CN111674511B - 一种自稳式船舶舷梯***及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自稳式船舶舷梯***及控制方法，涉及船舶靠泊舷梯领域。自稳式船舶舷梯***括六自由度液压稳定平台、舷梯平稳控制器和舷梯起升与旋转机构；六自由度液压稳定平台包括平台稳定***，平台稳定***包括液压缸顶升***及承载平台、PLC控制器及***电路、伺服信号放大处理电路、电动伺服***；船舶舷梯平稳控制器包括主控制板、船舶姿态信号采集器、串口通信模块，船舶姿态采集器用于采集船舶随浪涌、风力作用下的姿态变换实时值，并将数据发送给船舶舷梯平稳控制；舷梯起升与旋转机构包括起升电机、旋转电机、齿轮啮合装置、钢丝绳卷筒、第一起升限位器、第二起升限位器、第一旋转限位器和第二旋转限位器。

Description

一种自稳式船舶舷梯***及控制方法

技术领域

本发明涉及船舶靠泊舷梯领域，具体涉及一种自稳式船舶舷梯***及控制方法。

背景技术

大型船舶靠泊系缆完毕后，需要在第一时间完成上下船通道的架设，以迅速开通码头至大型船舶的人员往来通道。一般的船舶吨位小，人员从码头到船舶的登船梯一般由船舶自带并负责搭设。但是大型船舶人员上下船通道位置特殊，登船梯横向跨度大、通行人数多，船舶自身无法携带和搭建码头登船梯，因此必须由港口负责提供和搭建。大型船舶人员上下船通道的架设和撤收成为大型船舶驻泊港和经停港岸基保障的一项重要任务。

当前船舶舷梯主要有几大类，第一种是纯机械式的简易舷梯，没有任何电子和液压辅助，该类舷梯只能适用于小型船舶和海况非常良好的情况下。第二种是带有简易钢丝绳装置的舷梯，可以起升和旋转，完成二维的接驳操作，该舷梯能适应中小型船舶和一般6/7级风力以下的海况作业，遇到大型船舶和恶劣天气时作业容易造成行走电机和钢丝绳的损坏，严重的会有可能造成人员安全伤害。第三种轨道式舷梯，该类舷梯由行走机构、主框架、平台、驱动机构、液压控制、浮动梯等主要部分组成，比前一种适应的海况和船舶等级高一点，但是也存在移动速度慢、占地面积大等缺点。以上各种舷梯都不能实现船舶姿态的采集，当前舷梯姿态的对比，也不能实时、快速的实现多维度的姿态调整。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出了一种通过采用六自由度液压平台承载船舶机械舷梯，通过六自由度液压油缸的伸缩补偿船舶由于海浪和风力作用产生的摇摆晃动的自稳式船舶舷梯***及控制方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种自稳式船舶舷梯***，包括六自由度液压稳定平台、舷梯平稳控制器和舷梯起升与旋转机构；

六自由度液压稳定平台包括平台稳定***，平台稳定***包括液压缸顶升***及承载平台、PLC控制器及***电路、伺服信号放大处理电路、电动伺服***；

船舶舷梯平稳控制器包括主控制板、船舶姿态信号采集器、串口通信模块，船舶姿态采集器用于采集船舶随浪涌、风力作用下的姿态变换实时值，并将数据发送给船舶舷梯平稳控制；

舷梯起升与旋转机构包括起升电机、旋转电机、齿轮啮合装置、钢丝绳卷筒、第一起升限位器、第二起升限位器、第一旋转限位器和第二旋转限位器。

优选地，还包括液压站、舷梯行走通道起升平台，液压站包括伺服电机、液压泵、比例电磁阀、换向电磁阀、液压油舱、机械式油液位计、油压力表、液压管路；舷梯行走通道起升平台包括钢丝绳及卷筒、舷梯行走通道、通道及卷筒支架机构和定滑轮组。

优选地，六自由度液压稳定平台还包括底座平台、6个液压推拉缸、液压管路及接口、铰接结构体、比例信号放大电路、换向信号放大电路和伺服驱动器。

优选地，承载台包括上承载平台和下承载平台，上承载平台与过驳舷梯进行衔接锚固，当六自由度液压稳定平台自动补偿船舶姿态信息时，即可实现过驳舷梯的瞬时补偿，从而保证过驳舷梯的平稳，下承载平台与左右旋转机构进行衔接锚固，当整体舷梯左右旋转时，六自由度平台随整体实现旋转，六个液压推拉缸在伺服电机的驱动下，实现缸体的推拉，实现上平台的位姿变化。

优选地，舷梯起升与旋转机构包括支撑滚筒、起升电机及卷筒、左旋电机、右旋电机、减速器、齿轮组机构、旋转限位、触驳滑轮、钢丝绳定滑轮、过驳通道栏杆、过驳通道和电控箱；船舶舷梯平稳控制器包括***主控电路板、船舶姿态信号通讯串口、PLC信号下发通讯串口、防电磁干扰装置和DC24V电源，工作时通过硬线连接将船舶姿态信号输入给电控箱内的船舶姿态采集板；起升电机用于控制过驳通道的起降功能，当开始有过驳任务或者过驳任务完成后，需要起升电机将过驳通道升起，然后启动左旋电机或者右旋电机，完成舷梯的架设或者收回工作。

一种自稳式船舶舷梯***的控制方法，采用如上所述的自稳式船舶舷梯***，主控制板采集船体姿态信息，通过串口通信模块，将计算处理得出的补偿信号下发给PLC控制器，PLC控制器接收补偿信号进行程序内部运算，将计算结果分别发送控制信号给比例电磁阀、换向电磁阀和伺服驱动器；伺服驱动器接收到信号对数据信号进行处理和转换，伺服电机驱动液压泵转动，以驱动6个液压推拉缸；比例电磁阀收到PLC控制器的控制命令，其开关角度决定液压缸的伸缩速度；换向电磁阀接收PLC控制器的控制指令，决定液压缸是拉伸还是压缩。

优选地，补偿主控制器接收采集控制指令并记录数据帧的接收时刻，两者相减得时间差T₁，同时通过数据统计得出指令输出至液压缸动作的时间差T₂，T＝T₁+T₂两者相加得出信号通信滞后时间，并将该滞后时间代入到如式(2)所示的速度控制运算中，进行时间补偿得到实时的控制命令，最后通过液压缸驱动控制船舶舷梯；

u(k-T₁)＝(x(k+1)-x(k))/T₂ (1)；

其中，k表示接收时刻，k+1表示执行完成时刻；

T₁为计算得到的通信滞后时间；

k-T₁表示发送时刻；

T₂为速度控制量的持续作用时间，即收到指令后执行指令到完成指令所需要花费的时间；

x(k)表示k时刻船舶舷梯在X、Y、Z三个方向的运动状态；

x(k+1)表示k+1时刻六自由度液压稳定平台在X、Y、Z三个方向的运动状态；

u(k-T₁)为k-T₁时刻的速度控制量，为X、Y、Z三个方向的推进速度。

优选地，承载平台和底座平台的坐标变换矩如式(2)所示，

K＝K_x*K_y*K_z (2)

K_x为承载平台单独绕X轴旋转θ_x所得矩阵；

K_y为承载平台单独绕Y轴旋转θ_y所得矩阵；

K_z为承载平台单独绕Z轴旋转θ_z所得矩阵；

θ_x，θ_y，θ_z分别为绕X、Y、Z轴旋转量；L_x,L_y,L_z分别为沿X、Y、Z轴平移量。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供的一种基自稳式船舶舷梯***及控制方法采用六自由度液压平台作为船舶舷梯的基座，船舶姿态采集到的姿态信息发送到平稳控制器，控制器是***的主控上位机，对信息进行运算处理并下发给PLC下位控制器，PLC控制器接收上位控制信号并完成液压缸的推拉和速度控制，液压缸的推拉对应着舷梯的水平和上下位移，液压缸的推拉速度则决定舷梯运动速度，也就是船舶晃动的补偿时间，该方法可用于中、大型船舶舷梯的接驳作业，通过舷梯基座六自由度平台的多维度精确控制，保证舷梯和船舶可靠稳定链接，从而更好地保障人与货的安全通行。

附图说明

图1为自稳式船舶舷梯***的俯视图；

图2为自稳式船舶舷梯***的主视图；

图3为船舶舷梯旋转、起升控制机构图；

图4为船舶舷梯六自由度液压平台控制结构图；

图5为基于六自由度液压平台的控制器设计示意图；

图6为控制器自定义通讯协议格式图；

图7为六自由度平台坐标系示意图。

其中，1为支撑滚筒，2为起升电机及卷筒，3为左旋电机，4为右旋电机，5为电控箱，6为船舶姿态传感器，7为触驳滑轮，8为钢丝绳定滑轮，9为过驳通道栏杆，10为过驳通道，11为上承载平台，12为液压推拉缸，13为下承载平台，14为伺服驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

结合图1-图4，自稳式船舶舷梯***，包括六自由度液压稳定平台、舷梯平稳控制器和舷梯起升与旋转机构、液压站、舷梯行走通道起升平台，液压站包括伺服电机、液压泵、比例电磁阀、换向电磁阀、液压油舱、机械式油液位计、油压力表、液压管路；舷梯行走通道起升平台包括钢丝绳及卷筒、舷梯行走通道、通道及卷筒支架机构和定滑轮组。

六自由度液压稳定平台包括平台稳定***，平台稳定***包括液压缸顶升***及承载平台、PLC控制器及***电路、伺服信号放大处理电路、电动伺服***、AC380V供电电源、DC24V直流电源。AC380V电源为伺服驱动器和伺服电机供电；DC24V直流电源为PLC控制器供电，DC24V直流电源为舷梯平稳主控板供电。

船舶舷梯平稳控制器包括主控制板、船舶姿态信号采集器、串口通信模块，船舶姿态采集器用于采集船舶随浪涌、风力作用下的姿态变换实时值，并将数据发送给船舶舷梯平稳控制。船舶舷梯平稳控制器的电源电压统一为DC24V，包括船舶姿态采集处理控制器和姿态补偿主控制器，船舶姿态采集处理控制器负责信号的采集和分析上传，姿态补偿主控制器对传来的姿态信号计算出补偿差额，通过驱动六自由度平台进行补偿。是分开不同的两块控制板(部件)。采集主控板采集姿态传感器的数据并做算法处理，然后传送给姿态补偿主控制；主控制通过姿态信息的正解，获得当前停靠船舶的姿态信息，然后通过反解法计算出六自由度平台需要执行的补偿速度和补偿向量；补偿信息以控制信号的方式发送给换向阀和开关阀，换向液压阀控制液压缸推杆的推或者拉，开关阀控制液压缸推杆的推拉速度；补偿速度和补偿向量同时发送给伺服控制器，伺服控制按照给定值驱动伺服电机，带动液压泵，驱动液压缸按照给定速度和向量动作。

舷梯起升与旋转机构包括起升电机、旋转电机、齿轮啮合装置、钢丝绳卷筒、第一起升限位器、第二起升限位器、第一旋转限位器和第二旋转限位器。

六自由度液压稳定平台包括承载平台、底座平台、6个液压推拉缸、液压管路及接口、铰接结构体、PLC控制器、比例信号放大电路、换向信号放大电路和伺服驱动器。

承载台包括上承载平台和下承载平台，上承载平台与过驳舷梯进行衔接锚固，当六自由度液压稳定平台自动补偿船舶姿态信息时，即可实现过驳舷梯的瞬时补偿，从而保证过驳舷梯的平稳，下承载平台与左右旋转机构进行衔接锚固，当整体舷梯左右旋转时，六自由度平台随整体实现旋转，六个液压推拉缸在伺服电机的驱动下，实现缸体的推拉，实现上平台的位姿变化。

舷梯起升与旋转机构包括正向旋转电机、反向旋转电机、减速器、齿轮组机构、旋转限位。所述船舶舷梯平稳控制器包括***主控电路板、船舶姿态信号通讯串口、PLC信号下发通讯串口、防电磁干扰装置和DC24V电源。

平稳主控板(上位机)采集船舶姿态信息并进行数据处理和比对，将计算出的位移差通过串口发送给六自由度平台的PLC控制器(下位机)，PLC控制器读取输入信号并进行程序处理，分别将信号发给放大电路、比例电磁阀、换向电磁阀，通过信号放大电路与伺服驱动器的输入端相匹配并传给伺服驱动器，驱动器处理发送来的放大信号同时计算出伺服电机的行程、速度、加速度等参数，并将参数转化成伺服电机的实际动力输出，伺服电机的转动带动液压泵从而驱动液压缸；液压缸的伸缩与否取决于换向电磁阀，液压缸的伸缩速度取决于比例阀开关量的大小。

自稳式船舶舷梯***的控制方法，采用如上所述的自稳式船舶舷梯***，主控制板采集船体姿态信息，通过串口通信模块，将计算处理得出的补偿信号下发给PLC控制器，PLC控制器接收补偿信号进行程序内部运算，将计算结果分别发送控制信号给比例电磁阀、换向电磁阀和伺服驱动器；伺服驱动器接收到信号对数据信号进行处理和转换，伺服电机驱动液压泵转动，以驱动6个液压推拉缸；比例电磁阀收到PLC控制器的控制命令，其开关角度决定液压缸的伸缩速度；换向电磁阀接收PLC控制器的控制指令，决定液压缸是拉伸还是压缩。

结合图6，补偿主控制器接收采集控制指令并记录数据帧的接收时刻，两者相减得时间差T₁，同时通过数据统计得出指令输出至液压缸动作的时间差T₂，T＝T₁+T₂两者相加得出信号通信滞后时间，并将该滞后时间代入到如式(2)所示的速度控制运算中，进行时间补偿得到实时的控制命令，最后通过液压缸驱动控制船舶舷梯；

u(k-T₁)＝(x(k+1)-x(k))/T₂ (1)；

其中，k表示接收时刻，k+1表示执行完成时刻；

T₁为计算得到的通信滞后时间；

k-T₁表示发送时刻；

T₂为速度控制量的持续作用时间，即收到指令后执行指令到完成指令所需要花费的时间；

x(k)表示k时刻船舶舷梯在X、Y、Z三个方向的运动状态；

x(k+1)表示k+1时刻六自由度液压稳定平台(即船舶舷梯)在X、Y、Z三个方向的运动状态；

u(k-T₁)为k-T₁时刻的速度控制量，为X、Y、Z三个方向的推进速度。

承载平台和底座平台的坐标变换矩如式(2)所示，

K＝K_x*K_y*K_z (2)

K_x为承载平台单独绕X轴旋转θ_x所得矩阵；

K_y为承载平台单独绕Y轴旋转θ_y所得矩阵；

K_z为承载平台单独绕Z轴旋转θ_z所得矩阵；

θ_x，θ_y，θ_z分别为绕X、Y、Z轴旋转量；L_x,L_y,L_z分别为沿X、Y、Z轴平移量。

结合图7，船舶舷梯控制器之间的通信协议，采用一种自定义的通信协议帧，姿态补偿主控制器按照协议格式解析出姿态采集控制器发送的控制指令。协议帧头和帧尾均由1个字节组成。控制命令字由3个字节组成，其相应低32位数据位(从右至左)分别代表船舶左倾角度(1-8位)、船舶右倾角度(9-16位)、船舶前倾角度(17-24位)和后倾角度(25-32位)，相应角度*0.2得到实际倾斜角；高16位为倾斜延长时间，(从右至左)分别代表船舶左倾时延(33-36位)、船舶右倾时延(37-40位)、船舶前倾时延(41-44位)和后倾时延(45-48位)，相应延时*0.35得出实际延时时间。循环冗余检测(CRC)也由1个字节组成，姿态补偿主控制器二通过CRC检测算法计算出检测位的值，并与接收到的CRC值进行对比，完成对数据帧的差错检测，出现错误则丢弃该数据包。

例如，姿态补偿主控制器接收到姿态信息字示意为*****************XXXXXXXX，检测最后八位的状态，如果最后8位为01010101，则船舶左倾角度为85*0.2＝17°；如果9-16位为10101010，则船舶此时右倾角度为170*0.2＝34°；同样，如果17-20位接收的数值为0110时，则船舶左倾时延为6*0.35＝2.1s。同时为了起到报警作用，将倾斜角30°作为阈值参与***警戒报警，此时海况恶劣注意避险。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种自稳式船舶舷梯***，其特征在于，包括六自由度液压稳定平台、舷梯平稳控制器和舷梯起升与旋转机构；

六自由度液压稳定平台包括平台稳定***，平台稳定***包括液压缸顶升***及承载平台、PLC控制器及***电路、伺服信号放大处理电路、电动伺服***；六自由度液压稳定平台还包括底座平台、6个液压推拉缸、液压管路及接口、铰接结构体、比例信号放大电路、换向信号放大电路和伺服驱动器；

船舶舷梯平稳控制器包括主控制板、船舶姿态信号采集器、串口通信模块，船舶姿态采集器用于采集船舶随浪涌、风力作用下的姿态变换实时值，并将数据发送给船舶舷梯平稳控制；

舷梯起升与旋转机构包括起升电机、旋转电机、齿轮啮合装置、钢丝绳卷筒、第一起升限位器、第二起升限位器、第一旋转限位器和第二旋转限位器；

舷梯起升与旋转机构包括支撑滚筒、起升电机及卷筒、左旋电机、右旋电机、减速器、齿轮组机构、旋转限位、触驳滑轮、钢丝绳定滑轮、过驳通道栏杆、过驳通道和电控箱；船舶舷梯平稳控制器包括***主控电路板、船舶姿态信号通讯串口、PLC信号下发通讯串口、防电磁干扰装置和DC24V电源，工作时通过硬线连接将船舶姿态信号输入给电控箱内的船舶姿态采集板；起升电机用于控制过驳通道的起降功能，当开始有过驳任务或者过驳任务完成后，需要起升电机将过驳通道升起，然后启动左旋电机或者右旋电机，完成舷梯的架设或者收回工作；

还包括液压站、舷梯行走通道起升平台，液压站包括伺服电机、液压泵、比例电磁阀、换向电磁阀、液压油舱、机械式油液位计、油压力表、液压管路；舷梯行走通道起升平台包括钢丝绳及卷筒、舷梯行走通道、通道及卷筒支架机构和定滑轮组；

承载台包括上承载平台和下承载平台，上承载平台与过驳舷梯进行衔接锚固，当六自由度液压稳定平台自动补偿船舶姿态信息时，即可实现过驳舷梯的瞬时补偿，从而保证过驳舷梯的平稳，下承载平台与左右旋转机构进行衔接锚固，当整体舷梯左右旋转时，六自由度平台随整体实现旋转，六个液压推拉缸在伺服电机的驱动下，实现缸体的推拉，实现上平台的位姿变化。

2.一种自稳式船舶舷梯***的控制方法，采用如权利要求1所述的自稳式船舶舷梯***，其特征在于，主控制板采集船体姿态信息，通过串口通信模块，将计算处理得出的补偿信号下发给PLC控制器，PLC控制器接收补偿信号进行程序内部运算，将计算结果分别发送控制信号给比例电磁阀、换向电磁阀和伺服驱动器；伺服驱动器接收到信号对数据信号进行处理和转换，伺服电机驱动液压泵转动，以驱动6个液压推拉缸；比例电磁阀收到PLC控制器的控制命令，其开关角度决定液压缸的伸缩速度；换向电磁阀接收PLC控制器的控制指令，决定液压缸是拉伸还是压缩。

3.如权利要求2所述的一种自稳式船舶舷梯***的控制方法，其特征在于，补偿主控制器接收采集控制指令并记录数据帧的接收时刻，两者相减得时间差T₁，同时通过数据统计得出指令输出至液压缸动作的时间差T₂，T＝T₁+T₂两者相加得出信号通信滞后时间，并将该滞后时间代入到如式(1)所示的速度控制运算中，进行时间补偿得到实时的控制命令，最后通过液压缸驱动控制船舶舷梯；

u(k-T₁)＝(x(k+1)-x(k))/T₂ (1)；

其中，k表示接收时刻，k+1表示执行完成时刻；

T₁为计算得到的通信滞后时间；

k-T₁表示发送时刻；

T₂为速度控制量的持续作用时间，即收到指令后执行指令到完成指令所需要花费的时间；

x(k)表示k时刻船舶舷梯在X、Y、Z三个方向的运动状态；

x(k+1)表示k+1时刻六自由度液压稳定平台在X、Y、Z三个方向的运动状态；

u(k-T₁)为k-T₁时刻的速度控制量，为X、Y、Z三个方向的推进速度。

4.如权利要求2所述的一种自稳式船舶舷梯***的控制方法，其特征在于，承载平台和底座平台的坐标变换矩如式(2)所示，

K＝K_x*K_y*K_z (2)

K_x为承载平台单独绕X轴旋转θ_x所得矩阵；

K_y为承载平台单独绕Y轴旋转θ_y所得矩阵；

K_z为承载平台单独绕Z轴旋转θ_z所得矩阵；

θ_x，θ_y，θ_z分别为绕X、Y、Z轴旋转量；L_x,L_y,L_z分别为沿X、Y、Z轴平移量。

Images