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登船桥伸缩臂姿态测量与控制方法研究及系统实现

登船桥伸缩臂姿态测量与控制方法研究及系统实现

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作者：雒方锐内蒙古工业大学

学位级别：硕士

随着新能源产业的快速发展与海上风力发电厂大规模投入使用,海上风机的维修问题也得到广泛关注。为了避免维修船的船体与风机塔台发生碰撞,船体与海上风机登陆口相距较远,工作人员通过登船桥登上风机塔台。因此,需控制登船桥伸缩臂与风... 详细信息

随着新能源产业的快速发展与海上风力发电厂大规模投入使用,海上风机的维修问题也得到广泛关注。为了避免维修船的船体与风机塔台发生碰撞,船体与海上风机登陆口相距较远,工作人员通过登船桥登上风机塔台。因此,需控制登船桥伸缩臂与风机登陆口尽量无缝对接,以保证工作人员安全登陆和离开风机。针对海浪导致登船桥伸缩臂与海上风机口登陆口对准不稳定的问题,本文研究登船桥伸缩臂的姿态测量与控制方法,并进行系统实现。首先,设计了登船桥伸缩臂姿态测量与控制系统的硬件组成方案,系统测量部分包括工业相机、激光测距传感器、监控计算机,系统控制部分包括工控机、运动控制卡、伺服电机驱动器和伺服电机组成硬件系统。根据硬件组成,设计了姿态控制系统的主电路和控制电路,并完成了相机的标定工作,为登船桥伸缩臂姿态测量与控制系统提供了硬件平台。其次,设计了海上风机标志图像和登船桥伸缩臂姿态测量算法,算法包括稳像、风机标志目标检测和EPNP姿态估计等三部分。针对受海浪影响登船桥伸缩臂前端的载荷相机图像采集质量较差的问题,提出一种自适应ORB算法,并在此基础上设计了稳像算法;提出了一种CA注意力机制和Faster R-CNN目标检测算法相结合的风机标志检测模型。实验结果表明,本文设计的登船桥伸缩臂姿态测量算法能够有效估计登船桥伸缩臂的姿态。第三,设计了基于抗饱和积分PID控制器的登船桥伸缩臂控制方法,包括俯仰角和偏航角两个控制回路,两个控制回路的姿态反馈信息均来自于本文设计的姿态测量算法。采用摇摆台进行实时跟随控制实验,实验结果表明,本文设计的姿态控制方法有效,抗积分饱和PID控制器可使登船桥伸缩臂控制系统更稳定,运维作业更加安全。第四,采用Qt开发了登船桥伸缩臂姿态监控软件,软件包括串口参数设置、目标模板的载入、稳像处理、姿态解算、数据发送、数据显示等六个模块。该软件可以输出实时有效的姿态测量信息,与工控机中的电机监控软件配合完成登船桥伸缩臂的自动控制。本文的研究结果为登船桥伸缩臂与海上风机登陆口自动对接提供了可以借鉴的思路,为开发完整的登船桥伸缩臂系统奠定了基础。

关键词：登船桥伸缩臂姿态测量与控制稳像目标检测 PID控制器

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