本發(fā)明涉及一種人員棧橋主動波浪補償裝置及方法，尤其涉及一種應(yīng)用于海上兩個浮體之間人員和物資交流棧橋的主動波浪補償裝置及方法。

背景技術(shù)：

在海上經(jīng)常需要人員在兩個浮體之間或固定物與浮體之間進行交流，比如引水員需要進入服務(wù)船只引航、艦船臨時?？坎灰?guī)則岸邊進行補給、艦船與大型浮體進行人員補充替換，等等。為此，需要在二者之間架設(shè)小型臨時棧橋供人員通行。而由于海上不免有海浪，有時甚至是大浪，由此而導(dǎo)致棧橋起伏顛簸，人員物資移動不便，甚至導(dǎo)致危險發(fā)生。如果能夠跟隨海浪的起伏，主動調(diào)整棧橋橋身的相對姿態(tài)，就能最大限度減少橋身因波浪而導(dǎo)致的起伏顛簸，進而提高人員物資通行效率，減少可能的人員傷害。

目前，關(guān)于波浪補償?shù)难芯颗c開發(fā)已經(jīng)非常深入，但是都集中在吊裝過程中波浪升沉補償方面。

比如中國專利號2012102199684所載專利公開的“主動升沉波浪補償控制系統(tǒng)和控制方法”，采用波浪頻譜分析加上波浪升沉趨勢預(yù)測算法，在引入卡爾曼濾波的情況下，取得了很好的補償效果。

又比如中國專利號2014102404279所載專利公開了一種“基于波浪趨勢判斷的主動式波浪補償控制系統(tǒng)及方法”，通過同時采集浮體升沉和海面波浪運動波形，在趨勢預(yù)測與判斷的基礎(chǔ)上判定吊裝負載如水時機，取得了很好的實際效果。

在人行的棧橋主動波浪補償方面，尚未見有關(guān)專利。中國專利申請?zhí)?01610270241.7所載專利公開了“一種波浪補償智能登乘裝置”，利用油缸及配套儲能裝置，實現(xiàn)了登乘裝置的被動波浪補償。

對于浮體與固定岸之間、浮體與半固定平臺(如海上鉆井平臺)之間以及兩個浮體之間架設(shè)的人行棧橋的主動波浪補償，國內(nèi)專利文獻比較少見。

本發(fā)明正是為了實現(xiàn)海上高效安全人員通行棧橋該需求而產(chǎn)生的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種可以進行主動波浪補償?shù)娜藛T通行棧橋主動波浪補償裝置及方法，以提高海上浮體之間人員通行的效率和安全性。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種人行棧橋主動波浪補償裝置，其特征在于：包括升降基座，承載臺一端可旋轉(zhuǎn)地設(shè)于升降基座上，承載臺另一端懸空；伸縮支撐桿的一端固定于升降基座上，伸縮支撐桿的另一端固定于承載臺底面；MRU傳感器垂直固定于升降基座上；測距傳感器設(shè)于承載臺懸空的最遠段底面，并將距離探測方向設(shè)為向下的方向；

升降基座上還設(shè)有用于根據(jù)MRU傳感器和測距傳感器所測參數(shù)，控制伸縮支撐桿及升降基座動作的控制器。

優(yōu)選地，所述基座由底盤和升降柱兩部分構(gòu)成，升降柱垂直固定于底盤上。

更優(yōu)選地，所述承載臺一端通過軸掛接在所述升降柱上；所述伸縮支撐桿的一端固定于所述底盤上。

優(yōu)選地，所述控制器由微控制單元MCU、操作按鍵、控制接口三部分構(gòu)成，微控制單元MCU連接操作按鍵和控制接口，所述升降柱、伸縮支撐桿、MRU傳感器和測距傳感器均與控制接口連接。

更優(yōu)選地，所述MCU為DSP芯片或可編程控制器。

優(yōu)選地，所述升降柱、伸縮支撐桿都是可以用弱電信號控制進行伸縮的機構(gòu)，如電控油缸、電控大推力直線電機等。

更優(yōu)選地，所述升降柱、伸縮支撐桿通過直線電機實現(xiàn)電控伸縮，或通過電控液壓傳動裝置實現(xiàn)伸縮驅(qū)動。

優(yōu)選地，所述升降基座的底盤直接固定在浮體表面，或固定在旋轉(zhuǎn)臺上。

本發(fā)明還提供了一種人行棧橋主動波浪補償方法，其特征在于：采用上述的人行棧橋波浪補償裝置，棧橋固定在承載臺上，升降基座固定在棧橋下方一側(cè)的浮體表面，測距傳感器伸到棧橋下方另一側(cè)的浮體表面上方；棧橋與承載臺為緊密結(jié)合，棧橋的控制姿態(tài)完全跟隨承載臺而變化；當波浪補償尚未啟動時，通過控制器的操作按鍵直接控制升降柱的升降和伸縮支撐桿的伸縮動作；當波浪補償啟動之后，裝置進入主動補償狀態(tài)；主動補償?shù)牟襟E如下：

步驟1：裝置上電，MCU不斷采集MRU傳感器檢測的浮體升沉位移和俯仰角度數(shù)據(jù)、測距傳感器檢測的距離數(shù)據(jù)；

步驟2：根據(jù)測距傳感器測到的距離S與事先設(shè)置的最小安全距離D之間的偏差情況，計算升降柱和伸縮支撐桿的升降/伸縮執(zhí)行參數(shù)；

步驟3：對浮體升沉位移波動數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換處理，根據(jù)控制精度，取得主要功率譜的幅度參數(shù)序列；根據(jù)參數(shù)序列計算下一個動作周期的升沉位移預(yù)測數(shù)值；如果主動補償已經(jīng)啟動，則根據(jù)升沉位移預(yù)測數(shù)值，計算升降柱和伸縮支撐桿的升降/伸縮動作參數(shù)；

步驟4：對浮體俯仰角度波動數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換處理，根據(jù)控制精度，再次取得主要功率譜的幅度參數(shù)序列；根據(jù)再次取得的參數(shù)序列計算下一個動作周期的俯仰角度預(yù)測數(shù)值；如果主動補償已經(jīng)啟動，則根據(jù)俯仰角度預(yù)測數(shù)值，計算升降柱和伸縮支撐桿的升降/伸縮動作參數(shù)；

步驟5：結(jié)合動態(tài)補償已經(jīng)啟動狀態(tài)和上一個周期參數(shù)執(zhí)行情況與實際檢測的值之間的差異情況，合并計算步驟2、步驟3、步驟4計算出的動作參數(shù)，得到最終執(zhí)行參數(shù)，并將其傳給升降柱和伸縮支撐桿執(zhí)行實際升降/伸縮動作；

步驟6：查看是否有按鍵停止波浪補償，如果沒有則采集MRU檢測的浮體升沉位移和俯仰角度數(shù)據(jù)、測距傳感器的距離數(shù)據(jù)，回到步驟2；否則結(jié)束主動波浪補償，回到手動操控的狀態(tài)

優(yōu)選地，所述步驟2中，當測距傳感器測到的距離S小于事先設(shè)置的最小安全距離D時，無條件驅(qū)動升降柱升起，同時伸縮支撐桿伸展；當升降柱升到極限值時，在伸縮支撐桿伸展長度小于設(shè)定的極限值時，繼續(xù)驅(qū)動伸縮支撐桿伸展，使得棧橋在安全的前提下適當上翹，避免棧橋與浮體之間的碰撞擠壓。

優(yōu)選地，所述步驟2中，當測距傳感器測到的距離S大于事先設(shè)置的最小安全距離D時，進行逆向調(diào)節(jié)，驅(qū)動升降柱下降，同時伸縮支撐桿收縮。

本發(fā)明通過軟件運行在控制器上，接受操作按鍵的操作指令，設(shè)置波浪補償初始條件和運行、停止波浪補償動作，達到了以下三個控制目標：一是保證測距傳感器測到的距離(也就是人行棧橋與浮體之間的距離)大于安全距離，以免發(fā)生碰撞或擠壓事故；二是通過調(diào)節(jié)棧橋動態(tài)俯仰，抵消浮體俯仰導(dǎo)致棧橋的俯仰變化；三是提高了海上浮體之間人員通行的效率和安全性。

本發(fā)明提供的裝置及方法原理簡單、結(jié)構(gòu)清晰，實施方便，成本低廉，可以有效降低因浮體隨波浪起伏搖擺造成的棧橋顛簸，提高了人員通行的效率和安全性。

附圖說明

圖1為本實施例提供的人行棧橋主動波浪補償裝置立體示意圖；

圖2為本實施例提供的人行棧橋主動波浪補償裝置主視圖；

圖3為基座結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為控制器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為人行棧橋主動波浪補償裝置搭載棧橋示意圖；

圖6為人行棧橋主動波浪補償方法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

圖1和圖2分別為本實施例提供的人行棧橋主動波浪補償裝置立體示意圖和主視圖，所述的人行棧橋主動波浪補償裝置由承載臺1、升降基座2、控制器3、伸縮支撐桿4、MRU傳感器5和測距傳感器6共七部分構(gòu)成。

承載臺1為長方形平臺，用于承載人員通行棧橋。

結(jié)合圖3，升降基座2由底盤201和升降柱202兩部分構(gòu)成。兩個升降柱202垂直固定在底盤201上，上部設(shè)置機構(gòu)用于固定承載臺1。

承載臺1一端用支撐軸掛接在升降基座2的升降柱202上，另外一端懸空；伸縮支撐桿4一端固定在升降基座2的底盤201上，另一端固定在承載臺1底面，并沿寬度方向?qū)ΨQ分布；MRU(Motion Reference Unit)傳感器5垂直固定在升降基座2的底盤201上；測距傳感器6安裝在承載臺1懸空的最遠段底面，并將距離探測方向設(shè)為向下的方向。

結(jié)合圖4，控制器3由MCU、操作按鍵、控制接口三部分構(gòu)成。升降柱202、伸縮支撐桿4、MRU傳感器5和測距傳感器6分別接入控制器3的控制接口。

圖5為人行棧橋主動波浪補償裝置搭載棧橋示意圖，棧橋A固定在承載臺1上，基座2固定在棧橋下方一側(cè)的第一浮體B表面，測距傳感器6伸到棧橋下方另一側(cè)的第二浮體C表面上方。棧橋A與承載臺1為緊密結(jié)合，棧橋A的控制姿態(tài)完全跟隨承載臺1而變化。

實施時，控制器3的MCU可使用DSP芯片、可編程控制器等，MRU傳感器能夠高速檢測浮體升沉位移變化量、俯仰角度變化量并將數(shù)據(jù)傳遞給MCU；升降柱202、伸縮支撐桿4可以采用大力直線電機實現(xiàn)電控伸縮，也可以采用電控液壓傳動裝置實現(xiàn)伸縮驅(qū)動；MRU傳感器5可以采用商業(yè)化的船體MRU成品；測距傳感器7可以采用激光測距傳感器；升降基座2的底盤201可以直接固定在浮體表面，也可以固定在旋轉(zhuǎn)臺上，以提供旋轉(zhuǎn)隨動性能便于部署。

本發(fā)明提供的人行棧橋主動波浪補償方法以計算機軟件的形式實現(xiàn)，該軟件運行在控制器3上。該軟件接受操作按鍵的操作指令、設(shè)置波浪補償初始條件和運行參數(shù)、啟動和停止波浪補償動作。裝置上電后，MCU自動持續(xù)高速采集MRU檢測的參數(shù)，持續(xù)分析浮體升沉、俯仰波形，并模擬預(yù)測其波形。當波浪補償尚未啟動時，按鍵能夠直接控制升降柱和伸縮支撐桿的升降/伸縮動作。當按下波浪補償啟動按鈕之后，裝置進入自動補償狀態(tài)。

自動進行主動波浪補償?shù)姆椒ㄈ缦拢?/p>

一、主動波浪補償?shù)目刂颇繕?/p>

控制目標是在保證棧橋安全的前提下，盡量保證棧橋的平穩(wěn)，也就是減少上下起伏和動態(tài)俯仰；具體來說有以下三個目標：

1)一是保證測距傳感器測到的距離(也就是人行棧橋與浮體之間的距離)大于安全距離，以免發(fā)生碰撞或擠壓事故；

2)二是通過調(diào)節(jié)棧橋動態(tài)升沉，抵消浮體升沉導(dǎo)致棧橋的起伏；

3)三是通過調(diào)節(jié)棧橋動態(tài)俯仰，抵消浮體俯仰導(dǎo)致棧橋的俯仰變化。

二、主動波浪補償方法

采用下列方法實現(xiàn)上述三個目標：

1、保證測距傳感器測到的距離大于安全距離的方法

1)當發(fā)現(xiàn)保證測距傳感器測到的距離S小于事先設(shè)置的最小安全距離D時，無條件驅(qū)動雙柱升降基座的升降柱升起，同時伸縮支撐桿伸展；設(shè)升降柱升起的速度為v1，伸縮支撐桿伸展速度為v2，則v2＝t*v1，避免承載平臺與升降柱之間的角度關(guān)系，以盡量保證棧橋不會過度俯仰；t為具體實現(xiàn)時伸縮支撐桿安裝角度和長度與升降柱之間的動態(tài)三角幾何關(guān)系函數(shù)。

2)當升降柱升到級限制時，在伸縮支撐桿伸展長度小于實現(xiàn)設(shè)定的極限值時，繼續(xù)驅(qū)動伸縮支撐桿伸展，使得棧橋在安全的前提下適當上翹；最大限度避免棧橋與浮體之間的碰撞擠壓。

3)當發(fā)現(xiàn)保證測距傳感器測到的距離S大于事先設(shè)置的最小安全距離D時，進行逆向調(diào)節(jié)，即緩慢驅(qū)動雙柱升降基座的升降柱下降，同時伸縮支撐桿收縮。

2、通過調(diào)節(jié)棧橋動態(tài)升沉，抵消浮體升沉導(dǎo)致棧橋的起伏的方法：

裝置上電起，MCU就不斷采集MRU檢測的浮體升沉位移信息；然后執(zhí)行下述步驟：

步驟2.1：對浮體升沉位移波動數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換處理，根據(jù)控制精度，取得主要功率譜的幅度參數(shù)序列(a1，a2，...，an)；

步驟2.2：根據(jù)參數(shù)序列(a1，a2，...，an)計算下一個動作周期的升沉位移預(yù)測數(shù)值；

步驟2.3：如果動態(tài)補償已經(jīng)啟動，則根據(jù)上述升沉位移預(yù)測數(shù)值，計算雙柱升降基座的升降柱和伸縮支撐桿的升降/收縮動作參數(shù)，傳遞給綜合執(zhí)行軟件模塊；

步驟2.4：綜合執(zhí)行軟件模塊根據(jù)上一個周期動作參數(shù)執(zhí)行情況與實際測量的升沉位移之間的偏差計算本次調(diào)節(jié)的執(zhí)行參數(shù)，并結(jié)合其它來源的執(zhí)行參數(shù)(俯仰主動補償部分計算的參數(shù))，計算出最終升降柱和伸縮支撐桿的升降/收縮動作參數(shù)，然后將參數(shù)傳遞給升降柱和伸縮支撐桿執(zhí)行升降/收縮動作；

步驟2.5：繼續(xù)獲取MRU最新檢測值，回到上述最初步驟；直至動態(tài)補償被終止。

3、通過調(diào)節(jié)棧橋動態(tài)俯仰，抵消浮體俯仰導(dǎo)致棧橋的俯仰變化。

裝置上電起，MCU就不斷采集MRU檢測的浮體俯仰角度信息；然后執(zhí)行下述步驟：

步驟3.1：對浮體俯仰角度波動數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換處理，根據(jù)控制精度，取得主要功率譜的幅度參數(shù)序列(b1，b2，...，bn)；

步驟3.2：根據(jù)參數(shù)序列(b1，b2，...，bn)計算下一個動作周期的俯仰角度預(yù)測數(shù)值；

步驟3.3：如果動態(tài)補償已經(jīng)啟動，則根據(jù)上述俯仰角度預(yù)測數(shù)值，計算雙柱升降基座的升降柱和伸縮支撐桿的升降/收縮動作參數(shù)，傳遞給綜合執(zhí)行軟件模塊；

步驟3.4：綜合執(zhí)行軟件模塊根據(jù)上一個周期動作參數(shù)執(zhí)行情況與實際測量的俯仰角度之間的偏差計算本次調(diào)節(jié)的執(zhí)行參數(shù)，并結(jié)合其它來源的執(zhí)行參數(shù)(升沉主動補償部分計算的參數(shù)、測距傳感器的距離參數(shù))，計算出最終升降柱和伸縮支撐桿的升降/收縮動作參數(shù)，然后將參數(shù)傳遞給升降柱和伸縮支撐桿執(zhí)行升降/收縮動作；

步驟3.5：繼續(xù)獲取MRU最新檢測值，回到上述最初步驟；直至動態(tài)補償被終止。

將上述三個目標的實現(xiàn)方法合并，就得到人行棧橋動態(tài)波浪補償?shù)娜址椒?。圖6用流程圖的方法輔助描述了人行棧橋主動波浪補償控制流程，圖中以裝置上電開始，按照流程先后進行：

1)裝置上電，MCU就不斷采集MRU檢測的浮體升沉位移和俯仰角度數(shù)據(jù)、距離傳感器的距離數(shù)據(jù)；

2)根據(jù)測距傳感器測到的距離S與事先設(shè)置的最小安全距離D之間的偏差情況，計算升降柱和伸縮支撐桿的升降/伸縮執(zhí)行參數(shù)；

3)對浮體升沉位移波動數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換處理，根據(jù)控制精度，取得主要功率譜的幅度參數(shù)序列(a1，a2，...，an)；根據(jù)參數(shù)序列(a1，a2，...，an)計算下一個動作周期的升沉位移預(yù)測數(shù)值；如果動態(tài)補償已經(jīng)啟動，則根據(jù)升沉位移預(yù)測數(shù)值，計算雙柱升降基座的升降柱和伸縮支撐桿的升降/收縮動作參數(shù)；

4)對浮體俯仰角度波動數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換處理，根據(jù)控制精度，取得主要功率譜的幅度參數(shù)序列(b1，b2，...，bn)；根據(jù)參數(shù)序列(b1，b2，...，bn)計算下一個動作周期的俯仰角度預(yù)測數(shù)值；如果動態(tài)補償已經(jīng)啟動，則根據(jù)俯仰角度預(yù)測數(shù)值，計算雙柱升降基座的升降柱和伸縮支撐桿的升降/收縮動作參數(shù)；

5)結(jié)合動態(tài)補償已經(jīng)啟動狀態(tài)和上一個周期參數(shù)執(zhí)行情況與實際檢測的值之間的差異情況，合并計算上述三個步驟計算出的動作參數(shù)，得到最終執(zhí)行參數(shù)，并將其傳給升降柱和伸縮支撐桿執(zhí)行實際升降/收縮動作。

6)查看是否有按鍵停止波浪補償，如果沒有則采集MRU檢測的浮體升沉位移和俯仰角度數(shù)據(jù)、距離傳感器的距離數(shù)據(jù)，回到步驟2)；否則結(jié)束主動波浪補償，回到手動操控的狀態(tài)。

仿真結(jié)果表明，通過上述措施，可以有效降低因浮體隨波浪起伏搖擺造成的棧橋顛簸，提高人員通行的效率和安全性。