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

背景技術：

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

在洶涌的海洋環(huán)境中，海上浮吊的操作會存在許多問題，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于桿桿和按鈕去操作吊車的各個環(huán)節(jié)。當考慮到工作效率和安全性時，這種僅僅依靠操作員的豐富經(jīng)驗和高水平技術的控制將很難管理。尤其，當在極端的海洋環(huán)境下，一個大浪發(fā)生，這種不可靠控制將不可能手動實現(xiàn)的。同時，大量的資金投入在訓練操作員身上，這將產(chǎn)生很大的浪費，因為在真正惡劣的環(huán)境下無法訓練，且測試新的控制方法在真實的環(huán)境中是非常困難。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一個目的是針對現(xiàn)有的技術存在的問題，提出了一種基于海上浮吊作業(yè)要求的主動波浪補償模擬方法，該方法具有能夠模擬海上惡劣環(huán)境，用于測試不同的控制方法和訓練，從而來降低實際海上浮吊作業(yè)要求風險度。

本發(fā)明的第一個目的可通過下列技術方案來實現(xiàn)：

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

s1造波：隨機正弦信號發(fā)生器應用于重現(xiàn)波，形成運動平臺的輸入信號,信號的產(chǎn)生：

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

s2深沉運動、橫搖運動和縱搖運動的檢測：利用安裝在運動平臺上的加速度傳感器來監(jiān)測運動平臺的橫搖運動和縱搖運動，通過arduino開發(fā)板采集運動的原始數(shù)據(jù)，將來自擾動橫搖角運動φ和縱搖角運動θ的原始數(shù)據(jù)進行濾波，并進行信號采集；深沉運動直接通過讀取運動平臺的實際角度來獲取位移，通過應用正向運動學和網(wǎng)絡通信協(xié)議采集數(shù)據(jù)；

s3輸入設備：一個標準的操縱桿作為一個通用的輸入設備，操縱桿的每個自由度擁有一個平移軸，控制機械手的工作空間，當操作者的手離開機械手，機械手自動的恢復到末端器保持的最后位置的點，機械手的信號i，比例縮放因子k，通過udp協(xié)議采集數(shù)據(jù)；

s4服務器控制線程：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為機械手變換矩陣，在每一個控制迭代中，末端執(zhí)行器：

xsnew＝xsold+ki

式中，xsnew為新的設定值，xsold為來自之前控制迭代的設定值，初始設定值由操作員設定，計算出xsnew和xc差值，配置相應的采樣點；

s5驅(qū)動線程：讀取機械手的實際聯(lián)合配置θa，把動作值傳輸?shù)椒掌鳌?/p>

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

本發(fā)明的第二個目的可通過下列技術方案來實現(xiàn)：

一種基于海上浮吊作業(yè)要求的主動波浪補償模擬裝置，包括基座，其特征在于，所述的運動平臺設置在基座上，所述的機械手設置在運動平臺上；所述的運動平臺包括上平臺、電機一、電機二和電機三，所述的電機一、電機二和電機三固定在基座上，所述的電機一、電機二和電機三輸出軸的軸心交于一點，且電機一、電機二和電機三兩兩之間的間距相等，電機一、電機二和電機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)三的另一端均設置在上平臺上；所述的機械手固定在上平臺上。

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，相當于萬向節(jié)垂直向上，相應的平臺角度去執(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相應的角度再次下降。

在上述基于海上浮吊作業(yè)要求的主動波浪補償模擬裝置中，所述的運動平臺的設計先設定深沉運動位移h：

式中，a1為下臂，a2為上臂，α1為連接角度；

所述橫搖運動中h2和h3的高度計算公式：

δ(h2,h3)＝sin(φ)l，

式中，l為頂部三角形的長度，ф為橫搖角，得出：

所述縱搖運動中h2和h3的高度的計算公式如下：

h2＝h3＝-sin(θ)m1，

式中，θ為縱搖角，h1的計算公式如下：

h1＝sin(θ)m2，

縱搖角θ的計算公式如下：

在上述基于海上浮吊作業(yè)要求的主動波浪補償模擬裝置中，所述的運動平臺由plc所控制，電機一、電機二和電機三的運轉(zhuǎn)由逆變器進行控制。

電機一、電機二和電機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進行遠程控制。同時，電機運轉(zhuǎn)由逆變器進行控制。

在上述基于海上浮吊作業(yè)要求的主動波浪補償模擬裝置中，所述的機械手采用能夠?qū)崿F(xiàn)六個自由度轉(zhuǎn)動的庫卡6r90sixx機械手。

在上述基于海上浮吊作業(yè)要求的主動波浪補償模擬裝置中，所述的機械手關節(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)要求的主動波浪補償模擬裝置中，所述的運動平臺和機械手上分別設置有獨立的平臺控制模塊和機械手控制模塊。

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

利用運動平臺來模擬波浪運動，使用者通過操縱桿控制機械手的運動，波浪運動通過一個安裝在運動平臺上的加速度傳感器監(jiān)測出來，這個數(shù)據(jù)被用于機械手的負反饋控制的控制算法，實現(xiàn)主動波浪補償。建立在開放代碼的軟硬件環(huán)境中，控制軟件的實現(xiàn)是通過應用嚴格的多線程的標準，為了滿足實時的需求，相關的仿真和實驗結(jié)果被拿出來去驗證關于當前結(jié)構(gòu)的效率。特別的是，它能夠被用來驗證這個方法考慮到有效地降低風險，來自個體和綜合評價的潛在的海上作業(yè)危險。

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)明的運動平臺設計示意圖。

圖中，1、基座；2、上平臺；3、電機一；4、電機二；5、電機三；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、機械手。

具體實施方式

以下是本發(fā)明的具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實施例。

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

s1造波：隨機正弦信號發(fā)生器應用于重現(xiàn)波，形成運動平臺的輸入信號,信號的產(chǎn)生：

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

s2深沉運動、橫搖運動和縱搖運動的檢測：利用安裝在運動平臺上的加速度傳感器來監(jiān)測運動平臺的橫搖運動和縱搖運動，通過arduino開發(fā)板采集運動的原始數(shù)據(jù)，arduino是一個開放源的電子產(chǎn)品原型平臺，軟件方面，arduino提供了許多函數(shù)庫使得微控制器編程變得更簡單。選擇了使用arduino開發(fā)板使得當前的框架很容易維護，預留了以后加入新的特征的可能性；將來自擾動橫搖角運動φ和縱搖角運動θ的原始數(shù)據(jù)進行濾波，并進行信號采集；深沉運動直接通過讀取運動平臺的實際角度來獲取位移，通過應用正向運動學和網(wǎng)絡通信協(xié)議采集數(shù)據(jù)；

s3輸入設備：一個標準的操縱桿作為一個通用的輸入設備，操縱桿的每個自由度擁有一個平移軸，控制機械手12的工作空間，當操作者的手離開機械手12，機械手12自動的恢復到末端器保持的最后位置的點，機械手12的信號i，比例縮放因子k，通過udp協(xié)議采集數(shù)據(jù)；

s4服務器控制線程：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為機械手12變換矩陣，在每一個控制迭代中，末端執(zhí)行器：

xsnew＝xsold+ki

式中，xsnew為新的設定值，xsold為來自之前控制迭代的設定值，初始設定值由操作員設定，計算出xsnew和xc差值，配置相應的采樣點，為了確保機械手12平滑的運動，有必要從這些現(xiàn)有的采樣點中生成軌跡，來設計出高性能的跟蹤控制器，確保沒有運動學和動力學的限制被超出，以至于會跟隨指定的路徑運行而不會漂移；

s5驅(qū)動線程：讀取機械手12的實際聯(lián)合配置θa，把動作值傳輸?shù)椒掌鳌?/p>

基于海上浮吊作業(yè)要求的主動波浪補償模擬裝置，包括基座1，運動平臺設置在基座1上，機械手12設置在運動平臺上；運動平臺包括上平臺2、電機一3、電機二4和電機三5，所述的電機一3、電機二4和電機三5固定在基座1上，電機一3、電機二4和電機三5輸出軸的軸心交于一點，且電機一3、電機二4和電機三5兩兩之間的間距相等，電機一3、電機二4和電機三5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的另一端均設置在上平臺2上；機械手12固定在上平臺2上。

電機一3、電機二4和電機三5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帶動上平臺2進行三個自由度的運動。深沉運動需要三個電機同時調(diào)節(jié)，而且橫搖運動和縱搖運動只需要其中任意兩個電機同時運動即可完成，且基座1和上平臺2都是正三角結(jié)構(gòu)，靜止時具有絕對的穩(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，相當于萬向節(jié)垂直向上，相應的平臺角度去執(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相應的角度再次下降。

如圖3所示，運動平臺的設計先設定深沉運動位移h：

式中，a1為下臂，a2為上臂，α1為連接角度；

橫搖運動中h2和h3的高度計算公式：

δ(h2,h3)＝sin(φ)l，

式中，l為頂部三角形的長度，ф為橫搖角，得出：

縱搖運動中h2和h3的高度的計算公式如下：

h2＝h3＝-sin(θ)m1，

式中，θ為縱搖角，h1的計算公式如下：

h1＝sin(θ)m2，

縱搖角θ的計算公式如下：

運動平臺由plc所控制，電機一3、電機二4和電機三5的運轉(zhuǎn)由逆變器進行控制。

電機一3、電機二4和電機三5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進行遠程控制。同時，電機運轉(zhuǎn)由逆變器進行控制。

機械手12采用能夠?qū)崿F(xiàn)六個自由度轉(zhuǎn)動的庫卡6r90sixx機械手12。機械手12關節(jié)參數(shù)θi

式中，為來自結(jié)構(gòu)的普通其次變化矩陣。運動平臺和機械手12上分別設置有獨立的平臺控制模塊和機械手12控制模塊。

運動平臺被用于模擬波浪運動，使用者通過操縱桿控制機械手12的運動，波浪運動通過一個安裝在運動平臺上的加速度傳感器監(jiān)測出來，這個數(shù)據(jù)被用于機械手12的負反饋控制的控制算法，實現(xiàn)主動波浪補償。建立在開放代碼的軟硬件環(huán)境中，控制軟件的實現(xiàn)是通過應用嚴格的多線程的標準，為了滿足實時的需求，相關的仿真和實驗結(jié)果被拿出來去驗證關于當前結(jié)構(gòu)的效率。特別的是，它能夠被用來驗證這個方法考慮到有效地降低風險，來自個體和綜合評價的潛在的海上作業(yè)危險。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(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；3、電機一；4、電機二；5、電機三；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、機械手等術語，但并不排除使用其它術語的可能性。使用這些術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。