[发明专利]一种升沉补偿的三自由度船载稳定平台

权利要求书

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：

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；

则减横摇左半圆环进行拉格朗日动力学模型为：

式中，为横摇角加速度，为横摇转动力矩；

同理，减纵摇半环的拉格朗日动力学模型为：

式中，m_y为减纵摇半圆环质量，R_y为减纵摇半圆环半径，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；

(5)对于升沉补偿系统，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，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：

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：

式中，E_Gz为升沉补偿系统重力势能；

升沉方向拉格朗日运动学模型为：

式中，为升沉补偿系统转动力矩，为升沉补偿系统转动角加速度；

(6)对基于阻抗控制的双向阻尼器，阻抗代表的是双向阻尼器末端接触力与期望轨迹与实际轨迹之间差之间的关系；

M_d，B_d，K_d分别代表期望阻抗模型的惯性矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵；x分别代表双向阻尼器的末端加速度、末端速度以及末端位置，x_r为末端期望位置，f_r，f_e分别为双向阻尼器的关节参考力和末端接触力，可进行力的跟踪控制；

对于本装置，其阻抗模型可表示为：

式中，D为当前转动力臂大小，H为波高观测系统所测得波高；

(7)取静止时双向阻尼器几何中心为坐标原点，ox轴为原点指向船首方向，oy轴为原点指向船侧建立0#坐标系，设假设母船横摇角为θ_x，纵摇角为θ_y，升沉补偿系统偏转角为φ_z，即装置坐标沿船体坐标系OX轴旋转θ_x，沿OY轴旋转θ_y，升沉方向位移变化为l(sinφ_z-sinφ₀)；则稳定平台中心相对于0#坐标系的坐标变换矩阵为T_P，减横、纵摇圆环几何中心以及升沉补偿系统中心相对于0#坐标系的坐标变换矩阵分别为T_x，T_y和T_z；因此运动后装置坐标系在船体横摇、纵摇和升沉作用影响下相对于0#坐标系的坐标变换矩阵为：

T_P＝T_zT_yT_x＝Trans(0,0，l(sinφ_z-sinφ₀))Rot(y,θ_y)Rot(x,θ_x) (13)

根据上述坐标变换，可求出装置位置对于母船坐标系的变换矩阵：

式中，为升沉系统期望的偏转夹角；

根据上述坐标变换，可求出每个关节在横摇角θ_x和纵摇角θ_y分别需要补偿的角度的表达式，即为三自由度稳定平台的逆运动学解。