淺析船用吊運機械臂工況與運動補償控制

摘 要：船用設備中吊運機械臂在海浪影響下不夠穩(wěn)定，為保障其正常使用，需要對其所處工況和運動補償控制進行研究。本文研究了船舶運動工況的具體模型，以各坐標系齊次變換矩陣等方法，給出吊運機械臂末點位置運動補償控制算法，為同類研究提供可借鑒的參考內(nèi)容。

關鍵詞：船用設備;吊運機械臂;工況;運動補償控制

引言

船用設備中吊運機械臂的穩(wěn)定運行對于保障海上運輸起到重要作用，在海浪影響下，其處于不穩(wěn)定狀態(tài)，故需要對其所處工況和運動補償控制開展研究。本文以船舶運動工況研究入手，給出計算工況的具體模型，通過建立各坐標系，以齊次變換矩陣導出吊運機械臂末點位置變換公式，求出其運動補償控制算法，最后通過Matlab仿真驗證運動補償控制方法。

1船舶運動工況研究

1.1海浪環(huán)境下船舶的運動

1.1.1海浪波基本理論

海浪按照波形的廣義模擬基本可以看做是從單一方向傳傳來的不規(guī)則類型波，不斷的在船底形成擾動，在波形上船體高度不斷的變化。學術上稱該波為長峰波[1]。按照頻率與相位隨機結(jié)合，采用經(jīng)典海浪線性模型長波峰公式為：

式（1.4）即可期初某頻率下的諧波幅值，在0-2π之間的隨即數(shù)定成各個諧波的初始相位，則可推算出 的各個值，通過線性疊加就獲取了任意時間下的起伏高度的值。

1.1.2船體坐標系

本文按照慣性坐標系和隨體坐標系雙坐標系來表征船體運動，如圖1-2所示，在以慣性坐標系為準進行計算時，適合采用牛頓運動定律來分析;采用隨體坐標系時，其坐標原點在水線和船體中點的交匯處，與船體的慣性主軸重合，因其以船體為基準點，故與慣性坐標系對比，隨體坐標系是動態(tài)變化的[1]。

船舶在海浪中按照常用的六個自由度方向運動，各個指標見表所示，其中x，y，z分別表征船舶在其坐標系方向上的位移，它們的導數(shù)u，v，w表示其坐標系方向上的速度。 各是代表船舶繞坐標軸旋轉(zhuǎn)的角度，其導數(shù)各自代表繞坐標軸旋轉(zhuǎn)的角速度。

是船舶在隨體坐標系下外力計算公式，

是船舶在隨體坐標系下的力矩公式。

至此船體工況的數(shù)學模型創(chuàng)建完畢，可以通過改變其中變量的數(shù)值，模擬出船體工況的變化，可以用在仿真研究或者船舶運行研究中。

2吊運機械臂末端運動補償控制研究

2.1構(gòu)建全局坐標系

按照一般常用的吊臂型號，本文假設吊運機械臂是具有六個自由度，其中全局世界坐標系{bg}在假定在船下的錨定位置，為了計算簡便假設在船體正下方的投影底面中心，{bn}為船底中心初始中心的坐標系，{bb}是運動時船體中心的坐標系。{bg}和{bn}是分別用來研究船體剛體與吊運機械臂的相對運動。另外采用{br}是研究吊運機械臂的基礎坐標系，{bt}則用來描述吊運機械臂末端坐標系，依靠齊次變換來分析坐標系之間的相對運動，如表1-2所示。

圖形分析吊運機械臂XYZ坐標值完全不受海浪影響，穩(wěn)定在初始值，而沒有運動補償?shù)臋C械臂末端位置持續(xù)的被擾動，故本文運動補償算法較為合理。

總結(jié)

通過以數(shù)學模型研究海浪，能夠計算出船體工況的具體量化情況，結(jié)合各坐標系的變化和角度關系，通過激勵模型和齊次變換矩陣求解，最終得出吊運機械臂末點位置計算公式，通過仿真模擬，證明該方法較為可靠。

參考文獻：

[1]王盼.起重船海浪擾動及補償系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工程大學，2016.

作者簡介：

王瑋杰（1991-），男，漢族，陜西寶雞，中海油田服務股份有限公司，2015年畢業(yè)于重慶科技學院石油工程學院，大學本科，助理工程師，現(xiàn)主要從事海洋鉆井相關工作。89F7C35A-2250-4E17-A97C-FAAE7E3F7AFB