一种适用于海上风机单叶片安装的吊具主动控制系统及方法

本发明涉及海洋工程技术及风力发电设备安装，更具体的说是涉及一种适用于海上风机单叶片安装的吊具主动控制系统及方法。

背景技术：

1、海上风机单叶片吊装是海上风电分体安装的重要工序之一。随着海上风机单机容量持续提升，叶片尺寸、重量及吊装高度不断增大，叶片长度已超过100m。单叶片吊装需要在百米高空完成叶片与轮毂的毫米级精准对接，是海上风机安装中风险最高、技术难度最大、精度要求最严苛的核心工序。

2、现有典型的单叶片吊装方案如下：

3、（1）吊具结构

4、传统单叶片吊具主要为水平式吊带兜吊具，采用柔性吊带或钢丝绳兜住叶片底部，通过主吊钩起吊。吊具结构简单，主要由吊带（或钢丝绳）、卸扣、吊环等组成。吊具与叶片之间无刚性连接，依靠吊带与叶片表面的摩擦力承载。

5、部分改进方案采用水平式c型夹吊具，包括c型夹持框架、上夹持压板和下承托垫板，通过夹持力固定叶片。

6、（2）姿态控制方式

7、现有单叶片吊装的姿态控制主要依赖以下方式：

8、人工缆风：施工人员将缆风绳穿过船体上固定的锚点，通过人力拉拽缆风绳调整叶片吊装角度。通常需要多组施工人员控制多根缆风绳协同操作。

9、机械缆风装置：在主吊臂两侧对称设置卷扬机、固定滑轮、移动滑轮和机械缆风钢丝绳，通过卷扬机驱动钢丝绳收放来控制叶片姿态。

10、（3）对接过程

11、叶片起吊后，通过吊机回转、变幅和起升动作将叶根中心提升至轮毂中心高度附近。在此过程中，人工缆风持续调整叶片姿态，待叶根与轮毂对接法兰端面的螺栓孔对齐后，插入螺栓并完成紧固。

12、现有问题主要存在以下不足：

13、（1）减振性能有限，被动应对风浪扰动

14、传统刚性吊具缺乏有效的主动减振手段，在海上风浪扰动下，叶片易产生多自由度摆动。吊带兜吊具与叶片之间为柔性接触，无法对叶片施加有效的主动控制力，只能被动地跟随吊钩运动。随着吊装高度增加（百米以上），风荷载对叶片的影响呈指数增长，被动式吊具难以抑制叶片摆动。

15、传统吊具不具备主动执行机构，无法对叶片姿态施加主动控制力，本质上是一种“被动跟随”装置，只能依赖吊机动作和人工缆风进行粗略调整。

16、（2）人工缆风控制精度不足，调控能力差

17、人工缆风存在以下固有缺陷：

18、调控能力差，人工缆风所使用的缆风绳多为尼龙绳，抗拉力有限，调控叶片角度能力较低；

19、适应性差，缆风绳行动轨迹需避开甲板物件，对船舶甲板布置要求高；

20、功效差，人工缆风通常只能有效控制叶片在低空中的角度。随着吊装高度提升，人工缆风提供力的方向逐渐由水平变为竖直，水平分力逐渐降低，对叶片角度的控制效果越来越微弱；

21、人员利用率低，需多组施工人员控制多根缆风绳，不便于现场施工。

22、人工缆风依赖人的体力和经验，无法提供精确、持续、可控的拉力。随着叶片尺寸和吊装高度的增加，人力已无法满足大尺度、高精度姿态控制的需求。

23、（3）有效作业窗口期受限

24、由于缺乏有效的主动控制手段，单叶片吊装只能在风速低于12m/s的较好海况下进行。海上天气条件多变，可用作业窗口期短，导致采用昂贵吊装设备（安装船、起吊机）的等待时间长，吊装成本居高不下。

25、传统吊装方法对环境条件的适应能力弱，无法在较高风速或较大海浪条件下保证吊装安全与精度，本质上是被动适应环境而非主动抵抗环境扰动。

26、（4）缺乏系统性的主动控制架构

27、现有技术中虽有部分改进方案（如机械缆风装置、单叶片安装机械臂等），但大多仅针对单一环节进行改进，缺乏将“感知—决策—执行”集成为一体的系统性主动控制架构。缆风控制与吊具夹持相互独立，无法实现协同控制。

28、因此，如何提供一种能够实现单叶片吊装全过程姿态主动感知、自主决策、精准执行的适用于海上风机单叶片安装的吊具主动控制系统及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种适用于海上风机单叶片安装的吊具主动控制系统及方法，旨在解决上述背景技术中的问题之一，能够实现单叶片吊装全过程姿态主动感知、自主决策、精准执行。

2、为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种适用于海上风机单叶片安装的吊具主动控制系统，包括：

3、吊具主框架，设置为方形承载框架；

4、夹持机构，所述夹持机构通过变桨机构设置在吊具主框架中心位置，用于夹持叶片，所述夹持机构的周侧呈圆周均布多个推进器，多个所述推进器通过电推缸竖直方向可调的设置在所述吊具主框架上；

5、缆风机构，所述缆风机构包括卷扬机和缆风绳，所述卷扬机对称设置四个在所述吊具主框架的四角位置，所述缆风绳一端与所述卷扬机连接、所述缆风绳的另一端与所述夹持机构连接，用于向叶片提供水平方向的姿态调整力。

6、进一步的，所述变桨机构包括变桨驱动电机、减速器及回转驱动机，所述变桨驱动电机设置在所述吊具主框架上，所述变桨驱动电机通过所述减速器驱动所述回转驱动机，实现叶片绕其纵轴的回转角度调节，回转角度调节范围为±15°。

7、进一步的，所述夹持机构包括安装座、夹持板和底部垫板，所述安装座设置在所述回转驱动机的底部，两个所述夹持板呈c型与所述安装座的底部铰接，所述安装座的底部设有驱动器与所述夹持板相互远离的侧壁连接，所述安装座的顶部设有多个与所述缆风绳适配的吊耳，所述底部垫板设置在所述夹持板的开合位置，所述夹持板和底部垫板与叶片的接触面均设有耐磨防滑软垫。

8、进一步的，还包括感知模块，所述感知模块包括姿态传感器、风速风向传感器和视觉定位模块；所述姿态传感器设置在所述夹持板的侧壁上，用于实时采集叶片的姿态数据，所述风速风向传感器设置在所述吊具主框架上，用于实时采集环境风速风向数据，所述视觉定位模块设置在位于所述夹持板上方的所述吊具主框架上，用于采集叶根与轮毂对接法兰面的相对位置数据。

9、进一步的，所述缆风机构还包括定滑轮和动滑轮，所述定滑轮对应所述卷扬机设置在所述吊具主框架上，所述动滑轮设置在所述缆风绳上，所述卷扬机通过所述定滑轮和动滑轮与所述缆风绳配合连接。

10、进一步的，所述视觉定位机模块包括工业相机和图像处理单元，所述工业相机用于采集叶根与轮毂对接法兰面的图像，所述图像处理单元用于根据所述图像计算两法兰面的相对位置偏差。

11、进一步的，还包括控制器，所述控制器内置控制程序，所述控制器分别与所述姿态传感器、风速风向传感器、视觉定位机模块、卷扬机、变桨驱动电机、推进器和驱动器电性连接。

12、另一方面，本发明提供了一种适用于海上风机单叶片安装的吊具主动控制，基于上述所述的一种适用于海上风机单叶片安装的吊具主动控制系统，具体包括以下步骤：

13、步骤一，吊具主框架安装与叶片夹持，将吊具主框架与主吊钩连接，将吊具主框架放入叶片夹持区域，将夹持机构安装在吊具主框架上，通过驱动器驱动夹持板夹紧叶片，夹持压力根据叶片型号和重量适配调整；

14、步骤二，姿态感知系统初始化，控制器上电自检，姿态传感器、风速风向传感器、视觉定位模块分别完成初始化与通信握手，控制器读取各传感器初始数据并建立基准姿态；

15、步骤三，叶片起吊与姿态主动控制，起吊叶片至轮毂中心高度，起吊过程中，姿态传感器实时采集叶片姿态数据并传输至控制器，风速风向传感器实时采集环境风数据并传输至控制器，控制器根据实时数据计算叶片当前姿态与目标姿态的偏差，当风速超过设定阈值时，控制器向缆风机构发送控制指令，卷扬机根据指令实时调整缆风绳张力以抵抗风力扰动；当姿态偏差超出设定阈值时，控制器向推进器发送控制指令进行多自由度微调；同时通过变桨机构调节叶片回转角度，将叶片姿态调整至接近目标姿态；

16、步骤四，高空精准对接，当叶片提升至轮毂中心高度时，视觉定位模块实时采集叶根与轮毂对接法兰面的相对位置数据并传输至控制器，控制器根据视觉定位数据向缆风机构、变桨机构和推进器发送协同控制指令，协同工作将叶根法兰面与轮毂法兰面调整至对齐状态，完成螺栓紧固；

17、步骤五，吊具解除，解除夹持机构的夹持力，移出吊具主框架，完成单叶片安装。

18、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种适用于海上风机单叶片安装的吊具主动控制系统及方法，有益效果是：

19、1）姿态控制能力质的提升，本发明通过缆风系统、变桨系统、推进器系统的三位一体协同控制，实现了叶片吊装全过程的多自由度姿态主动控制，有效抑制了风浪扰动引起的叶片摆动。相比于传统人工缆风方式，本发明的主动控制系统可在全吊装高度范围内提供持续、可控、精确的姿态调整力；

20、2）对接精度显著提高，通过视觉定位系统的实时反馈与多执行机构的协同控制，本发明可实现叶根与轮毂的毫米级精准对接。传统人工缆风方式依赖操作人员经验和目测判断，对接精度难以保证且一致性差。研究表明，集成主动控制系统的海上风电安装方法可有效降低叶根和轮毂之间的相对运动；

21、3）作业窗口期有效延长，传统人工缆风方式只能在风速低于12m/s时才能吊装。本发明通过主动控制系统抵抗风浪扰动，可在较高风速条件下保证吊装安全与精度，有效延长全年作业窗口期。这对于降低采用昂贵吊装设备的等待时间、提高设备利用率具有重要经济价值；

22、4）安装效率大幅提升，传统安装方式效率较为低下。本发明通过系统性的主动控制，可实现单叶片吊装的快速、高效对接。主动反馈控制方法和装置的应用表明，装配过程可得到极大程度的加快，从而降低装配时间和操作等时；

23、5）系统性创新突破本发明从结构设计（“柔性夹持+刚性锁止”夹持机构）、调整装置（缆风+变桨+推进器三位一体）及控制技术（感知-决策-执行闭环）三个维度完成了系统性创新升级，突破了传统吊具依赖人工、被动调姿的技术局限。