[发明专利]一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统及其工作方法

权利要求书

1.一种海上换乘栈桥波浪补偿控制系统，所述的海上换乘栈桥包括升沉机构(7)、回转机构(9)、俯仰机构(12)和桥体伸缩机构(14)，其特征在于：所述的波浪补偿控制系统包括液压执行机构、测量系统、电液伺服阀、波浪补偿控制单元、控制箱(1)、PLC(3)和主控计算机(4)；

所述的液压执行机构，包括液压缸(6)、第一液压马达(8)、第二液压马达(11)和第三液压马达(13)，所述的液压缸(6)用于驱动换乘栈桥的升沉机构(7)伸缩，所述的第一液压马达(8)用于驱动换乘栈桥的回转机构(9)旋转，所述的第二液压马达(11)用于驱动换乘栈桥的俯仰机构(12)俯仰，所述的第三液压马达(13)用于驱动换乘栈桥的桥体伸缩机构(14)伸缩；

所述的测量系统包括第一编码器(16)、第二编码器(17)、第三编码器(18)、拉线位移传感器(19)、第四编码器(20)、倾角传感器(21)、姿态传感器(22)、2D激光雷达(2)、换乘点监视装置(15)和相对运动测量单元(23)，所述的第一编码器(16)安装于第一液压马达(8)上，用于测量第一液压马达(8)的转动量，并获得回转机构(9)的旋转角；所述的第二编码器(17)安装于第二液压马达(11)上，用于测量第二液压马达(11)的转动量；所述的第三编码器(18)安装于第三液压马达(13)上，用于测量第三液压马达(13)的转动量，并获得桥体伸缩机构(14)的伸缩量；所述的拉线位移传感器(19)安装于液压缸(6)上，用于测量升沉机构(7)的位移；所述的第四编码器(20)，用于测量俯仰机构(12)的俯仰角；所述的倾角传感器(21)安装于换乘栈桥桥体上，用于测量换乘栈桥桥体与水平面所成的夹角；所述的姿态传感器(22)安装于宿主船上换乘栈桥底座(5)的几何中心，用于测量换乘栈桥底座(5)随船的升沉位移、横荡位移和横摇角；所述的2D激光雷达(2)安装于宿主船靠近目标船一侧的侧舷附近甲板上，用于扫描目标船的舷顶列板及甲板区域，获得包含被扫描区域几何形状信息的点云数据帧；所述的换乘点监视装置(15)安装于换乘栈桥桥体前端，包括摄像头和激光传感器；所述的摄像头拍摄目标船上的换乘点所在区域，用于监视目标船上的换乘点；所述的激光传感器包括第一激光传感器(37)和第二激光传感器(38)，分别安装于换乘栈桥桥体前端两侧，用于测量换乘栈桥桥体前端两侧分别距目标船甲板的距离；所述的相对运动测量单元(23)，用于获得换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点的相对位移量；

所述的电液伺服阀有多个，分别为第一电液伺服阀(24)、第二电液伺服阀(25)、第三电液伺服阀(26)和第四电液伺服阀(27)，所述的第一电液伺服阀(24)、第二电液伺服阀(25)、第三电液伺服阀(26)和第四电液伺服阀(27)分别用来控制第一液压马达(8)、第二液压马达(11)、第三液压马达(13)和液压缸(6)的液压油流量；

所述的波浪补偿控制单元包括滤波器(28)、宿主船运动预报模块(29)、相对运动预报模块(30)、第一运动限幅模块(31)、第一运动学反解模块(32)、三自由度补偿控制器(33)、第二运动限幅模块(34)、第二运动学反解模块(35)和升沉补偿控制器(36)；

所述的滤波器(28)接收来自第三编码器(18)测得的桥体伸缩机构(14)的伸缩量、倾角传感器(21)测得的换乘栈桥桥体与水平面所成的夹角、第四编码器(20)测得的俯仰机构(12)的俯仰角、姿态传感器(22)测得的换乘栈桥底座(5)随船的升沉位移、横荡位移和横摇角，输出所接收到信息的滤波值；

所述的宿主船运动预报模块(29)接收来自滤波器(28)的滤波值，应用时间序列法对换乘栈桥底座(5)随船的升沉位移、横荡位移和横摇角进行极短期预报，输出下一控制时刻换乘栈桥底座(5)随船的升沉位移、横荡位移和横摇角的预报值；

所述的相对运动预报模块(30)接收来自相对运动测量单元(23)的换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向、纵荡方向和升沉方向的相对位移，应用时间序列法对换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向、纵荡方向和升沉方向的相对位移进行极短期预报，输出下一控制时刻换乘栈桥桥体前端与目标船上的换乘点沿横荡方向、纵荡方向和升沉方向的相对位移的预报值；

所述的第一运动限幅模块(31)接收来自宿主船运动预报模块(29)、相对运动预报模块(30)的预报值，根据由回转机构(9)、俯仰机构(12)和桥体伸缩机构(14)的物理限制造成的位移、速度、加速度约束条件，规划回转机构(9)、俯仰机构(12)和桥体伸缩机构(14)的运动轨迹，生成满足回转机构(9)、俯仰机构(12)和桥体伸缩机构(14)运动约束条件的三个液压马达控制指令信号；

所述的第一运动学反解模块(32)接收第一运动限幅模块(31)生成的三个液压马达控制指令信号，解算出三个液压马达各自的期望转动量；

所述的三自由度补偿控制器(33)接收来自第一运动学反解模块(32)的三个液压马达各自的期望转动量，通过三自由度自抗扰补偿控制律，获得达到各液压马达的期望转动量所需的对应第一电液伺服阀(24)、第二电液伺服阀(25)和第三电液伺服阀(26)的控制电压；所述的三自由度补偿控制器(33)的工作模式称为主动补偿模式；

所述的第二运动限幅模块(34)接收来自滤波器(28)的桥体伸缩机构(14)的伸缩量、换乘栈桥桥体与水平面所成的夹角和俯仰机构(12)的俯仰角的滤波值，根据由升沉机构(7)的物理限制造成的位移、速度、加速度约束条件，规划升沉机构(7)的运动轨迹，生成满足升沉机构(7)运动约束条件的液压缸(6)控制指令信号；

所述的第二运动学反解模块(35)接收来自第二运动限幅模块(34)的液压缸(6)控制指令信号，根据换乘栈桥的控制目标，即换乘栈桥桥体与水平面始终保持某一安全角不变，解算出液压缸(6)的期望伸缩量；

所述的升沉补偿控制器(36)接收来自第二运动学反解模块(35)的液压缸(6)期望伸缩量，通过自抗扰升沉补偿控制律，获得达到液压缸(6)期望伸缩量所需的第四电液伺服阀(27)的控制电压；所述的升沉补偿控制器(36)的工作模式称为升沉补偿模式；

所述的控制箱(1)安装于宿主船甲板上；所述的PLC(3)安装于控制箱(1)内，用于实现滤波器(28)、第一运动限幅模块(31)、三自由度补偿控制器(33)、第二运动限幅模块(34)和升沉补偿控制器(36)的功能；所述的主控计算机(4)安装于控制箱(1)内，用于实现所述的第一运动学反解模块(32)、第二运动学反解模块(35)、相对运动测量单元(23)、宿主船运动预报模块(29)和相对运动预报模块(30)的功能。