白 玉，胡永攀

（后勤工程學(xué)院，重慶 401311）

海上并靠補(bǔ)給波浪補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

白 玉，胡永攀

（后勤工程學(xué)院，重慶 401311）

并靠補(bǔ)給是一種重要的海上補(bǔ)給方式。艦船在海浪作用下會(huì)產(chǎn)生六自由度運(yùn)動(dòng)，對(duì)海上并靠補(bǔ)給具有重要影響；波浪補(bǔ)償技術(shù)能夠消除艦船運(yùn)動(dòng)對(duì)海上并靠補(bǔ)給的影響，是海上并靠補(bǔ)給的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。介紹海上并靠補(bǔ)給及其波浪補(bǔ)償技術(shù)，探討海上并靠補(bǔ)給對(duì)波浪補(bǔ)償技術(shù)的需求，分析被動(dòng)式波浪補(bǔ)償技術(shù)和主動(dòng)式波浪補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，研究六自由度波浪補(bǔ)償技術(shù)的工作原理。通過分析指出，六自由度波浪補(bǔ)償系統(tǒng)能夠完全補(bǔ)償兩艦船之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不僅可以避免貨物與被補(bǔ)給船之間發(fā)生碰撞，而且可以精確地將貨物補(bǔ)給到指定位置和有效地抑制或消除貨物的擺動(dòng)，是波浪補(bǔ)償技術(shù)的重要發(fā)展方向。六自由度波浪補(bǔ)償技術(shù)是通過繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，技術(shù)難度較大。

海上并靠補(bǔ)給；波浪補(bǔ)償技術(shù)；六自由度波浪補(bǔ)償；繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)

1 海上并靠補(bǔ)給和波浪補(bǔ)償技術(shù)

并靠補(bǔ)給是一種重要的海上補(bǔ)給方式。在海上實(shí)施并靠補(bǔ)給時(shí)，補(bǔ)給船和被補(bǔ)給船錨泊并靠在一起，通過索鏈和緩沖墊將兩船連接起來，通過船用起重機(jī)將貨物從補(bǔ)給船吊裝到被補(bǔ)給船上。并靠補(bǔ)給在海上集裝箱補(bǔ)給和魚雷導(dǎo)彈裝填等任務(wù)中發(fā)揮著不可替代的作用。

艦船在海浪作用下會(huì)產(chǎn)生橫蕩、縱蕩、升沉、橫搖、縱搖及艏搖六自由度運(yùn)動(dòng)（見圖1），對(duì)海上并靠補(bǔ)給具有重要影響，主要表現(xiàn)在：① 兩艦船在升沉方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致補(bǔ)給中的貨物與被補(bǔ)給船甲板碰撞，給海上補(bǔ)給帶來巨大的風(fēng)險(xiǎn)；② 兩艦船在水平方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)使貨物無(wú)法準(zhǔn)確吊裝到指定位置；③ 補(bǔ)給船的六自由度運(yùn)動(dòng)會(huì)引起貨物擺動(dòng)，在一定情況下，擺動(dòng)可能非常劇烈并引發(fā)嚴(yán)重后果［1］。因此，為保證并靠補(bǔ)給安全、高效地進(jìn)行，必須采用一定的技術(shù)手段補(bǔ)償艦船運(yùn)動(dòng)的影響，這些技術(shù)手段統(tǒng)稱為波浪補(bǔ)償技術(shù)。

圖1 海浪引起的艦船六自由度運(yùn)動(dòng)

2 波浪補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的波浪補(bǔ)償技術(shù)可以分為被動(dòng)式和主動(dòng)式2種［2］。

2.1 被動(dòng)式波浪補(bǔ)償技術(shù)

被動(dòng)式波浪補(bǔ)償技術(shù)無(wú)需進(jìn)行主動(dòng)控制，工作原理簡(jiǎn)單，技術(shù)難度較小。隨動(dòng)小車補(bǔ)償系統(tǒng)是一種最常用的被動(dòng)式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理見圖 2。隨動(dòng)吊鉤繞過隨動(dòng)小車掛到被補(bǔ)給船的甲板上，當(dāng)被補(bǔ)給船相對(duì)補(bǔ)給船向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)隨動(dòng)小車向右運(yùn)動(dòng)，高壓空氣瓶?jī)?chǔ)存能量，貨物下放；當(dāng)被補(bǔ)給船相對(duì)補(bǔ)給船向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨動(dòng)小車在氣缸的作用下向左運(yùn)動(dòng)，高壓空氣瓶釋放能量，貨物提升，由此實(shí)現(xiàn)貨物跟隨被補(bǔ)給船的甲板上下運(yùn)動(dòng)。隨動(dòng)小車補(bǔ)償系統(tǒng)的主要不足有：① 補(bǔ)償過程滯后，補(bǔ)償精度較低；② 被補(bǔ)給船甲板上必須有掛接補(bǔ)償?shù)蹉^的點(diǎn)，且承受力較大；③ 每次吊裝時(shí)都要先將補(bǔ)償?shù)蹉^掛到被補(bǔ)給船甲板上，然后再取下，操作麻煩。

圖2 隨動(dòng)小車補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

2.2 主動(dòng)式波浪補(bǔ)償技術(shù)

被動(dòng)式波浪補(bǔ)償技術(shù)在并靠補(bǔ)給中的補(bǔ)償作用是非常有限的，而主動(dòng)式波浪補(bǔ)償技術(shù)能夠彌補(bǔ)其一些缺陷，具有更廣闊的應(yīng)用前景。主動(dòng)式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)通過主動(dòng)控制的方式實(shí)現(xiàn)波浪補(bǔ)償，目前使用的主要有絞車收放式、液壓缸伸縮式和吊臂變幅式3種。① 絞車收放式（見圖3a）——通過絞車收放繩索實(shí)現(xiàn)波浪補(bǔ)償，是最常見的主動(dòng)式波浪補(bǔ)償方式。② 液壓缸伸縮式（見圖3b）——依靠液壓缸和滑輪組實(shí)現(xiàn)波浪補(bǔ)償，當(dāng)液壓缸伸長(zhǎng)時(shí)，貨物上升；當(dāng)液壓缸縮短時(shí)，貨物下降。這種波浪補(bǔ)償系統(tǒng)占用的空間較多，但是容易實(shí)現(xiàn)模塊化，可用來改裝傳統(tǒng)的船用起重機(jī)。③ 吊臂變幅式（見圖3c）——通過吊臂的變幅來控制貨物的升降，補(bǔ)償效率低，浪費(fèi)能量多，目前應(yīng)用較少。

圖3 常見的3種主動(dòng)式波浪補(bǔ)償方式

3 六自由度波浪補(bǔ)償技術(shù)

為保證海上并靠補(bǔ)給安全、高效、精確地進(jìn)行，波浪補(bǔ)償系統(tǒng)必須具備相對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和擺動(dòng)抑制2項(xiàng)功能，其中：相對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償功能是指消除兩艦船之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)并靠補(bǔ)給的影響；擺動(dòng)抑制功能是指抑制補(bǔ)給船運(yùn)動(dòng)引起的貨物擺動(dòng)?，F(xiàn)有的波浪補(bǔ)償系統(tǒng)大多只具備升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膯我还δ?，不具備六自由度相?duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和擺動(dòng)抑制功能。

20世紀(jì) 80年代，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院研制出一種并聯(lián)起重機(jī)器人 RoboCrane，將 6根繩索按照Stewart構(gòu)型來吊裝貨物，每根繩索連接一臺(tái)電機(jī)，能夠控制貨物六自由度的運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)海軍研究辦公室聯(lián)合Oceaneering和ATR公司研制出LVI LO/LO。該系統(tǒng)采用冗余構(gòu)型，通過8根繩索控制貨物運(yùn)動(dòng)，使用慣性測(cè)量單元和攝像機(jī)陣列來檢測(cè)艦船之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。2010年5月，LVI LO/LO演示樣機(jī)（見圖4）在墨西哥灣完成真實(shí)環(huán)境試驗(yàn)，在1m浪高的情況下成功補(bǔ)給128個(gè)集裝箱，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案和相關(guān)技術(shù)的有效性［3］。該系統(tǒng)是目前國(guó)際上最先進(jìn)的六自由度相對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)。

圖4 LVI LO/LO演示樣機(jī)

六自由度波浪補(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)際上是一種繩牽引的并聯(lián)機(jī)器人，通過收放多根繩索來控制貨物的六自由度運(yùn)動(dòng)，以保證貨物與被補(bǔ)給船之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不受兩船相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，從而實(shí)現(xiàn)六自由度波浪補(bǔ)償。繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)是用繩索代替?zhèn)鹘y(tǒng)剛性支桿的新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)，一般由基座（或機(jī)架）、動(dòng)平臺(tái)（也稱負(fù)載）、繩索、驅(qū)動(dòng)器及連接繩索與基座或動(dòng)平臺(tái)的鉸鏈等組成，將驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)和力以繩索為介質(zhì)轉(zhuǎn)換為動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和力。常見的繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式有2種（見圖5）：第1種結(jié)構(gòu)中，所有繩索都分布在動(dòng)平臺(tái)的一側(cè)，必須依靠重力才能實(shí)現(xiàn)靜平衡或動(dòng)力學(xué)平衡，這種結(jié)構(gòu)也稱為繩索懸掛并聯(lián)機(jī)構(gòu)［4］；第2種是更為普遍的結(jié)構(gòu)，繩索分布在動(dòng)平臺(tái)的四周，不需要重力也可以實(shí)現(xiàn)平衡，可以用于太空環(huán)境中。六自由度并聯(lián)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)采用第1種結(jié)構(gòu)形式。

圖5 繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的2種結(jié)構(gòu)形式

繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的幾何模型見圖6，定義2個(gè)坐標(biāo)系OB-xByBzB和OP-xPyPzP，分別固定在基座和負(fù)載上，稱為基座坐標(biāo)系和負(fù)載坐標(biāo)系。假設(shè)繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)包含m根繩索； Pi和 Bi（i=1，…，m）分別為第i根繩索與-負(fù)---載-→和基座-的---連-→接點(diǎn)； pi和 bi分別為從負(fù)載和基座坐---標(biāo)-→系的原點(diǎn)指向相應(yīng)的繩索連接點(diǎn)的矢量，即為第i根繩索對(duì)應(yīng)的矢量，ei為li的單位矢量。

用xPB表示負(fù)載坐標(biāo)系相對(duì)于基座坐標(biāo)系的位置，由圖6可知

將式（1）在基座坐標(biāo)系中表示出來，可得

式（2）中：B和P分別表示該矢量的參考坐標(biāo)系是基座坐標(biāo)系和負(fù)載坐標(biāo)系；為負(fù)載坐標(biāo)系到基座坐標(biāo)系的方向余弦矩陣。

式（3）中：Ψ，θ和φ為負(fù)載坐標(biāo)系相對(duì)于基座坐標(biāo)系的3個(gè)歐拉角，分別為艏搖角、縱搖角和橫搖角［5］。

圖6 繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)幾何模型

在并靠補(bǔ)給過程中，只要給定負(fù)載相對(duì)于被補(bǔ)給船的期望位姿，并測(cè)量出被補(bǔ)給船相對(duì)基座的位姿，就可以根據(jù)式（4）計(jì)算出波浪補(bǔ)償需要的繩索長(zhǎng)度。通過實(shí)時(shí)控制各繩索的收放使其長(zhǎng)度與計(jì)算值相等，就能夠保證荷載與被補(bǔ)給船的相對(duì)位姿與預(yù)先設(shè)定的期望值一致，而與兩船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。因此，六自由度波浪補(bǔ)償系統(tǒng)能夠完全補(bǔ)償兩艦船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)海上并靠補(bǔ)給的影響。

隨著海洋開發(fā)和海軍建設(shè)的發(fā)展，海上并靠補(bǔ)給任務(wù)越來越復(fù)雜，對(duì)波浪補(bǔ)償技術(shù)的要求也越來越高。目前海上并靠補(bǔ)給主要用來補(bǔ)給食品、零件等干貨，配套的波浪補(bǔ)償系統(tǒng)僅須消減貨物與被補(bǔ)給船甲板的碰撞，因此單自由度的波浪補(bǔ)償技術(shù)（主要為升沉補(bǔ)償）一般就能滿足要求。隨著我國(guó)海軍逐步走向遠(yuǎn)海，為滿足遠(yuǎn)洋作戰(zhàn)的需求，艦船不僅需要在海上補(bǔ)給干貨，還需要進(jìn)行集裝箱堆垛和魚雷導(dǎo)彈裝填，這些新的補(bǔ)給任務(wù)要求補(bǔ)給過程中貨物相對(duì)于被補(bǔ)給船的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)都不受艦船相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，只能通過六自由度波浪補(bǔ)償技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。因此，六自由度波浪補(bǔ)償技術(shù)是海洋開發(fā)和海軍建設(shè)深入開展的迫切需求，代表波浪補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向。

4 結(jié) 語(yǔ)

六自由度波浪補(bǔ)償系統(tǒng)能夠完全補(bǔ)償兩艦船之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不僅可以避免貨物與被補(bǔ)給船之間發(fā)生碰撞，而且可以精確地將貨物補(bǔ)給到指定位置。同時(shí)，多根繩索空間懸掛結(jié)構(gòu)本身具有較強(qiáng)的抗擺能力，能夠有效地抑制或消除貨物的擺動(dòng)，避免擺動(dòng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。因此，六自由度波浪補(bǔ)償技術(shù)能夠滿足海上并靠補(bǔ)給對(duì)波浪補(bǔ)償技術(shù)的要求，是波浪補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。六自由度波浪補(bǔ)償是通過繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，技術(shù)難度較大。

［1］ 陸衛(wèi)杰. 艦艇并靠導(dǎo)彈補(bǔ)給及波浪補(bǔ)償系統(tǒng)研究［D］. 南京：南京理工大學(xué)，2006.

［2］ 徐小軍，陳循，尚建忠. 一種新型主動(dòng)式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的原理及數(shù)學(xué)建模［J］. 國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007， 29 （3）： 118-122.

［3］ 胡永攀，陶利民，呂偉，等. 并聯(lián)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的魯棒控制方法［J］. 國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014， 36 （6）： 171-179.

［4］ ALP A B， AGRAWAL S K. Cable suspended robots： design， planning and control［C］//Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Piscataway： IEEE， 2002： 4275-4280.

［5］ SHUSTER M D. A survey of attitude representations［J］. The Journal of the Astronautical Sciences， 1993， 41 （4）： 439-517.

Discussion on the Development Trends of Wave Compensation Technology of Offshore Alongside Replenishment

BAI Yu， HU Yong-pan
（Logistical Engineering University of PLA， Chongqing 401311， China）

Side-by-side transfer is an important replenishment method at sea. Wave-induced 6-DOF ship motions have large influences on the offshore replenishment operation whereas wave compensation technology can eliminate the influences of wave-induced ship motions， so it is a key technology for offshore replenishment. This paper introduces the offshore replenishment and its wave compensation technology， discusses technological requirements of wave compensation in offshore replenishment， analyzes the development of both active and passive wave compensation technology， and studies the principle of 6-DOF wave compensation system. Then it points out that 6-DOF wave compensation system can completely compensate the relative motions of the two ships， which not only prevents the collision between cargo and ship， but also accurately positions the cargo to the designated location and effectively depresses the pendulum motion of the cargo. Therefore it is a significant advancement of wave compensation technology. The 6-DOF wave compensation technology is based on cable-driven parallel mechanism， which is technically difficult.

offshore alongside replenishment； wave compensation technology； 6-DOF wave compensation； cable-driven parallel mechanism

U664.82

A

2095-4069 （2016） 05-0001-04

10.14056/j.cnki.naoe.2016.05.001

2015-10-16

白玉，男，碩士，1973年生。畢業(yè)于昆明理工大學(xué)，現(xiàn)為后勤工程學(xué)院教師。