具有多自由度主动波浪补偿功能的吊机装置及补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于海洋船舶领域，具体是船舶平台上用以安装吊机的装置。
【背景技术】
[0002] 船舶平台上的吊机用于海上补给，由于风浪的影响，海上补给的船舶会随着海浪 进行无规律的摇摆，严重影响了海上补给效率。因此，必须对海上补给装置进行波浪补偿， 以提高海上补给的工作效率。波浪补偿分为主动补偿和被动补偿两种，被动补偿系统由随 动装置和执行器组成，这种补给系统的参数一般是通过经验设定的，一经确定，在补给作业 中就无法随外部状态变化而变化，难以适应复杂多变的环境，影响补给作业的安全高效性。 主动补偿系统主要由传感器、控制器和执行器组成，其中核心部分为控制器。控制器根据传 感器检测到的船舶平台相对运动信号，产生与之大小相同且方向相反的驱动信号，从而控 制执行器实现实时补偿，在现有的主动波浪补偿装置中，波浪补偿平台承重能力小，稳定性 差，对船舶升沉的补偿范围小，无法满足实际需要;且现有的通用主动升沉补偿吊机只能补 偿船体的升沉，无法实现对船体横摇和纵摇的补偿。
【发明内容】
[0003] 本发明针对现有技术存在的问题，提出一种具有多自由度主动波浪补偿功能的吊 机装置及补偿方法，能够在对船舶的横摇、纵摇和升沉进行大范围补偿，同时使吊机平稳的 执行吊装任务 本发明具有多自由度主动波浪补偿功能的吊机装置采用的技术方案是:最下方是固定 在船舶的甲板上的圆形静平台，圆形静平台的正上方是圆形动平台，圆形动平台固定连接 吊机，圆形静平台和圆形动平台之间连接六个伺服缸，每个伺服缸上端通过一个第一十字 万向节连接圆形动平台、下端通过一个第二十字万向节连接圆形静平台，圆形静平台正中 间位置装有姿态传感器;每个伺服缸上装有一个线位移传感器，姿态传感器输出端通过信 号线连接运动控制器，六个伺服缸中的每个伺服缸各连接一个对应的电液伺服阀，电液伺 服阀依次串接功率放大器、D/A模块后连接运动控制器，六个所述线位移传感器中的每个线 位移传感器各经一个A/D模块后连接运动控制器。
[0004] 进一步地，六个伺服缸与圆形动平台的上连接点為位于半径为Rl的圆周上，六个 伺服缸与圆形静平台的下连接点為位于半径为R2的圆周上，R2>R1，i=l，2,3,4,5,6,半径为 Rl圆周中心是圆形动平台的中心，半径为R2的圆周中心是圆形静平台的中心。
[0005] 本发明具有多自由度主动波浪补偿功能的吊机装置的补偿方法采用的技术方案 是包含以下步骤： A、姿态传感器将测得的船舶由风浪引发的横摇、纵摇和升沉值传输给运动控制器，运动控 制器先求出六个伺服缸的运动值t ^ 4、4、，再求出与运动值:?: 相反的波浪补偿值； B、将波浪补偿值经过D/A模块转换后变成模拟信号，模拟信号经功率放大器放大后传 输给对应的六个电液伺服阀，六个电液伺服阀根据波浪补偿值的模拟信号输出相应的流量 和压力分别控制对应的六个伺服缸伸缩和摇摆，补偿船舶的横摇、纵摇和升沉。
[0006] 进一步地，六个线位移传感器将测量出的对应的六个伺服缸的位移值 f f C G '反馈给运动控制器，运动控制器先求出六个运动控制偏差： Srrorl = I1 -13" ^^rar2 = I2 -= ^>0TWs = errors ，再根据这六个运动控制偏差分别对对应的六个伺服缸进行闭环控制。
[0007] 本发明具有多自由度主动波浪补偿功能的吊机装置在海上执行吊装货物任务时， 通过姿态传感器测量船舶的横摇、纵摇和和升沉的运动参数并实时传输给运动控制器，运 动控制器计算出横摇、纵摇及升沉的补偿值，将算出的波浪补偿值传输给电液伺服阀，电液 伺服阀控制6个伺服缸的运动，实现对船舶横摇、纵摇和升沉的实时补偿，使吊机平稳有效 的执行吊装货物的任务。本发明吊机装置能够大范围地补偿船舶的横摇、纵摇和升沉运动， 具有补偿范围广、可靠性高、功能多等特点。
【附图说明】
[0008] 图1为本发明具有多自由度主动波浪补偿功能的吊机装置的三维结构示意图； 图2为图1中下方稳定平台的几何结构简图； 图3为图2中圆形动平台6的俯视放大图； 图4为图2中圆形静平台1的俯视放大图； 图5为本发明所述吊机装置的波浪补偿控制框图。
[0009] 图中：1.圆形静平台；2.十字万向节;3-1.第一伺服缸;3-2.第二伺服缸;3-3.第 三伺服缸;3-4.第四伺服缸;3-5.第五伺服缸;3-6.第六伺服缸;4-1.线位移传感器;4-2.线 位移传感器;4-3.线位移传感器;4-4.线位移传感器;4-5 .线位移传感器;4-6.线位移传感 器;5.十字万向节；6.圆形动平台；7.立柱；8.吊臂；9.液压马达；10.支撑伺服缸；11.钢丝 绳；12.姿态传感器。
【具体实施方式】
[0010] 参见图1所示，本发明具有多自由度主动波浪补偿功能的吊机装置包含下方的稳 定平台和上方的通用吊机两部分。其中，稳定平台最下方是圆形静平台1，圆形静平台1通过 螺栓固定在船舶的甲板上；圆形静平台1的正上方是圆形动平台6,圆形动平台6固定连接吊 机。圆形静平台1和圆形动平台6相互平行，且圆形静平台1和圆形动平台6的中心轴共线。在 圆形静平台1和圆形动平台6之间连接六个伺服缸。每个伺服缸的上端通过一个十字万向节 5连接圆形动平台6,每个伺服缸的下端通过一个十字万向节2连接圆形静平台1。在圆形静 平台1的正中间位置安装姿态传感器12,检测圆形静平台1的位姿。
[0011]吊机的下方是立柱7,圆形动平台6与立柱7通过螺栓连接且使圆形动平台6与立柱 7两者同轴心。吊机的上方是吊臂8,吊臂8的旋转端通过销轴与吊机立柱7的上端连接在一 起，在吊臂8的旋转端处安装液压马达9,液压马达9连接钢丝绳11 一端，钢丝绳11另一端向 吊臂8的自由端延伸并跨过吊臂8的自由端后向下连接重物。在立柱7中间段和吊臂8的中间 段之间连接支撑伺服缸10,通过支撑伺服缸10的伸缩调整立柱7与吊臂8之间相对角度。 [0012]六个伺服缸分别是第一伺服缸3-1、第二伺服缸3-2、第三伺服缸3-3、第四伺服缸 3-4、第五伺服缸3-5和第六伺服缸3-6。在每个伺服缸上安装一个线位移传感器，6个伺服缸 上的对应的线位移传感器分别是线位移传感器4-1、线位移传感器4-2、线位移传感器4-3、 线位移传感器4-4、线位移传感器4-5和线位移传感器4-6。
[0013] 姿态传感器12选用SMC的頂U-108传感器；伺服缸选用HSGK(U-80/dE双向伺服缸； 液压马达9选用CM-E306ALPS双向液压马达;线位移传感器选用的型号是LWH-0450;十字万 向节2和十字万向节5都选用Φ 15*40万向节。
[0014] 参见图2所示的稳定平台的几何结构简图，6个伺服缸和圆形静平台1、圆形动平台 6安装时，建立以圆形动平台6中心为原点的坐标系0STIZ和以圆形静平台1中心为原点 g的坐标系Z轴和夂轴垂直于圆形静平台1和圆形动平台6，JT轴与圆形动平台 6的一条直径重合，JT轴与圆形静平台1的一条直径重合，f轴和JT轴相互平行位于同一 垂直面内。六个伺服缸与圆形动平台6的上连接点= 為)位于半径为Rl的圆周上， 六个伺服缸与圆形静平台1的下连接点成(i = 1.? -J)位于半径为R2的圆周上，并且R2>R1， 半径为Rl和R2的圆周的中心就是圆形动平台6的中心（原点)。上连接点為与下连接点為 间的初始垂直距离为fc:。
[0015] 参见图3,在以圆形动平台6中心为原点办的坐标系amr中，连接线Oii1与尤轴 夹角为IF t，:r ? ? 12'，连接线叫与_关于丨轴对称，连接线叫与1轴夹角为 3?*〃-啊，连接线与连接线之间的夹角为2%。连接线OC和连接线QO分别为 Z4〇為和的角平分线，连接线欲和连接线_之间的夹角为I20*:;与关 于JT轴对称，O^5与€%关于1'轴对称。
[0016] 参见图4，在以圆形静平台1中心为原点#'的坐标系o'iirY中，连接线0?与# 轴夹角为^，矿:，且连接线:0?与连接线0?关于轴对称，连接线(61?与^ 1 轴夹角为輝-_，连接线0)1?!与连接线0?之间的夹角为21$，连接线和连接线 分别为.zsiO'g和的角平分线，且连接线五和连接线之间的夹角为； 连接线蠢与连接线继关于￥轴对称，连接线蠢与连接线麵:关于￥轴对称。
[0017] 第一伺服缸3-1的上下端分别通过连接点4和连接点為分别与圆形动平台6和圆 形静平台1相连，第二伺服缸3-2的上下端分别通过连接点4和馬与圆形动平台6和圆形静 平台1相连，第三伺服缸3-3的上下端分别通过连接点4:和馬与圆形动平台6和圆形静平台 1相连，第四伺服缸3-4的上下端分别通过