浅析船用吊运机械臂工况与运动补偿控制

摘 要：船用设备中吊运机械臂在海浪影响下不够稳定，为保障其正常使用，需要對其所处工况和运动补偿控制进行研究。本文研究了船舶运动工况的具体模型，以各坐标系齐次变换矩阵等方法，给出吊运机械臂末点位置运动补偿控制算法，为同类研究提供可借鉴的参考内容。

关键词：船用设备;吊运机械臂;工况;运动补偿控制

引言

船用设备中吊运机械臂的稳定运行对于保障海上运输起到重要作用，在海浪影响下，其处于不稳定状态，故需要对其所处工况和运动补偿控制开展研究。本文以船舶运动工况研究入手，给出计算工况的具体模型，通过建立各坐标系，以齐次变换矩阵导出吊运机械臂末点位置变换公式，求出其运动补偿控制算法，最后通过Matlab仿真验证运动补偿控制方法。

1船舶运动工况研究

1.1海浪环境下船舶的运动

1.1.1海浪波基本理论

海浪按照波形的广义模拟基本可以看做是从单一方向传传来的不规则类型波，不断的在船底形成扰动，在波形上船体高度不断的变化。学术上称该波为长峰波[1]。按照频率与相位随机结合，采用经典海浪线性模型长波峰公式为：

式（1.4）即可期初某频率下的谐波幅值，在0-2π之间的随即数定成各个谐波的初始相位，则可推算出 的各个值，通过线性叠加就获取了任意时间下的起伏高度的值。

1.1.2船体坐标系

本文按照惯性坐标系和随体坐标系双坐标系来表征船体运动，如图1-2所示，在以惯性坐标系为准进行计算时，适合采用牛顿运动定律来分析;采用随体坐标系时，其坐标原点在水线和船体中点的交汇处，与船体的惯性主轴重合，因其以船体为基准点，故与惯性坐标系对比，随体坐标系是动态变化的[1]。

船舶在海浪中按照常用的六个自由度方向运动，各个指标见表所示，其中x，y，z分别表征船舶在其坐标系方向上的位移，它们的导数u，v，w表示其坐标系方向上的速度。 各是代表船舶绕坐标轴旋转的角度，其导数各自代表绕坐标轴旋转的角速度。

是船舶在随体坐标系下外力计算公式，

是船舶在随体坐标系下的力矩公式。

至此船体工况的数学模型创建完毕，可以通过改变其中变量的数值，模拟出船体工况的变化，可以用在仿真研究或者船舶运行研究中。

2吊运机械臂末端运动补偿控制研究

2.1构建全局坐标系

按照一般常用的吊臂型号，本文假设吊运机械臂是具有六个自由度，其中全局世界坐标系{bg}在假定在船下的锚定位置，为了计算简便假设在船体正下方的投影底面中心，{bn}为船底中心初始中心的坐标系，{bb}是运动时船体中心的坐标系。{bg}和{bn}是分别用来研究船体刚体与吊运机械臂的相对运动。另外采用{br}是研究吊运机械臂的基础坐标系，{bt}则用来描述吊运机械臂末端坐标系，依靠齐次变换来分析坐标系之间的相对运动，如表1-2所示。

图形分析吊运机械臂XYZ坐标值完全不受海浪影响，稳定在初始值，而没有运动补偿的机械臂末端位置持续的被扰动，故本文运动补偿算法较为合理。

总结

通过以数学模型研究海浪，能够计算出船体工况的具体量化情况，结合各坐标系的变化和角度关系，通过激励模型和齐次变换矩阵求解，最终得出吊运机械臂末点位置计算公式，通过仿真模拟，证明该方法较为可靠。

参考文献：

[1]王盼.起重船海浪扰动及补偿系统研究[D].哈尔滨工程大学，2016.

作者简介：

王玮杰（1991-），男，汉族，陕西宝鸡，中海油田服务股份有限公司，2015年毕业于重庆科技学院石油工程学院，大学本科，助理工程师，现主要从事海洋钻井相关工作。89F7C35A-2250-4E17-A97C-FAAE7E3F7AFB