺母传动机构、23第二位移检测传感器、3伸缩补偿机构、31第三直流电机、32第三丝杠螺母传动机构、33第三位移检测传感器、4位姿检测系统、41捷联惯性导航系统、42差分gps、43组合解算系统、5运动控制系统、6电气系统、7登梯、8基座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

具体实施例一

一种电动的海浪主动补偿登乘系统，如图1所示，包括横滚补偿机构1、俯仰补偿机构2、伸缩补偿机构3、位姿检测系统4、运动控制系统5和电气系统6；所诉横滚补偿机构1包括第一直流电机11、第一丝杠螺母传动机构12和第一位移检测传感器13；所诉俯仰补偿机构2包括第二直流电机21、第二丝杠螺母传动机构22和第二位移检测传感器23；所述伸缩补偿机构3包括第三直流电机31、第三丝杠螺母传动机构32和第三位移检测传感器33；所述位姿检测系统4包括捷联惯性导航系统41、差分gps42和组合解算系统43；伸缩补偿机构3放置在俯仰补偿机构2上，位姿检测系统4为运动控制系统5提供船体的位置和姿态变化参数，运动控制系统5分别控制横滚补偿机构1、俯仰补偿机构2和伸缩补偿机构3，电气系统6为运动控制系统5提供电力。

所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统，所述的

横滚补偿机构1：用于补偿船体受海浪影响时产生的横滚方向的角度偏差；

俯仰补偿机构2：用于补偿船体受海浪影响时产生的俯仰方向的角度偏差；

伸缩补偿机构3：用于补偿船体受海浪影响时产生的前进方向的位移偏差；

位姿检测系统4：用于检测船体的位置和姿态变化参数，为运动控制系统5提供控制信息反馈；

运动控制系统5：用于根据位姿检测系统4的参数，通过模型解算和运动控制计算，为混联机构提供实时控制量，平稳安全控制执行机构；

电气系统6：用于为整体系统提供稳定能源电力、人机信息对接和系统参数实时监控。

本发明通过位姿监测系统实时监测船体位置和姿态信息，为运动控制系统提供控制信息反馈，运动控制系统根据位姿检测系统的参数，通过模型解算和运动控制计算，实时控制横滚补偿机构、俯仰补偿机构和伸缩补偿机构对海浪进行主动补偿，而保障维修人员安全可靠走上海上风机平台。

具体实施例二

所述一种电动的海浪主动补偿登乘方法，本发明是根据低海况的小型运维船制定，低海况时，海浪单向性强，运维船的船头迎着海浪，船的主推进器和侧向推进器能够控制船的航向和水平位置，而船的横滚、俯仰两个姿态，以及船的升沉就需要海浪主动补偿登乘系统进行补偿。

本发明采用横滚补偿、俯仰补偿和伸缩补偿方案是根据低海况的小型运维船制定的。低海况条件下，小型运维船具有小型灵活、工作方便的特点，能够为风机平台和船舶运动人员和设备，低海况时，海浪单向性强，运维船的船头迎着海浪，船的主推进器和侧向推进器能够控制船的航向和水平位置，而船的横滚、俯仰两个姿态，以及船的升沉就需要海浪主动补偿登乘系统进行补偿，才能保证维修人员安全、可靠通过登乘系统，走到风机平台上。

具体实施例三

所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统，如图2所示，还包括登梯7和基座8，登梯7连接在横滚补偿机构1上，与甲板有一定空隙，横滚补偿机构1和俯仰补偿机构2连接在基座8上，基座8连在甲板上。

本发明由横滚补偿机构1、俯仰补偿机构2、伸缩补偿机构3、基座8和登梯7组成：登梯7是维修人员从甲板登上廊桥的机构，该登梯7固连在横滚补偿机构1上，与甲板有一定空隙；基座8固连在甲板上，横滚补偿机构1的执行机构的电机安置在基座上；横滚补偿机构1安放在基座上，采用两端支撑方式，轴线与运维船的艏艉方向一致，通过控制第一直流电机11旋转带动丝杠螺母传动机构12实现横滚动作；俯仰补偿机构2放置在横滚补偿机构1上，采用两端支撑方式，轴线与运维船的艏艉方向垂直，通过控制第二直流电机21旋转带动第二丝杠螺母传动机构22实现俯仰动作；伸缩补偿机构3放置在俯仰补偿机构2上，采用滑轨支撑方式，滑轨运动方向与运维船的艏艉方向平行，通过控制第三直流电机31旋转带动丝杠螺母传动机构32实现伸缩动作。

具体实施例四

在所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统上实现的一种电动的海浪主动补偿登乘系统控制方法，包括

步骤a、通过基座8把所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统连接在船体的甲板上；

步骤b、把所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统的末端放置在海上的风机平台上，因为船体受到海浪的影响，所以船体会发生姿态和位置的变化，如图3所示，根据运动学原理，因此形成一个包括三个自由度的登乘系统坐标系，得到各个关节的变换矩阵如下所示：

则最后所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统末端的位姿矩阵为：

根据所得位姿矩阵的表达式，进行登乘系统的控制解算：

设初始时刻t0登乘系统基座8中心的位置和姿态矩阵为：

则求出初始时刻t0登乘系统末端的位置和姿态矩阵为：

初始时刻三个运动变量θ1、θ2、l为已知，d1是机构固有参数，也为已知，则dt0内参数也为已知，设为：

步骤c、通过位姿检测系统4检测船体变化的位置和姿态变化参数，向运动控制系统5提供控制信息反馈；

步骤d、运动控制系统5根据位姿检测系统4的参数，确定所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统基座8中心的位置和姿态矩阵在任意时刻是已知的，所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统主要功能就是保持所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统末端与风机平台接触点位置相对不变，设任意时刻t，登乘系统基座8中心的位置和姿态矩阵为：

则有：

上式中根据对应矩阵位置元素相等，建立联立六个等式，但所求的未知量为θ1、θ2、l三个，因此方程数量大于未知数数量，按照所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统主要功能，是保证所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统末端与风机平台接触点位置相对不变，可建立下面三个等式：

n'x(a14-p'x)+n'y(a24-p'y)+n'z(a34-p'z)＝d1-lsinθ1cosθ2

o'x(a14-p'x)+o'y(a24-p'y)+o'z(a34-p'z)＝lcosθ1cosθ2

a'x(a14-p'x)+a'y(a24-p'y)+a'z(a34-p'z)＝lsinθ2

则有：

经过计算后，运动控制系统5实时控制横滚补偿机构1通过控制第一直流电机11旋转带动第一丝杠螺母传动机构12实现横滚动作；实时控制俯仰补偿机构2通过控制第二直流电机21旋转带动第二丝杠螺母传动机构22实现俯仰动作；实时控制伸缩补偿机构3通过控制第三直流电机31旋转带动第三丝杠螺母传动机构32实现伸缩动作，因此保持所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统的末端与海上的风机平台接触点位置相对不变。

具体实施例五

所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统控制方法，所述位姿检测系统4利用捷联惯性导航系统41短时间内的高精度结算数据，弥补差分gps42在短时间内数据输出频率不高和接收卫星数量不够的缺点；利用差分gps42信息的长时间绝对位置信息去弥补捷联惯性导航系统41长时间的累积误差，进而满足运动控制系统5对反馈信息的实时需求。

如图4所示，由于海浪的复杂性，海浪主动补偿登乘系统能够实时快速响应，补偿船体受海浪影响产生的位置和姿态偏差，因此需要海浪主动补偿登乘系统的控制频率较高，间接对船体的姿态和位置检测的频率提出很高要求。捷联惯性导航系统能够输出较高频率的角速度和线加速度信息，而差分gps输出频率较低，不能够满足实时控制的需要，有时候当接收的卫星数量不足时，也会出现输出数据不准确现象。此外捷联惯性导航系统输出的数据存在累积误差，长时间工作会出现较大偏差，而差分gps能够输出精确的位置信息。结合两者的优缺点，利用捷联惯性导航系统短时间内的高精度结算数据，弥补差分gps在短时间内数据输出频率不高和接收卫星数量不够的缺点；利用差分gps信息的长时间绝对位置信息去弥补捷联惯性导航系统长时间的累积误差，进而满足控制系统对反馈信息的实时需求。

具体实施例六

所述一种电动的海浪主动补偿登乘系统控制方法，所述运动控制系统5采用滑模控制方法。

本发明采用采用滑模控制方法控制电动的海浪主动补偿登乘系统。由于海浪和涌的复杂性，其干扰是未知的，无法获得精确地模型和参数，但是根据海区海文记录，能够获得该海区的参数和干扰范围，因此采用滑模控制能够在不确定参数和未知干扰条件下获得较高的控制精度。