一种升沉补偿的三自由度船载稳定平台制造技术

针对船载设备由于海浪干扰产生摇摆的问题，设计一种升沉补偿的三自由度船载稳定平台。本发明专利技术装置由减横摇外环、减纵摇内环、升沉补偿系统、PLC控制箱、双向阻尼器、多角度传感器、超声波距离传感器、波高观测系统、横纵摇伺服系统和载物平台等部分组成。减横摇外环、减纵摇内环和升沉补偿系统保持载物平台在横纵摇及升沉方向的位置恒定，采用角度传感器测量横、纵摇角信号，进而驱动横、纵摇伺服系统，抑制装置在横纵摇方向的运动，利用波高观测系统获取波高后计算补偿后期望位置，带入阻抗公式获得系统输出力，补偿升沉方向的干扰。本发明专利技术对载物平台的横、纵摇及升沉三自由度分别进行干扰补偿，本装置的稳定性强，响应速度快，控制精度高。精度高。精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种升沉补偿的三自由度船载稳定平台


[0001]本专利技术属于船载特辅装备，尤其涉及一种升沉补偿的三自由度船载稳定平台装置。

技术介绍

[0002]船载稳定平台作为一类常见的船载装备，被广泛应用于辅助人员和货物转运、吊装作业、医疗急救方面。由于海浪干扰会对各类作业与人员安全性产生影响。因此，对于安装在甲板平面的稳定平台的横摇角，纵摇角进行抑制，对装置升沉运动进行补偿，对保持载物平台上各类作业的精确性和稳定性具有重要意义。
[0003]目前，常见的稳定平台鲜有能对升沉运动进行补偿的装置出现，且多数装置属于被动控制，其控制精度和响应速度相对较差。中国专利CN105173024A三自由度液压驱动重载稳定平台，其机械结构在高海况下适应性差，本专利具有更大的极限角度并对结构进行了建模分析，且该专利所使用的滚珠结构面对高频升沉运动会对其机械结构造成损伤。中国专利CN103760811舰载重型稳定平台在横、纵摇可进行一定程度的减摇，但其二自由度对于升沉运动无法进行补偿，会增大机械结构的承重能力，且其减摇方法属于被动减摇。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种升沉补偿的三自由度船载稳定平台，可对装置在三自由度的位置偏移进行有效抑制，解决船载设备在各类复杂海况下横摇、纵摇和升沉运动的问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术设计了一种升沉补偿的三自由度船载稳定平台，主要由刚性固定架，刚性连杆，减横摇外环，差速连杆一，横摇伺服系统，横摇角度传感器，减纵摇内环，差速连杆二，纵摇伺服系统，纵摇角度传感器，升沉补偿系统，双向阻尼器，升沉角度传感器，超声波距离传感器，滑动筒，铰链，波高观测系统，PLC控制箱，载物平台。本专利技术还可以包括：
[0006]刚性固定架与减横摇外环，减横摇外环与减纵摇内环，减纵摇内环与升沉补偿系统依次通过刚性连杆，差速连杆一，差速连杆二连接。横、纵摇角度传感器采集的横、纵摇信号后，PLC控制箱控制横、纵摇伺服系统，从而驱动执行机构差速连杆进行横、纵摇自由度的运动抑制；PLC控制箱获取波高观测系统测得波高，后计算双向阻尼器需要补偿的位移量，带入阻抗模型后输出参考力，从而使得载物平面保持位置恒定。
[0007]减横、纵摇装置结构设计：
[0008]甲板平台放置刚性固定架，底端与母船甲板直接连接，弧形底座内部通过刚性连杆沿着OY方向安装减横摇外环装置；减纵摇内环装置设置在减横摇外环装置内部，其半径小于外环装置，减横摇装置和减纵摇装置之间通过差速连杆一进行连接，其方向沿着OX方向，减横摇外环内面上安装横摇角度传感器，用以测量减横摇外环的横摇角度θ
x
，差速连杆一上装有横摇伺服系统，在采集横摇角θ
x
后驱动执行机构差速连杆一，进行横摇自由度的
运动抑制；减纵摇装置和升沉补偿系统之间通过差速连杆二进行连接，其方向沿着OY垂直于差速连杆一，减纵摇内环内面上装有纵摇角度传感器，用以测量减纵摇内环的纵摇角度θ
y
，差速连杆二上安装有纵摇伺服系统，在采集纵摇角θ
y
后驱动执行机构差速连杆二，进行纵摇自由度的运动抑制。
[0009]升沉补偿机构结构设计：
[0010]升沉补偿系统安装在减纵摇装置内部空间，主要由六块刚性支撑、两块装有滑动筒的竖向刚性支撑和一个双向阻尼器组成；两块安装滑动筒的刚性支撑套接在差速连杆二上，当补偿位置接近极限位置时将锁死装置，避免与减纵摇内环发生碰撞，从而保护设备安全；另外两块竖向刚性支撑之间安装双向阻尼器，可在OX方向进行运动补偿；四块刚性支撑下端通过铰链在X,Y方向与四块竖向刚性支撑连接，上端设置铰链与载物平台相连；PLC控制箱控制双向阻尼器进行补偿时，使斜向支撑绕上端铰链进行转角大小为φ
z
的旋转，目的是减小斜向刚性支撑在OZ方向的位移，后升沉角度传感器测量偏转角度，PLC控制箱将实际角度与φ
z
进行比较后判断误差是否在允许范围内，达到闭环控制的效果，从而保持载物平台位置恒定；
[0011]所述减摇圆环，忽略其厚度后进行建模，由于减摇圆环左右为对称结构，因此对其左半部分进行分析。首先依据转动惯量定义式，求取球壳转动惯量：
[0012]J＝∫r2dm
ꢀꢀꢀ
(1)
[0013]针对半窄圆环的转动惯量，半窄圆环可视为球壳的一部分，J为球壳转动惯量，J
′
为半圆环转动惯量，r为圆环半径，m为球壳质量，R为球壳半径，c为减摇环宽度，由几何关系和窄圆环和球壳关系，引入比例因子得到：
[0014][0015]对于半圆环的质心位置，首先建立笛卡尔坐标系，L
′
为半圆弧弧长，质心坐标为r0(x,y,z)，依据对称性y＝0，z＝0。因此由质心公式可知：
[0016][0017]针对减横、纵环进行拉格朗日建模，已知系统的拉格朗日算子为：
[0018]L＝E
K
‑
E
G
ꢀꢀꢀ
(4)
[0019]L为拉格朗日函数，E
K
为系统动能，E
G
为系统势能。
[0020]设初始时刻动能为0，则运动后减横摇外环的动能为：
[0021][0022]令甲板平面为重力势能0参考面，E
Kx
为减横摇半圆环动能，为横摇角速度，J
x
为减横摇圆环转动惯量，m
x
为减横摇左半圆环质量，R
x
为减横摇环半径，c
x
为减横摇圆环宽度，则减横摇左半圆环势能为：
[0023][0024]式中，E
Gx
为减横摇左半圆环重力势能，θ
x
为横摇角，h为超声波距离传感器测得转
轴与甲板的距离，g为重力加速度。
[0025]则减横摇左半圆环进行拉格朗日动力学模型为：
[0026][0027]式中，为横摇角加速度，为横摇转动力矩。
[0028]同理，减纵摇前半圆环的拉格朗日动力学模型为：
[0029][0030]式中，m
y
为减纵摇前半圆环质量，R
y
为减纵摇前半圆环半径，c
y
为减纵摇圆环宽度，θ
y
为纵摇角，为纵摇角加速度，为纵摇转动力矩。
[0031]对于升沉补偿机构，l为刚性支撑板长，支撑结构的转动惯量为其质心在支撑结构的几何中心。
[0032]设系统初始动能为0，升沉补偿系统初始角度为φ0，在补偿后系统角度变为φ
z
。并且载物平台在升沉自由度保持位置恒定，则运动后升沉补偿系统的动能为：
[0033][0034]式中，E
kz
为升沉补偿系统动能，为升沉补偿系统转动角速度，m
z
为刚性支撑质量，系统在末位置具有的重力势能为：
[0035][0036]式中，E
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种升沉补偿的三自由度船载稳定平台，包括：刚性固定架，刚性连杆，减横摇外环，差速连杆一，横摇伺服系统，横摇角度传感器，减纵摇内环，差速连杆二，纵摇伺服系统，纵摇角度传感器，升沉补偿系统，双向阻尼器，升沉角度传感器，超声波距离传感器，滑动筒，铰链，波高观测系统，PLC控制箱，载物平台；刚性固定架与减横摇外环，减横摇外环与减纵摇内环，减纵摇内环与升沉补偿系统依次通过刚性连杆，差速连杆一，差速连杆二连接；横、纵摇角度传感器采集的横、纵摇信号后，PLC控制箱控制横、纵摇伺服系统，从而驱动执行机构差速连杆进行横、纵摇自由度的运动抑制；PLC控制箱获取波高观测系统测得波高，后计算双向阻尼器需要补偿的位移量，带入阻抗模型后输出参考力，从而使得载物平台保持位置恒定；本发明为一种升沉补偿的三自由度船载稳定平台，其特征是：(1)甲板平台放置刚性固定架，底端与母船甲板直接连接，弧形底座内部通过刚性连杆沿着OY方向安装减横摇外环装置；减纵摇内环装置设置在减横摇外环装置内部，二者之间通过差速连杆一进行连接，其方向沿着OX方向，减横摇外环内面上安装横摇角度传感器，用以测量减横摇外环的横摇角度θ
x
，差速连杆一上装有横摇伺服系统，在采集横摇角θ
x
后驱动执行机构差速连杆一，进行横摇自由度的运动抑制；减纵摇装置和升沉补偿系统之间通过差速连杆二进行连接，其方向沿着OY垂直于差速连杆一，减纵摇内环内面上装有纵摇角度传感器，用以测量减纵摇内环的纵摇角度θ
y
，差速连杆二上安装有纵摇伺服系统，在采集纵摇角θ
y
后驱动执行机构差速连杆二，进行纵摇自由度的运动抑制；(2)升沉补偿系统安装在减纵摇装置内部空间，主要由六块刚性支撑、两块装有滑动筒的竖向刚性支撑和一个双向阻尼器组成；两块安装滑动筒的刚性支撑套接在差速连杆二上，当补偿位置接近极限位置时将锁死装置，避免与减纵摇内环发生碰撞，从而保护设备安全；另外两块竖向刚性支撑之间安装双向阻尼器，可在OX方向进行运动补偿；四块刚性支撑下端通过铰链在X,Y方向与四块竖向刚性支撑连接，上端与载物平台相连；PLC控制箱控制双向阻尼器进行补偿时，使斜向支撑绕上端铰链进行转角大小为φ
z
的旋转，目的是减小斜向刚性支撑在OZ方向的位移，后升沉角度传感器测量偏转角度，PLC控制箱将实际角度与φ
z
进行比较后判断误差是否在允许范围内，达到闭环控制的效果，从而保持载物平台位置恒定；(3)对于减摇圆环，忽略其厚度后进行建模，由于减摇圆环左右为对称结构，因此对其左半部分进行分析，转动惯量定义式为：J＝∫r2dm
ꢀꢀ
(1)针对半窄圆环的转动惯量，半窄圆环可视为球壳的一部分，J为球壳转动惯量，J
′
为半圆环转动惯量，r为圆环半径，m为球壳质量，R为球壳半径，c为减摇环宽度，由几何关系和窄圆环和球壳关系，引入比例因子得到：对于半圆环质心位置，建立笛卡尔坐标系，L
′
为半圆弧弧长，质心坐标为r0(x,y,z)，依据对称性y＝0，z＝0，因此由质心公式可知：
(4)对减横、纵环进行拉格朗日建模，系统的拉格朗日算子为：L＝E
K
‑
E
G
ꢀꢀ
(4)式中，L为拉格朗日函数，E
K
为系统动能，E
G
为系统势能；设初始时刻动能为0，则运动后减横摇外环的动能为：令甲板平面为重力势能0参考面，E
Kx
为减横摇半圆环动能，为横摇角速度，J
x
为减横摇圆环转动惯量，m
x
为减横摇左半圆环质...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙明晓，张景睿，栾添添，袁晓亮，李小岗，甄立强，尹昭然，王楠，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：