一种基于残余相对运动预测的登乘窗口补偿控制方法与流程

本发明涉及波浪补偿控制，尤其是涉及一种基于残余相对运动预测的登乘窗口补偿控制方法。

背景技术：

1、海上风电机组长期处于风、浪、流等复杂海洋环境中，需要运维人员定期登乘风机基础平台或靠船构件进行检修维护。对于近海或中小型海上风电场，人员登乘作业通常由小型运维船完成。该类船舶具有机动灵活、运行成本低等优点，但船体尺寸较小、抗风浪能力有限，且多数情况下不具备动态定位系统。在波浪和靠泊扰动共同作用下，运维船、登乘平台、登乘栈桥以及目标登乘点之间会产生明显的相对运动，人员跨越时容易发生踏空、碰撞、夹挤或失稳等安全风险。

2、现有海上登乘波浪补偿技术多以船体运动补偿或平台姿态稳定为主要目标，通过六自由度补偿平台、主动补偿栈桥或液压执行机构对船体升沉、横摇、纵摇等运动进行补偿。

3、如公开号为cn116573099a的中国专利文献公开了一种海上风力发电运维船二自由度波浪补偿辅助登乘系统，包括船姿检测单元、电液伺服控制系统、运动补偿执行机构和承载平台。公开号为cn117869395a的中国专利文献公开了一种风电运维船用波浪补偿舷梯伸缩机构液压系统及工作方法，通过实现伸缩机构精准调节，使波浪补偿舷梯末端位置快速到达预定位置。

4、现有的方法能够在一定程度上降低平台或栈桥端部的运动幅值，但在实际登乘过程中，人员安全并不只取决于船体运动是否被补偿，还取决于栈桥末端与目标登乘点之间在人员跨越时刻的相对位置、相对姿态、相对速度、末端冲击、安全间距以及执行机构剩余行程和压力裕度。

5、尤其对于小型运维船而言，六自由度补偿平台和三自由度登乘栈桥均受到液压缸行程、速度、加速度、压力和控制延迟等限制。若仅按照理想补偿轨迹判断登乘条件，可能忽略执行机构实际响应滞后、跟踪误差和约束饱和带来的影响，导致栈桥末端实际位姿与预期位姿存在偏差，从而造成安全窗口误判。

6、因此，亟需一种面向人员登乘过程的波浪补偿控制方法，不仅能够预测船体扰动趋势，还能够结合六自由度平台实际补偿响应、执行机构约束、历史跟踪误差和栈桥三自由度状态，推算栈桥末端未来实际位姿，并据此确认人员可安全登乘的时间窗口，从而提高小型运维船在复杂海况下的登乘安全性和作业适应性。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于残余相对运动预测的登乘窗口补偿控制方法，以解决现有技术中仅依据船体运动预测或理想补偿轨迹进行登乘判断时，容易忽略六自由度平台实际补偿响应误差、栈桥三自由度状态变化、执行机构约束和安全窗口误判等问题。

2、一种基于残余相对运动预测的登乘窗口补偿控制方法，包括：

3、（1）在统一控制时钟下采集船体、六自由度补偿平台、三自由度登乘栈桥、栈桥末端以及目标登乘点的相关状态信息；其中，六自由度补偿平台和三自由度登乘栈桥通过执行机构的液压缸进行驱动；

4、（2）根据船体运动状态、液压缸状态和六自由度补偿平台稳定控制目标生成六自由度补偿平台的未来实际补偿位姿预测值；

5、（3）由船体的未来扰动位姿、六自由度补偿平台的未来实际补偿位姿以及六自由度补偿平台至栈桥末端的运动学关系共同计算栈桥末端的未来位姿；

6、（4）根据栈桥末端的未来位姿和目标登乘点的固定已知位姿，计算栈桥末端与目标登乘点之间的相对运动状态；

7、（5）基于栈桥末端与目标登乘点之间的相对运动状态，构建综合风险评价函数，基于综合风险评价函数确认安全登乘窗口；

8、（6）确认存在安全登乘窗口后，控制器根据安全登乘窗口的起止时间，从而控制六自由度补偿平台与三自由度登乘栈桥协同完成栈桥补偿、栈桥末端搭接、登乘保持和安全退出。

9、进一步地，步骤（2）的具体过程为：

10、首先根据船体运动状态和六自由度补偿平台稳定控制目标，生成六自由度补偿平台的预期补偿轨迹，并通过逆运动学求得六自由度补偿平台对应的液压缸目标位移；

11、建立执行机构灰箱响应模型，根据液压缸当前位移、当前速度、当前压力、控制输入、目标位移和执行机构约束，预测六自由度补偿平台的初步实际补偿位姿；

12、控制器建立narx残差修正模型，预测灰箱模型的未来位姿残差；再将初步实际补偿位姿与未来位姿残差求和后得到六自由度补偿平台的未来实际补偿位姿。

13、进一步地，执行机构约束包含液压缸行程、速度、加速度、压力和响应延迟约束。

14、进一步地，narx残差修正模型以历史平台位姿误差、历史液压缸跟踪误差、历史控制输入、历史压力波动和未来目标位移为输入，通过narx非线性映射函数，预测灰箱模型的未来位姿残差。

15、进一步地，步骤（3）中，六自由度补偿平台至栈桥末端的运动学关系具体包括：

16、在时刻，栈桥未启动三自由度补偿时，六自由度补偿平台至栈桥末端的运动学关系视为当前固定几何关系，即：；其中，为栈桥处于待命或固定状态时六自由度补偿平台至栈桥末端的固定变换关系；

17、在时刻，栈桥启动伸缩、俯仰和回转补偿时，六自由度补偿平台至栈桥末端的运动学关系随栈桥三自由度状态变化；设栈桥三自由度状态为：；其中，为栈桥伸缩量，为栈桥俯仰角，为栈桥回转量，则六自由度补偿平台至栈桥末端的运动学关系表示为：。

18、进一步地，步骤（4）中，目标登乘点的位姿通过作业前标定或预设坐标获得，并在登乘过程中作为固定已知位姿。

19、进一步地，步骤（4）的具体过程为：

20、设目标登乘点相对于世界坐标系的位姿为，栈桥末端的未来位姿为，则未来时刻下栈桥末端相对于目标登乘点的未来残余相对位姿，表示为：；

21、由提取栈桥末端相对于目标登乘点的残余相对位置误差和残余相对姿态误差；根据连续预测时刻的相对位姿变化，计算残余相对速度、残余相对角速度、栈桥末端加速度或冲击指标，并结合栈桥末端与目标登乘点之间的安全间距、六自由度补偿平台和三自由度登乘栈桥的行程裕度、液压压力裕度构建相对运动状态向量：。

22、进一步地，步骤（5）中，构建综合风险评价函数，表达式为：

23、；

24、其中，为相对位姿风险，为相对速度风险，为末端加速度或冲击风险，为目标碰撞或安全间距风险，为执行机构裕度风险；为对应权重。

25、进一步地，步骤（5）中，基于综合风险评价函数确认安全登乘窗口，具体为：

26、在未来短时预测域内，若存在连续时间段 满足：且；则将该连续时间段判定为安全登乘窗口；其中，为风险阈值，为人员完成登乘所需的最短时间。

27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

28、第一，本发明不以理想补偿轨迹作为登乘安全判断依据，而是预测六自由度补偿平台在执行机构约束、控制延迟和历史跟踪误差作用下的未来实际补偿响应，使栈桥末端位姿推算结果更接近实际执行状态。

29、第二，本发明将栈桥未启动补偿时的固定几何关系和栈桥启动补偿后的时变运动学关系区别处理，在栈桥伸缩、俯仰和回转状态变化后滚动修正栈桥末端未来位姿，提高了栈桥末端位姿预测的可靠性。

30、第三，本发明以栈桥末端与目标登乘点之间的残余相对运动风险作为安全登乘窗口判据，能够综合考虑相对位置、相对姿态、相对速度、末端冲击、安全间距、行程裕度和压力状态，避免仅依据船体运动或平台理想位姿判断登乘时机。

31、第四，本发明在确认安全登乘窗口后再启动六自由度补偿平台与三自由度栈桥的协同补偿，有助于减少连续盲目补偿造成的行程消耗、液压压力波动和机构饱和风险。

32、第五，本发明在行程不足、压力异常、人员异常、位姿偏差超限或风险超限时切换至安全退出轨迹，能够提高小型运维船在不依赖动态定位系统条件下的海上登乘安全性和适应性。