本發(fā)明實施例涉及海洋平臺姿態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種FPSO軟鋼臂單點系泊姿態(tài)監(jiān)測裝置及方法。
背景技術(shù)：
：目前海上油氣資源的開采與勘探主要依靠海洋平臺，由于海上環(huán)境惡劣，海洋平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，再加上海洋平臺造價昂貴往往超期服役，這些因素極有可能造成事故的發(fā)生，所以為了避免事故發(fā)生以及對安全生產(chǎn)進行指導(dǎo)，需要對海洋平臺的運動姿態(tài)進行監(jiān)測。在FPSO與單點系泊相連接部分是整個FPSO平臺的重點部位，該位置的軟鋼臂如果失效將導(dǎo)致整個系泊系統(tǒng)癱瘓，不僅會造成巨大的財產(chǎn)損失還會造成嚴重的環(huán)境污染。故通過對軟鋼臂和船體的監(jiān)測可有效反映其運動狀態(tài)和載荷，進而指導(dǎo)安全生產(chǎn)和新產(chǎn)品設(shè)計?，F(xiàn)有的對FPSO軟鋼臂的監(jiān)測比較少，而且僅有的監(jiān)測還是用慣性傳感器加速度計和傾角儀，時間長了容易產(chǎn)生誤差，并且以前的監(jiān)測采用電纜式連接方式，布線不方便，容易發(fā)生故障且不好排查。加上擴展性不好，一旦有新設(shè)備的加入則需重新規(guī)劃監(jiān)測方案和布線，十分的不方便。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明實施例提供一種FPSO軟鋼臂單點系泊姿態(tài)監(jiān)測裝置及方法，以克服上述技術(shù)問題。本發(fā)明一種FPSO軟鋼臂單點系泊姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，包括：用于向采集終端發(fā)送電磁波、超聲波的發(fā)送終端、用于接收所述電磁波、所述超聲波并向處理器發(fā)送距離信號的采集終端和處理器；所述發(fā)送終端包括：設(shè)置于單點平臺上的滾動和俯仰關(guān)節(jié)處的第一發(fā)送終端，設(shè)置于軟管吊臂上的第二發(fā)送終端、第三發(fā)送終端；所述采集終端包括：設(shè)置于軟鋼臂和系泊腿的連接處的第一采集終端和第二采集終端，設(shè)置于所述系泊腿和系泊支架的連接處的第三采集終端和第四采集終端，設(shè)置于所述系泊支架上方衡梁的中點處的第五采集終端；所述處理器用于根據(jù)接收所述采集終端發(fā)送的距離信號確定軟鋼臂單點系泊的姿態(tài)值。進一步地，所述采集終端包括：超聲波傳感器模塊、無線傳輸模塊、單片機；所述超聲波傳感器模塊、無線傳輸模塊分別與單片機連接。進一步地，所述采集終端還包括：與所述單片機連接的顯示模塊和串口通信模塊。本發(fā)明還提供一種FPSO軟鋼臂單點系泊姿態(tài)監(jiān)測方法，包括：三個發(fā)送終端分別向采集終端發(fā)送電磁波、超聲波，所述發(fā)送終端包括：設(shè)置于單點平臺上的滾動和俯仰關(guān)節(jié)處的第一發(fā)送終端，設(shè)置于軟管吊臂上的第二發(fā)送終端、第三發(fā)送終端，所述采集終端包括：設(shè)置于軟鋼臂和系泊腿的連接處的第一采集終端和第二采集終端，設(shè)置于所述系泊腿和系泊支架的連接處的第三采集終端和第四采集終端，設(shè)置于所述系泊支架上方衡梁的中點處的第五采集終端；所述采集終端接收所述電磁波、所述超聲波，并根據(jù)所述電磁波、所述超聲波確定與所述三個發(fā)送終端的實時距離；所述采集終端將所述實時距離發(fā)送至處理器；所述處理器根據(jù)所述實時距離與所述三個發(fā)送終端的坐標求得所述采集終端的坐標；所述處理器根據(jù)所述采集終端的坐標值確定軟鋼臂單點系泊的姿態(tài)值。進一步地，所述所述處理器根據(jù)所述實時距離與所述三個發(fā)送終端的坐標求得所述采集終端的坐標，包括：處理器根據(jù)公式(d1-x0)2+d22+d32=L12d12+(d2-y0)2+(d3-z0)2=L22d12+(d2+y0)2+(d3-z0)2=L32---(1)]]>求得采集終端的坐標，其中，(d1,d2,d3)為任一采集終端的坐標，(x0,0,0)為第一發(fā)送終端的坐標，(0,y0,z0)為第二發(fā)送終端的坐標，(0,-y0,z0)為的第三發(fā)送終端的坐標，所述L1，L2，L3為第一發(fā)送終端、第二發(fā)送終端以及第三發(fā)送終端到任一采集終端的距離。進一步地，所述處理器根據(jù)所述采集終端的坐標值確定軟鋼臂單點系泊的姿態(tài)值，包括：所述處理器根據(jù)第一發(fā)送終端、第一采集終端以及第二采集終端的坐標值確定軟鋼臂鋼體的姿態(tài)值；所述處理器根據(jù)第三采集終端、第四采集終端以及第五采集終端的坐標值確定船體支架的姿態(tài)值；所述處理器根據(jù)所述第一采集終端、所述第三采集終端的坐標值確定一條系泊腿的姿態(tài)值；所述處理器根據(jù)所述第二采集終端、所述第四采集終端的坐標值確定另一條系泊腿的姿態(tài)值。本發(fā)明實現(xiàn)了快速部署FPSO軟鋼臂單點系泊姿態(tài)監(jiān)測，大大節(jié)省工程量。本監(jiān)測裝置相比于慣性姿態(tài)監(jiān)測裝置，精度更高，穩(wěn)定性更強，并且監(jiān)測系統(tǒng)擴展升級方便。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明FPSO軟鋼臂單點系泊姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明FPSO軟鋼臂單點系泊姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送終端和采集終端結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明FPSO軟鋼臂單點系泊姿態(tài)監(jiān)測方法流程圖；圖4為本發(fā)明FPSO軟鋼臂單點系泊姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲圖；圖5為本發(fā)明FPSO軟鋼臂單點系泊姿態(tài)監(jiān)測方法單點系泊系統(tǒng)數(shù)學抽象圖。具體實施方式為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。圖1為本發(fā)明FPSO軟鋼臂單點系泊姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，本實施例系統(tǒng)，包括：用于向采集終端發(fā)送電磁波、超聲波的發(fā)送終端101、用于接收所述電磁波、所述超聲波并向處理器發(fā)送距離信號的采集終端102和處理器103；所述發(fā)送終端101包括：設(shè)置于單點平臺上的滾動和俯仰關(guān)節(jié)處的第一發(fā)送終端104，設(shè)置于軟管吊臂上的第二發(fā)送終端105、第三發(fā)送終端106；所述采集終端102包括：設(shè)置于軟鋼臂和系泊腿的連接處的第一采集終端107和第二采集終端108，設(shè)置于所述系泊腿和系泊支架的連接處的第三采集終端109和第四采集終端110，設(shè)置于所述系泊支架上方衡梁的中點處的第五采集終端111；所述處理器用于根據(jù)接收所述采集終端發(fā)送的距離信號確定軟鋼臂單點系泊的姿態(tài)值。進一步地，所述采集終端包括：超聲波傳感器模塊、無線傳輸模塊、單片機；所述超聲波傳感器模塊、無線傳輸模塊分別與單片機連接。如圖2所示，本實施例的采集終端還包括：與所述單片機連接的顯示模塊和串口通信模塊。其中電源模塊提供5V和3.3V電壓，串口模塊為RS232負責與工控機或其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信，液晶顯示模塊負責顯示本裝置的各種狀態(tài)和采集數(shù)據(jù)信息，超聲波模塊負責發(fā)送或接收超聲波信息進而完成距離測量。如圖4所示，本監(jiān)測系統(tǒng)組建傳感器網(wǎng)絡(luò)的流程如下，首先協(xié)調(diào)器上電創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)，然后路由器和終端加入?yún)f(xié)調(diào)器創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)。隨后終端節(jié)點或路由器接點負責采集數(shù)據(jù)信息，把采集好的距離信息進行初步解算分析后發(fā)送給協(xié)調(diào)器由協(xié)調(diào)器進行進一步解算，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦。各個裝置之間通過無線通信，超聲波傳感器模塊的作用是測量兩個模塊之間的距離，所述無線通信是基于zigbee協(xié)議，所述超聲波傳感器模塊測距的采用單端發(fā)射單端接收的方式。實現(xiàn)了在監(jiān)測過程中應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，避免的有線監(jiān)測的布線問題。具體來說，本系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送終端和采集終端的最小系統(tǒng)上電后首先對各個模塊進行初始化，然后發(fā)送終端每隔150MS組播一組電磁波信息，信息中包含此終端的相關(guān)身份標示信息與接收方的處理方法，同時激活超聲波模塊發(fā)出一組超聲波信息。當接收的采集終端收到電磁波信息后就開始計時，然后使超聲波模塊進入等待接收狀態(tài)，當接收到超聲波信號后停止計時，并對距離信息進行解算，然后把解算好的距離信息和標識信息可以轉(zhuǎn)發(fā)給路由裝置。路由器模塊負責把終端傳送過來的距離信息進行整合然后轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器模塊。協(xié)調(diào)器模塊接收路由器或終端傳送過來的距離信息并對通過算法把距離信息轉(zhuǎn)化為各監(jiān)測位置的坐標信息后通過RS232串口傳送給電腦端，同時可在液晶顯示屏上打印出相關(guān)距離信息。圖3為本發(fā)明FPSO軟鋼臂單點系泊姿態(tài)監(jiān)測方法流程圖，如圖3所示，本實施例方法，包括：步驟101、三個發(fā)送終端分別向采集終端發(fā)送電磁波、超聲波，所述發(fā)送終端包括：設(shè)置于單點平臺上的滾動和俯仰關(guān)節(jié)處的第一發(fā)送終端，設(shè)置于軟管吊臂上的第二、第三發(fā)送終端，所述采集終端包括：設(shè)置于軟鋼臂和系泊腿的連接處的第一和第二采集終端，設(shè)置于所述系泊腿和系泊支架的連接處的第三和第四采集終端，設(shè)置于所述系泊支架上方衡梁的中點處的第五采集終端；步驟102、所述采集終端接收所述電磁波、所述超聲波，并根據(jù)所述電磁波、所述超聲波確定與所述三個發(fā)送終端的實時距離；步驟103、所述采集終端將所述實時距離發(fā)送至處理器；步驟104、所述處理器根據(jù)所述實時距離與所述三個發(fā)送終端的坐標求得所述采集終端的坐標；步驟105、所述處理器根據(jù)所述采集終端的坐標值確定軟鋼臂單點系泊的姿態(tài)值。進一步地，所述所述處理器根據(jù)所述實時距離與所述三個發(fā)送終端的坐標求得所述采集終端的坐標，包括：處理器根據(jù)公式(d1-x0)2+d22+d32=L12d12+(d2-y0)2+(d3-z0)2=L22d12+(d2+y0)2+(d3-z0)2=L32---(1)]]>求得采集終端的坐標，其中，(d1,d2,d3)為任一采集終端的坐標，(x0,0,0)為第一發(fā)送終端的坐標，(0,y0,z0)為第二發(fā)送終端的坐標，(0,-y0,z0)為的第三發(fā)送終端的坐標，所述L1，L2，L3為第一發(fā)送終端、第二發(fā)送終端以及第三發(fā)送終端到任一采集終端的距離。具體來說，關(guān)于單點系泊系統(tǒng)監(jiān)測裝置布點和姿態(tài)解算，可將單點系泊系統(tǒng)理想化為一個簡單的空間數(shù)學模型，如圖5所示，所示的三維空間坐標系，取轉(zhuǎn)臺朝向為x軸方向，垂直水平面的方向為z軸方向，原點O和M1、M2構(gòu)成的平面垂直于水平面，且滿足A點位于x軸上。此時，設(shè)各點坐標如下：M1(0,y0,z0)，M2(0,-y0,z0)，A(x0,0,0)，B(b1,b2,b3)，C(c1,c2,c3)，D(d1,d2,d3)，E(e1,e2,e3)，F(xiàn)(f1,f2,f3)。其中y0，z0，x0為常數(shù)，其余均為時變量。且由圖可知每個動點x軸坐標都為正數(shù)。圖中M1點、M2點和A點代表發(fā)送終端，分別為固定在單點平臺上的滾動和俯仰關(guān)節(jié)處的第一發(fā)送終端，設(shè)置于軟管吊臂上的第二發(fā)送終端、第三發(fā)送終端，B點、C點、D點、E點和F點為動點，即待測點的采集終端。M1點和M2點固定在軟管吊臂上，為了簡化計算，M1和M2在同一水平面上，|AM1|＝|AM2|且M1M2連線方向與轉(zhuǎn)臺方向保持。B點和C點代表第一采集終端和第二采集終端，分別固定在軟鋼臂和系泊腿的連接處。D點和E點代表第三采集終端和第四采集終端，固定在系泊腿和系泊支架的連接處。H點代表第五采集終端，固定在系泊支架上方橫梁的中點處。由已定的單點系泊系統(tǒng)可知非時變常量|AB|、|AC|、|BD|、|CE|、|DF|和|EF|，|AM1|、|AM2|和|M1M2|也是非時變常量，并且可在傳感器固定后進行測量。因此，只要通過測量和計算得到B點，C點坐標，那么軟鋼臂，即平面ABC就可以唯一確定。同理得到B點和D點坐標，那么系泊腿，即直線BD就可以唯一確定；得到C點和E點坐標，那么系泊腿，即直線CE就可以唯一確定；得到D點、E點和F點坐標，那么系泊支架的姿態(tài)就可以通過平面DEF而唯一確定。如此，整個系泊系統(tǒng)的姿態(tài)就可以監(jiān)測出來。以下通過兩種方案來完成各點坐標的定位：方案一：以D點的定位為例。利用超聲波傳感器進行實時測距，測出|AD|、|M1D|和|M2D|的長度分別為L1，L2，L3，在約束條件d1>0的條件下，三棱錐D-AM1M2唯一確定，D點坐標唯一確定。D點坐標可由公式(1)計算確定。B點、C點、E點和F點可同理解算。本實施例中三元二次方程組采用matlab求解，對此不加以限定。方案二：從下往上對各點依次解算，解算順序為B、C→D、E→F。在解算B點坐標時，由于|AB|已知，只需要用超聲波傳感器進行實時測距，測出|M1B|和|M2B|，就能完成對三棱錐B-AM1M2的全約束，B點坐標唯一確定，坐標計算參考方案一D點坐標計算方程。C點坐標解算同B點。在已知B點坐標的基礎(chǔ)上，由于|BD|已知，只要測出|M1D|和|M2D|就能完成三棱錐D-BM1M2的全約束，D點坐標在d3>b3條件約束下唯一確定，坐標計算參考方案一D點坐標計算方程。E點坐標解算同D點。在已知D點坐標的基礎(chǔ)上，由于|DF|已知，只要測出|M1F|和|M2F|就能完成三棱錐F-DM1M2的全約束，F(xiàn)點坐標在f3>d3條件約束下唯一確定，坐標計算參考方案一D點坐標計算方程。坐標定位采取兩種方案復(fù)合的方法，將兩種方案解算的各點坐標求加權(quán)平均，以提高測量精度，利于后續(xù)計算。進一步地，所述處理器根據(jù)所述采集終端的坐標值確定軟鋼臂單點系泊的姿態(tài)值，包括：所述處理器根據(jù)第一發(fā)送終端、第一采集終端以及第二采集終端的坐標值確定軟鋼臂鋼體的姿態(tài)值；所述處理器根據(jù)第三采集終端、第四采集終端以及第五采集終端的坐標值確定船體支架的姿態(tài)值；所述處理器根據(jù)所述第一采集終端、所述第三采集終端的坐標值確定一條系泊腿的姿態(tài)值；所述處理器根據(jù)所述第二采集終端、所述第四采集終端的坐標值確定另一條系泊腿的姿態(tài)值。具體來說，在解算出各點坐標后，各點坐標已知，軟鋼臂對應(yīng)的平面ABC的方程為：x-x0yzb1-x0b2b3c1-x0c2c3=0---(2)]]>船體支架對應(yīng)的平面DEF的方程為：x-d1y-d2z-d3e1-d1e2-d2e3-d3f1-d1f2-d2f3-d3=0---(3)]]>第一系泊腿對應(yīng)的直線BD的方程為：x-b1d1-b1=y-b2d2-b2=z-b3d3-b3---(4)]]>第二系泊腿對應(yīng)的直線CE的方程為：x-c1e1-c1=y-c2e2-c2=z-c3e3-c3---(5)]]>至此單點系泊系統(tǒng)監(jiān)測傳感器布點和姿態(tài)解算完成。舉例說明，以方案一為例，將發(fā)送終端M1，M2和A放置在合適的位置并建立前述坐標系，假設(shè)坐標為M1(0,3000,5000)，M2(0,-3000,5000)和A(1000,0,0)，在某一時刻通過采集終端B采集到的時間數(shù)據(jù)，計算距離|AB|＝34000，|M1B|＝32900，|M2B|＝37390，即x0＝1000，y0＝3000，z0＝5000，L1＝34000，L2＝32900，L3＝37390，將上述數(shù)值代入公式(1)計算B點坐標(d1,d2,d3)，B點坐標(21000,26270,-5000),同理可得其他采集終端坐標如下：C(33557,8428,5000),D(20000,26000,6754),E(42050,16557,6000),F(31022,21280,10373)。根據(jù)各點坐標，軟鋼臂對應(yīng)的平面ABC的方程為x-x0yzb1-x0b2b3c1-x0c2c3=0---(6)]]>x-1000yz2000026270-50003255784285000=0---(7)]]>173490000x-262785000y-686712390z-173490000000＝0船體支架對應(yīng)的平面DEF的方程為x-d1y-d2z-d3e1-d1e2-d2e3-d3f1-d1f2-d2f3-d3=0---(8)]]>x-20000y-26000z-675422050-9443-75411022-47203619=0---(9)]]>-37733097x-88109538y+4746z+3045477874000＝0第一系泊腿對應(yīng)的直線BD的方程為x-b1d1-b1=y-b2d2-b2=z-b3d3-b3---(10)]]>x-21000-1000=y-26270-270=z+500011754---(11)]]>第二系泊腿對應(yīng)的直線CE的方程為x-c1e1-c1=y-c2e2-c2=z-c3e3-c3---(12)]]>x-335578493=y-84288129=z-50001000---(13)]]>方案二只是在確定采集終端坐標時方法不同，之前已有闡述，之后確定平面和直線方程完成姿態(tài)解算同方案一。本發(fā)明實現(xiàn)了快速部署FPSO軟鋼臂單點系泊姿態(tài)監(jiān)測，大大節(jié)省工程量。本監(jiān)測裝置相比于慣性姿態(tài)監(jiān)測裝置，精度更高，穩(wěn)定性更強，并且監(jiān)測系統(tǒng)擴展升級方便。最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。當前第1頁1 2 3