一種動(dòng)力定位船舶鋪管循跡導(dǎo)引方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于船舶鋪管作業(yè)領(lǐng)域，尤其涉及一種動(dòng)力定位船舶鋪管循跡導(dǎo)引方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著陸地資源的日益減少，人類越發(fā)重視對(duì)海洋尤其是深海資源、能源的利用與 開發(fā)，海洋油氣資源運(yùn)輸是海洋資源利用過程中至為重要的一環(huán)，水下管道在油氣運(yùn)輸中 起著重要的作用，海底管道路徑規(guī)劃的優(yōu)劣、鋪管精度的高低對(duì)提高深海資源的運(yùn)輸效率 有著重要影響。鋪管船在進(jìn)行管道鋪設(shè)作業(yè)時(shí)，需控制船舶在海上定位或沿著預(yù)先設(shè)定好 的路徑進(jìn)行循跡，DP系統(tǒng)通過推進(jìn)器推力能夠控制船舶自動(dòng)地保持位置和艏向，具有定位 精度高、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，由此DP系統(tǒng)開始在鋪管船上得到廣泛應(yīng)用。如何根據(jù)預(yù)先設(shè)定 好的航跡點(diǎn)合理、科學(xué)地規(guī)劃出管道鋪設(shè)路徑以及船舶循跡路徑并利用DP系統(tǒng)控制鋪管 船沿規(guī)劃好的路徑準(zhǔn)確循跡成為科學(xué)研究和工程實(shí)踐領(lǐng)域人們研究的熱點(diǎn)?？茖W(xué)地規(guī)劃管 道著地點(diǎn)路徑以及船舶循跡路徑，避免因轉(zhuǎn)折角度過大導(dǎo)致管道彎曲段曲率過大，超過其 應(yīng)力承受上限從而導(dǎo)致管道損壞的情況發(fā)生成為保證動(dòng)力定位船舶安全作業(yè)的一個(gè)重要 功能。
[0003] 關(guān)于如何根據(jù)設(shè)定的航跡點(diǎn)合理地規(guī)劃出管道著地點(diǎn)鋪設(shè)路徑以及船舶循跡路 徑的相關(guān)文獻(xiàn)較少，楊麗麗在其碩士論文《S型鋪管船動(dòng)力定位魯棒控制方法研究》以及謝 文博在其博士論文《船舶鋪管作業(yè)動(dòng)力定位控制方法研究》中均為鋪管船循跡設(shè)計(jì)了控制 方法，并提及了管道鋪設(shè)時(shí)需注意管道參考軌跡與實(shí)際鋪設(shè)路徑的差異，但都沒有提出具 體的路徑規(guī)劃方法。國際上主流的動(dòng)力定位產(chǎn)品如北歐挪威Kongsberg公司設(shè)計(jì)的DP操 縱臺(tái)已實(shí)現(xiàn)了給定航跡點(diǎn)后自動(dòng)規(guī)劃出管道鋪設(shè)路徑與船舶循跡路徑的功能，但沒有給出 具體實(shí)現(xiàn)方法。目前國內(nèi)外文獻(xiàn)中尚未給出本文所提路徑規(guī)劃方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制精度的，動(dòng)力定位船舶鋪管 循跡導(dǎo)引方法。
[0005] -種動(dòng)力定位船舶鋪管循跡導(dǎo)引方法，包括以下步驟，
[0006] 步驟一：根據(jù)鋪管船設(shè)定的鋪管起始點(diǎn)a(Xi, 、轉(zhuǎn)折點(diǎn)b(x2,y2)、鋪管終止點(diǎn) c(x3，y3)、管道著地點(diǎn)縱向速度Vdp以及角速度《計(jì)算出管道鋪設(shè)路徑；
[0007] 步驟二：根據(jù)管道鋪設(shè)路徑以及管道懸跨段長度計(jì)算出船舶期望路徑；
[0008] 步驟三：根據(jù)管道鋪設(shè)路徑以及設(shè)定的速度計(jì)算出導(dǎo)引點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡；
[0009] 步驟四：計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻船舶的實(shí)際位置和艏向與導(dǎo)引點(diǎn)的位置和艏向的偏差，采 用PID控制律，獲得船舶進(jìn)行鋪管作業(yè)的控制力和力矩；
[0010] 步驟五：根據(jù)鋪管船的實(shí)際位置求解出管道的實(shí)際鋪設(shè)位置。
[0011] 本發(fā)明還可以包括：
[0012] 1、管道鋪設(shè)路徑包括：
[0013] (1)直線段管道鋪設(shè)路徑：鋪管起始點(diǎn)a(Xi, 與轉(zhuǎn)彎起始點(diǎn)pts(xts,yts)的連線 及轉(zhuǎn)彎終止點(diǎn)ptf3(xtf3,ytJ與鋪管終止點(diǎn)c(x3,y3)的連線，
[0014]
[0015] 其中，1。為轉(zhuǎn)折點(diǎn)至轉(zhuǎn)彎中心〇的距尚：：4,I3為轉(zhuǎn)彎起始點(diǎn)至轉(zhuǎn)折點(diǎn) 的距離：13=七&11(9〇°-六0/2)1?，轉(zhuǎn)彎中心為〇〇^， 7。)，轉(zhuǎn)彎半徑1? =、/?，第一段航跡 角為9 1，第二段航跡角為9 2,循跡時(shí)船舶需轉(zhuǎn)過的角為9z= 9 9 1，兩段航跡線夾角為 A0 =180° -(02-0^，兩段航跡線夾角角平分線的角度0h;
[0016] (2)轉(zhuǎn)彎段管道鋪設(shè)路徑為：以轉(zhuǎn)彎中心0(xQ，y。）為圓心，以R為半徑，自轉(zhuǎn)彎起 始點(diǎn)Pts(xts，yts)至轉(zhuǎn)彎終止點(diǎn)pte(xte，yte)的圓弧。
[0017] 2、船舶期望路徑包括：
[0018] (1)直線段船舶期望路徑為：船舶起始點(diǎn)as(xsl，ysl)與船舶轉(zhuǎn)彎起始點(diǎn) Psts(xsts，ysts)的連線及船舶轉(zhuǎn)彎終止點(diǎn)Pste(xste，yste)與船舶終止點(diǎn)cs(xs3，ys3)的連線，
[0019]
[0020] 其中：ltd為著地點(diǎn)與船尾部之間在水平面上的長度為管道懸跨段距離；
[0021] (2)轉(zhuǎn)彎段船舶期望路徑為：以轉(zhuǎn)彎中心0(x。，y。）為圓心，以Rs為半徑，自轉(zhuǎn)彎起 始點(diǎn)Psts(xsts,ysts)至轉(zhuǎn)彎終止點(diǎn)pste(xste,ystJ的圓?。?br>[0022] Rs= (x sts-x〇)2+(ysts-y〇)2〇
[0023] 3、導(dǎo)引點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為：
[0024]
[0025] 其中，為管道的期望速度，nI為管道著地點(diǎn)期望運(yùn)動(dòng)軌跡：
[0026]
[0027] Ah為采樣周期。
[0028] 4、PTD棹制律為，
[0029]
[0030] ne= [ne % 為當(dāng)前時(shí)刻船舶的實(shí)際位置和艏向與導(dǎo)引點(diǎn)的位置和艏向的偏 差，
[0031] 動(dòng)力定位船舶縱向控制力Tx、橫向控制力Ty和控制力矩T,為：
[0032] ^ x=Kpsurge ?ne+Kdsurge ?u+Klsurge ?Isurge
[0033] 丁 y=Kp-s呵?ee+Kd-s呵?v+Ki-sway ?Isway
[0034] ^ N=Kpjaw ?ite+Kdyaw ?r+Klyaw ?Iyaw
[0035] 其中，Kpsurge、KlsurgdPK〇_為船舶縱向力的PID控制參數(shù)，Isurge表示對(duì)縱向偏 差的積分；Kps胃、Kds胃和Kls胃為船舶橫向力的PID控制參數(shù)，Is胃表示對(duì)橫向偏差的積 分；Kpyaw、和Klyaw為船舶轉(zhuǎn)艏力矩的PID控制參數(shù)，I胃表示對(duì)艏向偏差的積分。
[0036] 5、管道的實(shí)際鋪設(shè)位置：
[0037]
[0038] 有益效果：
[0039] 本發(fā)明的有益效果在于針對(duì)動(dòng)力定位船舶循跡工作模式，根據(jù)當(dāng)前預(yù)定的航跡 點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)管道著地點(diǎn)的期望運(yùn)動(dòng)軌跡，獲得船舶的期望運(yùn)動(dòng)軌跡，并通過對(duì)當(dāng)前時(shí)刻期 望位置和期望艏向的導(dǎo)引方法的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶循跡的控制，從而達(dá)到間接控制管道按 預(yù)期規(guī)劃路徑鋪設(shè)的目的。同時(shí)，在對(duì)管道著地點(diǎn)的期望運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)過程中，由于轉(zhuǎn)折 點(diǎn)處加入了曲線循跡的思想，避免管道在轉(zhuǎn)折處因彎曲過大使管道承受過大應(yīng)力導(dǎo)致管道 斷裂破損等情況的發(fā)生，極大地提高了鋪管作業(yè)的安全性。本文所提出的導(dǎo)引方法簡單易 行，且控制精度較高，適用于實(shí)際鋪管作業(yè)，具有較高工程應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0040]圖1為船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)鋪管路徑導(dǎo)引控制方法基本流程框圖。
[0041] 圖2為動(dòng)力定位船舶船體坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系的示意圖。
[0042]圖3為任意給定起始點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)，終止點(diǎn)后規(guī)劃出的管道與船舶期望路徑示意圖。
[0043] 圖4為動(dòng)力定位船舶鋪管過程示意圖。
[0044] 圖5為任意給定起始點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)，終止點(diǎn)后規(guī)劃出的管道與船舶期望路徑示意圖 (用于仿真驗(yàn)證）。
[0045]圖6為仿真驗(yàn)證圖5中所示管道與船舶期望路徑可行性仿真圖。
[0046] 圖7為仿真試驗(yàn)中應(yīng)用所提出方法得到的動(dòng)力定位船舶位置跟蹤曲線。
[0047] 圖8為仿真試驗(yàn)中應(yīng)用所提出方法得到的管道位置跟蹤曲線。
[0048] 圖9為仿真試驗(yàn)中應(yīng)用所提出方法得到的動(dòng)力定位船舶速度曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0050] 本發(fā)明的目的在于，為實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位船舶實(shí)現(xiàn)循跡功能提供一種系統(tǒng)穩(wěn)定性更 好、控制精度更高，循跡路徑更合理的動(dòng)力定位船舶鋪管循跡導(dǎo)引方法。
[0051] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括下列步驟，如圖1~圖4所示：
[0052](1)完成循跡給定點(diǎn)的設(shè)定，船舶進(jìn)入鋪管工作狀態(tài)，并完成系統(tǒng)初始化；
[0053] 建立大地坐標(biāo)系和隨船坐標(biāo)系來表示船舶運(yùn)動(dòng)，其中大地坐標(biāo)系onxnynzn描述 為：選取海平面上任意一點(diǎn) 〇n為原點(diǎn)，以正東方向?yàn)闄M軸、正北方向?yàn)榭v軸；船體坐標(biāo)系 obxbybzb描述為：以船舶的重心ob為原點(diǎn)，以右舷方向?yàn)闄M軸、船艏方向?yàn)榭v軸。
[0054] 所涉及的動(dòng)力定位船舶在大地坐標(biāo)系和船體坐標(biāo)系中三自由度的數(shù)學(xué)模型為：
[0055] i] =Jv
[0056] A/y+Dv+Cv-r
[0057] 式中，n表示船舶在大地坐標(biāo)系中的位置和艏向向量[n,e, $ ]，v表示船 舶在船體坐標(biāo)系中的速度向量[u，v，r]，t表示推進(jìn)器產(chǎn)生的推力和回轉(zhuǎn)力矩向量
[Tx,Ty,TJ，J為從船體坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣
，M為 船舶的慣性矩陣
：，m為船舶質(zhì)量，Iz為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，xg為船 體坐標(biāo)系中船舶質(zhì)心縱向坐標(biāo)，其他參數(shù)為一階水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)，D為船舶的水動(dòng)力阻尼系數(shù)矩 陣，
，C為科里奧利力向心力矩陣。
[0058] (2)結(jié)合大地坐標(biāo)系下設(shè)定的鋪管起始點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)、終止點(diǎn)坐標(biāo)以及船體坐標(biāo)系中 設(shè)定的速度，獲得管道著地點(diǎn)期望軌跡和船舶期望運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0059]管道鋪設(shè)起始點(diǎn)為a(Xi, ，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為b(x2,y2)，終止點(diǎn)為c(x3,y3)，船舶期望艏 向?yàn)橐?，管道著地點(diǎn)縱向速度為vdp，角速度為w，轉(zhuǎn)彎中心為〇(x。，y。)，轉(zhuǎn)彎半徑R=vdp/ ?，第一段航跡角為^(本文中所涉及的角度均為與北的夾角），第二段航跡角為Q2，循 跡時(shí)船舶需轉(zhuǎn)過的角為9z=QQ1，兩段航跡線夾角為八Q= 180° -(92-9丨）（若 A0〈180。，A0 =A0 -180。，若A0〈180。，A0 =A0 +180。），兩段航跡線夾角角 平分線的角度9h= 92+A0/2(若向左轉(zhuǎn)彎0h= 02_A0/2)。
[0060] 1)直線段管道期望軌跡
[0061] 直線段管道期望軌跡為：起始點(diǎn)a(Xi,yj與轉(zhuǎn)彎起始點(diǎn)pts(xts,yts)的連線及轉(zhuǎn)彎 終止點(diǎn)ptf3(xtf3,ytJ與終止點(diǎn)c(x3,y3)的連線。
[0062]
1。為轉(zhuǎn)折點(diǎn)至轉(zhuǎn)彎 中心0的距離：/a =:彳衣:2 +.13為轉(zhuǎn)彎起始點(diǎn)至轉(zhuǎn)折點(diǎn)的距離：13=tan(90。-A0 /2)R。
[0063] 注：當(dāng)轉(zhuǎn)彎角度過小時(shí)，按上述方法計(jì)算會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎起始點(diǎn)落在航跡線反向延長 線上的情況，與實(shí)際不符，此時(shí)，需對(duì)13加以限制，即：當(dāng)1 3多〇. 51 1 3多0. 51 2時(shí)，1 3 = minlli, 12}，其中:^為起始點(diǎn)與轉(zhuǎn)折點(diǎn)b(x2，y2)的距離，12為轉(zhuǎn)折點(diǎn)b(x2，y2)與終 止點(diǎn)c(x3, y3)的距離。此時(shí)，,1〇= 13/cos(0h-0i), Pts(xts,yts), pte(xte,yj 與0(x。,y。）的計(jì)算方法同上。
[0064]2)轉(zhuǎn)彎段管道期望軌跡
[0065] 轉(zhuǎn)彎段管道期望軌跡為：以轉(zhuǎn)彎中心0(x。，y。）為圓心，以R為半徑，自轉(zhuǎn)彎起始點(diǎn) Pts(xts，yts)至轉(zhuǎn)彎終止點(diǎn)pte(xte，yte)的圓弧。
[0066] 3)直線段船舶期望軌跡
[0067] 定義：管道與海底的接觸點(diǎn)為管道著地點(diǎn)，著地點(diǎn)與船尾部之間在水平面上的長 度為管道懸跨段距離，記：ltd。
[0068] 直線段船舶期望軌跡為：船舶起始點(diǎn)as(xsl,ysl)與船舶轉(zhuǎn)彎起始點(diǎn)psts(xsts,ysts) 的連線及船舶轉(zhuǎn)彎終止點(diǎn)pste(xstf3,