一種六自由度主動式波浪補償吊裝方法及吊裝系統與流程

本發明屬于船舶海上補給時的波浪補償起重機，特別涉及一種六自由度主動式波浪補償吊裝方法及吊裝系統。

背景技術：

隨著我國經濟的發展，海洋開發與深藍海軍建設的不斷深入，海上補給是提高海軍戰斗力的一項重要戰術技術措施，是海軍從“黃水”走向“藍水”的重要保障技術。世界各國海上補給方式有橫向補給、縱向補給、垂直補給和并靠補給。橫向補給是補給船和接收船編成橫隊，在保持同向同速航行中，通過跨接于兩船間的橫向補給裝置，由補給船向接收船實施物資補充。可進行液貨、干貨補給和人員輸送，但橫向補給只適合在有專用設備的船舶之間進行。縱向補給是補給船和接收船編成縱隊,在保持同向同速航行中實施液貨補給。縱向補給裝置簡單，能在較惡劣的海況下進行作業，其缺點是只能補給液貨。垂直補給是用直升機將貨物從補給船吊運到被補給船的一種補給方法。垂直補給適用于干貨物資吊運和傷病員快速轉移，不適用于補充大量液貨。并靠補給作業中，將兩船用纜繩系在一起，采用一定隔離措施(如碰墊裝置)來隔離兩船并吸收兩船在風浪中的碰撞能量，再運用起重機，升降機等裝置來補給干貨。此法操作簡單，補給速度快，適用于近距離海上補給，但其受海況限制。

目前海洋的補給方式主要是橫向補給，從未來海軍補給發展趨勢來看，并靠補給在未來的補給方式中占有越來越重要的地位，特別對導彈魚雷和集裝箱的精確定位補給有著無可比擬的優勢，是現代海軍提高艦船續航能力、戰斗力的重要補給方式。首先，導彈精確定位補給問題已成為我國海軍急需解決的重要問題。目前導彈主要補給方式為橫向補給，只能進行從補給艦甲板到被補給艦甲板的補給，無法精確定位在發射架上，自動化程度低，效率低下，不符合未來戰爭發展的需要。而并靠補給可以利用吊機將導彈從補給艦直接安放到被補給艦發射架上，使導彈直接處于發射狀態。在并靠補給中，利用起重機精確的將魚雷安裝在發射架上，補給作業精度高，一次型完成。其次，海上集裝箱精確定位堆垛對港口物流業意義重大。由于受自然水深的限制和港口貨物流量的巨大增長，使得很多港口的泊位嚴重不足，令裝有大量集裝箱的大型艦船無法進港進行裝卸作業，因此，必須進行水上集裝箱補給作業，而與其它物資不同，集裝箱由于尺寸和重量較大，且作業過程中要求定位精確，一次性完成。在對集裝箱的補給中，要求集裝箱一次性精準的堆垛在下方的集裝箱上面，而橫向補給、縱向補給和垂直補給都沒有此功能，只有并靠補給能夠實現此種作業方式，因此，發展具有水上集裝箱精確定位堆垛的并靠轉運技術成為減少港口建設投資風險和提高港口貨物吞吐量的必然方式。綜上所述，導彈和集裝箱的精確定位補給是橫向補給、縱向補給和垂直補給方式所達不到的，只能通過并靠補給的作業方式來完成。

六自由度主動式波浪補償技術是導彈魚雷和集裝箱精確定位補給的重要技術。船舶在水上并靠作業受風浪影響很大，不采用波浪補償系統，只能在3級以下海況進行并靠作業。在氣象條件超過3級海況下，由于海風、海浪、洋流的作用以及船舶自身航行運動的影響，船舶會產生橫蕩、縱蕩、升沉和橫搖、縱搖、艏搖六自由度運動，導致并靠補給作業中的兩作業裝備會產生相對六自由度運動，容易造成起重機所吊貨物滑移偏離正常著船點，嚴重時甚至與甲板上層建筑物相撞，造成事故，尤其是補給彈藥等易燃易爆物品或其他易碎物品時，危險性更大。例如，對海上集裝箱等大型貨物的并靠補給，需要精確地將集裝箱放置在另一個集裝箱的上方，此時兩船舶在水平方向(橫蕩、縱蕩)的相對運動會對集裝箱的位置產生較大影響，垂直方向(升沉)相對運動會使兩集裝箱發生碰撞，而兩個集裝箱的姿態不同也會發生碰撞。因此，在對集裝箱的精確定位補給中，不但要補償集裝箱的位置(橫蕩、縱蕩、升沉)，還要控制其姿態(橫搖、縱搖、艏搖)，使其姿態與要堆垛的集裝箱姿態保持一致，避免碰撞；對于海上導彈或魚雷等危險物品的補給，往往需要直接將導彈箱或魚雷吊裝到發射架或填充架上，這就要求彈藥與發射架或填充架的位置和姿態在安裝過程中保持一致，不能受到艦船橫搖、縱搖和艏搖的影響。因此，為了保證海上并靠補給的安全作業，消除并靠補給中兩作業裝備的相對六自由度運動，必須使用具有六自由度主動式波浪補償技術的并靠補給起重機來完成作業，在并靠補給中對補給裝備與補給對象之間的相對六自由度運動進行補償校正，以消除海浪引起的裝備相對六自由度運動對海上作業的影響，保證海上作業精確、安全、高效的進行。國內現有的船載波浪補償起重機僅具有升沉方向(一維)的補償功能，無法進行六自由度補給作業。另外，補給船的六自由度運動和海風會引起集裝箱等負載的擺動。在特定情況下，擺動可能非常劇烈并引發嚴重后果。現有的波浪補償系統大部分都只具備升沉運動補償或擺動抑制等單一功能，無法同時實現六自由度相對運動補償和擺動抑制。由于每次所吊裝的貨物形狀、大小、質量、材料等參數不同，貨物的動力學參數不確定。因此，在對每一次貨物進行動力學控制前，需要控制器對補給過程中貨物的動力學參數進行辨識。為此，迫切需要一種具有抗擺特性的六自由度主動式波浪補償起重機。

技術實現要素：

本發明的目的是基于懸吊繩牽引并聯機構，提供一種具有抗擺特性的六自由度主動式波浪補償吊裝方法及吊裝系統。

本發明提供的六自由度主動式波浪補償吊裝方法，包括在補給船的起重設備上設置一基座，在所述基座上設置八套由伺服電機驅動的鋼絲繩牽引吊具系統組成的伺服系統和包括兩臺攝像機組成的雙目視覺檢測系統，將所述鋼絲繩牽引吊具系統中的八根鋼絲繩按每兩根分別系于負載的四個角，利用所述兩臺攝像機分別檢測并靠補給過程中補給船和被補給船的相對位置及相對姿態，并將所檢測的圖像信息通過處理器解算兩船的相對六自由度運動，獲得所述負載相對所述基座的六自由度運動控制參數，再通過鋼絲繩牽引吊具系統運動學逆解解算出所述八根鋼絲繩運動的控制參數，即鋼絲繩的速度與位置參數，根據所述鋼絲繩當前速度與位置參數，形成負反饋輸入到鋼絲繩的控制參數中，所述伺服電機根據所述控制參數控制鋼絲繩的轉速與方向，使負載相對基座的六自由度運動與被補給船相對基座的六自由度運動一致，達到六自由度相對運動補償的目的。

吊裝過程中所述鋼絲繩始終處于張緊狀態。

本發明提供的六自由度主動式波浪補償吊裝系統，包括設在補給船起重設備上的基座，所述基座上設有八套伺服系統、檢測系統；每一套伺服系統均包括由控制部分所控制的伺服電機減速裝置和由伺服電機減速裝置驅動的鋼絲繩牽引吊具系統；所述檢測系統包括兩臺攝像機及其圖像數據采集電路。

所述控制部分包括PC機、模擬量輸出數據采集卡、電機驅動器、絕對式編碼器、RS485輸入數據采集卡、模擬量輸入數據采集卡、張力傳感器。

所述鋼絲繩牽引吊具系統包括由伺服電機減速裝置驅動的卷筒、卷繞在卷筒上的鋼絲繩、用于鋼絲繩導向的第一定滑輪、用于鋼絲繩張緊的張緊裝置。

所述張緊裝置包括設在基座上的支架、設在支架上的第二定滑輪、沿支架滑動的滑軌和設在滑軌上的張緊輪和配重。

有益效果

本發明具有如下特點：一是可以實現橫蕩、縱蕩、升沉、橫搖、縱搖、艏搖六自由度位移，速度波浪補償作業；二是可以控制負載六自由度運動；三是可以檢測吊具與被補給船相對六自由度；四是可以檢測吊具與負載的相對六自由度；五是可以在線辨識吊具系統負載的慣性參數，包括質量，重心位置，慣性參數；六是在波浪補償作業中可以抑制負載擺動；七是張緊裝置利用配重可以時刻張緊鋼絲繩，保證鋼絲繩不在卷筒上打滑。

下面結合附圖詳細說明本發明的技術方案。

附圖說明

圖1是本發明六自由度主動式波浪補償吊裝系統的作業示意圖。

圖2是本發明六自由度主動式波浪補償吊裝系統的結構示意圖。

圖3是圖2中A處的局部放大圖。

圖4是本發明六自由度主動式波浪補償吊裝系統的俯視圖。

圖5是本發明方法的工作流程框圖。

圖6是本發明中鋼絲繩長度求解向量示意圖。

圖7是本發明中負載慣性參數辨識過程。

圖8是本發明中一套伺服系統硬件框圖。

圖9是本發明中的張緊裝置示意圖。

圖10是本發明中吊具系統四面體分解示意圖。

具體實施方式

補給船T₁和被補給船T₂兩船并靠補給作業情況如圖1所示，本發明六自由度主動式波浪補償吊裝系統S安裝在補給船T₁的起重機吊臂R上。

六自由度主動式波浪補償吊裝系統S如圖2—4所示，包括設在補給船起重機吊臂上的基座17，所述基座17上設有八套伺服系統和一套檢測系統；每一套伺服系統均包括控制部分、由控制部分控制的伺服電機減速裝置7、由伺服電機減速裝置7驅動的鋼絲繩牽引吊具系統；所述檢測系統包括兩臺攝像機20及其圖像數據采集卡。所述控制部分包括PC機、模擬量輸出數據采集卡、電機驅動器、絕對式編碼器12、RS485輸入數據采集卡、模擬量輸入數據采集卡、張力傳感器16；所述鋼絲繩牽引吊具系統包括由伺服電機減速裝置驅動的卷筒8、卷繞在卷筒8上的鋼絲繩19、用于鋼絲繩19導向的定滑輪14、用于鋼絲繩19張緊的張緊裝置22。所述基座17為框架結構，基座17的中部設有主架板1，八套伺服電機減速裝置7通過安裝板5和支撐板6安裝在主架板1的中間部分，各伺服電機減速裝置7通過聯軸器連接有主軸3，主軸3下端與安裝在主架板1上的帶座軸承2連接，卷筒8安裝在主軸3上，主軸3上設有皮帶輪10；圍繞八套伺服電機減速裝置7在主架板1上通過支架11安裝有與所述伺服電機減速裝置7一一對應的八個絕對式編碼器12，絕對式編碼器12的軸通過聯軸器4連接有副軸9，副軸9與主軸3之間通過皮帶輪10和皮帶連接，副軸9在主軸3的驅動下，帶動編碼器12旋轉，測量鋼絲繩19的位置與速度，用于伺服系統控制反饋；四個張緊裝置22均勻設在在基座17上，八個定滑輪14分別通過支架15安裝在四個張緊裝置22上，與每個定滑輪14對應在基座17上通過支架13安裝有張力傳感器16，每根鋼絲繩19的一端經過定滑輪14、張力傳感器16與卷筒8固定連接；張緊裝置22用于時刻張緊鋼絲繩19，張力傳感器16用于測量鋼絲繩19的張力，通過吊具系統控制鋼絲繩19始終保持繩索張緊；兩個攝像機20通過攝像機支架21安裝在基座17的對角線上；八根鋼絲繩19的另一端與負載18連接，每兩根鋼絲繩19與負載18的一個角連接。

本發明的吊裝方法如圖5所示，采用本發明的六自由度主動式波浪補償吊裝系統。其工作方式是：補給船和被補給船兩船并靠補給過程中，利用兩個攝像機20組成的雙目視覺系統分別檢測兩船相對位置和相對姿態，并將所檢測的圖像信息數據通過數據采集卡輸入到處理器解算兩船的相對六自由度運動，即三軸轉動和三軸平動參數，也是負載18相對基座17六自由度運動控制參數，通過繩牽引吊具系統運動學逆解解算出八根鋼絲繩19運動的控制參數，即鋼絲繩19的速度與位置參數。同時，八個絕對式多圈編碼器12檢測吊裝負載18的八根鋼絲繩19當前速度與位置參數，形成負反饋輸入到鋼絲繩的控制參數中，張力傳感器16檢測鋼絲繩19的張力，保證鋼絲繩19始終處于張緊狀態。處理器把控制參數轉變為電機的驅動信號輸入到電機驅動器當中，電機驅動器根據控制信號來驅動伺服電機7的轉速與方向，控制卷筒8的轉速與方向，從而控制鋼絲繩19的轉速與方向，使負載18相對基座17的六自由度運動與被補給船相對基座17的六自由度運動一致，達到六自由度相對運動補償的目的。

本發明進一步的說明如下：

1)吊具系統位移補償原理

位移補償的目標是在并靠補給過程中保證負載相對于被補給船的位置和姿態不受兩船相對運動的影響。通過安裝在吊具系統上的測量系統，可以得到不同時刻被補給船相對于基座的位置和姿態假設負載相對于基座的位置和姿態和相對于被補給船的期望位置和姿態設定為和那么為了使負載相對于被補給船的位姿不受兩船相對運動的影響，需要利用繩牽引并聯機構實時控制負載相對于基座的位姿，使其在任意時刻都滿足

在這種情況下負載相對被補給船的位姿就是預設的目標值和與兩船的相對運動無關。對于繩牽引并聯機構，負載相對于基座的位姿是通過改變繩索長度來控制的。根據式(1)和(2)可以計算出任一時刻負載相對基座的位姿，結合繩牽引并聯機構的運動學理論，就可以得到該時刻各繩索的目標長度。

本發明中鋼絲繩長度求解向量如圖6所示，P_i和B_i(i＝1,…,m)分別表示第i根繩索與負載和基座的連接點，p_i和b_i表示從負載和基座坐標系的原點指向相應的繩索連接點的矢量，也就是l_i為第i根繩索對應的矢量，e_i為l_i的單位矢量。根據(h)中的幾何關系可知，在坐標系B中

由于和是恒定的，根據式(1)和(2)得到和后，就可以利用式(3)計算從而得到第i根繩索的長度

因此在并靠補給過程中，只要給定負載相對于被補給船的期望位姿，并測量出被補給船相對基座的位姿，就可以根據式(4)計算出位移補償需要的繩索長度。然后實時控制各繩索的收放使其長度與計算值相等，就能夠保證負載與被補給船的相對位姿與預先設定的期望值一致，與兩船的相對運動無關。

2)吊具系統速度補償原理

對式(1)兩邊求導可得

根據剛體運動學理論，方向余弦矩陣的求導公式為

其中為的斜對稱矩陣。假設ω＝[ω_x ω_y ω_z]^T，那么

斜對稱矩陣具有如下性質：

[ω×]υ＝ω×υ (8)

其中ω和υ表示任意兩個矢量。

一個坐標系相對于另一個坐標系的角速度可以根據兩坐標系間的歐拉角及其導數計算出來，也就是

其中

將式(6)和(9)代入式(5)，可以得到負載與基座相對速度的計算公式

可以看出，負載相對于被補給船的速度與負載相對于基座的速度、負載相對于被補給船的位置以及被補給船相對于基座的速度、歐拉角及其導數有關。

繩牽引并聯機構負載相對基座的角速度計算公式為

可以看出，負載相對于被補給船的角速度與負載相對于基座的角速度以及被補給船相對于基座的姿態和角速度有關。因此，為了保證負載與被補給船的相對速度為預先設定的值而不受兩船相對運動的影響，負載與基座之間的運動旋量必須要滿足式(11)和(12)。

對式(4)兩邊平方然后求導可得

將式(3)代入式(13)并化簡得

與式(6)類似，方向余弦矩陣的求導公式還有另外一種形式

將式(15)代入式(14)可以得到

根據向量混合積的性質有

那么式(16)可以重新寫為

定義l＝[l₁ l₂ … l_m]^T為繩索長度矢量，將所有繩索對應的式(18)綜合到一起可得

式中

稱為繩牽引并聯機構的雅可比矩陣，是在坐標系B中表示的，只與繩牽引并聯機構的幾何參數和負載相對于基座的位姿有關，與基座在慣性坐標系中的位姿無關。

控制繩牽引并聯機構各繩索的收放速度，使其在任意時刻都滿足式(19)，那么負載相對于被補給船的運動速度就等于預先設定值而與兩船相對運動無關，這就是速度補償原理。

3)吊具系統擺動抑制原理

當繩索數目大于或等于負載的自由度數時，繩牽引并聯機構是運動學確定的。對于這類機構，只要繩索長度不發生變化，且機構不產生奇異，負載的位姿就是確定的。因此在并靠補給過程中，如果所有繩索都保持張緊，負載一定不會產生擺動，也就是說采用運動學確定機構可以完全避免負載擺動。如果負載產生了擺動，則必定有繩索發生松弛。本發明繩索數目為8，負載自由度數目為6，吊具系統為運動學確定機構，可以抑制負載的擺動。

4)吊具系統負載慣性參數辨識

慣性參數辨識的流程如圖7所示。首先設計合理的激勵路徑。在參數辨識的過程中，激勵路徑的選取對辨識精度的影響很大，不同類型的參數需要不同的激勵路徑。本發明要辨識的是慣性參數，激勵路徑要選擇高動態運動，以突出慣性現象。在實際工作過程中，每件負載的補給都包括起升和下放兩個階段，其中只有下放階段需要進行波浪補償和精確控制，因此可以在起升階段使負載沿設定的激勵路徑運動，并完成參數辨識。

5)伺服系統的硬件設計

如圖8所示，為一套伺服系統的硬件設計框圖。其中PCI-1710為輸入模擬信號采集卡，PCI-1622C為RS485信號采集卡，PCI-1723為模擬信號輸出卡，三種采集卡接口都為PCI，與PC機的主板PCI接口連接。張力傳感器檢測到鋼絲繩張力，輸出模擬電壓信號，模擬電壓信號經過ADAM3968接線端子輸入為PCI-1710采集卡中，采集卡經A/D轉換，把信號輸入到PC機中。絕對編碼器檢測鋼絲繩位置(長度)，輸出RS485信號，經過RS485接口，信號傳入到PCI-1622C數據采集卡，最后輸入到PC機中。PCI-1723模擬信號輸出卡把PC機要輸出的信號經過D/A轉換后，經ADAM3968接線端子，把信號輸出到電機驅動器上，電機驅動器再把信號傳輸給電機，驅動電機旋轉。電機驅動器可以通過給電機輸入不同信號，對電機進行位置控制、扭矩控制和速度控制，安裝在伺服電機上的編碼器通過RS485信號給驅動器速度/位置反饋。

6)張緊裝置原理

如圖9所示，所述張緊裝置22由設在基座上的支架2201、設在支架2201上的定滑輪2203、沿支架2201滑動的滑軌2204和設在滑軌2204上的張緊輪2203和配重3305組成。

在沒有向上的拉力時，滑軌在配重自重的拉力下，可按照箭頭所示方向移動。工作時，鋼絲繩按照如圖所示纏繞在定滑輪上，在鋼絲繩拉緊時，滑軌受向上的力，滑軌靜止，當鋼絲繩松弛時，配重的拉力大于鋼絲繩作用在滑軌上的力，滑軌向下運動，同時拉緊鋼絲繩。此裝置的作用是時刻保持鋼絲繩張緊，使鋼絲繩不在卷筒上打滑。

7)基座與負載相對六自由度運動檢測

基座與負載相對六自由度運動檢測如圖10所示。把吊具系統的負載四個頂點P₁—P₄作為四面體的頂點，把八根繩索劃分為四個四面體，基座平面作為各個四面體的基，連接在負載同一個頂點的兩條繩索與引入的原點到頂點的距離參數作為四面體的空間線，如圖10(a)、(b)所示。定義四面體坐標系為X,Y,Z，Z＝X×Y。第一個四面體包括三個向量(P₁,B₁,B₂,O_B)，其中，O_B為基座中心點，P₁為到負載與鋼絲繩連接點，為四面體頂點，B_i(i＝1,2)為定滑輪與鋼絲繩接觸點，如圖10(c)所示。其中λ₁為引入的未知量，λ₁＝||P₁||。則有

P₁＝λ₁ (21)

λ₁＝λ₁₁X+λ₁₂Y-λ₁₃Z (22)

Where，

第二個四面體包括三個向量(P₂,B₃,B₄,O_B)，其中，P₂為到負載與鋼絲繩連接點，為四面體頂點，B_i(i＝3,4)為定滑輪與鋼絲繩接觸點，如圖10(d)所示。其中λ₂為引入的未知量，λ₂＝||P₂||。則有

P₂＝λ₂ (23)

λ₂＝λ₂₁Y-λ₂₂X-λ₂₃Z (24)

Where，

第三個四面體包括三個向量(P₃,B₅,B₆,O_B)，其中，P₃為到負載與鋼絲繩連接點，為四面體頂點，B_i(i＝5,6)為定滑輪與鋼絲繩接觸點，如圖10(e)所示。其中λ₃為引入的未知量，λ₃＝||P₃||。則有

P₃＝λ₃ (25)

λ₃＝-λ₃₁X-λ₃₂Y-λ₃₃Z (26)

Where，

第四個四面體包括三個向量(P₄,B₇,B₈,O_B)，其中，P₄為到負載與鋼絲繩連接點，為四面體頂點，B_i(i＝7,8)為定滑輪與鋼絲繩接觸點，如圖10(f)所示。其中λ₄為引入的未知量，λ₄＝||P₄||。則有

P₄＝λ₄ (27)

λ₄＝-λ₄₁Y+λ₄₂X-λ₄₃Z (28)

Where，

約束方程為

即

f_i為非線性最小二乘問題，可采用列寧伯格-馬奎爾特方法求解出λ_i(i＝1,2,3,4)。負載相對基座位置為

方向向量為R＝[u,v,w]為

其中

其中，A＝180/π。