一种多自由度主动补偿稳定登乘装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种多自由度主动补偿稳定登乘装置，属于海洋工程运维安全技术领域。


背景技术：

2.纵观国内，传统海上运维船的不足是：基本是不具备主动补偿登乘系统，相对高海况下海上登乘作业安全性低，甚至发生人员伤亡事故，以致高海况下无法出海进行维修作业。


技术实现要素：

3.多自由度主动补偿稳定登乘系统是一种针对4级及以下海况条件以及其他动态条件下的相对运动过程的实时主动补偿装置，适用于海洋工程如海上油气、海上风电、海上补、受给舰及海上军事设施的安全登乘、物资补给、人员输送及维修、海事救援等领域。为了克服现有技术的不足,本实用新型提供一种多自由度主动补偿稳定登乘装置及使用方法。
4.一种多自由度主动补偿稳定登乘装置，4个下铰支座以x轴、y轴为基准十字分布安装于下平台，随动支撑铰支座的底座与下平台在z轴中心位置固连，4个上铰支座安装于随动支撑上端法兰周围，相对于x轴、y轴两两对应并均布安装，随动支撑底部与随动支撑铰支座上面固连，升沉电动缸上端法兰与随动支撑上端法兰固连，纵摇电动缸在y方向一侧与同方向上铰支座、下铰支座分别固连，横摇电动缸上端、下端在x方向一侧与同方向上铰支座、下铰支座分别固连，升沉电动缸在z向垂直安装于随动支撑内，升降缸及法兰与随动支撑及法兰连接，升沉电动缸的缸杆与回转支承的定盘即从动轮固连，上平台与回转支承的动盘固连，两个阻尼缸分别在x方向、y方向相对于横摇电动缸、纵摇电动缸镜像安装于对应的上铰支座及下铰支座，上平台中间框架结构与回转支承的动盘固连，回转伺服电机与上平台固连，回转伺服电机上的主动轮与回转支承的定盘即从动轮的外齿圈调整啮合间隙后固连。
5.4个上铰支座4以x轴、y轴为基准呈十字形90
°
分布安装,上平台由型材框架及热镀锌格栅及护栏组成,舷梯与上平台以铰接方式连接，舷梯俯仰缸两端分别与上平台及舷梯铰接，舷梯底部设有舷梯伸缩机构。本实用新型可绕x，y轴实现转动运动及沿z轴的升沉运动，又可实现三个自由度的复合运动。上平台与舷梯可以实现半自动绕z轴的旋转运动即艏摇运动、俯仰运动及沿舷梯的伸缩运动。
6.一种多自由度主动补偿稳定登乘装置的控制方法，含有以下步骤：采用精度高、实时性能好的微机械机电惯性导航系统作为船体运动的测量元件，通过加速度、角速度信息解算出船体的方位角、横滚角、俯仰角、角速度、加速度、欧拉角、四元数信息，通过具有适当增益的滤波器算法及pid控制算法保证其测量精度，姿态运动参数通过非线性补偿、正交补偿、温度补偿多种补偿策略的步骤，消除误差、提高测量精度。
7.测量元件包括在舷梯末端与塔台搭接处装的多维力传感器,用于测量因平台运动
补偿不到位时的力值变化，根据智能空间坐标变换算法实时解算出平台应该调整的变化位姿及角度输入值。
8.pid控制算法针对海浪谱运动，在每一个采样时刻，根据获得的当前测量信息，在线求解一个有限时间开环优化问题，并将得到的控制序列的第一个元素作用于被控对象，在下一个采样时刻，重复上述过程：用新的测量值作为此时预测系统未来动态初始条件，刷新优化问题并重新求解。
9.船体运动包括x轴，y轴实现转动、沿z轴的升沉及三个自由度的复合运动。
10.船体运动包括上平台与舷梯实现半自动绕z轴的旋转运动及艏摇运动、俯仰运动及沿舷梯的伸缩运动。
11.船体运动包括纵摇电动缸、横摇电动缸及升沉电动缸的纵、横摇、升沉运动及其复合运动，通过控制系统、传感器采集到的船摇及升沉运动信号，对纵摇电动缸、横摇电动缸及升沉电动缸的驱动器发出反补偿运动指令，包括纵、横摇、升沉运动及其复合运动。
12.纵摇电动缸、横摇电动缸及升沉电动缸的伸缩步骤，使随动支撑及升沉电动缸始终保持垂直于大地坐标系水平面，使上平台始终保持水平状态，并由升沉电动缸的伸缩抵消运维船升沉运动来实现上平台的相对水平和稳定。系统升沉补偿最大行程为1300mm，系统开机时自动预升至中立位并开始自动升沉补偿。中立位至停机位及最高位分别为650mm，即升沉补偿能力为
±
650mm。
13.本实用新型结构紧凑，整体占用空间小，采用串并混联式结构，实时补偿稳定性好，成本相对较低，满足4级及以下海况下安全稳定登乘需要，特别适用于海上小型运维船(ctv)，尤其是可在现有ctv运维船基础上进行智能化稳定登乘系统的升级改造。
14.本实用新型通过电动缸、横摇电动缸及升沉电动缸的伸缩，通过控制系统、传感器采集到的船摇及升沉运动信号等对上述执行元件的驱动器发出反补偿运动指令，实现包括纵、横摇、升沉运动及其复合运动的反补偿运动，使随动支撑及升沉电动缸始终保持垂直于大地坐标系水平面，使上平台始终保持水平状态，并由升沉电动缸的伸缩抵消运维船升沉运动来实现上平台的相对水平和稳定。系统升沉补偿最大行程为1300mm，系统开机时自动预升至中立位并开始自动升沉补偿。中立位至停机位及最高位分别均为650mm，即升沉补偿能力为
±
650mm。
15.随动支撑铰支座反常规的设于多自由度主动补偿稳定登乘系统的最下方，使上平台为定平台，下平台为动平台(一般设于最上方，上平台为动平台，下平台为定平台)，其目的在于使其运动回转中心尽可能的接近船体运动坐标系x轴即船体摇摆轴(稳心)位置，使本不能实现因摇摆形成的水平位置变化量的补偿成为可能。而且这种线位移的补偿与摇摆角位移的补偿是同时完成的，达到了事半功倍的效果。
附图说明
16.当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本实用新型以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定，如图其中：
17.图1、为本实用新型的结构示意图。
18.图2、为本实用新型的结构侧面示意图。
19.图3、为本实用新型的横摇
±
20
°
状态下多自由度主动补偿效果图。
20.图4、为本实用新型的运维船纵摇﹣10
°
时多自由度主动补偿效果图。
21.图5、为本实用新型的运维船纵摇﹢10
°
时多自由度主动补偿效果图。
22.图6、为本实用新型的主动补偿稳定登乘系统在双体运维船上安装位置及x坐标、y坐标及z坐标。
23.图7、为本实用新型安装于运维船前甲板示意图。
24.图8、为本实用新型的运维船升沉
±
650mm时多自由度主动补偿效果图。
25.上平台1、纵摇电动缸2、随动支撑3、上铰支座4(4件)、下铰支座5(4件)、随动支撑铰支座6(1件)、下平台7、横摇电动缸8、阻尼缸9(2件)、回转支承10由动盘18、定盘(从动轮)20及外齿圈组成、回转伺服电机11包括轴端装有主动轮19、舷梯12、舷梯俯仰电动缸13、舷梯伸缩机构14、升沉电动缸15、随动支撑及法兰16、升降缸及法兰17、传感器、控制系统。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
27.显然，本领域技术人员基于本实用新型的宗旨所做的许多修改和变化属于本实用新型的保护范围。
28.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
29.除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
30.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
31.为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对实施例的限定。
32.实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7及图8所示，一种多自由度主动补偿稳定登乘装置，一种用于船载的多自由度对海浪作用下船体的摇摆、升沉进行实时主动补偿的智能化稳定登乘系统。
33.一种多自由度主动补偿稳定登乘装置，上平台1、纵摇电动缸2、随动支撑3、上铰支座4(4件)、下铰支座5(4件)、随动支撑铰支座6(1件)、下平台7、横摇电动缸8、阻尼缸9(2件)、回转支承10由动盘18、定盘(或者称从动轮)20及从动轮的外齿圈组成、回转伺服电机11包括轴端装有主动轮19、舷梯12、舷梯俯仰电动缸13、舷梯伸缩机构14、升沉电动缸15、随动支撑及法兰16、升降缸及法兰17、传感器及控制系统等组成。
34.与海上运维船前甲板相连的下平台7主要由型钢结构焊接而成。
35.4个下铰支座5以x轴、y轴为基准十字分布安装于下平台7，随动支撑铰支座6的底座与下平台7在z轴中心位置固连，4个上铰支座4安装于随动支撑3上端法兰周围，相对于x轴、y轴两两对应并均布安装，即4个上铰支座4以x轴、y轴为基准呈十字形90
°
分布安装。
36.随动支撑3底部与随动支撑铰支座6上面固连，升沉电动缸15上端法兰与随动支撑3上端法兰固连。纵摇电动缸2在y方向一侧与同方向上铰支座4、下铰支座5分别固连。
37.横摇电动缸8上端、下端在x方向一侧与同方向上铰支座4、下铰支座5分别固连，升沉电动缸15在z向垂直安装于随动支撑3内(升降缸及法兰17与随动支撑及法兰16连接)，升沉电动缸15的缸杆与回转支承10的定盘(从动轮)20固连，上平台1与回转支承10的动盘18固连。
38.两个阻尼缸9分别在x方向、y方向相对于横摇电动缸8、纵摇电动缸2镜像安装于对应的上铰支座4及下铰支座5。
39.上平台1主要由型材框架及热镀锌格栅及护栏组成，其中间框架结构与回转支承10的动盘18固连，回转伺服电机11与上平台1固连(可调整)，回转伺服电机11上的主动轮与回转支承10的定盘(从动轮)20即从动轮的外齿圈调整啮合间隙后固连。
40.舷梯12与上平台1以铰接方式连接，舷梯俯仰缸13两端分别与上平台1及舷梯12铰接，舷梯12底部设有舷梯伸缩机构14。
41.实施例2：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7及图8所示，一种多自由度主动补偿稳定登乘装置的控制方法，可绕x轴，y轴实现转动运动及沿z轴的升沉运动，又可实现三个自由度的复合运动。
42.上平台1与舷梯12可以实现半自动绕z轴的旋转运动及艏摇运动、俯仰运动及沿舷梯12的伸缩运动。
43.一种多自由度主动补偿稳定登乘装置的控制方法，接近海上登乘目标时，登乘人员通过舷梯12(端部降至甲板时)登上上平台1，多自由度主动海浪补偿系统开机，上平台1预升至中立位置为实时补偿做好准备。
44.纵摇电动缸2、横摇电动缸8及升沉电动缸15(防转缸)，通过控制系统、传感器采集到的船摇及升沉运动信号等对上述执行元件的驱动器发出反补偿运动指令，包括纵、横摇、升沉运动及其复合运动。
45.详见图3至图5，上平台1、舷梯12运动为半自动控制，首先由人工手动控制通过回转支承10、回转伺服电机11调整方位角(绕z轴的转动范围
±
90
°
)，通过舷梯俯仰电动缸13调整高低角(俯仰范围﹢20
°
﹣15
°
)，通过舷梯伸缩机构14快速接近目标登乘点，舷梯12及舷梯伸缩机构14及传感元件可自动调节与登乘点的距离或保持接触，此时系统为相对稳定状态，维修人员可通过舷梯12安全登乘和撤离。
46.实施例3：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7及图8所示，其它结构如同实施例1，一种多自由度主动补偿稳定登乘装置，4个下铰支座5以x轴、y轴为基准十字分布安装于下平台7，随动支撑铰支座6的底座与下平台7中心固连，4个上铰支座4安装于随动支撑3上端周围，以x、y轴为基准十字分布安装。
47.上平台1主要由型材框架及热镀锌格栅及护栏组成，中部框架结构与回转支承10(动盘)及回转伺服电机11通过螺栓固连，并通过安装于回转伺服电机11轴端的主动轮与安装于回转支承10(定盘)的从动轮(即定盘的外齿圈)啮合传动，使上平台1做绕z轴的正负旋
转运动即艏摇运动(运动范围
±
90
°
)，由于升沉缸15具有防转机构，上平台旋转时升沉缸15的缸筒与缸杆不会产生相对旋转运动，绕z轴的相对旋转运动只相对于回转支承10的动盘、定盘之间存在。
48.舷梯12与上平台1以铰接方式连接，舷梯俯仰电动缸13两端分别与上平台1及舷梯12铰接，舷梯俯仰电动缸13的伸缩可带动舷梯12的俯仰运动，舷梯12底部设有舷梯伸缩机构14。
49.一种多自由度主动补偿稳定登乘装置的控制方法，接近海上登乘目标时，登乘人员(通常1～2人，登承舷梯时每次1人)通过端部降至甲板的舷梯12登上上平台1，多自由度主动海浪补偿系统开机。
50.纵摇电动缸2、横摇电动缸8及升沉电动缸15的伸缩(开机后先升至中立位置)，通过控制系统、传感器(船摇信号传感器可安装在平行于甲板及上平台1的位置，接近或力传感器安装于舷梯端部)采集到的船摇、升沉及接近运动信号(包括角位移、线位移及位移速度、加速度、力等)，对上述执行元件的驱动器发出反补偿运动指令，实现包括纵、横摇、升沉运动及其复合运动的反补偿运动，使随动支撑3及升沉电动缸15始终保持垂直于大地坐标系水平面，使上平台1始终保持水平状态，并由升沉电动缸15的升降、舷梯的俯仰缸13(手动控制)、伸缩机构14(半自动控制)抵消升沉运动、距离、角度变化等，来实现系统的相对水平和稳定。
51.控制系统分别连接舷梯俯仰电动缸13、纵摇电动缸2、横摇电动缸8及升沉电动缸15的电路控制装置。
52.两个阻尼缸9为随动机构，起到运动阻尼及辅助安全保护作用，运维船航行时起到系统固定作用，系统维修拆卸安装时还能起到临时固定工装作用。
53.上平台1、舷梯12为半自动控制，首先由人工控制通过回转支承10、回转伺服电机11的旋转调整方位角(绕z轴的转动)，通过舷梯俯仰电动缸13的伸缩调整高低角，通过舷梯伸缩机构14快进接近目标登乘点，舷梯12及舷梯伸缩机构14及传感元件可自动调节与登乘点的距离或保持接触，此时系统为相对稳定状态，维修人员可通过舷梯12安全登乘和撤离。
54.实施例4：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7及图8所示，其它结构如同上述实施例，一种多自由度主动补偿稳定登乘装置，由上平台1、纵摇电动缸2、随动支撑3、上铰支座4(4件)、下铰支座5(4件)、随动支撑铰支座6(1件)、下平台7、横摇电动缸8、阻尼缸9、回转支承10、回转伺服电机11、舷梯12、舷梯俯仰电动缸13、舷梯伸缩机构14和升沉电动缸15等组成。
55.纵摇电动缸2在y方向一侧与同方向上铰支座4、下铰支座5分别固连。横摇电动缸8上下端在x方向一侧与同方向上铰支座4、下铰支座5分别固连，升沉电动缸15在z向垂直安装于随动支撑3内(缸筒法兰与随动支撑法兰连接)，缸杆与回转支承10(定盘)固连。
56.两个阻尼缸9分别在x方向、y方向相对于横摇电动缸8、纵摇电动缸2镜像安装于对应的上铰支座4及下铰支座5。
57.上平台1主要由型材框架及热镀锌格栅及护栏组成，其中间框架结构与回转支承10(动盘)及回转伺服电机11通过螺栓固连，并通过回转伺服电机11的轴端与主动轮固连并驱动回转支承10(定盘)从动轮(即定盘的外齿圈)，使上平台1做绕z轴的
±
旋转运动即艏摇运动(运动范围
±
90
°
)。
58.舷梯12与上平台1以铰接方式连接，舷梯俯仰缸13两端分别与上平台1及舷梯12铰接，舷梯俯仰缸13的伸缩可带动舷梯12的俯仰运动，舷梯12底部设有舷梯伸缩机构14。
59.船载多自由度主动补偿稳定登乘系统接近海上登乘目标时，登乘人员(通常1～2人)通过端部降至甲板的舷梯12登上上平台1并准备登乘，多自由度主动海浪补偿系统开机。
60.一种多自由度主动补偿稳定登乘装置的控制方法，纵摇电动缸2、横摇电动缸8及升沉电动缸15的伸缩，通过控制系统、传感器采集到的船摇及升沉运动信号等对上述执行元件的驱动器发出反补偿运动指令，实现包括纵、横摇、升沉运动及其复合运动的反补偿运动，使随动支撑3及升沉电动缸始终保持垂直于大地坐标系水平面，使上平台1始终保持水平状态，并由升沉电动缸15的伸缩抵消运维船升沉运动来实现上平台的相对水平和稳定。系统升沉最大行程为1300mm，系统开机时自动预升至中立位，中立位至停机位及最高位分别为650mm，即升沉补偿能力为
±
650mm。
61.随动支撑铰支座6反常规的设于多自由度主动补偿稳定登乘系统的最下方，使上平台1为定平台，下平台为动平台(一般设于最上方，上平台为动平台，下平台为定平台)，其目的在于使其运动回转中心尽可能的接近船体运动坐标系x轴(船体横摇轴)位置，使本不能实现因摇摆形成的水平位置变化量的补偿成为可能。而且这种线位移的补偿与摇摆角位移的补偿是同时完成的，达到了事半功倍的效果(参见图3至图5)。
62.如图3所示，横摇
±
20
°
状态下多自由度主动补偿效果图。
63.如图4所示，运维船纵摇﹣10
°
时多自由度主动补偿效果图。
64.如图5所示，运维船纵摇﹢10
°
时多自由度主动补偿效果图。
65.实施例5：如图1、图2、图3、图4、图5、图6及图7所示，一种多自由度主动补偿稳定登乘装置的控制方法，含有以下步骤：采用精度高、实时性能好的微机械机电惯性导航系统作为船体运动的测量元件，通过加速度、角速度信息解算出船体的方位角、横滚角、俯仰角、角速度、加速度、欧拉角及四元数信息，通过具有适当增益的滤波器及算法保证其测量精度，姿态运动参数通过非线性补偿、正交补偿、温度补偿等多种补偿策略的应用，可大大消除误差，提高测量精度。
66.在舷梯末端与塔台抵靠处(登乘点)，装有多维力传感器,用于测量因平台运动补偿不到位时的力值变化，根据智能空间坐标变换算法实时解算出平台应该调整的变化位姿及角度输入值。
67.对海浪谱运动，采用pid控制算法，在每一个采样时刻，根据获得的当前测量信息，在线求解一个有限时间开环优化问题，并将得到的控制序列的第一个元素作用于被控对象。在下一个采样时刻，重复上述过程：用新的测量值作为此时预测系统未来动态初始条件，刷新优化问题并重新求解。
68.通过电动缸2、横摇电动缸8及升沉电动缸15的伸缩，通过控制系统、传感器采集到的船摇及升沉运动信号等对上述执行元件的驱动器发出反补偿运动指令，实现包括纵、横摇、升沉运动及其复合运动的反补偿运动，使随动支撑3及升沉电动缸15始终保持垂直于大地坐标系水平面，使上平台1始终保持水平状态，并由升沉电动缸15的伸缩抵消运维船升沉运动来实现上平台的相对水平和稳定。系统升沉最大行程为1300mm，系统开机时自动预升至中立位，中立位至停机位及最高位分别为650mm，即升沉补偿能力为
±
650mm。
69.另外，随动支撑铰支座6反常规的设于多自由度主动补偿稳定登乘系统的最下方，使上平台1为定平台，下平台为动平台(一般设于最上方，上平台为动平台，下平台为定平台)，其目的在于使其运动回转中心尽可能的接近船体运动坐标系x轴即船体摇摆轴(稳心)位置，使本不能实现因摇摆形成的水平位置变化量的补偿成为可能。而且这种线位移的补偿与摇摆角位移的补偿是同时完成的，达到了事半功倍的效果(参见图3至图5)。
70.本实用新型的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本实用新型的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种多自由度主动补偿稳定登乘装置，其特征在于,4个下铰支座以x轴、y轴为基准十字分布安装于下平台，随动支撑铰支座的底座与下平台在z轴中心位置固连，4个上铰支座安装于随动支撑上端法兰周围，相对于x轴、y轴两两对应并均布安装，随动支撑底部与随动支撑铰支座上面固连，升沉电动缸上端法兰与随动支撑上端法兰固连，纵摇电动缸在y方向一侧与同方向上铰支座、下铰支座分别固连，横摇电动缸上端、下端在x方向一侧与同方向上铰支座、下铰支座分别固连，升沉电动缸在z向垂直安装于随动支撑内，升降缸及法兰与随动支撑及法兰连接，升沉电动缸的缸杆与回转支承的定盘即从动轮固连，上平台与回转支承的动盘固连，两个阻尼缸分别在x方向、y方向相对于横摇电动缸、纵摇电动缸镜像安装于对应的上铰支座及下铰支座，上平台中间框架结构与回转支承的动盘固连，回转伺服电机与上平台固连，回转伺服电机上的主动轮与回转支承的定盘即从动轮的外齿圈调整啮合间隙后固连。

技术总结
一种多自由度主动补偿稳定登乘装置，属于海洋工程运维安全技术领域。4个下铰支座以X轴、Y轴为基准十字分布安装于下平台，随动支撑铰支座的底座与下平台在Z轴中心位置固连，4个上铰支座安装于随动支撑上端法兰周围，相对于X轴、Y轴两两对应并均布安装，随动支撑底部与随动支撑铰支座上面固连，升沉电动缸上端法兰与随动支撑上端法兰固连，纵摇电动缸在Y方向一侧与同方向上铰支座、下铰支座分别固连，结构紧凑，整体占用空间小，采用串并混联式结构，实时补偿稳定性好，成本相对较低，满足4级及以下海况下安全稳定登乘需要，特别适用于海上小型运维船(CTV)，尤其是可在现有CTV运维船基础上进行智能化稳定登乘系统的升级改造。上进行智能化稳定登乘系统的升级改造。上进行智能化稳定登乘系统的升级改造。


技术研发人员：张杰 宋建瓴 于红民
受保护的技术使用者：北京星光凯明智能科技有限公司
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/7/4