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三自由度波浪补偿平台轨迹规划技术研究

摘要

随着我国经济的不断发展，海上资源开发已经成为我国资源开发的重要组成部分。

在海上作业时，由波浪引起的船舶运动会对海上作业产生干扰，严重影响作业效率，

尤其是高海况的情况下，增加了海上作业的难度。因此，开展波浪补偿技术研究及其

装备研制具有重要的意义。

本文针对3-SPR并联式波浪补偿平台的轨迹规划问题，开展以下四个方面的研究：

（1）提出了波浪补偿平台总体设计方案，构建了波浪补偿平台的数学模型。面向

轨迹规划问题研究了平台位姿变换方法，在此基础上对其运动学反解、正解进行研究。

使用运动学反解方法简化了波浪补偿平台的位姿求解计算；使用牛顿法和拟牛顿法分

别对运动学正解进行计算，验证了反解的正确性，通过对比二者求解耗时，最终选择

拟牛顿法作为其运动学正解方法。

2

（）开展了船舶运动预测问题研究。使用自回归模型和卡尔曼滤波器对船舶运动

进行精确估计，为实际工作环境下的船舶运动预测提供了精确的原始数据支撑；针对

补偿运动时滞性问题将回声状态网络和卡尔曼滤波器相结合对船舶运动进行自适应预

测，对比了回声状态网络预测和自适应预测的性能，最终选用自适应预测算法对船舶

运动进行预测，其能在保证预测精度的同时，有效减小计算量。

（3）完成了波浪补偿平台轨迹规划算法设计。为满足波浪补偿平台工作时进行平

稳、无冲击的主动补偿运动这一要求，对动平台和各支链轨迹进行规划，基于球面Quad

插值算法对动平台轨迹进行平滑插值，推导了曲线的控制点表达式；采用罚函数和阻

尼牛顿法相结合的方式，在考虑各支链速度、加速度限制的条件下，拟合出运动误差

最小的支链运动轨迹。

（4）波浪补偿平台实验。搭建了3-SPR并联式波浪补偿平台原理样机，进行了

运动控制系统的连接与测试、传感器与平台控制系统的集成、控制程序的编写和控制

界面的设计；进行了波浪补偿平台的功能性测试与主动补偿实验，验证了波浪补偿平

台运动学模型、船舶运动预测算法和轨迹规划算法的正确性与波浪补偿平台实际应用

方面的可行性。

关键词：波浪补偿平台；主动波浪补偿；船舶运动预测；轨迹规划

哈尔滨工程大学硕士学位论文

Abstract

WiththecontinuousdevelopmentofChinaseconomy,thedevelopmentofmarine

resourceshasbecomeanimportantcomponentofChinasresourcedevelopment.When

workingatsea,themotionofshipscausedbywavescaninterferewiththework,seriously

affectingtheefficiencyofthework,especiallyinhighseaconditions,whichincreasesthe

difficultyofoffshoreoperations.Therefore,conductingresearchonwavecompensation

technologyanddevelopingequipmentisofgreatsignificance.

Thispaperfocusesonthetrajectoryplanningproblemof3-SPRparallelwave

compensationplatform,andconductsthefollowingfouraspectsofresearch:

(1)Theoveralldesignschemeofthewavecompensationplatformwasproposed,anda

mathematicalmodelofthewavecompensationplatformwasconstructed.Aplatf