随着国家“一带一路”倡议的推进,港口集装箱运输以及铁路集装箱运输等现代物流方式得到进一步发展。桥门式起重机是现代物流装卸运输的重要装备之一。由于桥门式起重机吊具通常是通过柔性钢丝绳与起重机小车相连接,在惯性力以及外界风载荷等影响下,起重机吊具在作业过程中会产生残余摆动。这不仅会给吊具的精确定位带来困难,同时也会引起吊具碰撞等安全隐患,降低起重机装卸作业的效率。另一方面,随着起重机逐步向大型化方向发展,起重机主梁的跨度也逐步增大,主梁振动的影响也不可忽略。起重机桥架结构、起重小车以及吊重组成一个多体耦合系统。起重机多体刚柔耦合系统动力学分析以及抑制吊重的残余摆动是近年来国内外起重机研究的热点之一。本文根据桥门式起重机的结构特点,主要从建立多体刚柔耦合动力学系统模型、研究倒三角结构防摆特性、优化输入整形器前馈控制以及起重机小车运动规划等几方面开展了以下研究工作:(1)为研究集装箱吊具八绳防摆系统的动力学特性和吊具摆动影响因素,根据集装箱起重机倒三角防摆吊具的物理结构特点,建立集装箱吊具交替摆动的二自由度椭圆摆动力学模型;并应用第二类拉格朗日理论得到集装箱吊具摆动动力学方程;再根据集装箱吊具在大车运行方向和小车运行方向的不同运动初始条件分别递推求解吊具残余摆动的动力学响应,并分析不同结构参数对吊重摆动的影响。(2)起重机桥架结构的振动以及吊重的摆动会使桥架结构产生疲劳损伤并影响吊重的精确定位。建立基于吊重、起重小车组成的椭圆摆与移动质量通过桥梁理论的吊重-起重小车-桥架结构多体刚柔耦合动力学模型,并采用Newmark-β逐步积分方法进行数值求解,分析起重小车的运动速度、吊重质量等参数对桥架结构振动以及吊重摆动的影响。(3)针对起重机欠驱动吊具在惯性力等作用下会产生残余摆动的问题,提出基于起重机摆动频率的优化复合输入整形器前馈控制方法。采用蒙特卡洛模拟方法研究起重机摆动频率的概率分布;为增强吊具残余摆动的抑制效果以及控制的鲁棒性,根据起重机的摆动频率的概率分布有针对性地设计优化的多模态复合输入整形器作为前馈控制输入。并将前馈控制与吊具自身的摆动频率分布特性相结合,以吊重摆动幅度期望值为目标函数设计优化的前馈输入整形器,从而提高抑制吊具残余摆动的鲁棒性。(4)针对有阻尼摆动的起重机系统动力学系统,研究能量控制法动态实时抑制吊重残余摆动。同时,采用相平面分析法研究起重小车不同加速度曲线对吊重残余摆动的抑制效果。并提出采用贝塞尔曲线生成起重小车的加速度轨迹,建立吊重摆动的约束方程,采用粒子群优化算法不断迭代更新贝塞尔曲线的控制点,获得起重小车最优的加速度曲线,从而实现对吊重残余摆动的抑制。(5)采用基于三维图形渲染引擎(OGRE)的虚拟现实技术,实现集装箱起重机半实物仿真操作培训。使用OGRE渲染引擎驱动集装箱货场的三维虚拟场景;并用以太网通讯实现起重机联动台等实物硬件与虚拟现实仿真软件的信息交互。采用基于机器视觉的图像识别、起重机位置跟踪定位、PLC远程控制、输入整形器控制等抑制吊重的残余摆动。对被获取到的目标集装箱图像信息,进行图像数字化处理、图像分割、特征匹配和目标定位等操作,并基于机器视觉原理测量吊重的摆动角度。采用输入整形器前馈控制方法,实现对吊重残余摆动的抑制。并采用机器视觉的方法,测量吊重的摆动以及输入整形器抑制吊重残余摆动的效果。本文根据桥门式起重机的结构特点,研究了集装箱起重机倒三角吊具的动力学特性;建立了吊重-小车-桥架结构的多体刚柔耦合动力学模型,采用数值仿真的方法得到了吊重的摆动以及桥架结构的振动特性;设计优化的多模态输入整形器作为前馈控制输入,抑制吊重的残余摆动;建立有阻尼摆动的起重机系统动力学模型,研究能量控制法动态实时抑制吊重残余摆动;采用贝塞尔曲线生成起重小车的加速度轨迹,采用粒子群优化算法进一步优化迭代起重小车的加速度曲线,从而实现对吊重残余摆动的抑制;最后通过半实物仿真实验以及基于机器视觉的吊重残余摆动抑制实验,验证了前馈控制输入抑制吊重摆动的有效性。本文对抑制欠驱动吊重的摆动、起重机刚柔耦合作业系统主梁的振动以及起重小车运行运动规划等方面进行研究,这对起重机装卸作业自动化、无人化以及智能化的发展有一定的借鉴意义。