【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及船舶，尤其涉及一种基于激光雷达的高精度栈桥主动波浪补偿系统及方法。
技术介绍
1、海上风电需要维修和定期维护，通常通过栈桥连接船舶和风电塔，以便工作人员到风电塔上进行检修。船舶由于受到风浪气流等因素的影响会发生波浪运动，导致栈桥输送工作人员时存在安全隐患，一般通过栈桥主动波浪补偿来补偿船舶的波浪运动，从而保持栈桥与风电塔的相对静止，保证工作人员通过栈桥的安全性。
2、栈桥一般具有回转、变幅以及伸缩关节，在主动波浪补偿时，船舶需开启动力定位来补偿船舶的横荡、纵荡以及艏摇，通常依靠姿态传感器采集船舶的纵摇、纵荡和升沉信息，通过运动反解计算出栈桥维持栈桥末端稳定的回转、变幅以及伸缩目标位置，最后控制各关节运动到目标位置。但是在实际使用过程中，船舶动力定位精度通常为1.5-2m，而栈桥末端的补偿精度需在20cm以内，因此单纯靠动力定位来补偿船舶的横荡和纵荡不能满足栈桥主动波浪补偿的要求，无法保证栈桥的波浪补偿精度。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于激光雷达的高精度栈桥主动波浪补偿系统及方法，其通过激光雷达所测距离计算船舶残余纵荡，从而提高栈桥主动波浪补偿的精度，提高栈桥工作的安全性。
2、本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
3、一种基于激光雷达的高精度栈桥主动波浪补偿系统，包括栈桥本体、激光雷达、姿态传感器、测角传感器、位移传感器、控制器和控制机构，所述栈桥本体上设有回转关节、变幅关节和伸缩关节，所述控制
4、进一步地，所述激光雷达测距范围为0.1-100m，水平视场角为360°，垂直视场角为3°-89°。
5、一种基于激光雷达的高精度栈桥主动波浪补偿方法，采用上述主动波浪补偿系统，主要包括以下步骤：
6、s1、建立坐标系；将船舶在静水状态下栈桥本体末端搭接到风电塔时作为初始状态，以此时船舶旋转中心为原点o建立直角坐标系；
7、s2、计算船舶残余纵荡量；所述激光雷达、姿态传感器、位移传感器、测角传感器反馈数据到控制器，所述控制器计算船舶残余纵荡量；
8、s3、计算各关节目标位置量；所述控制器计算维持栈桥本体末端稳定时变幅关节和伸缩关节的目标位置；
9、s4、控制各关节运动到目标位置；所述控制器根据计算的目标位置使得控制机构控制变幅关节和伸缩关节运动到目标位置，完成波浪补偿。
10、进一步地，所述步骤s2中，船舶残余纵荡量计算方法为：
11、s21、计算初始状态下所述激光雷达所在点d点的坐标；初始状态下所述激光雷达与变幅关节旋转中心点a点之间的距离为ld，所述变幅关节旋转中心点a点与坐标系原点o点之间的横向距离为ls0，栈桥本体高度为hq，所述测角传感器测得变幅关节的倾斜角度为α，b点为所述激光雷达在a点所在水平面上的投影点，初始状态下所述激光雷达所在点d点的坐标为(ld*cosα-ls0，ld*sinα+hq)；
12、s22、计算船舶发生升沉、纵摇时所述激光雷达所在点d’点的坐标；船舶在发生升沉、纵摇、纵荡时，所述姿态传感器检测到船舶升沉高度为h，纵摇角度为p，纵荡距离为s；先计算船舶升沉高度为h、纵摇角度为p时所述激光雷达所在点d’点的坐标，所述激光雷达所在点d’点的坐标为d’＝d*r(p)+(0，h)，其中r(p)为旋转矩阵，其表达式为
13、s23、计算激光雷达所在点的横坐标变化量△x；△x＝d’(x)-d(x)＝(ld*cosα-ls0)(cosp-1)-(ld*sinα+hq)*sinp，其中，d’(x)与d(x)分别表示d’点与d点的横坐标；
14、s24、计算船舶残余纵荡量s’；初始状态下所述激光雷达测量其所在点d点与风电塔之间的距离为lx0，船舶纵荡距离为s时所述激光雷达测量其所在点dt点与风电塔之间的距离为lxt，船舶残余纵荡量s’＝lxt-lx0-△x。
15、进一步地，所述步骤s3中，所述伸缩关节的目标位置量计算方法为：
16、s31、计算初始状态下所述变幅关节旋转中心点a点在o坐标系中的坐标；所述步骤s21中，已知所述变幅关节旋转中心点a点与坐标系原点o点之间的横向距离为ls0，栈桥本体高度为hq，a点坐标为(-ls0，hq)；
17、s32、计算初始状态下所述栈桥本体末端e点在o坐标系中的坐标；所述位移传感器测得初始状态下变幅关节旋转中心点a点与栈桥本体末端e点之间的距离为栈桥本体初始长度lp，所述测角传感器测得变幅关节的倾斜角度为α，c点为所述栈桥本体末端e点在a点所在水平面上的投影，初始状态下所述栈桥本体末端e点的坐标为(lp*cosα-ls0，lp*sinα+hq)；
18、s33、计算船舶发生升沉、纵摇、纵荡时所述变幅关节旋转中心点at点在o坐标系中的坐标；船舶升沉高度为h、纵摇角度为p、纵荡距离为s时，所述变幅关节旋转中心点at点的坐标为at＝a*r(p)+(0，h)+(s’，0)，其中r(p)为旋转矩阵，其表达式为s’为步骤s24中的船舶残余纵荡量；
19、s34、计算所述伸缩关节的目标位置量；所述栈桥本体末端e点为稳定点，e点坐标在船舶运动时不发生改变，所述变幅关节旋转中心点at点与栈桥本体末端e点之间的距离其中，ex为e点横坐标，atx为at点横坐标，ey为e点纵坐标，aty为at点纵坐标。
20、进一步地，所述步骤s3中，所述变幅关节的目标位置量计算方法为：
21、s35、计算所述变幅关节的目标位置量；所述变幅关节旋转中心点at点在风电塔上的横向投影点为rt点，∠estrt为变幅关节角β，其中，ex为e点横坐标，atx为at点横坐标。
22、进一步地，所述步骤s4中，所述控制机构控制伸缩关节运动至栈桥本体长度为lt，控制变幅关节运动至变幅角度为β，完成波浪补偿。
23、综上所述，本专利技术具有以下有益效果：
24、本专利技术中通过利用设置在栈桥本体靠近末端下方的激光雷达测量其与风电塔之间的距离，配合变幅关节处测角传感器测得的变幅关节角度、姿态传感器测得的出船舶升沉高度、纵摇角度、纵荡距离等，计算船舶的残余纵荡量，且残余纵荡量及各关节目标位置量计算方法简单，计算精度高，能够有效提高主动波浪补偿的精度，保证船舶发生波浪运动时栈桥本体末端与风电塔之间保持静止，提高栈桥工作的安全性，且环境适本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于激光雷达的高精度栈桥主动波浪补偿系统，其特征在于：包括栈桥本体(1)、激光雷达(3)、姿态传感器(4)、测角传感器(5)、位移传感器(6)、控制器(7)和控制机构(8)，所述栈桥本体(1)上设有回转关节(11)、变幅关节(12)和伸缩关节(13)，所述控制机构(8)与对应的回转关节(11)、变幅关节(12)及伸缩关节(13)控制连接，控制所述栈桥本体(1)进行回转、变幅和伸缩运动；所述激光雷达(3)安装在栈桥本体(1)靠近末端的下方，所述姿态传感器(4)安装在回转关节(11)所在位置的船舶甲板上，所述测角传感器(5)安装在变幅关节(12)处，所述位移传感器(6)安装在伸缩关节(13)处；所述激光雷达(3)、姿态传感器(4)、测角传感器(5)及位移传感器(6)与控制器(7)通信反馈连接，所述控制器(7)与控制机构(8)通信控制连接；所述控制器(7)根据反馈数据计算维持栈桥本体(1)末端稳定时变幅关节(12)和伸缩关节(13)的目标位置，并通过所述控制机构(8)控制变幅关节(12)和伸缩关节(13)运动到目标位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的高
3.一种基于激光雷达的高精度栈桥主动波浪补偿方法，其特征在于：采用权利要求1-2中任意一项所述的主动波浪补偿系统，主要包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种基于激光雷达的高精度栈桥主动波浪补偿方法，其特征在于：所述步骤S2中，船舶残余纵荡量计算方法为：
5.根据权利要求4所述的一种基于激光雷达的高精度栈桥主动波浪补偿方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述伸缩关节(13)的目标位置量计算方法为：
6.根据权利要求5所述的一种基于激光雷达的高精度栈桥主动波浪补偿方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述变幅关节(12)的目标位置量计算方法为：S35、计算所述变幅关节(12)的目标位置量；所述变幅关节(12)旋转中心点At点在风电塔(2)上的横向投影点为Rt点，∠EStRt为变幅关节(12)角β，其中，Ex为E点横坐标，Atx为At点横坐标。
7.根据权利要求6所述的一种基于激光雷达的高精度栈桥主动波浪补偿方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述控制机构(8)控制伸缩关节(13)运动至栈桥本体(1)长度为Lt，控制变幅关节(12)运动至变幅角度为β，完成波浪补偿。
...【技术特征摘要】
1.一种基于激光雷达的高精度栈桥主动波浪补偿系统，其特征在于：包括栈桥本体(1)、激光雷达(3)、姿态传感器(4)、测角传感器(5)、位移传感器(6)、控制器(7)和控制机构(8)，所述栈桥本体(1)上设有回转关节(11)、变幅关节(12)和伸缩关节(13)，所述控制机构(8)与对应的回转关节(11)、变幅关节(12)及伸缩关节(13)控制连接，控制所述栈桥本体(1)进行回转、变幅和伸缩运动；所述激光雷达(3)安装在栈桥本体(1)靠近末端的下方，所述姿态传感器(4)安装在回转关节(11)所在位置的船舶甲板上，所述测角传感器(5)安装在变幅关节(12)处，所述位移传感器(6)安装在伸缩关节(13)处；所述激光雷达(3)、姿态传感器(4)、测角传感器(5)及位移传感器(6)与控制器(7)通信反馈连接，所述控制器(7)与控制机构(8)通信控制连接；所述控制器(7)根据反馈数据计算维持栈桥本体(1)末端稳定时变幅关节(12)和伸缩关节(13)的目标位置，并通过所述控制机构(8)控制变幅关节(12)和伸缩关节(13)运动到目标位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的高精度栈桥主动波浪补偿系统，其特征在于：所述激光雷达(3)测距范围为0.1-100m，水...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑文彬，张钧富，钱宏，龚海华，信光成，
申请(专利权)人：南通鹏瑞海工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。