面向3自由度串联式海上舷梯的统一力-位置混合控制：一种运动预测与运动学解耦方法

《Journal of Marine Science and Engineering》：Unified Force-Position Hybrid Control for a 3-DOF Serial Offshore Gangway: A Motion Prediction and Kinematic Decoupling Approach

　　

专业术语翻译摘要 针对一种3自由度（回转–变幅–伸缩）串联式舷梯，提出了一种统一协同的力-位置混合控制框架。三个自由度均采用完全相同的双环嵌套结构，由外环自抗扰位置控制器和内环导纳力控制器组成。任务差异化仅通过设置不同的力目标实现：伸缩轴采用恒力接触，变幅轴和回转轴采用零力随动。设计了基于卡尔曼滤波器的船舶运动状态估计与多步预测融合策略，将等效延迟从350 ms降低至85 ms，纵摇估计均方根误差（RMSE）从1.82°降低至0.65°。严格证明了伸缩方向与变幅/回转方向之间的运动学正交性，实现了力/位置子空间解耦。仿真结果验证了所提方法的有效性。结果表明：伸缩方向预测力控制RMSE为16.80 N，较无预测方案降低34.7%；变幅方向预测跟踪RMSE为0.50°，补偿效率达89.37%，较无预测方案提升7.2%；回转方向预测跟踪RMSE为2.77°，补偿效率达85.62%，较无预测方案提升11.8%。所提出的控制方法显著提升了串联式舷梯力-位置协同控制的精度、柔顺性与安全性。

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一、研究背景与问题提出

随着全球能源转型加速，海上风电产业进入快速增长期。截至2025年底，全球海上风电累计装机容量已超过80 GW，其中中国以39 GW位居世界第一。海上风电机组长期暴露于风、浪、流联合作用的恶劣海洋环境中，故障率显著高于陆上机组，需要极为频繁的运维作业。然而，海上风电运维面临一个长期困扰行业的根本性挑战：如何在复杂海况下安全、高效地将运维人员从运维船转移至风电机组基础平台。

波浪引起的船舶六自由度振荡运动——横摇、纵摇、艏摇、垂荡、纵荡和横荡——导致船体与风机平台之间产生持续、不规则且大幅度的相对运动。传统“顶推式”转移方式存在多种安全隐患，包括因接触力控制失效导致的舷梯滑移、碰撞冲击造成的人员伤害以及结构损伤。此外，作业气象窗口受海况严重限制。据统计，常规舷梯在4级海况（有义波高1.25–2.5 m）下的可达率通常低于60%，严重制约了风电场运维效率和收益。

海上舷梯已从最初的被动补偿型发展到主动补偿型，再到主动–被动混合补偿型，是典型的高技术集成度、多学科交叉密集的海洋工程装备。在构型研究方面，主动波浪补偿舷梯可分为并联、串联和串并联混合三大类。并联构型以Stewart平台为核心，通过六条可伸缩支腿实现末端执行器的六自由度运动补偿，但存在工作空间有限、正运动学求解复杂、液压支腿间强耦合以及制造成本高等问题。串联构型采用工业机械臂结构，具有回转–变幅–伸缩三个自由度，工作空间大、正逆运动学求解简单、建造成本低，但存在关节误差逐级放大、悬臂结构刚度随伸缩长度显著变化以及运动耦合各向异性等固有问题。串并联混合构型试图结合并联机构精确定位能力与串联机构大工作空间优势，但结构复杂且协调控制难度大。

在控制技术方面，波浪补偿舷梯经历了从被动到主动、从单自由度到多自由度、从单一控制策略到复合控制策略的演进。在自抗扰控制（ADRC）领域，其核心思想是将未建模动态和外部扰动统视为“总扰动”，利用扩张状态观测器（ESO）实时估计并补偿。在力控制与柔顺控制领域，舷梯末端与风机平台接触后的力/位置控制是决定人员转移安全性的关键环节。阻抗控制及其对偶形式导纳控制已被广泛应用。在船舶运动预测方面，为克服液压驱动和信号传输的固有延迟（通常为200–500 ms），运动预测技术已成为主动补偿系统的关键使能技术，但现有研究大多将运动预测视为孤立的顺馈环节，在力-位置混合控制框架内如何将预测值与未预测值最优融合仍缺乏系统性研究。

基于上述分析，现有研究存在三点不足：第一，串联式舷梯的多自由度力-位置协同控制鲜有涉及，现有串联舷梯控制器均为位置控制器，接触力若加以调节，也是通过独立的不同结构回路实现；第二，缺乏ADRC与导纳控制嵌套融合的系统性研究；第三，船舶运动预测通常被视为孤立的顺馈环节，预测运动与力-位置混合控制器参考的融合方式尚未得到系统研究。

二、研究内容与意义

针对上述研究不足，本文以3自由度（回转–变幅–伸缩）串联式舷梯为研究对象，提出了一种统一协同的力-位置混合控制框架。主要贡献包括：第一，统一双环嵌套控制架构，三个自由度均采用相同的外环ADRC位置控制和内环导纳力控制结构，任务差异化仅通过力目标设置实现；第二，运动学解耦与子空间分解，严格证明了伸缩运动方向与变幅/回转运动方向之间的正交性，为力与位置控制通道的独立设计提供了运动学理论基础；第三，基于卡尔曼滤波器的预测融合策略，将系统等效延迟从350 ms降低至约85 ms；第四，多海况联合仿真验证，与PID和纯ADRC方案进行了多指标定量对比。

该研究的贡献在于将卡尔曼预测、自抗扰控制、导纳控制与力-位置混合控制集成并应用于舷梯系统，具体包含三个方面：（1）串联式舷梯三个自由度均采用单一统一双环结构，力控制与位置控制仅通过力目标区分；（2）在整体构型空间上恒等地证明了伸缩方向与变幅/回转方向的正交性，并对由此得到的三角雅可比矩阵进行解析求逆，表明导纳产生的沿臂方向修正仅映射到变幅关节，不会在位置控制子空间产生稳态位置误差或寄生位移；（3）多步预测同时与两个回路的参考（位置参考和力参考）融合，而非仅作为位置通道的顺馈项，且预测时域与辨识出的液压延迟解析关联。

三、关键技术方法

研究人员在开展研究过程中主要采用了以下关键技术方法：基于D-H参数法的正运动学建模与解析逆运动学求解；基于卡尔曼滤波器的船舶运动状态估计与多步预测融合策略，采用恒速模型并以0.01 s采样周期离散化；基于线性扩张状态观测器（LESO）的三阶自抗扰控制器设计；基于导纳模型的力控制内环设计，力信号经重力补偿后提取真实接触力，力误差经导纳滤波器产生位置修正量，通过逆雅可比映射叠加至期望位置；基于伸缩方向与变幅/回转方向运动学正交性证明的力/位置子空间解耦设计。仿真采用JONSWAP不规则波，有义波高H_s = 2.0 m，谱峰周期T_p = 8 s，峰升因子γ = 3.3，仿真时长100 s，前20 s用于初始化，后80 s数据用于分析。

四、研究结果

（一）卡尔曼滤波预测性能

卡尔曼滤波预测融合策略有效补偿了液压系统延迟。在4级海况JONSWAP不规则波条件下，卡尔曼滤波器将船舶纵摇角RMSE从1.82°降低至0.65°，降幅达64.3%；等效延迟从350 ms降低至85 ms，降幅约75.7%。性能提升源于预测更新框架的最优加权和恒速模型的多步外推。在窄带运动条件下，恒速近似表现出良好的短期适用性。

（二）伸缩方向力控制精度

统一力-位置混合控制框架显著提升了伸缩方向的力控制精度与柔顺性。预测力RMSE为16.80 N，较无预测力的25.74 N降低34.7%；峰值误差从±74.30 N降低至±45.00 N，降幅39.4%。力误差功率谱密度分析表明，误差能量主要集中在波浪频段（0.08–0.15 Hz）和液压谐振峰（约15 Hz）处，波浪扰动是力跟踪误差的主导因素。

（三）变幅与回转方向位置补偿精度

预测融合策略有效提升了变幅和回转两个方向的位置补偿精度。变幅方向预测控制跟踪RMSE为0.50°，补偿效率达89.37%，RMSE较无预测控制降低约40.3%；回转方向预测控制跟踪RMSE为2.77°，补偿效率达85.62%，RMSE较无预测控制降低约45.0%。预测融合策略在大幅回转运动下表现出更显著的补偿效果，回转方向RMSE降幅达45.0%，补偿效率提升11.8%，均优于变幅方向的相应指标。

（四）回转方向接触力安全性

预测融合策略显著降低了回转方向的接触力误差与峰值波动。预测控制力RMSE为102.89 N，较无预测控制的165.01 N降低37.6%；峰值误差从±1105.56 N降低至±561.18 N，降幅49.2%，有效避免了接触力过大导致的结构过载或踏板滑移风险。

五、结论与展望

本文针对海上风电维护用3自由度串联式舷梯末端的力-位置协调控制工程难题，提出了统一协同的力-位置混合控制框架。该框架以卡尔曼滤波预测融合策略为顺馈补偿核心，以外环自抗扰位置控制器和内环导纳力控制器组成的双环嵌套结构为执行基础，通过差异化力目标设置——伸缩方向恒力接触、变幅/回转方向零力随动——实现了多自由度力-位置协调控制。主要结论如下：（1）卡尔曼滤波预测融合策略有效补偿了液压系统延迟，纵摇RMSE降低64.3%，等效延迟降低约75.7%；（2）统一力-位置混合控制框架显著提升了伸缩方向力控制精度与柔顺性，预测力RMSE降低34.7%，峰值误差降低39.4%；（3）预测融合策略有效提升了变幅和回转方向的位置补偿精度，补偿效率分别达89.37%和85.62%；（4）预测融合策略显著降低了回转方向接触力误差与峰值波动，力RMSE降低37.6%，峰值误差降低49.2%。所提出的卡尔曼滤波预测融合策略能够有效克服液压驱动系统的响应延迟，显著提升串联式舷梯末端力-位置协调控制的精度、柔顺性与安全性，为海上风电运维人员安全转移提供可靠技术保障。未来工作将涉及液压实体舷梯的硬件在环仿真与海上试验验证，以及探索基于强化学习的导纳参数在线自整定方法，以进一步增强系统在时变海况下的适应性。