一种伸缩式栈桥系统及其控制方法
阅读说明：本技术 一种伸缩式栈桥系统及其控制方法 (Telescopic trestle system and control method thereof ) 是由 蔡东伟 徐林 胡贯勇 孟旭 秦一飞 于 2019-11-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种伸缩式栈桥系统及其控制方法,安装于支持平台或支持船上,包括设于所述支持平台或支持船上的圆筒体,所述圆筒体上通过回转机构连有回转底盘,所述回转底盘上设有液压泵站和驾驶室,所述回转底盘上连有栈桥固定段,所述液压泵站通过变幅机构与所述栈桥固定段相连,所述栈桥固定段前端通过伸缩机构连有栈桥移动段,所述栈桥移动段前端上设有着床装置和斜梯；还包括运动补偿控制系统,所述运动补偿控制系统,包括滤波器模块和控制器模块。本发明解决了海上恶劣海况下人员的安全输送,又可提供电、水、油、泥浆的输送。(The invention discloses a telescopic trestle system and a control method thereof, wherein the telescopic trestle system is arranged on a supporting platform or a supporting ship and comprises a cylinder body arranged on the supporting platform or the supporting ship, the cylinder body is connected with a rotary chassis through a rotary mechanism, the rotary chassis is provided with a hydraulic pump station and a cab, the rotary chassis is connected with a trestle fixing section, the hydraulic pump station is connected with the trestle fixing section through an amplitude varying mechanism, the front end of the trestle fixing section is connected with a trestle moving section through a telescopic mechanism, and the front end of the trestle moving section is provided with a landing device and an inclined ladder; the motion compensation control system comprises a filter module and a controller module. The invention solves the problem of safe transportation of personnel under severe sea conditions at sea and can also provide the transportation of electricity, water, oil and slurry.)
技术领域
本发明涉及栈桥设备，更具体地说，涉及一种伸缩式栈桥系统及其控制方法，尤其适用于半潜式支持平台、海工支持船、风电运维船、海工交通船、领航船、救援船。
背景技术
随着海上风电以及石油开采行业的高速发展，在钻井平台、FPSO、风电安装等海上项目的人员轮换和维护人员上下船，传统都是采用吊笼、船舷斜梯、直升飞机等来进行上下船的工作。但是吊笼安全性不足的问题日益显露，船舷斜梯受风浪的影响限制条件太多，直升飞机的经济性又太低。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种伸缩式栈桥系统及其控制方法，解决了海上恶劣海况下人员的安全输送，又可提供电、水、油、泥浆的输送。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，一种伸缩式栈桥系统，安装于支持平台或支持船上，包括设于所述支持平台或支持船上的圆筒体，所述圆筒体上通过回转机构连有回转底盘，所述回转底盘上设有液压泵站和驾驶室，所述回转底盘上连有栈桥固定段，所述液压泵站通过变幅机构与所述栈桥固定段后端相连，所述栈桥固定段前端通过伸缩机构连有栈桥移动段，所述栈桥移动段前端上设有着床装置和斜梯；
还包括运动补偿补偿控制系统，所述运动补偿补偿控制系统，包括滤波器模块和控制器模块；
所述滤波器模块用以估算所述支持平台或支持船的六自由度运动；
所述控制器模块为所述滤波器模块的输入，根据所述支持平台或支持船的六自由度运动状态，计算出变幅机构的目标行程、回转机构的目标角度和伸缩机构的目标角度。
所述变幅机构，包括两个连于所述液压泵站上的油缸，一个所述油缸上的活塞杆与所述回转底盘相连，另一个所述油缸上的活塞杆与所述栈桥固定段相连。
所述回转机构，包括依次连接的驱动装置、减速箱和齿轮，及设于所述回转底盘上的回转轴承，所述齿轮与所述回转轴承相啮合。
所述伸缩机构，包括设于所述栈桥固定段前端上并依次连接的驱动装置、减速箱和齿轮，及设于所述栈桥移动段后端的齿条，所述齿轮与所述齿条相啮合或由一台交流变频电动机或液压马达驱动，马达通过梅花型弹性联轴器(高速联轴器)与减速箱输入轴相连。钢丝绳卷筒通过齿形卷筒联轴器(低速联轴器)与减速箱输出轴相连。高速联轴器和卷筒联轴器将马达产生的驱动力矩经减速箱放大后传递到卷筒上，从而通过钢丝绳牵引向前或向后运行。
所述栈桥固定段前端与所述栈桥移动段后端之间还设有若干个滚轮。
另一方面，一种伸缩式栈桥系统的控制方法，所述运动补偿补偿控制，包括位置补偿控制和位置接触力并行补偿控制；
所述位置补偿控制用以补偿由于所述支持平台或支持船六自由度运动引起的所述栈桥移动段前端运动；
所述位置接触力并行补偿控制为在所述位置补偿控制的基础上还需对所述栈桥移动段前端接触力的控制；
通过测量传感系统实时测得当前所述栈桥移动段前端运动、接触力与目标设定值通过运动学逆解计算得关节指令，将关节指令关节到执行器运动变换计算出执行器的目标状态，从而控制变幅机构的目标行程、回转机构的目标角度和伸缩机构的目标角度，再将变幅机构的目标行程、回转机构的目标角度和伸缩机构的目标角度的测量值实时反馈，实现通过对所述栈桥移动段前端施加外部因素响应运动的反向运动而抵消外部因素对所述栈桥移动段前端的影响。
所述运动学逆解计算，具体如下：
确定所述栈桥移动段前端的坐标系
上式中，PtipX,PtipY,PtipZ为在坐标系{0}中所述栈桥移动段前端的位置，θ1为回转机构角度，θ2为变幅机构角度，d3为伸缩机构行程，L4为所述栈桥固定段与所述栈桥移动段之间的伸缩长度；
已知所述栈桥移动段前端位置后可以通过公式(2)计算回转机构角度、变幅机构角度和伸缩机构的行程。
所述变幅机构角度与所述变幅机构中油缸行程的关系如下：
γ+α+θ2＝90° (4)
其中
由公式(3)、(4)得：
对于下支撑油缸的变幅机构中油缸行程的关系如下：
其中
所述回转角度与所述回转机构中所述驱动装置角度的关系如下：
ss＝iθ1 (7)
上式中，i为回转与所述回转机构中所述驱动装置的传动比；
所述伸缩行程与所述伸缩机构中驱动装置角度的关系如下：
st＝i′d3 (8)
上式中，i′为伸缩行程与所述伸缩机构中驱动装置的比例系数。
所述关节到执行器运动变换，具体如下：
通过关节到执行器运动的变换公式(9)计算出执行器的目标状态，即回转机构的目标角度、变幅机构的目标行程和伸缩机构的目标角度。
所述执行器通过控制比例换向阀液压油的流动，调整执行器的目标角度和行程，具体P I D控制如下：
上式中，其中u为控制量，Kp,Ki,Kd为PID的参数，Sact为执行器的目标角度和行程的测量值。
在上述的技术方案中，本发明所提供的一种伸缩式栈桥系统及其控制方法，具有主动运动补偿能力，可适应多种海况条件，具有高度的冗余安全设计，能够确保人员的安全输送，可提供接触(长时)或非接触式(短时)的搭接模式，适应多种船型，圆筒体可以是固定的，也可以是升降的，升降包括：齿轮齿条式、油缸插销式、油缸升降式、轨道升降式、钢丝绳升降式等。伸缩式栈桥系统安装方式灵活，可适应对固定式目标平台及浮动式目标平台的人员转移和救援。
附图说明
图1是本发明伸缩式栈桥系统的主视图；
图2是图1伸缩式栈桥系统的俯视图；
图3是本发明伸缩式栈桥系统控制方法的控制算法框图；
图4是图3统控制方法中运动学逆解计算的栈桥坐标系示意图；
图5是图4运动学逆解计算中变幅机构角度与变幅机构中油缸行程的关系图；
图6是下支持油缸方式的变幅机构中油缸行程的关系图。
图7是支持平台或支持船六自由度的示意图；
图8是船舶波频运动通过系统的响应图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
请结合图1至图2所示，本发明所提供的一种伸缩式栈桥系统，安装于支持平台或支持船100上，包括设于所述支持平台或支持船100上的圆筒体1，所述圆筒体1上通过回转机构2连有回转底盘3，所述回转底盘3上设有液压泵站4和驾驶室5，所述回转底盘3的前端上通过销轴上连有栈桥固定段6，所述液压泵站4通过变幅机构7与所述栈桥固定段6相连，所述栈桥固定段6前端通过伸缩机构8连有栈桥移动段9，由所述栈桥固定段6和所述栈桥移动段9构成栈桥，所述栈桥移动段9前端上设有着床装置10和斜梯11，用以搭接在目标平台或船的甲板面200上，供人员上下以及栈桥搭接时提供缓冲。所述驾驶室5安装在所述回转底盘3上，位于所述栈桥固定段6的侧面，控制栈桥的操作。
较佳的，所述变幅机构7，包括两个连于所述液压泵站4上的油缸，一个所述油缸上的活塞杆与所述回转底盘3相连，另一个所述油缸上的活塞杆与所述栈桥固定段6相连，用以提供栈桥的仰起或下降动作。
较佳的，所述回转机构2，包括依次连接的驱动装置(液压马达或电机)、减速箱和齿轮，及设于所述回转底盘3上的回转轴承12，所述齿轮与所述回转轴承12相啮合，用以提供栈桥的回转动作。
较佳的，所述伸缩机构8，包括设于所述栈桥固定段6前端上并依次连接的驱动装置(液压马达或电机)、减速箱和齿轮或伸缩钢丝绳驱动卷筒，及设于所述栈桥移动段9后端的齿条，所述齿轮与所述齿条相啮合，通过所述齿轮沿安装在所述栈桥移动段9后端的齿条前进或后退动作或钢丝绳从伸缩驱动卷筒上绕出后，沿着下述路径缠绕：机构卷筒→钢丝绳张紧装置→伸缩桁架上的固定端及改向滑轮→回到卷筒。伸缩桁架的运行方向，可通过改变马达的转向来进行切换。。
较佳的，所述栈桥固定段前端6与所述栈桥移动段后端7之间还设有若干个滚轮，用以辅助所述齿轮沿安装在所述栈桥移动段9后端的齿条前进或后退动作。
较佳的，还包括运动补偿控制系统，所述运动补偿控制系统，包括滤波器模块和控制器模块。
较佳的，所述滤波器模块用以估算所述支持平台或支持船100的六自由度运动。
较佳的，所述控制器模块为所述滤波器模块的输入，根据所述支持平台或支持船100的六自由度运动状态，计算出变幅机构7的目标行程、回转机构2的目标角度和伸缩机构8的目标角度。
较佳的，所述变幅机构7、所述回转机构2和所述伸缩机构8通过所述运动补偿控制系统实现栈桥的搭接、工作、撤离和锁定。
另外，本发明伸缩式栈桥系统的液压系统采用蓄能器+液压泵-马达及油缸构成能量转换装置来储存/释放栈桥液压系统能量。
电液系统通过冗余方案设计实现栈桥安全性，配置两个主电机分别驱动相同功能的液压泵组；配置UPS以保证主电源和应急电源切换过程中控制系统的持续有效；采用蓄能器为吸能蓄能装置，在动力电源失效的情况下，依靠蓄能器储存的能量可安全把栈桥撤回并停在安全位。
液压系统采用电液比例控制实现流量、压力按比例的随输入控制信号变化。电气控制系统通过采集动作执行终端的传感器信号，通过系统信号处理及控制给定的修正，调节液压系统的动力输出实现闭环回路控制,从而满足与目标浮体间相对运动补偿功能的要求。
如图3所示，一种伸缩式栈桥系统的控制方法，所述运动补偿控制，包括位置补偿控制和位置接触力并行补偿控制；
较佳的，所述位置补偿控制用以补偿由于所述支持平台或支持船100六自由度运动引起的所述栈桥移动段9前端(即为栈桥末端)运动。
较佳的，所述位置接触力并行补偿控制为在所述位置补偿控制的基础上还需对栈桥末端接触力的控制。
通过测量传感系统实时测得当前栈桥末端运动、接触力与目标设定值通过运动学逆解计算得关节指令，将关节指令关节到执行器运动变换计算出执行器的目标状态，从而控制变幅机构7的目标行程、回转机构2的目标角度和伸缩机构8的目标角度，再将变幅机构7的目标行程、回转机构2的目标角度和伸缩机构8的目标角度的测量值实时反馈，实现通过对栈桥末端施加外部因素(如波浪)响应运动的反向运动而抵消外部因素对栈桥末端的影响。
较佳的，所述测量传感系统主要用于测量船舶六个自由度的运动，其中位置参考系统(如DGPS)，用于测量船舶在水平面内的运动；运动参考单元(如MRU)，用于测量船舶在垂直面内的深沉、纵倾和横倾运动；艏向角测量(如电罗经)，用于测量船舶的艏向角。
如图4和图5所示，所述运动学逆解计算，具体如下：
确定栈桥坐标系
上式中，PtipX,PtipY,PtipZ为在坐标系中{0}栈桥末端的位置，θ1为回转机构2角度，θ2为变幅机构7角度，d3为伸缩机构8行程，L4为所述栈桥固定段6与所述栈桥移动段9之间的伸缩长度，L1为所述圆筒体1的高度。
已知栈桥末端位置后可以通过公式(2)计算回转机构2角度、变幅机构7角度和伸缩机构8的行程。
如图5所示，所述变幅机构7角度与所述变幅机构7中油缸行程的关系如下：
γ+α+θ2＝90° (4)
其中
由公式(3)、(4)得：
上式(3)、(4)、(5)中，sl为变幅油缸的总长度，d为主桥高度，θ2为变幅角，a为A架高度，b为下铰点到a架立柱距离，c为下铰点到上部油缸后铰点距离。
如图6所示，对于下支撑油缸的变幅机构中油缸行程的关系如下：
其中
上式中，该图对应下支持油缸方式的变幅机构，sl为变幅油缸的总长度，a1、a2、b1、b2为油缸安装铰点与变幅机构铰点的相对位置。
较佳的，所述回转角度与所述回转机构2中所述驱动装置角度的关系如下：
ss＝iθ1 (7)
上式中，i为回转与所述回转机构2中所述驱动装置的传动比。
较佳的，所述伸缩行程与所述伸缩机构8中驱动装置角度的关系如下：
st＝i′d3 (8)
上式中，i′为伸缩行程与所述伸缩机构8中驱动装置的比例系数。
较佳的，所述关节到执行器运动变换，具体如下：
通过关节到执行器运动的变换公式(9)计算出执行器的目标状态，即回转机构的目标角度、变幅机构的目标行程和伸缩机构的目标角度。
较佳的，所述执行器通过控制比例换向阀液压油的流动，调整执行器的目标角度和行程，具体P I D控制如下：
上式中，其中u为控制量，Kp,Ki,Kd为PID的参数，Sact为执行器的目标角度和行程的测量值。
如图7所示，船体坐标系，船舶的六自由度运动中纵荡、横荡和垂荡是刚体平动，刚体(船体300)上任意一点的平动是相同的，补偿这部分的运动可取直接将船舶重心的反向运动，即：
其中xwv,ywv,zwv为船体300的纵荡、横荡和垂荡。
P点为船体300上任意一点，其距离坐标原点(重心)的位置P＝[x y z]T，由于船舶纵摇、横摇和艏摇引起的P点位置的变换为：
P′＝J1P (12)
其中P′为刚体系旋转后的位置，J1欧拉角旋转矩阵：
由转动引起的位移为：
由此对转动运动的补偿为：
因此综上由为了补偿船舶六自由度的运动栈桥末端的目标位置为：
注意：船体坐标系的X轴为栈桥坐标系的Y轴，船体坐标系的Y轴为栈桥坐标系的X轴。
另外，实际情况中也可以将栈桥末端接触力引入到运动补偿控制系统中，即通过在被跨接的物体上施加一个适当的接触力，接触力的控制是通过栈桥增加x方向的位移实现的：
其中xf为在栈桥坐标系{0}中X向的位移。
接触力的控制方法如下：
xf＝Kp(Fd-Fact)+Ki∫(Fd-Fact)dt (17)
其中Fd,Fact为目标接触力和实际接触力，Kp,Ki为控制器的比例项和积分项参数。
如图8所示，传感器测量数据通过滤波处理后作为控制器的输入数据。该系统通过KALMAN滤波算法，在测量数据中分离出船舶的波频运动。由于KALMAN滤波是一种基于模型的滤波算法，因此首先要对船舶的波频运动进行建模。
假设波高和船舶某自由度运动可以用线性系统来近似，因此船舶某自由度的输出谱密度Sy(ω)等于输入谱密度Sζ(ω)乘以系统的G(iw)，即Sy(ω)＝Sζ(ω)|G(iω)|2，G(iω)就是RAO(ω,β)，RAO(ω,β)可以通过软件计算。用如下的传递函数来描述高频运动：
因此
如果已知输入波谱和传递函数，式中的常数是可通过最小二乘法求得的，也可作为参数进行在线辨识。
将上述传递函数转换到状态空间模型：
其中：输入n代表零均值高斯白噪声；yw代表各个自由度方向上的波频运动。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
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