1.本实用新型属于海洋工程装备领域，涉及一种六自由度主动波浪补偿栈桥。
背景技术：
2.因海风和海浪的作用，海工船舶会产生六自由度的运动，对海洋平台人员和设备的运转有重要影响，恶劣海况条件下会造成运转困难甚至出现伤损事故。对于目前大多数对于波浪补偿栈桥的研究和技术，运动检测的内容比较匮乏，而准确测量船舶的运动是进行船舶运动补偿的前提。常规的船舶运动的检测方法单一，易受到环境干扰而使数据不准确，比如gps检测法需要在船上建基站并且不够自主、需要依赖外界信息，单一的视觉检测在特定条件下精度较高，但会受到天气环境影响且解算速度较慢。单一的惯性检测系统虽可以较高效率的独立完成运动测量、但陀螺仪时漂现象会影响数据精度，随着时间的推移，检测误差会越来越大，且无法检测到栈桥本身间隙、变形等因素导致的误差。目前大部分检测装置未实现多传感器数据融合处理以准确补偿多种运动误差。且现有的检测系统缺少稳定且准确的船舶运动测量工具、有力的补偿效果检测部分；未对补偿效果检测结果进行利用来消除误差和干扰。
技术实现要素：
3.为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种六自由度主动波浪补偿栈桥，使其兼具实时性和准确性，保证在人员和物质运转过程中栈桥能保持平稳、安全，避免发生事故，提高运转效率。
4.为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
5.本实用新型公开了一种六自由度主动波浪补偿栈桥，包括安装在船舶甲板上的补偿装置和检测装置；补偿装置包括安装在船舶甲板上的六自由度运动平台，六自由度运动平台上设有栈桥；检测装置包括惯性检测模块和视觉检测单元，视觉检测单元安装在栈桥末端。
6.优选地，视觉检测单元包括相机支架，相机支架上安装有工业相机。
7.进一步优选地，船舶甲板上还安装有标定板，工业相机视线与标定板一致。
8.进一步优选地，工业相机为双目视觉系统；双目视觉系统包括单目相机、双目相机和深度相机中的任意两种。
9.其中，进一步优选地，相机支架包括x向带槽支撑底座、y向梯形槽滑动支撑板、支撑轴、第二相机夹持架、长度调节连接杆和驱动电机；x向带槽支撑底座上设有滑槽结构，y向梯形槽滑动支撑板上设有连接滑块结构和梯形槽结构，支撑轴上设有梯形结构；x向带槽支撑底座通过底面与栈桥底面固定连接，y向梯形槽滑动支撑板通过连接滑块结构与x向带槽支撑底座的滑槽结构装配，支撑轴通过梯形结构与y向梯形槽滑动支撑板装配；支撑轴外部滑动设置有轴套；轴套上设有第二相机轴套架，第二相机夹持架通过长度调节连接杆与第二相机轴套架连接；轴套下端设有第一相机调整架；y向梯形槽滑动支撑板、支撑轴和轴
套上分别安装有驱动电机。
10.其中，y向梯形槽滑动支撑板和支撑轴上内置位移传感器。
11.优选地，惯性检测模块内置加速度计和陀螺仪。
12.优选地，船舶甲板上还安装有工控机，工控机通过串口分别与惯性检测模块和视觉检测单元连接，工控机通过串口与六自由度平台连接。
13.优选地，船舶甲板上还设有用于给惯性检测模块调平的平台稳定器。
14.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
15.本实用新型公开了一种六自由度主动波浪补偿栈桥，通过设置惯性检测模块和视觉检测单元构成的检测装置，使所测量的运动姿态信息更准确真实，增强数据稳定性，兼具高速解算性和实时性；通过惯性测量模块获取的船舶位置和角度变化，无需依赖外界信息，且抗干扰、更新效率高。因此，本实用新型所述的六自由度主动波浪补偿栈桥，能够有效解决现有系统缺少稳定且准确的船舶运动测量工具、有力的补偿效果检测部分的问题，进而实现对检测结果进行利用来消除误差和干扰，具有高效、非接触和使用方便等特点。
16.进一步地，通过置于栈桥末端下底面的双目视觉系统，具有高的测量精度，将双目视觉系统测得的平台末端信息、与惯性测量模块的数据进行融合，即可获得受环境影响更小的误差值。
17.进一步地，工控机通过串口接受并处理来自惯性检测模块和视觉检测单元的数据信号，工控机输出对六自由度运动平台的控制信号，通过控制器、液压伺服控制阀驱动液压缸运动；在工控机中完成补偿装置中惯性检测模块和检测装置中视觉检测模块的数据融合处理，得到更具稳定性的误差值，将误差值返回控制器，用误差消除误差，进一步完善补偿运动效果，可实现更高的精度和实时性的主动波浪补偿控制。
18.进一步地，通过相机支架的结构设计，实现深度相机、双目相机或单目相机的安装，增强了普适性和故障时的可替换性。此外，带有第一相机调整架可在轨道分别独立滑动，配合第二相机轴套架和二相机夹持架，均可实现双目系统中单目相机、双目相机和深度相机中的任意两种在x、y、z向移动。
附图说明
19.图1为本实用新型所述六自由度主动波浪补偿栈桥的装置总体架构示意图；
20.图2为本实用新型的主动补偿过程流程图；
21.图3为本实用新型中搭载深度相机时的相机支架的结构示意图；
22.图4为本实用新型中搭载单目相机时的相机支架的结构示意图；
23.图5为本实用新型中x向带槽支撑底座的结构示意图；
24.图6为本实用新型中y向梯形槽滑动支撑板的结构示意图。
25.图中：1
‑
船舶甲板，2
‑
工控机，3
‑
惯性检测模块，4
‑
平台稳定器，5
‑
栈桥，6
‑
相机支架，7
‑
标定板，8
‑
六自由度动平台，9
‑
液压缸，10
‑
液压伺服控制阀，11
‑
六自由度静平台，12
‑
铰链，13
‑
控制器，14
‑
x向带槽支撑底座，15
‑
y向梯形槽滑动支撑板，16
‑
支撑轴，17
‑
轴套，18
‑
第一相机调整架，19
‑
单目相机，20
‑
第二相机夹持架，21
‑
第二相机轴套架，22
‑
深度相机，23
‑
长度调节连接杆，24
‑
驱动电机。
具体实施方式
26.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
27.需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
28.下面结合附图对本实用新型的结构原理和工作原理作进一步详细说明。目的仅在于说明本实用新型的技术特征，而不对本实用新型的权利要求进行限制。
29.参见图1，为本实用新型的某一实施例给出的一种六自由度主动波浪补偿栈桥，包括安装在船舶甲板1上的补偿装置、检测装置和工控机2组成。补偿装置包括六自由度运动平台和安装在六自由度运动平台上的栈桥5，六自由度运动平台是由六个液压伺服控制阀10控制六个液压缸9做伸缩变化运动，六自由度运动平台还包括六自由度静平台11和六自由度动平台8，六自由度静平台11内部设有控制器13；其中，六个液压缸9并联设置(与六自由度动平台8、六自由度静平台11以铰链12连接)共同驱动六自由度动平台8。检测装置包括船舶运动的惯性检测模块3、平台稳定器4、以及安装在栈桥5末端的视觉检测单元。视觉检测单元包括相机支架6及标定板7，相机支架6上安装有工业相机。工控机2通过串口分别与惯性检测模块3和视觉检测单元连接，工控机2通过串口与六自由度平台的电液伺服阀连接。其中，惯性检测模块检测出船舶的运动，将船舶运动数据实时传递给工控机2，工控机2输出对六自由度运动平台的控制电信号，六自由度运动平台各个液压缸9伸缩变化使与其上平台设置的栈桥5完成相对船舶的补偿运动；为检验补偿效果，在栈桥5下方末端安装可用多种方式实现双目检测的视觉检测单元，视觉检测单元通过sdk接口与工控机2连接，再通过第三方软件处理图像信息获取栈桥5末端运动姿态。在工控机2中完成补偿装置中惯性检测模块和检测装置中视觉检测模块的数据融合处理，得到更具稳定性的误差值，将误差值返回控制器13，用误差消除误差，进一步完善补偿运动效果。
30.具体地，在本实用新型的某一具体实施方式中，六自由度运动平台为六自由度stewart平台。
31.本实用新型上述相机支架6中，带x向导轨的支撑底座(x向带槽支撑底座14)与栈桥5末端下侧固定连接，两个带y向导轨的支撑滑台(y向梯形槽滑动支撑板15)独立安装在支撑底座上，带卡槽的支撑轴16与轴套17相连，可实现轴套17的上下移动，轴套17上固定安装第二相机轴套架21，用来固定一个深度相机22，支撑轴16末端通过第一相机调整架18相连装一个单目相机19。
32.具体地，在本实用新型的具体实施方式中，上述的单目相机19和深度相机22的装
配选择，可以选择单目相机19、双目相机和深度相机22中的任意两种，构成双目视觉系统。
33.具体地，参见图3和图4可知，可以通过一个深度相机22或左右两个单目相机19组合的方式实现双目检测。相机支架6包括相对设置的两个x向带槽支撑底座14，两个x向带槽支撑底座14中平行安装有两个y向梯形槽滑动支撑板15，每个y向梯形槽滑动支撑板15对应连接有一个支撑轴16，支撑轴16底部安装有一个单目相机19，两个支撑轴16中部安装有一个深度相机22。
34.参见图3～图6，为本实用新型所述六自由度主动波浪补偿栈桥中用于搭载工业相机的相机支架6的结构示意图，其中，相机支架6可实现工业相机在x、y、z向移动微调的功能，且工业相机为双目视觉系统，双目视觉系统包括单目相机19、双目相机和深度相机22中的任意两种。所述相机支架6包括：x向带槽支撑底座14，y向梯形槽滑动支撑板15，支撑轴16，轴套17，第一相机调整架18，单目相机19，第二相机夹持架20，第二相机轴套架21，深度相机22，长度调节连接杆23，驱动电机24。x向带槽支撑底座14倒向通过底面固定连接在栈桥5底面的下边缘，y向梯形槽滑动支撑板15通过连接滑块结构与x向带槽支撑底座14的中部滑槽结构配合装配、实现y向梯形槽滑动支撑板15在x向带槽支撑底座14上滑动(参见图5和图6)，工字型的结构承担了y向梯形槽滑动支撑板15的重力；与重力同向的支撑轴16底部同样带有梯形结构，与带梯形凹槽滑动支撑板15配合使支撑轴可沿y向滑动，此外，支撑轴16外部设有轴套17，轴套17与支撑轴16配合，沿轴16上下移动；同时带梯形凹槽滑动支撑板15的梯形凹槽承受支撑轴16、轴套17、相机调整支架和相机的重力，为防止重力引起的形变或断裂，支撑轴16和轴套17均采用轻质材料，空心结构；为安装方便，x向带槽支撑底座14和y向梯形槽滑动支撑板15均采用半封闭结构，但在分别与之配合的y向梯形槽滑动支撑板15和支撑轴16上内置位移传感器，并控制行程距离，有效防止移动过量。轴套17上端固定一第二相机轴套架21随轴套17移动，第二相机轴套架21通过长度调节连接杆23连接第二相机夹持架20，长度调节连接杆23既连接第二相机轴套架21，又起相机位置夹持调节的功能，不会影响到相机的拍摄视线。在轴套17下端固定连接第一相机调整架18，并通过第一相机调整架18连接单目相机19；其中，第一相机调整架18具有工字型内腔结构，在其工字型内腔结构中加上长度调节连接杆23可将一个单目相机19完全固定。三个驱动电机24分别安置在y向梯形槽滑动支撑板15、支撑轴16和轴套17一侧，驱动实现工业相机沿x、y、z向的调整运动。
35.其中，驱动电机24通过滚轴丝杆控制y向梯形槽滑动支撑板15沿x轴方向平移，通过滚轴丝杆控制支撑轴16沿y轴方向平移；y向梯形槽滑动支撑板15、支撑轴16之间的相对位置，进行双目视觉相机之间距离以及双目视觉相机到物体距离的调整；通过孔连接在轴套17上的驱动电机24调整相机沿z轴的平动。
36.具体地，在本实用新型的某一具体实施例中，采用一种两个第一相机调整架和一个双目相机轴套架的相机支架6结构，来获得标定板7中特征点的位置，然后根据位置变换计算得出补偿栈桥5末端的位姿变化。首先双目视觉相机更适合用于室外环境，受日光的影响较小，利用三角测量原理获得场景的深度信息，并且可以重建周围景物的三维形状和位置，获得类似人眼的体视功能；其次，这种结构可以更加经济的实现双目检测，在没有双目相机时，通过在工控机中修改launch文件同时启动两个相机，修正相机深度、尺寸不确定的问题；最后，这种结构也具备了构造混合视觉系统的先决条件。
37.相机支架6固定安装在栈桥5末端下底面，可以最大程度的显现补偿效果，船舶甲
板1上有标定板7，用来检测船舶与桥梁末端是否存在明显的相对运动。所设计的相机支架6可以实现深度相机22和两个单目相机19的互替，相机拍下一系列标定板7的图像。采集左右两镜头拍摄的图像，检测图像上的特征点，获得特征点在世界坐标系下的空间位姿。多个特征点经过双目摄像机标定、图像立体校正、特征提取，特征匹配以及特征跟踪这些算法流程，可以解算出特征点的空间三维坐标和姿态变化，进而可知桥梁末端的姿态变化。视觉检测的精度高，但需要处理的图像多，解算速度较慢，进而需要综合两种检测方法的优势，获得高精度高时效的检测结果。可通过卡尔曼滤波器融合两种检测方式测得的位置、姿态信息，以惯性测量单元3的信息作为预测值，工业相机测量值作为观测值，由预测值与观测值作误差处理返回给控制器13；经过初始化状态方程及量程方程、预测变化和反馈更新3个步骤，循环修正直到系统内参数最优估计值。其中，状态向量为x＝[p,v,θ,b
a
,b
w
,r,t]
t
,p为测出的位置，v为速度，b
a
和b
w
分别为加速度计和陀螺仪的偏置，旋转矩阵r和平移向量t表征左右两相机间关系。所得的误差值既可以准确表征相对运动，误差越小，补偿效果越好，也可以在控制过程中修正时飘现象，受环境影响更小，具有稳定性。
[0038]
具体地，在本实用新型的某一具体实施方式中，单目相机18可选取mu
‑
sua502c/m
‑
t，搭载mu
‑
ld
‑
12
‑
5m
‑
k镜头，深度相机22可选取real sense d435，双目相机可选取zed mini。
[0039]
具体地，在本实用新型的某一具体实施方式中，惯性检测模块3可选用荷兰xsens开发的mti，其内部集成的传感器融合算法，通过usb串行通讯总线接口实时传输载体船舶的航向和姿态信息。其动态精度小于2度rms，静态精度小于0.5度。
[0040]
具体地，在本实用新型的某一具体实施方式中，工控机2的型号为华ipc
‑
610l。
[0041]
本实用新型的工作原理是：
[0042]
检测装置的检测流程见图2：惯性检测模块3内置加速度计和陀螺仪，可直接获取到船舶受海浪海风运动的加速度和角速度，经过两次积分得出船舶沿着x、y、z三个坐标轴的平动位移，以及绕三个坐标轴的转动位姿角，将数据通过串口输入工控机2，具体地，在本实用新型的某一具体实施方式总，可以使用matlab的巴特沃斯滤波器削弱积分过程产生的低频信号。六自由度动平台8的每个电动液压缸9都能够实现空间中单独的伸缩运动，因此根据惯性检测模块3测得的船舶运动信息，通过位姿反解得出各电动液压缸9的相应位置和速度指令信号，控制器13通过对六个电动液压缸9的伸缩量的控制，完成空间中的六自由度运动，从而使六自由度动平台8按照预定的轨迹实现位姿的改变，补偿量可以使与六自由度动平台8固定连接的栈桥5与船舶保持相对静止。当六自由度运动平台到达要求的位置时，各电动液压缸9的速度指令信号给定为零，六自由度运动平台就立刻停下来，达到了点位控制的目的。本发明采用卡尔曼滤波将视觉检测和惯性检测融合，并使用在船舶运动补偿中，惯性检测既是补偿系统的一部分，也是检测系统的一部分。
[0043]
惯性检测模块3检测船舶六个自由度的位移和位姿角变换后，工控机2处理所采集的船舶运动数据，反解得出六自由度运动平台各个液压缸9的期望伸长量，控制器13通过液伺服控制阀10控制各液压缸9的运动，带动六自由度动平台8及栈桥5运动。在完成补偿运动后，通过相机支架6安装在栈桥5下的工业相机拍摄标定板7上的图像(二维码)，传输工控机2，由图像处理软件解算出栈桥末端的运动位姿，与惯性检测模块3测得的船舶运动用卡尔曼滤波算法进行数据融合，可以获得更准确的误差值，将误差值返给控制器13，继续控制液
压缸9的运动。为了使工业相机拍出最清晰、视角最好的连续左右两张标定板7的图像，需要对相机位置进行调整；通过x向带槽支撑底座14与y向梯形槽滑动支撑板15通过工字槽和滚轮的配合，电机驱动实现x向的调节；y向梯形槽滑动支撑板15作为中间连接结构，即有与x向带槽支撑底座14配合的工字型结构，也有带y向梯形槽的滑动轨道；空心支撑轴16轴端有梯形突起结构沿y向梯形槽滑动支撑板15的槽滑动，电机驱动实现y向的调节；轴16与轴套17配合，电机驱动实现y向的调节。通过轴套17两端分别安装单目相机19、双目相机和深度相机22中任意两种相机的调节架，可以根据实际需要，替换使用。
[0044]
本实施例中，本实用新型公开了一种基于惯性检测系统(imu)和双目视觉检测融合的六自由度运动平台主动波浪补偿装置，包括船舶甲板1，六自由度stewart平台，工控机2，惯性检测模块3，平台稳定器4，栈桥5，一个双目相机(或两个单目相机)，相机支架6，标定板7(二维码)；
[0045]
在甲板的几何中心固定安装惯性检测模块3(imu)，并在旁边放置一个平台稳定器4，用于降低外界对imu的影响；工控机2同样在甲板上，工控机2分别通过串口与imu及相机相连，实现imu串口信号数据采集、数据滤波处理，运动位姿反解以及双目视觉图像处理、六自由度运动平台动平台8位姿求解；六自由度运动平台包括上平台(六自由度动平台8)，下平台(六自由度静平台11)，控制器13，电液伺服阀，驱动电机24，液压缸9，在imu检测到船舶的位移曲线和位姿角变化后，位姿反解得出平台6个液压缸9的运动，使六自由度上平台与船舶的六自由度运动相反，补偿运动使与上平台固定连接的栈桥5尽量保持静止。栈桥5作为悬臂结构，栈桥5末端的运动幅度大于其他位置，将双目(工业)相机通过相机支架置于桥梁末端的下边缘。
[0046]
综上所述，本实用新型公开了一种带运动姿态检测系统的六自由度主动波浪补偿栈桥，包括栈桥5上固定的相机支架。通过固定安装在甲板上的惯性检测单元测量船舶运动，并将数据返回给工控机，由船舶运动反解出六自由度运动平台六个液压缸9的运动，在液压缸9的驱动下，六自由度运动平台及栈桥5反向补偿船舶的运动，大幅度降低船舶运动对栈桥5的干扰。在栈桥5末端下底面安装一种可实现单目相机19、双目相机或深度相机22中任意两种相机互替使用的相机支架固定相机，相机视线朝向甲板上放置的标定板7；相机支架是左右对称结构，分别通过带x向带槽支撑底座14，与带工形突出和带y轴方向梯形槽的y向梯形槽滑动支撑板15配合连接，通过支撑轴16与轴套17的滑动实现相机z轴方向的调整，在驱动电机24驱动下，相机可实现x、y、z方向的微调；单双目的互替是通过轴套17上套一个第二相机轴套架21和第二相机夹持架20一起随轴套17上下移动，而单目相机19通过第一相机调整架18固定在轴套17一端，亦同轴套17上下移动。
[0047]
本实用新型公开了一种六自由度主动波浪补偿栈桥，具有以下优点：
[0048]
1.波浪补偿装置的核心是六自由度运动平台和惯性检测模块3，首先六自由度运动平台具有精度高、承载能力强、结构紧凑的优点，而惯性检测模块3用于测量船舶运动，可以做到稳定、准确、且实时性强。
[0049]
2.本实用新型对补偿效果的检测，首先将检测点置于栈桥5的末端，把栈桥5当做一个悬臂梁，末端的运动效果最明显；其次，设计了一种可匹配双目视觉系统用的两种方式实现双目检测的相机支架6。
[0050]
3.本实用新型专利的相机支架6可以通过多种兼容的方式实现双目视觉检测并对
相机进行x、y、z三个方向的位移调整，通过自动化控制使运动更加灵活；另外，本实用新型中的相机夹持架和调整架可以适用于多种型号，具有通用性。
[0051]
4.最后，本实用新型专利将视觉检测的数据和惯性检测的数据进行融合，并将融合结果作为误差返回给控制器13，构成闭合回路；此外，通过融合惯性检测的实时性强和视觉检测精准度高这两种优势，有效解决了六自由度主动补偿大延时、控制误差大，抗干扰性弱的问题。
[0052]
以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。