[0001] 本发明涉及海上船体摇摆测试领域，尤其是一种船用波浪试验补偿台及波浪发生补偿方法。

[0002] 海上船体的摇摆会导致安装在船上的设备的不稳定，如果设备与船体的连接不紧固，设备可能会随着船体的摇摆而倾倒，从而导致事故发生。

[0003] 本申请基于海上船体会随波浪摇摆的问题，提供一种精度高、稳定性好的波浪模拟平台与波浪补偿平台的组合结构，用于模拟海上船体的摇摆动作，以便研究能够提升船上设备稳定性的平台。

[0039] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0040] 请参阅附图1和图2，本发明首先提供一种船用波浪试验补偿台，包括波浪发生台1和波浪补偿台2；所述波浪发生台包括第一下平台101、第一上平台102、第一姿态传感器103和摇摆部，所述第一姿态传感器103设置在第一下平台101上、用于反馈第一下平台101的平面状态，所述摇摆部分别连接第一下平台101和第一上平台102、用于驱动第一上平台102相对于第一下平台101摇晃；所述波浪补偿台2包括第二下平台201、第二上平台202、第二姿态传感器203和自平衡部，所述第二下平台201设置在第一上平台102顶面，所述第二姿态传感器203设置在第二下平台201上、用于反馈第二下平台201的摇摆角，所述自平衡部分别连接第二下平台201和第二上平台202、用于补偿第二上平台202的摇晃。

[0041] 具体地，第一姿态传感器103和第二姿态传感器203分别连接控制系统的控制器，初始状态下第一姿态传感器103发送第一下平台101的姿态，以该姿态下的第一下平台101为基准面，此时第一上平台102、第二下平台201、第二上平台202分别与第一下平台101平行，从而建立第一下平台101的坐标系W、第一上平台102的坐标系A和第二上平台202的坐标系B；由于第一下平台201贴合布置在第一上平台102上，所以以第一上平台102建立的坐标系也即为第二下平台201的坐标系。

[0042] 通过第一姿态传感器103发送第一下平台101的姿态到控制器，建立初始坐标系，在摇摆部的作用下波浪补偿台2随同第一上平台102做摇晃动作，模拟船体摇晃过程，从而第二姿态传感器203实时采集反馈第一上平台102的摇摆角α、β至控制器，通过控制器实时计算补偿部的动作行程，实现对第二上平台202的摇晃补偿，保持第二上平台102的水平状态，从而在第二上平台102上安装设备时，能够保证设备的水平状态。利用模拟波浪+补偿波浪的组合结构，推进海上设备稳定平台的研发。

[0043] 在本申请中，请参阅附图2‑图4，所述摇摆部包括第一支架104、第一齿轮105、第二齿轮106、第一减速电机107、第一中间转轴108、第一上转轴109、夹块110、第二支架111和第二减速电机112；所述第一下平台101上间隔设置有两个第一支架104，所述第一减速电机107位于两个第一支架104之间、固定在第一下平台101上，所述第一减速电机107的输出端分别连接两个第一齿轮105；所述第一中间转轴108的两端分别转动连接于两个第一支架
104，所述第一中间转轴108上间隔设置有两个第二齿轮106，两个所述第二齿轮106分别与两个第一齿轮105相啮合；所述夹块110分别固定连接于第一中间转轴108和第一上转轴
109，所述第一上转轴109垂直于第一中间转轴108、其两端分别连接有第二支架111；所述第二减速电机112固定在其中一个所述第二支架111上，所述第二减速电机112的输出端与第一上转轴109的一端传动连接；所述第一上平台102固定在所述第二支架111顶部。

[0044] 本申请第一减速电机、第一齿轮、第二齿轮、夹块组成第一上平台的横摇驱动部，第二减速电机、第一上转轴组成第一上平台的纵摇驱动部。

[0045] 初始状态下，根据第一姿态传感器103反馈的姿态信息，以第一下平台101所在平面建立坐标系W，此时第一上平台102在摇摆部的支撑作用下与第一下平台101平行。

[0046] 模拟船体横摇过程时，第一减速电机107驱动第一齿轮105旋转，利用第一齿轮105与第二齿轮106的啮合作用将动力精准传递至第二齿轮106，随着第二齿轮106的转动，第一中间转轴108与夹块110同步转动，带动作为纵摇驱动部整体和第一上平台102同步横摇，以此实现横摇驱动，第二姿态传感器203反馈的摇摆角α即为第一上平台102相对于Wx的横摇角度，使用减速电机与齿轮啮合相互配合实现高精度的运动控制，减速电机提供了稳定的输出扭矩和速度，齿轮则通过精确啮合传递动力，进一步提高了运动精度，即为波浪补偿提供精准数据。

[0047] 模拟船体纵摇过程时，第二减速电机112本应驱动第一上转轴109转动，由于第一上转轴109与夹块110相对固定，所以当第一上转轴109无法转动时，扭矩将会转移至与第二减速电机112相连的第二支架111上，从而实现第二支架111与第一上平台102同步纵摇，以此实现纵摇驱动，第二姿态传感器203反馈的摇摆角β即为第一上平台102相对于Wy的纵摇角度，利用减速电机内的齿轮传动提供稳定的输出扭矩，为波浪补偿提供精准数据。

[0048] 一具体实施例中，夹块110的下侧连接第一中间转轴108、上侧连接第一上转轴109，第一上转轴109两端的第二支架111处于第一支架104两侧，各齿轮布置在两个第二支架111之间；通过夹块将横摇和纵摇驱动部进行串联，使得整个系统结构紧凑、方正、集成度高，有利于减小波浪发生台的体积和重量，提高空间利用率，并降低制造成本；进一步地，夹块作为连接两个驱动部的关键部件，不仅提供了结构上的支撑，还能够传递和分散运动过程中的力和扭矩，横摇和纵摇之间没有累积公差，另外还可以单独替换，降低成本。

[0049] 由于模拟波浪发生需要合理的摇摆角度，过度且不合理的摇摆角不仅会影响试验精度，还会在实际中造成设备倾覆，所以在模拟船体摇晃的过程中需要保证合理的摇摆角范围。

[0050] 本申请中横摇限位的具体方式如附图6所示：所述第一减速电机107的输出端配置有第一下转轴1071，所述第一下转轴1071上设置有第一拨片113，与所述第一拨片113相对应的第一支架104上设置有三个第一光电传感器114，三个所述第一光电传感器114能够分别感应所述第一拨片113。

[0051] 当第一减速电机107驱动第一下转轴1071转动、带动第一齿轮105同步转动时，第一拨片113随着第一下转轴1071的转动在三个第一光电传感器114之间来回切换，通过光电传感器114连接控制系统的控制器来反馈第一拨片113的位置，判断第一下转轴1071的旋转角度，再根据齿轮传动比推导出第一上平台102的摆动角。

[0052] 一具体实施例中，三个第一光电传感器114等夹角布置，其中，中间的第一光电传感器114垂直于第一下平台101，初始状态下，第一拨片113正对中间的第一光电传感器114，此时中间的第一光电传感器114反馈第一拨片113处于正中间，与其对应的第一上平台102处于水平状态；当模拟波浪发生时，第一下转轴1071正向或反向转动会带动第一拨片113正向拨动或反向拨动，继而通过两侧的第一光电传感器114感应第一拨片113的位置，及时反馈第一上平台102横摇过程处于正向摆动角最大或反向摆动角最大的状态。

[0053] 本申请中纵摇限位的具体方式如附图4所示：所述第一上转轴109上设置有第二拨片115，与所述第二拨片115相对应的第二支架111上设置有三个第二光电传感器116，三个所述第二光电传感器116能够分别感应所述第二拨片115。

[0054] 可以理解的是，由于本申请中第一上转轴109不随第二减速电机112的驱动而转动，所以第二上转轴109与第二支架111之间的相对转动是通过第二支架111的摆动而实现的；具体地，当第二减速电机112驱动第一上平台102纵摇时，三个所述第二光电传感器116跟随第二支架111纵摇、分别感应到第二拨片115,并反馈第二支架111的旋转角度，从而推导出第一上平台102的摆动角。

[0055] 一具体实施例中，三个第二光电传感器116等夹角布置，其中中间的第二光电传感器116在初始状态下垂直于第一下平台101，此时与其对应的第一上平台102处于水平状态；当第一上平台102在第二减速电机112的作用下正向纵摇或反向纵摇时，通过两侧的第二光电传感器116感应第二拨片115的位置，及时反馈第一上平台102处于正向摆动角最大或反向摆动角最大的状态。

[0056] 在本申请中，请参阅附图7‑图9，所述自平衡部包括一个气缸204和三个电缸205，所述气缸204的两端分别铰接于第二下平台201的中心和第二上平台202的中心，三个所述电缸205围绕气缸204等距布置，任一所述电缸205的两端分别铰接于第二下平台201和第二上平台202。

[0057] 本申请气缸204和电缸205分别连接控制系统的控制器，从第一姿态传感器103反馈的初始坐标系信息和第二姿态传感器203反馈的摆动角信息经过控制器精准计算，得出电缸205的行程距离，控制器通过控制电缸205的行程距离使得第二上平台202保持水平状态，达到波浪补偿的目的。

[0058] 需要说明的是，本申请第二下平台201和第二上平台202均为圆盘状，由于气缸204作为重要的承重件需要布置在第一下平台201和第二上平台202的中心处，所以第二下平台201和第二上平台202得圆盘状结构能够更快的找到中心点，对气缸204的布置提供便利，第二上平台202及其上设备的重量由气缸204承受，根据不同重量的设备更换不同规格的气缸
204，避免电缸205参与承重而增加动力损失，避免影响补偿精度。

[0059] 一具体实施例中，如附图7所示，第二上平台202的圆面积小于第二下平台201的圆面积，电缸205的两端分别连接于第二下平台201的边缘处和第二上平台202的边缘处；三个电缸205能够对第二上平台202三向调整，提高波浪补偿的精准度。

[0060] 请参阅附图7和图8，所述气缸204的底部通过第一万向球轴承2041铰接与第二下平台201铰接，所述气缸204的顶部通过第二万向球轴承2042与第二上平台202铰接。

[0061] 请参阅附图8和图9，所述电缸205的底部通过第一铰支座2051与第二下平台201铰接，所述电缸205的顶部通过第二铰支座2052与第二上平台202铰接。

[0062] 需要说明的是，第二铰支座2052包含一个轴承座和一个轴承杆，轴承座固定在第二上平台202上，轴承杆横向布置、两端分别连接轴承座和电缸205的伸缩杆，同时，电缸205的伸缩杆与轴承杆之间通过销轴转动连接；由于轴承座与轴承杆的配合使得电缸205不仅具有带动轴承座升降的能力，还具有带动轴承杆绕自身轴线旋转的能力，在第二上平台202摇晃时避免电缸205的伸缩杆受力弯曲变形。

[0063] 为了方便各个平台的安装、定位、以及整体的搬运和转移，所述第一下平台101、第一上平台102、第二下平台201和/或第二上平台202上分别设置有把手。

[0064] 请参阅附图2，本发明还一种波浪补偿方法，使用所述的船用波浪试验补偿台来实现，包括如下步骤：初始状态下，根据第一下平台101上的第一姿态传感器103确定基准面W，然后再以第一上平台102所在平面、第二上平台202所在平面建立坐标系A、B；使第一上平台102相对于基准面摇晃，带动波浪补偿台2同步摇晃，根据第二下平台201上的第二姿态传感器203确定第一上平台102的摇摆角α、β；根据摇摆角α、β计算三个所述电缸205的行程距离；
三个所述电缸205分别做伸缩动作，补偿第二上平台202的摇晃。

[0065] 第二姿态传感器203实时采集第一上平台102(即实际应用中的船体)姿态，主要为摇摆角α,β。其中α,β表示测得的第一上平台102的摆动角度，用于模拟船体横摇、纵摇的角度。第二姿态传感器203为HWT605‑485姿态传感器，其通信方式modbus485，实时采集的第一上平台102的摆动角度α、β分别为绕X轴的转动角、绕Y轴的转动角。

[0066] 第二姿态传感器203将角度α、β通过485通信传入控制器。控制器实时计算出三个电缸的长度Li数据(i＝1、2、3)；基于ethercat将计算得出三个电缸的伸缩长度Li数据和伸缩速度Vi的传输到各个电缸的伺服电机，进而完成电缸动作，补偿第一上平台102(即实际应用中的船体)的摇晃。

[0067] 下面详细描述波浪补偿原理推导过程：

[0068] W为固定的全局坐标系，位于第一下平台101上，其中 为W坐标系中XW、YW、ZW坐标轴的单位向量；

[0069] A为位于第一上平台102上的坐标系，其中 为A坐标系中XA、YA、ZA坐标轴的单位向量；

[0070] B为位于第二上平台202上的坐标系，其中 为B坐标系中XB、YB、ZB坐标轴的单位向量；

[0071] 基于附图2可知，由W坐标系向A坐标系的旋转矩阵 为：

[0072]

[0073] 由A坐标系向B坐标系的旋转矩阵 为：

[0074]

[0075] 当模拟船体摇晃时，第二姿态传感器203测得α为第一上平台102绕XW的转角、β为第一上平台102绕YW的转角，则得出W到A的旋转矩阵 为：

[0076]

[0077] W坐标系向B坐标系的变换为：

[0078]

[0079] 所以，当第二上平台202上的B坐标系的坐标轴单位向量

[0080] 时，

[0081] 即第二上平台202与全局坐标系W对齐，即可实现平台稳定，此时

[0082] 其中I为单位矩阵利用第二姿态传感器203测得的α、β，再利用公式即可计算出A坐标系向B坐标系的旋转矩阵

[0083] 由于 为酉矩阵，则 即

[0084]

[0085] 由于单一矩阵RZ(α)RY(β)RX(γ)均为酉矩阵U，根据酉矩阵U的性质U‑1＝UT，则[0086]

[0087] 按照单次RZ(α)RY(β)RX(γ)变换角度的定义，将公式6与公式3保持一致的形似，则有

[0088]

[0089] 针对波浪补偿台2，在已知α、β的条件下即可得知 为了实现第二上平台202的自平衡，通过能求旋转矩阵 逆矩阵求得 根据公式6可得：

[0090]

[0091] 通过波浪补偿台2上的三个电缸的长度Li数据(i＝1、2、3)即可实现坐标系B的转换关系，则实现自平衡的各电缸所需的长度公式为：

[0092]

[0093] ABi为各电缸下铰接点在A坐标系中的位置矢量，为已知量；

[0094] BPi为各电缸下铰接点在B坐标系中的位置矢量，为已知量。

[0095] 利用上述计算方式，根据摆动角α、β推算电缸长度Li，计算过程不涉及第一下平台102摇晃的速度或加速度，减小速度因素对波浪补偿的影响。

[0096] 最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。