本發(fā)明屬于海洋工程領(lǐng)域，涉及一種主動(dòng)波浪補(bǔ)償模擬裝置及方法，特別是一種基于海上浮吊作業(yè)要求的主動(dòng)波浪補(bǔ)償模擬方法及裝置。

背景技術(shù)：

在最近的幾十年里，海洋工業(yè)已經(jīng)被看成一個(gè)增長(zhǎng)的興趣點(diǎn)，開發(fā)新技術(shù)和相關(guān)的海洋裝備去完成持續(xù)增長(zhǎng)的海洋工業(yè)的需求。目前，近海裝備的操作具有高度不確定性，會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生，在這種如此具有挑戰(zhàn)性的操作環(huán)境情況下，海上浮吊將在運(yùn)用到運(yùn)輸和吊裝作業(yè)中起到一個(gè)重要的作用。

在洶涌的海洋環(huán)境中，海上浮吊的操作會(huì)存在許多問題，比如搖擺、精確定位、避免碰撞和操作安全。在大多數(shù)情況下，操作者需要去處理大量的關(guān)于桿桿和按鈕去操作吊車的各個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)考慮到工作效率和安全性時(shí)，這種僅僅依靠操作員的豐富經(jīng)驗(yàn)和高水平技術(shù)的控制將很難管理。尤其，當(dāng)在極端的海洋環(huán)境下，一個(gè)大浪發(fā)生，這種不可靠控制將不可能手動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，大量的資金投入在訓(xùn)練操作員身上，這將產(chǎn)生很大的浪費(fèi)，因?yàn)樵谡嬲龕毫拥沫h(huán)境下無法訓(xùn)練，且測(cè)試新的控制方法在真實(shí)的環(huán)境中是非常困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一個(gè)目的是針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)存在的問題，提出了一種基于海上浮吊作業(yè)要求的主動(dòng)波浪補(bǔ)償模擬方法，該方法具有能夠模擬海上惡劣環(huán)境，用于測(cè)試不同的控制方法和訓(xùn)練，從而來降低實(shí)際海上浮吊作業(yè)要求風(fēng)險(xiǎn)度。

本發(fā)明的第一個(gè)目的可通過下列技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于海上浮吊作業(yè)要求的主動(dòng)波浪補(bǔ)償模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：

s1造波：隨機(jī)正弦信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用于重現(xiàn)波，形成運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的輸入信號(hào),信號(hào)的產(chǎn)生：

式中，ah為隨機(jī)深沉振幅[0,150]mm均勻分布，aφ為隨機(jī)橫搖振幅[0,100]mm均勻分布，aθ為隨機(jī)縱搖振幅[0,100]mm的均勻分布，f為隨機(jī)頻率變量[0,0.1]hz均勻分布，ω為隨機(jī)相位變量[-π,π]；

s2深沉運(yùn)動(dòng)、橫搖運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)：利用安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的加速度傳感器來監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的橫搖運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)，通過arduino開發(fā)板采集運(yùn)動(dòng)的原始數(shù)據(jù)，將來自擾動(dòng)橫搖角運(yùn)動(dòng)φ和縱搖角運(yùn)動(dòng)θ的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，并進(jìn)行信號(hào)采集；深沉運(yùn)動(dòng)直接通過讀取運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際角度來獲取位移，通過應(yīng)用正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采集數(shù)據(jù)；

s3輸入設(shè)備：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的操縱桿作為一個(gè)通用的輸入設(shè)備，操縱桿的每個(gè)自由度擁有一個(gè)平移軸，控制機(jī)械手的工作空間，當(dāng)操作者的手離開機(jī)械手，機(jī)械手自動(dòng)的恢復(fù)到末端器保持的最后位置的點(diǎn)，機(jī)械手的信號(hào)i，比例縮放因子k，通過udp協(xié)議采集數(shù)據(jù)；

s4服務(wù)器控制線程：末端執(zhí)行器的位置xc，可以通過如下變換矩陣獲得tc：

tc＝tztθtφta，

式中，tz為深沉變換矩陣，tθ為縱傾變換矩陣，tφ為橫傾變換矩陣，ta為機(jī)械手變換矩陣，在每一個(gè)控制迭代中，末端執(zhí)行器：

xsnew＝xsold+ki

式中，xsnew為新的設(shè)定值，xsold為來自之前控制迭代的設(shè)定值，初始設(shè)定值由操作員設(shè)定，計(jì)算出xsnew和xc差值，配置相應(yīng)的采樣點(diǎn)；

s5驅(qū)動(dòng)線程：讀取機(jī)械手的實(shí)際聯(lián)合配置θa，把動(dòng)作值傳輸?shù)椒?wù)器。

本發(fā)明的第二個(gè)目的是針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)存在問題，提出了一種基于海上浮吊作業(yè)要求的主動(dòng)波浪補(bǔ)償模擬裝置，該基于海上浮吊作業(yè)要求的主動(dòng)波浪補(bǔ)償模擬裝置具有能夠模擬海上浮吊作業(yè)的特點(diǎn)。

本發(fā)明的第二個(gè)目的可通過下列技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于海上浮吊作業(yè)要求的主動(dòng)波浪補(bǔ)償模擬裝置，包括基座，其特征在于，所述的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)置在基座上，所述的機(jī)械手設(shè)置在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上；所述的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括上平臺(tái)、電機(jī)一、電機(jī)二和電機(jī)三，所述的電機(jī)一、電機(jī)二和電機(jī)三固定在基座上，所述的電機(jī)一、電機(jī)二和電機(jī)三輸出軸的軸心交于一點(diǎn)，且電機(jī)一、電機(jī)二和電機(jī)三兩兩之間的間距相等，電機(jī)一、電機(jī)二和電機(jī)三輸出軸上分別鉸接有支架一、支架二和支架三，所述的支架一、支架二和支架上分別設(shè)置有萬向節(jié)一、萬向節(jié)二和萬向節(jié)三，所述的萬向節(jié)一、萬向節(jié)二和萬向節(jié)三的另一端均設(shè)置在上平臺(tái)上；所述的機(jī)械手固定在上平臺(tái)上。

萬向節(jié)一、萬向節(jié)二和萬向節(jié)三的旋轉(zhuǎn)角控制在125度，相當(dāng)于萬向節(jié)垂直向上，相應(yīng)的平臺(tái)角度去執(zhí)行最大的高度，任何萬向節(jié)角度更高的位移將使得平臺(tái)相應(yīng)的角度再次下降。

在上述基于海上浮吊作業(yè)要求的主動(dòng)波浪補(bǔ)償模擬裝置中，所述的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)先設(shè)定深沉運(yùn)動(dòng)位移h：

式中，a1為下臂，a2為上臂，α1為連接角度；

所述橫搖運(yùn)動(dòng)中h2和h3的高度計(jì)算公式：

δ(h2,h3)＝sin(φ)l，

式中，l為頂部三角形的長(zhǎng)度，ф為橫搖角，得出：

所述縱搖運(yùn)動(dòng)中h2和h3的高度的計(jì)算公式如下：

h2＝h3＝-sin(θ)m1，

式中，θ為縱搖角，h1的計(jì)算公式如下：

h1＝sin(θ)m2，

縱搖角θ的計(jì)算公式如下：

在上述基于海上浮吊作業(yè)要求的主動(dòng)波浪補(bǔ)償模擬裝置中，所述的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由plc所控制，電機(jī)一、電機(jī)二和電機(jī)三的運(yùn)轉(zhuǎn)由逆變器進(jìn)行控制。

電機(jī)一、電機(jī)二和電機(jī)三的控制在界面上操作完成，尤其，使用了可編程電源板，避免花費(fèi)昂貴的h橋電路，其中，可編程電源板可以通過來自plc的profibus進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)由逆變器進(jìn)行控制。

在上述基于海上浮吊作業(yè)要求的主動(dòng)波浪補(bǔ)償模擬裝置中，所述的機(jī)械手采用能夠?qū)崿F(xiàn)六個(gè)自由度轉(zhuǎn)動(dòng)的庫(kù)卡6r90sixx機(jī)械手。

在上述基于海上浮吊作業(yè)要求的主動(dòng)波浪補(bǔ)償模擬裝置中，所述的機(jī)械手關(guān)節(jié)參數(shù)θi

式中，為來自結(jié)構(gòu)的普通其次變化矩陣。

在上述基于海上浮吊作業(yè)要求的主動(dòng)波浪補(bǔ)償模擬裝置中，所述的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械手上分別設(shè)置有獨(dú)立的平臺(tái)控制模塊和機(jī)械手控制模塊。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本基于海上浮吊作業(yè)要求的主動(dòng)波浪補(bǔ)償模擬方法及裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

利用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)來模擬波浪運(yùn)動(dòng)，使用者通過操縱桿控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，波浪運(yùn)動(dòng)通過一個(gè)安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的加速度傳感器監(jiān)測(cè)出來，這個(gè)數(shù)據(jù)被用于機(jī)械手的負(fù)反饋控制的控制算法，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)波浪補(bǔ)償。建立在開放代碼的軟硬件環(huán)境中，控制軟件的實(shí)現(xiàn)是通過應(yīng)用嚴(yán)格的多線程的標(biāo)準(zhǔn)，為了滿足實(shí)時(shí)的需求，相關(guān)的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果被拿出來去驗(yàn)證關(guān)于當(dāng)前結(jié)構(gòu)的效率。特別的是，它能夠被用來驗(yàn)證這個(gè)方法考慮到有效地降低風(fēng)險(xiǎn)，來自個(gè)體和綜合評(píng)價(jià)的潛在的海上作業(yè)危險(xiǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)示意圖。

圖中，1、基座；2、上平臺(tái)；3、電機(jī)一；4、電機(jī)二；5、電機(jī)三；6、支架一；7、支架二；8、支架三；9、萬向節(jié)一；10、萬向節(jié)二；11、萬向節(jié)三；12、機(jī)械手。

具體實(shí)施方式

以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。

如圖1所示，一種基于海上浮吊作業(yè)要求的主動(dòng)波浪補(bǔ)償模擬方法，包括以下步驟：

s1造波：隨機(jī)正弦信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用于重現(xiàn)波，形成運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的輸入信號(hào),信號(hào)的產(chǎn)生：

式中，ah為隨機(jī)深沉振幅[0,150]mm均勻分布，aφ為隨機(jī)橫搖振幅[0,100]mm均勻分布，aθ為隨機(jī)縱搖振幅[0,100]mm的均勻分布，f為隨機(jī)頻率變量[0,0.1]hz均勻分布，ω為隨機(jī)相位變量[-π,π]；

s2深沉運(yùn)動(dòng)、橫搖運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)：利用安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的加速度傳感器來監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的橫搖運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)，通過arduino開發(fā)板采集運(yùn)動(dòng)的原始數(shù)據(jù)，arduino是一個(gè)開放源的電子產(chǎn)品原型平臺(tái)，軟件方面，arduino提供了許多函數(shù)庫(kù)使得微控制器編程變得更簡(jiǎn)單。選擇了使用arduino開發(fā)板使得當(dāng)前的框架很容易維護(hù)，預(yù)留了以后加入新的特征的可能性；將來自擾動(dòng)橫搖角運(yùn)動(dòng)φ和縱搖角運(yùn)動(dòng)θ的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，并進(jìn)行信號(hào)采集；深沉運(yùn)動(dòng)直接通過讀取運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際角度來獲取位移，通過應(yīng)用正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采集數(shù)據(jù)；

s3輸入設(shè)備：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的操縱桿作為一個(gè)通用的輸入設(shè)備，操縱桿的每個(gè)自由度擁有一個(gè)平移軸，控制機(jī)械手12的工作空間，當(dāng)操作者的手離開機(jī)械手12，機(jī)械手12自動(dòng)的恢復(fù)到末端器保持的最后位置的點(diǎn)，機(jī)械手12的信號(hào)i，比例縮放因子k，通過udp協(xié)議采集數(shù)據(jù)；

s4服務(wù)器控制線程：末端執(zhí)行器的位置xc，可以通過如下變換矩陣獲得tc：

tc＝tztθtφta，

式中，tz為深沉變換矩陣，tθ為縱傾變換矩陣，tφ為橫傾變換矩陣，ta為機(jī)械手12變換矩陣，在每一個(gè)控制迭代中，末端執(zhí)行器：

xsnew＝xsold+ki

式中，xsnew為新的設(shè)定值，xsold為來自之前控制迭代的設(shè)定值，初始設(shè)定值由操作員設(shè)定，計(jì)算出xsnew和xc差值，配置相應(yīng)的采樣點(diǎn)，為了確保機(jī)械手12平滑的運(yùn)動(dòng)，有必要從這些現(xiàn)有的采樣點(diǎn)中生成軌跡，來設(shè)計(jì)出高性能的跟蹤控制器，確保沒有運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的限制被超出，以至于會(huì)跟隨指定的路徑運(yùn)行而不會(huì)漂移；

s5驅(qū)動(dòng)線程：讀取機(jī)械手12的實(shí)際聯(lián)合配置θa，把動(dòng)作值傳輸?shù)椒?wù)器。

基于海上浮吊作業(yè)要求的主動(dòng)波浪補(bǔ)償模擬裝置，包括基座1，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)置在基座1上，機(jī)械手12設(shè)置在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括上平臺(tái)2、電機(jī)一3、電機(jī)二4和電機(jī)三5，所述的電機(jī)一3、電機(jī)二4和電機(jī)三5固定在基座1上，電機(jī)一3、電機(jī)二4和電機(jī)三5輸出軸的軸心交于一點(diǎn)，且電機(jī)一3、電機(jī)二4和電機(jī)三5兩兩之間的間距相等，電機(jī)一3、電機(jī)二4和電機(jī)三5輸出軸上分別鉸接有支架一6、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上分別設(shè)置有萬向節(jié)一9、萬向節(jié)二10和萬向節(jié)三11，萬向節(jié)一9、萬向節(jié)二10和萬向節(jié)三11的另一端均設(shè)置在上平臺(tái)2上；機(jī)械手12固定在上平臺(tái)2上。

電機(jī)一3、電機(jī)二4和電機(jī)三5分別通過支架一6、支架二7和支架分貝使萬向節(jié)一9、萬向節(jié)二10和萬向節(jié)三11帶動(dòng)上平臺(tái)2進(jìn)行三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。深沉運(yùn)動(dòng)需要三個(gè)電機(jī)同時(shí)調(diào)節(jié)，而且橫搖運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)只需要其中任意兩個(gè)電機(jī)同時(shí)運(yùn)動(dòng)即可完成，且基座1和上平臺(tái)2都是正三角結(jié)構(gòu)，靜止時(shí)具有絕對(duì)的穩(wěn)定性。

萬向節(jié)一9、萬向節(jié)二10和萬向節(jié)三11的旋轉(zhuǎn)角控制在125度，相當(dāng)于萬向節(jié)垂直向上，相應(yīng)的平臺(tái)角度去執(zhí)行最大的高度，任何萬向節(jié)角度更高的位移將使得平臺(tái)相應(yīng)的角度再次下降。

如圖3所示，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)先設(shè)定深沉運(yùn)動(dòng)位移h：

式中，a1為下臂，a2為上臂，α1為連接角度；

橫搖運(yùn)動(dòng)中h2和h3的高度計(jì)算公式：

δ(h2,h3)＝sin(φ)l，

式中，l為頂部三角形的長(zhǎng)度，ф為橫搖角，得出：

縱搖運(yùn)動(dòng)中h2和h3的高度的計(jì)算公式如下：

h2＝h3＝-sin(θ)m1，

式中，θ為縱搖角，h1的計(jì)算公式如下：

h1＝sin(θ)m2，

縱搖角θ的計(jì)算公式如下：

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由plc所控制，電機(jī)一3、電機(jī)二4和電機(jī)三5的運(yùn)轉(zhuǎn)由逆變器進(jìn)行控制。

電機(jī)一3、電機(jī)二4和電機(jī)三5的控制在界面上操作完成，尤其，使用了可編程電源板，避免花費(fèi)昂貴的h橋電路，其中，可編程電源板可以通過來自plc的profibus進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)由逆變器進(jìn)行控制。

機(jī)械手12采用能夠?qū)崿F(xiàn)六個(gè)自由度轉(zhuǎn)動(dòng)的庫(kù)卡6r90sixx機(jī)械手12。機(jī)械手12關(guān)節(jié)參數(shù)θi

式中，為來自結(jié)構(gòu)的普通其次變化矩陣。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械手12上分別設(shè)置有獨(dú)立的平臺(tái)控制模塊和機(jī)械手12控制模塊。

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)被用于模擬波浪運(yùn)動(dòng)，使用者通過操縱桿控制機(jī)械手12的運(yùn)動(dòng)，波浪運(yùn)動(dòng)通過一個(gè)安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的加速度傳感器監(jiān)測(cè)出來，這個(gè)數(shù)據(jù)被用于機(jī)械手12的負(fù)反饋控制的控制算法，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)波浪補(bǔ)償。建立在開放代碼的軟硬件環(huán)境中，控制軟件的實(shí)現(xiàn)是通過應(yīng)用嚴(yán)格的多線程的標(biāo)準(zhǔn)，為了滿足實(shí)時(shí)的需求，相關(guān)的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果被拿出來去驗(yàn)證關(guān)于當(dāng)前結(jié)構(gòu)的效率。特別的是，它能夠被用來驗(yàn)證這個(gè)方法考慮到有效地降低風(fēng)險(xiǎn)，來自個(gè)體和綜合評(píng)價(jià)的潛在的海上作業(yè)危險(xiǎn)。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。

盡管本文較多地使用了1、基座；2、上平臺(tái)；3、電機(jī)一；4、電機(jī)二；5、電機(jī)三；6、支架一；7、支架二；8、支架三；9、萬向節(jié)一；10、萬向節(jié)二；11、萬向節(jié)三；12、機(jī)械手等術(shù)語，但并不排除使用其它術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。