本实用新型专利技术公开了一种适用于主动升沉补偿的波浪信号模拟装置，其包括控制器、伺服电机、曲柄滑块机构、船舶姿态仪，控制器进行波浪信号轨迹规划，对伺服电机转速及运行时间进行相应控制以驱动曲柄滑块机构相关动作发生；以船舶姿态仪实时所测运动信号为反馈信号，对控制器计算所得控制信号进行反馈调节，从而对曲柄滑块机构进行运动控制，完成主动升沉补偿波浪信号的轨迹规划。本实用新型专利技术利用轨迹规划思想，通过伺服控制器中控制交流伺服电机，利用海浪模拟装置结合船舶姿态仪不仅可以极大地降低试验成本，而且可以有效模拟不同海况下的真实海浪动作。本实用新型专利技术具有模拟精度高、响应速度快、成本低等优点。
A wave signal simulator for active heave compensation
【技术实现步骤摘要】
一种适用于主动升沉补偿的波浪信号模拟装置
本技术涉及一种波浪信号模拟装置，特别是一种适用于主动升沉补偿的波浪信号模拟装置。
技术介绍
海上作业时，受风浪、海流及潮涌的作用，海洋装备中的船舶、钢丝绳及水下作业装备呈现极其复杂的运动规律。其中，母船因受到海浪的影响会发生纵摇、升沉、横摇、横荡、纵荡和偏航六自由度的运动姿态。母船的不规则运动会牵引钢丝绳及水下作业装备随之升沉或摇摆，严重影响海上作业的开展。水下装备的有害升沉运动的主因为母船的升沉、纵摇与横摇运动，而母船的升沉运动与纵摇运动、横摇运动是相互耦合的。海洋绞车作为海洋资源勘探与开发的重要装备，广泛应用于货物吊装、船舶补给转运、水下拖曳系统、水下机器人、海洋管道铺设等海上作业环境中。母船水平方向的偏航、横荡、纵荡通常由动力定位系统来控制解决，而另外三个自由度横摇、纵摇和升沉引起母船垂直方向的运动，给海洋绞车吊装定位精度和安全作业带来严重影响。特别是在恶劣的海况下，母船随着波浪起伏，海洋绞车牵引缆绳及水下作业装备随之上升或下沉，不仅严重影响水下作业效率和精度，而且有可能导致钢丝绳或脐带缆断裂，对海洋作业装备造成严重的损失。因此高性能海洋绞车必须具有升沉补偿功能，当母船受风浪、海流、潮涌等影响上下起伏时，卷筒能够自动收放缆绳，适时调整缆索长度，提高作业精度，保证设备安全。海洋绞车在进行主动升沉补偿海上试验时，先通过船舶姿态仪实时检测船舶升沉运动，然后通过反馈控制、预测控制等复合控制策略来驱动海洋绞车卷筒，实现波浪补偿控制。实际上，由于海试条件难以满足，经费开支很大，海试现场往往存在较多干扰因素，很多研究者往往优先考虑在实验室模拟波浪信号或船舶升沉运动，来进行主动升沉补偿试验。船舶升沉运动位移在平衡位置的正负方向的概率密度是接近相等的，其峰值-时间历程曲线近似余弦曲线，即船体升沉运动规律近似于简谐运动，船体随波浪升沉运动周期与海浪波动周期相同，而升沉位移大小与波高成线性比例关系。实际海浪是十分复杂的自然现象，在海浪可以看作是平稳随机过程的前提下，海浪波面可以看成是无限多个频率不等、振幅不等、初相位不等、船舶方向不同的余弦波叠加而成，即随机海浪模型。考虑海试实验中存在的多种不益因素，开展实验室模拟海浪工作对现场复杂海洋环境作业具有重要意义。ZL201310640092.5公开了一种波形信号发生装置和方法，直接利用计算机算法来模拟波形信号。首先数据生成模块生成波形信号数据，发送到控制分析模块，控制分析模块连接波形信号产生模块，将收到的波形信号数据通过计算机串口下载到波形信号产生模块。该方法对波形信号模拟精确，简单可靠，但并不能真实模拟实际波浪补偿实际工况，特别是在实验室中结合船舶姿态仪使用，这种数值模拟方法并不适合。因此在实验室研究中，需要开发一种结构简单可行、成本较低的波浪信号物理模拟装置，通过船舶姿态仪采集其升沉运动信号，输入海洋绞车控制器，从而方便地开展主动升沉补偿控制试验。CN102691484B公开了一种新型海洋浮式钻井平台升沉补偿装置，采用PLC控制单元基于检测到的平台升沉信号，控制主动补偿电机带动差动减速器外齿圈转动，通过驱动滚筒正反向转动来补偿平台的升沉运动。该方法系统地完成了升沉补偿工作，其检测到的平台升沉信号来源于海洋浮式钻井平台。尽管这种升沉信号能够很好地反映实际海浪特性，但钻井平台布置于海面且体积庞大，单次试验成本过高。因此，为降低试验成本及利于后续研究工作继续开展，开发一种结构简单可行、成本较低的波浪信号物理模拟装置尤为重要。CN106272446A公开了一种机器人动作模拟的方法和装置，利用摄像机与其它传感器在其视觉算法系统中分别进行人体识别、骨骼识别及手势识别，将识别后的参数送入至机器人关节模拟换算模块，输出相关控制信号至电机控制模块以驱动机器人各个关节的电机，从而实现机器人复杂的动作。该方法解决了现有技术中给机器人设计相对复杂的动作时，准确设定机器人的各个自由度动作十分困难的技术难题，但其机器人机构设计未充分融合机械设计理论，系统配置多台电机，增加了设计成本，因此其动作实现方式有待进一步优化。海洋绞车提升和下放负载工作过程中，复杂的波浪运动使船舶呈现多自由度运动姿态，船舶位置与海洋绞车在船舶上的安装位置因船舶运动出现空间位置变化步伐不一致，往往导致海洋绞车与船舶甲板猛烈碰撞等事故发生，严重影响海洋绞车作业精度及威胁海事人员人身安全。因此，对海洋绞车主动升沉补偿系统进行研究十分必要且紧迫。国内一些学者开展了多自由度波浪补偿技术相关研究工作，如邱广庭进行了三自由度波浪补偿装置平台系统的设计与研究，胡永攀开展了六自由度并联波浪补偿系统设计与控制关键技术研究。上述研究工作综合性地考虑了船舶或平台多自由度的运动对升沉补偿系统的影响，但研究工作中所涉及的多自由度控制策略较为复杂，对不同海况下船舶运动姿态模拟实现较为困难。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本技术提供一种结构简单可行、低成本、适用于主动升沉补偿的波浪信号模拟装置。本技术解决上述技术问题的技术方案是：一种适用于主动升沉补偿的波浪信号模拟装置，包括减速器安装座、凸缘联轴器右端、交流伺服电机、电机减速器、带键阶梯轴、凸缘联轴器左端、带座轴承、轴承安装座、底座、曲柄、连杆、直线立式导轨、滑块、导轨固定板、姿态仪安装座、船舶姿态仪、PLC控制器，所述的底座，所述的减速器安装座以及轴承安装座分别用螺栓安装于底座的上部，电机减速器通过螺栓固定于减速器安装座上，电机减速器右端通过螺母与交流伺服电机连接；电机减速器的输出端通过键轴与凸缘联轴器右端连接，凸缘联轴器左端、右端通过螺栓进行连接；所述的带座轴承通过螺栓固定于轴承安装座上，带座轴承与凸缘联轴器左端通过带键阶梯轴连接；所述的带键阶梯轴左端与曲柄一端进行连接，曲柄的另一端与连杆的一端铰接，连杆的另一端与安装于直线立式导轨中的滑块铰接；所述的姿态仪安装座固定于滑块上，船舶姿态仪安装于姿态仪安装座上；所述的直线立式导轨与导轨固定板通过螺栓进行固定，导轨固定板与底座；PLC控制器的输出接交流伺服电机的控制端，船舶姿态仪的输出接PLC控制器。本技术的有益效果是：1.通过曲柄滑块机构实现波浪信号物理模拟的发生过程。2.利用轨迹规划思想，通过伺服控制器中控制交流伺服电机，准确实现不同波况的升沉运动模拟动作。3.采用具有自锁功能的直线立式导轨，保证了非工作状态下机构因重力而下滑，进一步提高了产品的寿命与可靠性。4.实际的单次海试实验预计成本可高至百万余元，利用海浪模拟装置结合船舶姿态仪不仅可以极大地降低试验成本，而且可以有效模拟不同海况下的真实海浪动作。5.本技术利用曲柄滑块机构和伺服电机控制，通过轨迹规划实现对不同海况下的波浪信号的模拟，完成技术所涉及的波浪轨迹规划与动作执行。本技术所涉及的船舶姿态仪不仅可以实时检测船舶运动姿态参数，而且在由船舶姿态仪与控制器、执行器所组成的闭环回路中，其观测参数经闭环控制本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种适用于主动升沉补偿的波浪信号模拟装置，其特征在于：包括减速器安装座（1）、凸缘联轴器右端（2）、交流伺服电机（3）、电机减速器（4）、带键阶梯轴（5）、凸缘联轴器左端（6）、带座轴承（7）、轴承安装座（8）、底座（9）、曲柄（10）、连杆（11）、直线立式导轨（13）、滑块（14）、导轨固定板（15）、姿态仪安装座（18）、船舶姿态仪（19）、PLC控制器，所述的底座（9），所述的减速器安装座（1）以及轴承安装座（8）分别用螺栓安装于底座（9）的上部，电机减速器（4）通过螺栓固定于减速器安装座（1）上，电机减速器（4）右端通过螺母与交流伺服电机（3）连接；电机减速器（4）的输出端通过键轴与凸缘联轴器右端（2）连接，凸缘联轴器左端（6）、凸缘联轴器右端（2）通过螺栓进行连接；所述的带座轴承（7）通过螺栓固定于轴承安装座（8）上，带座轴承（7）与凸缘联轴器左端（6）通过带键阶梯轴（5）连接；所述的带键阶梯轴（5）左端与曲柄（10）一端进行连接，曲柄（10）的另一端与连杆（11）的一端铰接，连杆（11）的另一端与安装于直线立式导轨（13）中的滑块（14）铰接；所述的姿态仪安装座（18）固定于滑块（14）上，船舶姿态仪（19）安装于姿态仪安装座（18）上；所述的直线立式导轨（13）与导轨固定板（15）通过螺栓进行固定，导轨固定板（15）与底座（9）；PLC控制器的输出接交流伺服电机（3）的控制端，船舶姿态仪的输出接PLC控制器。/n...
【技术特征摘要】
1.一种适用于主动升沉补偿的波浪信号模拟装置，其特征在于：包括减速器安装座（1）、凸缘联轴器右端（2）、交流伺服电机（3）、电机减速器（4）、带键阶梯轴（5）、凸缘联轴器左端（6）、带座轴承（7）、轴承安装座（8）、底座（9）、曲柄（10）、连杆（11）、直线立式导轨（13）、滑块（14）、导轨固定板（15）、姿态仪安装座（18）、船舶姿态仪（19）、PLC控制器，所述的底座（9），所述的减速器安装座（1）以及轴承安装座（8）分别用螺栓安装于底座（9）的上部，电机减速器（4）通过螺栓固定于减速器安装座（1）上，电机减速器（4）右端通过螺母与交流伺服电机（3）连接；电机减速器（4）的输出端通过键轴与凸缘联轴器右端（2）连接，凸缘联轴器左端（6）、凸缘联轴器右端（2）通过螺栓进行连接；所述的带座轴承（7）通过螺栓固定于轴承安装座（8）上，带座轴承（7）与凸缘联轴器左端（6）通过带键阶...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄良沛，谢天财，寇煜，常进杰，郭勇，刘厚才，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：新型
国别省市：湖南;43
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