一种打桩船定位控制方法及系统

摘要

本发明公开了一种打桩船的定位及运动控制方法，通过船体上两个GPS信号接收器在平面内建立随船坐标系；根据接收的坐标信息，得到随船坐标系原点在绝对坐标系内的坐标；根据基桩轴心在船体上的位置，得到基桩轴心在随船坐标系下的坐标；使用扫描仪得到基桩轮廓后，计算出基桩实际位置，并得到基桩轴心偏移误差；打桩船就位后，确定船体上各个锚分布点在绝对坐标系中的位置坐标；定位船体中心坐标，当船在该点时，在随船坐标系中，得到各个连接点在绝对坐标系下的坐标；根据船体就位姿态，得到打桩船就位时随船坐标系原点位置；进而得出各方向运动速度；从而计算出在相应时刻各个锚机的收缆速度，来控制各个锚机收缆速率实现打桩船运动。

权利要求

1.打桩船定位及运动控制方法，包括以下步骤：步骤一、在船体上安装两个GPS信号接收器和扫描仪，在平面内，建立绝对坐标系XOY和随船坐标系X'O'Y'；

步骤二、GPS信号接收器接收坐标信息并结合卫星基站发出的差分信号，得出GPS信号接收器在绝对坐标系下的精确位置坐标；

步骤三、根据其中一个GPS信号接收器的位置坐标和安装位置，得到随船坐标系原点在绝对坐标系内的坐标O(XO,YO)；

步骤四、根据两个GPS信号接收器位置坐标得到随船坐标系的Y’方向；

步骤五、使用扫描仪得到基桩轮廓后，计算出基桩实际位置，并与基桩理论位置比较，得到基桩轴心偏移误差δ(δx,δy)；

步骤六、打桩船拖航至作业区域并抛锚，锚索连接点处装有的测角仪测量锚索角度，再根据锚索放出长度，计算出各个锚分布点P1～Pn在绝对坐标系XOY中的位置坐标，分别为步骤七、定位船体中心O坐标，当船在O(XO,YO)点时，各个锚与船体连接点Q1～Qn在绝对坐标系XOY下的坐标为步骤八、在随船坐标系X'O'Y'中，根据各个连接点Q1～Qn与船中心O的位置关系，再结合定位的O的坐标，得到各个连接点在绝对坐标系XOY下的坐标为：步骤九、立桩目标点位置为T'(XT',YT')，根据船体就位姿态，得到打桩船就位时随船坐标系原点O'位置，θ为船体转动角度；

步骤十、打桩船从O点运动至O'点，设定船体运动时长为a(s)，得出各方向运动速度为：其中，vX为绝对坐标系下船体沿X方向的运动速度，vY为绝对坐标系下船体沿Y方向的运动速度，

ω为船体转动的角速度；

步骤十一、当船体运动至O'点时，各个锚与船体连接点Q1′～Qn′绝对坐标系下的坐标为则在t时刻，Qi'的坐标为：步骤十二、计算钢丝绳长度，水深为h，忽略钢丝绳下垂，则钢丝绳长度Li为：，  i ＝ 1,2,...,n

步骤十三、在t时刻，各个锚机的收缆速度Vi为： i ＝ 1,2,...,n ；

步骤十四、根据求得的速度来控制各个锚机收放速度，实现打桩船的快速准确运动。

说明书

一种打桩船定位控制方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种打桩船定位及运动控制方法。

背景技术

[0002] 随着海上基础设施工程建设规模的不断扩大，海上打桩船的使用越来越频繁。打桩船是一种海上打桩设备，通过打桩船将基桩安装在海下的土层中，基桩安装完成后即可在基桩上安装风力发电等作业平台。

[0003] 打桩船使用抱桩器抱桩后，根据定位系统可以得到基桩轴心位置坐标，但抱桩器的抱紧方式，易使基桩轴心产生位置偏差，进而降低基桩定位及就位精度；打桩船在打群桩过程中，需要在作业区域和基桩运输船之间来回运动，进行打桩、吊桩作业，由定位系统确定船体位置后，由人工控制收放锚索的绞车，进而控制船体运动，人工操作的方式效率低且精度差。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种使打桩船就位精度高、打桩效率快的定位及运动控制方法。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：打桩船定位及运动控制方法包括以下步骤：

[0006] 步骤一、在船体上安装两个GPS信号接收器和扫描仪，在平面内，建立绝对坐标系XOY和随船坐标系X'O'Y'；

[0007] 步骤二、GPS信号接收器接收坐标信息并结合卫星基站发出的差分信号，得出GPS信号接收器在绝对坐标系下的精确位置坐标；

[0008] 步骤三、根据其中一个GPS信号接收器的位置坐标和安装位置，得到随船坐标系原点在绝对坐标系内的坐标O(XO,YO)；

[0009] 步骤四、根据两个GPS信号接收器位置坐标得到随船坐标系的Y’方向；

[0010] 步骤五、使用扫描仪得到基桩轮廓后，计算出基桩实际位置，并与基桩理论位置比较，得到基桩轴心偏移误差δ(δx,δy)；

[0011] 步骤六、打桩船拖航至作业区域并抛锚，锚索连接点处装有的测角仪测量锚索角度，再根据锚索放出长度，计算出各个锚分布点(P1～Pn)在绝对坐标系XOY中的位置坐标，分别为

[0012] 步骤七、定位船体中心O坐标，当船在O(XO,YO)点时，各个锚与船体连接点(Q1～Qn)在绝对坐标系XOY下的坐标为

[0013] 步骤八、在随船坐标系X'O'Y'中，根据各个连接点Q1～Qn与船中心O的位置关系，再结合定位的O的坐标，得到各个连接点在绝对坐标系XOY下的坐标为：

[0014]

[0015] 步骤九、立桩目标点位置为T'(XT',YT')，根据船体就位姿态，得到打桩船就位时随船坐标系原点O'位置，

[0016] θ为船体转动角度；

[0017] 步骤十、打桩船从O点运动至O'点，设定船体运动时长为a(s)，得出各方向运动速度为：

[0018]

[0019] 其中，vX为绝对坐标系下船体沿X方向的运动速度，

[0020] vY为绝对坐标系下船体沿Y方向的运动速度，

[0021] ω为船体转动的角速度。

[0022] 步骤十一、当船体运动至O'点时，各个锚与船体连接点(Q1'～Qn')绝对坐标系下的坐标为

[0023] 则在t时刻，Qi'的坐标为：

[0024]

[0025] 步骤十二、计算钢丝绳长度，水深为h，忽略钢丝绳下垂，则钢丝绳长度Li(i＝1,2,...,n)为：

[0026]

[0027] 步骤十三、在t时刻，各个锚机的收缆速度Vi(i＝1,2,...,n)为：

[0028] 步骤十四、根据求得的速度来控制各个锚机收放速度，实现打桩船的快速准确运动。

[0029] 本发明的有益效果是：本方法使用扫描仪测得基桩轴心位置偏移误差，并在随后的运动控制中补偿误差，提高了打桩船的就位精度，保证打桩位置准确；

[0030] 采用自动控制船体运动的方法，使得打桩船快速、准确到达目标位置，提高了吊桩效率和打桩精度；

[0031] 此自动控制船体运动的方法可以减轻人工劳动强度，此方法下，无需经验丰富的操控人员亦可快速、准确地完成船体运动到目标位置的作业；

[0032] 自动控制船体运动的方法简单、高效，易于自动控制软件的编程实现，且此方法适用于不同锚数的打桩船，适用范围广。

附图说明

[0033] 图1是打桩船俯视图。

[0034] 图2是打桩船主视图。

[0035] 图3是打桩船随船坐标系示意图。

[0036] 图4是打桩船运动示意图。

[0037] 图1-4中：1-船体、2-GPS信号接收器、3-桩架、4-锚索连接点、5-锚机、6-倾斜仪、7-扫描仪、8-抱桩器、9-基桩。

具体实施方式

[0038] 下面结合附图，以安装八个锚的船体为例，详细描述本发明的具体实施方案。

[0039] 如图1-4所示，打桩船定位及运动控制方法包括以下步骤：

[0040] 步骤一、在船体上安装两个GPS信号接收器和扫描仪，在平面内，建立绝对坐标系XOY和随船坐标系X'O'Y'；

[0041] 步骤二、GPS信号接收器接收坐标信息并结合卫星基站发出的差分信号，得出GPS信号接收器在绝对坐标系下的精确位置坐标；

[0042] 步骤三、根据其中一个GPS信号接收器的位置坐标和安装位置，得到随船坐标系原点在绝对坐标系内的坐标O(XO,YO)；

[0043] 步骤四、根据两个GPS信号接收器位置坐标得到随船坐标系的Y’方向；

[0044] 步骤五、使用扫描仪得到基桩轮廓后，计算出基桩实际位置，并与基桩理论位置比较，得到基桩轴心偏移误差δ(δx,δy)；

[0045] 步骤六、打桩船拖航至作业区域并抛锚，锚索连接点处装有的测角仪测量锚索角度，再根据锚索放出长度，计算出八个锚分布点(P1～Pn)在绝对坐标系XOY中的位置坐标，分别为

[0046] 步骤七、定位船体中心O坐标，当船在O(XO,YO)点时，八个锚与船体连接点(Q1～Qn)在绝对坐标系XOY下的坐标为

[0047] 步骤八、在随船坐标系X'O'Y'中，根据八个连接点Q1～Q8与船中心O的位置关系，再结合定位的O的坐标，得到八个连接点在绝对坐标系XOY下的坐标为：

[0048]

[0049] 步骤九、立桩目标点位置为T'(XT',YT')，根据船体就位姿态，得到打桩船就位时随船坐标系原点O'位置，

[0050] θ为船体转动角度；

[0051] 步骤十、打桩船从O点运动至O'点，设定船体运动时长为a(s)，得出各方向运动速度为：

[0052]

[0053] 其中，vX为绝对坐标系下船体沿X方向的运动速度，

[0054] vY为绝对坐标系下船体沿Y方向的运动速度，

[0055] ω为船体转动的角速度。

[0056] 步骤十一、当船体运动至O'点时，八个锚与船体连接点(Q1'～Q8')绝对坐标系下的坐标为

[0057] 则在t时刻，Qi'的坐标为：

[0058]

[0059] 步骤十二、计算钢丝绳长度，水深为h，忽略钢丝绳下垂，则钢丝绳长度Li(i＝1,2,...,n)为：

[0060]

[0061] 步骤十三、在t时刻，八个锚机的收缆速度Vi(i＝1,2,...,8)为：

[0062] 步骤十四、根据求得的速度来控制各个锚机收放速度，实现打桩船的快速准确运动。

[0063] 上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。