[发明专利]一种具有波浪补偿功能的海上换乘栈桥及其工作方法

权利要求书

1.一种具有波浪补偿功能的海上换乘栈桥，其特征在于：包括升沉机构、栈桥系统和主动波浪补偿控制系统；

所述的升沉机构包括底座(1)、三个基座支腿(2)、外基座(4)、内基座(8)和液压缸(32)；所述的外基座(4)嵌套在内基座(8)外侧，外基座(4)上的齿轮单元与内基座(8)上的齿条(9)啮合；

所述的底座(1)固定安装在宿主船甲板上；所述的三个基座支腿(2)与底座(1)固定连接，沿底座(1)周向均布；所述的外基座(4)为三棱管状结构，上下两端均开口，外基座(4)的三个棱的下端分别与三个基座支腿(2)固定连接；所述的外基座(4)的每个棱上安装两组齿轮单元，两组齿轮单元沿棱的上下方向安装；每组齿轮单元包括上齿轮(7)、辅助齿轮(6)和下齿轮(5)，所述的辅助齿轮(6)位于上齿轮(7)和下齿轮(5)的中间、分别与上齿轮(7)和下齿轮(5)啮合；所述的内基座(8)为三棱管状结构，上端闭合，下端开口，内基座(8)外侧壁的每个棱上设有齿条(9)；所述的上齿轮(7)和下齿轮(5)均与对应的内基座(8)上的齿条(9)啮合，使内基座(8)沿着外基座(4)纵向移动；所述的液压缸(32)的缸筒通过转动副A(3)连接于底座(1)的几何中心处、活塞杆通过转动副B连接于内基座(8)上端面的几何中心处，驱动内基座(8)沿外基座(4)纵向移动；

所述的栈桥系统为旋转双吊臂伸缩式结构，包括基座(10)、登乘平台(12)、第一液压马达(11)、栈桥桥体(29)、连接轴(20)、俯仰装置、电磁着陆锥(27)、第一激光测距传感器(33)；所述的基座(10)安装在升沉机构内基座(8)的上端面，用于支撑登乘平台(12)；所述的第一液压马达(11)安装在基座(10)内部，用于驱动基座(10)旋转；所述的栈桥桥体(29)包括固定桥体(22)、伸缩桥体(25)和第二液压马达(23)，所述的固定桥体(22)带有栏杆，所述的伸缩桥体(25)带有栏杆和滑轮(18)，伸缩桥体(25)通过滑轮(18)与固定桥体(22)搭接，并沿固体桥体移动；所述的第二液压马达(23)安装于固定桥体(22)底部，驱动伸缩桥体(25)沿固定桥体(22)移动；所述的固定桥体(22)通过连接轴(20)与登乘平台(12)连接，使栈桥桥体(29)绕连接轴(20)转动；所述的俯仰装置包括两个吊臂(19)、第三液压马达(15)、两个卷筒(14)、两组滑轮和两根钢丝吊索(16)，所述的两个吊臂(19)安装在登乘平台(12)的两侧，每个吊臂(19)内有一个凹槽，凹槽内设有一个固定轴(17)，所述的第三液压马达(15)安装在登乘平台(12)上，所述的两个卷筒(14)分别安装在第三液压马达(15)输出轴两端，所述的两组滑轮均由四个滑轮组成，一组滑轮中的两个滑轮均安装在一侧吊臂(19)的凹槽内，另外两个滑轮均安装在固定桥体(22)底部与这个吊臂(19)同侧的外端；另一组滑轮中的四个滑轮则同样分别安装在另一侧吊臂(19)的凹槽内和固定桥体(22)底部的外端，所述的钢丝吊索(16)绕在卷筒(14)上，两根钢丝吊索(16)分别依次交替绕过两侧吊臂(19)上的两个滑轮和固定桥体(22)上的两个滑轮后，两根钢丝吊索(16)的末端分别固定于两侧吊臂(19)凹槽内的固定轴(17)上；所述的第三液压马达(15)转动带动卷筒(14)转动，收放钢丝吊索(16)，从而实现栈桥桥体(29)的俯仰；所述的电磁着陆锥(27)通过球铰(26)安装在伸缩桥体(25)前端底部，用于将伸缩桥体(25)前端固定在目标船甲板上的换乘点(39)处；所述的第一激光测距传感器(33)安装在宿主船靠近目标船一侧的舷顶列板上，用于测量宿主船与目标船侧舷的间距；

所述的主动波浪补偿控制系统包括控制箱(34)、激光雷达(35)、主控计算机(36)、第二激光测距传感器(28)、第一编码器(40)、位移传感器(31)、第二编码器(24)、角度传感器(21)、第三编码器(30)、惯性测量单元(41)、倾角传感器(42)、三自由度补偿控制器(37)和升沉补偿控制器(38)；

所述的控制箱(34)安装于宿主船甲板上；所述的激光雷达(35)安装于宿主船靠近目标船一侧的侧舷附近甲板上，用于获得目标船相对宿主船的位姿；所述的主控计算机(36)安装于控制箱(34)内，接收来自激光雷达(35)的目标船相对宿主船的距离、方位信息组成的点云数据，并对其进行处理和计算，得到目标船的升沉位移、横摇角和纵摇角；

所述的第二激光测距传感器(28)安装在伸缩桥体(25)前端的一侧，用于获取伸缩桥体(25)前端距目标船甲板的垂直距离；

所述的第一编码器(40)安装于第一液压马达(11)上，用于测量第一液压马达(11)的转动量，并获得基座(10)旋转量；

所述的位移传感器(31)安装于液压缸(32)上，用于测量内基座(8)相对于外基座(4)的纵向位移；所述的第二编码器(24)安装于第二液压马达(23)上，用于测量第二液压马达(23)的转动量，并获得栈桥桥体(29)的伸缩量；所述的角度传感器(21)安装在连接轴(20)的一端，用于测量栈桥桥体(29)绕连接轴(20)与升沉机构纵向的夹角；

所述的第三编码器(30)安装于第三液压马达(15)上，用于测量第三液压马达(15)的转动量；

所述的惯性测量单元(41)安装于升沉机构的底座(1)上，用于测量升沉机构的底座(1)随船的横荡位移、升沉位移和横摇角；

所述的倾角传感器(42)安装于固定桥体(22)一侧，用于测量栈桥桥体(29)与水平面的夹角；

所述的三自由度补偿控制器(37)安装于控制箱(34)内，三自由度补偿控制器(37)接收以下数据：主控计算机(36)所计算的目标船升沉位移、横摇角和纵摇角，惯性测量单元(41)测得的升沉机构底座(1)随船的横荡位移、升沉位移和横摇角，第一编码器(40)测得的第一液压马达(11)的转动量与基座(10)旋转量，第二编码器(24)测得的第二液压马达(23)转动量与栈桥桥体(29)伸缩量和第三编码器(30)测得的第三液压马达(15)转动量；三自由度补偿控制器(37)输出第一液压马达(11)、第二液压马达(23)和第三液压马达(15)的控制信号，控制栈桥桥体(29)的旋转、伸缩及俯仰三自由度协同运动，补偿宿主船横摇和升沉运动对栈桥桥体(29)的扰动，并使栈桥桥体(29)前端跟随目标船上的换乘点(39)沿横荡方向、纵荡方向和升沉方向运动；所述的三自由度补偿控制器(37)的工作模式称为主动补偿模式；

所述的升沉补偿控制器(38)安装于控制箱(34)内，升沉补偿控制器(38)接收以下数据：角度传感器(21)测得的栈桥桥体(29)绕连接轴(20)与升沉机构纵向的夹角，第二编码器(24)测得的第二液压马达(23)转动量与栈桥桥体(29)伸缩量，位移传感器(31)测得的内基座(8)相对于外基座(4)的纵向位移和倾角传感器(42)测得的栈桥桥体(29)与水平面的夹角；升沉补偿控制器(38)输出液压缸(32)的控制信号，主动控制液压缸(32)，驱动升沉机构，同时，第一液压马达(11)、第二液压马达(23)和第三液压马达(15)卸荷，处于被动工作模式，协同补偿宿主船横摇和升沉运动以及目标船的升沉、横摇和纵摇运动对栈桥桥体(29)的扰动；所述的升沉补偿控制器(38)的工作模式称为升沉补偿模式。