一种基于海浪补偿装置的补偿方法与流程

本发明涉及仪器科学领域，尤其涉及一种基于海浪补偿装置的补偿方法及系统。

背景技术：

海洋资源丰富，同时是重要的贸易通道。但是，受风、浪、流、潮等海洋因素的影响，海上船舶甚至海上平台无法维持平衡，精密仪器设备无法稳定运行，海上操作的时间、安全和质量无法保证。需要采用基于海浪补偿装置的补偿器为海上平台的安装与维修、船舶设备及物资的运输、安置、维修及各种精密仪器的运行提供稳定的工作环境。

对波浪补偿分主要为主动波浪补偿和被动波浪补偿。主动波浪补偿需要通过各种传感器检测出船舶由波浪引起的横摇、纵摇和升沉的姿态参数，然后根据补偿量控制执行机构对船体的摇摆进行补偿。

现有技术中比较常见的补偿装置一般包括定平台和动平台，定平台安装在甲板上且装有姿态传感器，动平台安装有电机或液压装置，姿态传感器将测得的船舶由风浪引发的横摇、纵摇和升沉值等运动值传输给运动控制器，运动控制器求出与运动值相反的波浪补偿值，根据波浪补偿值输出相应的流量和压力控制伺服缸伸缩和摇摆，补偿横摇、纵摇和升沉。现有技术对主动补偿的改进的研究方向一般为对补偿装置结构的改进或者更加精确计算实时的运动值，得到更加精确的补偿值。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于海浪补偿装置的补偿方法，解决现有技术中的补偿结果不精确的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于海浪补偿装置的补偿方法，所述补偿装置包括上下设置的动平台和定平台以及分别测量所述动平台和定平台实时位姿的位姿测量装置，所述方法包括：

步骤1，建立海浪作用下的定平台位姿预测模型plpredict和进行海浪补偿后的动平台位姿预测模型pupredict，分别预测得到定平台预测位姿和动平台预测位姿；

步骤2，根据所述定平台预测位姿和动平台预测位姿确定所述动平台相对于所述定平台的预测目标位姿，根据所述预测目标姿态确定所述补偿装置的驱动的期望位置；

步骤3，根据所述补偿装置的驱动的期望位置确定所述补偿装置的期望输入。

本发明的有益效果是：通过对海浪影响下的定平台晃动进行建模，以及对补偿作用下的动平台进行建模，实现了有效的双前馈控制，增大了系统的调节能力；适用于包含该类型的海浪补偿装置的各种不同的海浪补偿平台；将补偿系统的工作空间考虑在内，保证了系统对较大幅度海浪的综合补偿能力。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤1中建立的所述定平台位姿预测模型plpredict为与本次海浪中观测到的定平台的位姿pl相关的函数，plpredict＝fl(pl)；

所述动平台位姿预测模型pupredict为与本次海浪中观测到的定平台的位姿pl和动平台的位姿pu相关的函数，pupredict＝fu(pl，pu)。

进一步，所述步骤1中根据所述定平台位姿预测模型plpredict预测得到未来k个时间步的定平台预测位姿pl1，pl2，pl3，...，plk，根据所述动平台位姿预测模型pupredict预测得到未来k个时间步的动平台预测位姿pu1，pu2，pu3，...，puk；

所述步骤2中确定的所述动平台相对于所述定平台的预测目标位姿为未来k个时间步的所述预测目标位姿ptar，1，ptar，2，...，ptar，k。

进一步，未来第i时间步的所述预测目标位姿ptar，i＝((1-α)pubal+α(2pubal-pui))-pli；

其中，α为可调参数,i＝1,2,3,···k，pubal为期望的动平台稳定姿态。

进一步，所述步骤2中根据未来k个时间步的所述预测目标位姿ptar，1，ptar，2，...，ptar，k确定所述补偿装置的驱动的期望位置qtar＝f^-1(ptar)；

其中，f^-1为所述动平台相对于所述定平台的位姿p与海浪补偿装置的驱动的位置q的关系函数f的反函数。

进一步，所述步骤3中所述补偿装置的未来一系列的期望输入u＝[u0，u1，u2···，uk-1]：

其中，qi表示第i时间步的海浪补偿装置的驱动的位置，qmid为平静海面下使动平台到达pubal的位姿，ω1、ω2和m为可调参数,i＝0,1,2,···k-1。

进一步，qi通过递归的方式进行计算：qi+1＝qi+t*qi′，其中，qi′＝aqi+bui，a和b为表示海浪补偿装置的驱动的位置q的动力学方程q’＝aq+bu的参数，t表示海浪补偿器的控制周期。

进一步，所述步骤3之后还包括：

根据观测到的所述定平台的位姿pl对所述定平台位姿预测模型plpredict进行估计和更新；根据观测到的所述定平台的位姿pl和所述动平台的位姿pu对所述动平台位姿预测模型pupredict进行估计和更新。

采用上述进一步方案的有益效果是：在进行海浪补偿前确认系统模型，在进行海浪补偿的每一个时间步中，依次重复进行获取系统状态，预测定平台状态，计算海浪补偿装置目标输出，计算海浪补偿装置控制输入四个步骤。在每一个海浪补偿动作后，进行后处理的步骤，对模型进行估计和更新；利用动平台相对于所述定平台的位姿p与海浪补偿装置的驱动的位置q的关系函数f的反函数，根据预测目标位姿得到补偿装置的驱动的期望位置；通过递归的方式依次计算海浪补偿装置的各个时间步的驱动的位置，进而确定海浪补偿装置的期望输入。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于海浪补偿装置的补偿方法的实施例的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供的一种基于海浪补偿装置的补偿方法，该补偿装置包括上下设置的动平台和定平台以及分别测量动平台和定平台实时位姿的位姿测量装置，由图1可知，该方法包括：

步骤1，建立海浪作用下的定平台位姿预测模型plpredict和进行海浪补偿后的动平台位姿预测模型pupredict，分别预测得到定平台预测位姿和动平台预测位姿。

步骤2，根据定平台预测位姿和动平台预测位姿确定动平台相对于定平台的预测目标位姿，根据预测目标姿态确定补偿装置的驱动的期望位置。

步骤3，根据补偿装置的驱动的期望位置确定补偿装置的期望输入。

通过对海浪影响下的定平台晃动进行建模，以及对补偿作用下的动平台进行建模，实现了有效的双前馈控制，增大了系统的调节能力；适用于包含该类型的海浪补偿装置的各种不同的海浪补偿平台；将补偿系统的工作空间考虑在内，保证了系统对较大幅度海浪的综合补偿能力。

实施例1

本发明提供的实施例1为本发明提供的一种基于海浪补偿装置的补偿方法的实施例，如图1所示为本发明提供的一种基于海浪补偿装置的补偿方法的实施例的流程图，由图1可知，该方法包括：

步骤1，建立海浪作用下的定平台位姿预测模型plpredict和进行海浪补偿后的动平台位姿预测模型pupredict，分别预测得到定平台预测位姿和动平台预测位姿。

具体操作过程中，还需要获得海浪补偿器定平台和动平台的初始当前位姿pl0和pu0。

优选的，建立的定平台位姿预测模型plpredict为与本次海浪中观测到的定平台的位姿pl相关的函数，plpredict＝fl(pl)。

动平台位姿预测模型pupredict为与本次海浪中观测到的定平台的位姿pl和动平台的位姿pu相关的函数，pupredict＝fu(pl，pu)。

根据定平台位姿预测模型plpredict预测得到未来k个时间步的定平台预测位姿pl1，pl2，pl3，...，plk，根据动平台位姿预测模型pupredict预测得到未来k个时间步的动平台预测位姿pu1，pu2，pu3，...，puk。

步骤2，根据定平台预测位姿和动平台预测位姿确定动平台相对于定平台的预测目标位姿，根据预测目标姿态确定补偿装置的驱动的期望位置。

优选的，确定的动平台相对于定平台的预测目标位姿为未来k个时间步的预测目标位姿ptar，1，ptar，2，...，ptar，k。

具体的，未来第i时间步的预测目标位姿ptar，i＝((1-α)pubal+α(2pubal-pui))-pli。

其中，α为可调参数,i＝1,2,3,···k，pubal为期望的动平台稳定姿态。

优选的，根据未来k个时间步的预测目标位姿ptar，1，ptar，2，...，ptar，k确定补偿装置的驱动的期望位置qtar＝f^-1(ptar)。

其中，f^-1为动平台相对于定平台的位姿p与海浪补偿装置的驱动的位置q的关系函数f的反函数。

步骤3，根据补偿装置的驱动的期望位置确定补偿装置的期望输入。

优选的，补偿装置的未来一系列的期望输入u＝[u0，u1，u2···，uk-1]：

即某一组u＝[u0，u1，u2···，uk-1]使的值最小时，取此时的u＝[u0，u1，u2···，uk-1]作为期望输入，其中，qi表示第i时间步的海浪补偿装置的驱动的位置，qmid为补偿装置工作空间中点对应的位姿，或平静海面下使动平台到达pubal的位姿，ω1、ω2和m为可调参数,i＝0,1,2,···k-1，(qi-qtar)^t、(qi-qmid^t和分别表示矩阵(qi-qtar)、(qi-qmid)和ui的转置矩阵。

具体的，qi通过递归的方式进行计算：qi+1＝qi+t*qi′，其中，qi’＝aqi+bui，a和b为表示海浪补偿装置的驱动的位置q的动力学方程q’＝aq+bu的参数，t表示海浪补偿器的控制周期。

qi通过递归的方式进行计算：qi+1＝qi+t*qi′，其中，qi’＝aqi+bui，a和b为表示海浪补偿装置的驱动的位置q的动力学方程q′＝aq+bu的参数。

步骤3之后还包括：根据观测到的定平台的位姿pl对定平台位姿预测模型plpredict进行估计和更新；根据观测到的定平台的位姿pl和动平台的位姿pu对动平台位姿预测模型pupredict进行估计和更新。

本发明提供的一种基于海浪补偿装置的补偿方法的实施例中，在进行海浪补偿前确认系统模型，在进行海浪补偿的每一个时间步中，依次重复进行获取系统状态，预测定平台状态，计算海浪补偿装置目标输出，计算海浪补偿装置控制输入四个步骤。在每一个海浪补偿动作后，进行后处理估计和更新模型的步骤。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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