CN115983046B - 一种预测预制结构运动轨迹的水下精准对接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种预测预制结构运动轨迹的水下精准对接方法，首先建立船舶‑结构对接阶段力学模型，该模型中包括已安装结构和待安装的预制结构，并建立安装坐标系，建立预制结构质心坐标系，建立监测点坐标系；然后推导对接时船舶‑预制结构安装***的运动运动微分方程，再建立预制结构的运动轨迹方程，然后由监测点的姿态仪测得的预制结构的横荡、纵荡、垂荡姿态数据，经坐标变换，得到预制结构质心在安装坐标系下的姿态方程；最后得到预制结构监测点的运动轨迹方程，结合预制结构安装精度要求，确定安装对接条件。
Description
技术领域
本发明属于预制结构水下对接安装领域，尤其是涉及一种预测预制结构运动轨迹的水下精准对接方法。
背景技术
预制结构水下对接安装目前多采用GPS、RTK等定位装置，通过在预制结构安装露出水面的测量塔测量姿态，再经坐标变换推算预制结构任意一点空间绝对坐标实时数据，根据船-结构空间坐标与已安装结构坐标比对，然后沉放预制结构实现对接。水下对接完成后通过潜水员水下初步测量安装误差，在满足要求后，经贯通测量轴线偏差确定最终安装误差。此外还有采用水下激光定位和水下声学技术定位等进行预制结构水下对接测量，即在已安装结构对接面安装靶标（或接收传感器），在预安结构对接面安装信号发送器，获取两个结构的相对位置关系，再经坐标变换得到预安装结构与已安装结构任意一点的相对位置关系，通过对比两个结构的相对位置关系，实现预制结构水下精准对接。
以上两类方法均是预制结构水下对接常用方法，前者是通过绝对空间坐标关系实现对接，后者是通过相对位置关系实现对接，但两者均存在适用性限制、安装误差大等缺点。“GPS、RTK+测量塔”的安装对接方程可满足浅水或深水构筑物对接，但误差影响因素较多，具体如下：①预制结构浮运前需要对其进行标定，存在一定的误差；②由于浮运为动态过程，RTK和GPS对船舶和构筑物的动态空间位置测量误差较大，导致结构沉放对接时的初始累积误差较大；③结构完成对接后，需潜水员辅助测量，其水下测量误差大且工序繁琐。水下激光定位和水下声学技术应用较为便捷，目前多应用于预制结构浅水沉放对接测量，但存在以下缺点：①对水质及水深要求较高，当水质较差或深水较大时，测量无法实施或误差较大；②由于预制结构从预制到浮运安装周期较长，而且已安结构上的靶标或接收传感器容易被破坏，此外预安装结构上的信号发射装置在浮运过程受表面缆系影响容易破坏。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种预测预制结构运动轨迹的水下精准对接方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种预测预制结构运动轨迹的水下精准对接方法，包括以下步骤：
步骤一：在预制结构上布设姿态仪，用以监测预制结构在与已安结构对接过程的横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇数据；
步骤二：建立船舶-结构对接阶段力学模型，该模型中包括已安装结构和待安装的预制结构，并建立安装坐标系O-XYZ，该坐标系以已安装结构对接面中心为原点；建立预制结构质心坐标系O'-X'Y'Z'，该坐标系以预制结构质心为原点；建立监测点坐标系O"-X"Y"Z"，该坐标系以姿态仪中心为原点；
步骤三：推导对接时船舶-预制结构安装***的运动运动微分方程；
式中：ms为船舶质量；mp为预制结构质量；L为船舶与预制结构连接缆绳的绳长；φ为预制结构纵摇角；θ为预制结构横摇角；Fx为船舶牵引缆绳在安装坐标系O-XYZ下X方向缆力分量；Fy为船舶牵引缆绳在安装坐标系O-XYZ下的Y方向缆力分量；Px0为安装***在安装坐标系O-XYZ下的X方向初始动量；Py0为安装***在安装坐标系下Y方向初始动量；t为对接安装时间；
步骤四：建立预制结构的运动轨迹方程；
式（1）积分整理后，得到船舶在安装坐标系O-XYZ下的运动轨迹：
预制结构在安装坐标系O-XYZ下的轨迹如下：
将式（2）带入式（3），得
由式（4）可知，预制结构质心在XOY平面的轨迹方程如下，
预制结构纵摇成周期性变化，
预制结构沉放时选择平潮期，初始动量忽略不计，Px0=0，Py0=0；
将预制结构质心运动轨迹方程简化为：
其中，参数ωφ为预制结构纵摇频率，φA为预制结构纵摇幅值，
，
；
步骤五：由监测点的姿态仪测得的预制结构的横荡、纵荡、垂荡姿态数据，经坐标变换，得到预制结构质心在安装坐标系O-XYZ下的姿态方程：
式中：（X Y Z)T为预制结构质心在安装坐标系O-XYZ中的坐标；（X' Y' Z')T为监测点在预制结构质心坐标系O'-X'Y'Z'中坐标；（X" Y" Z")T为监测点坐标系O" -X" Y" Z"中的坐标，由姿态仪监测得出；B 0为变形矩阵；θ、φ、Φ为横摇角、纵摇角和艏摇角，由姿态仪监测得出；Rx(θ)、Ry(φ)和Rz(Φ)为变换矩阵，其中：
将式（9）~式（12）带入式（8），有
步骤六：将步骤五得到的式（13）带入步骤四得到的式（7），得到预制结构监测点的运动轨迹方程，结合预制结构安装精度要求，确定安装对接条件。
在上述技术方案中，步骤三中，是在假设条件下建立预制结构的运动轨迹方程，假设条件为：①预制结构沉放到对接地点后，至对接安装完成阶段，船舶与预制结构之间的缆绳一直处于受拉状态；②各缆绳之间的夹角忽略不计；③缆绳始终垂直于预制结构上表面；④水下对接选择风浪的平潮窗口进行，水流对预制结构作用忽略不计；⑤施工水域海水密度是恒定的，不随深度变化。
在上述技术方案中，预制结构安装精度要求要满足误差
，满足下式：
其中，D为预制结构质心到对接端的距离，δy是纵向误差，δz是竖向误差，δx是横向误差。
在上述技术方案中，当监测点横荡满足以下条件进行安装以实现精准对接，
本发明的优点和有益效果为：
①对接范围可控、精度高，根据构筑物运动轨迹选择对接最优时机，实现对接范围高精度可控；②本发明不仅适用于浅水工程，也适用于深水构筑物对接，且对水质等其他因素无要求；③本发明无需在已安构筑物对接面安装靶标或接收传感器，避免因施工周期长带来的仪器破坏的风险。
附图说明
图1是本发明建立的船舶-结构对接阶段运动模型示意图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
一种预测预制结构运动轨迹的水下精准对接方法，包括以下步骤：
步骤一：在预制结构上布设姿态仪6，用以监测预制结构在与已安结构对接过程的横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇。
步骤二：建立船舶-结构对接阶段力学模型，如图1所示，该模型中包括已安装结构1和待安装的预制结构3，并建立安装坐标系O-XYZ 2，该坐标系以已安装结构对接面中心为原点；建立预制结构质心坐标系O'-X'Y'Z'4，该坐标系以预制结构质心为原点；建立监测点坐标系O"-X"Y"Z"7，该坐标系以姿态仪6中心为原点。
步骤三：在一定的假设条件下，推导对接时船舶-预制结构安装***（简称“安装***”）的运动运动微分方程。具体实施如下：
假设条件：①预制结构沉放到对接地点后，至对接安装完成阶段，船舶与预制结构之间的缆绳5一直处于受拉状态；②各缆绳之间的夹角很小，可忽略不计；③缆绳始终垂直于预制结构上表面；④水下对接选择风浪较小的平潮窗口进行，当预制结构下放至一定深度后，水流对其作用可忽略不计；⑤施工水域海水密度是恒定的，不随深度变化。
待安装的预制结构沉放至安装指定地点，船舶驻位，待预制结构稳定后，至预制结构与基床接触期间，***水平方向动量守恒，故有水平向运动方程：
式中：ms为船舶质量， kg；mp为预制结构质量，kg；L为船舶与预制结构连接缆绳绳长，m；φ为预制结构纵摇角，°；θ为预制结构横摇角，°；Fx为船舶牵引缆绳在安装坐标系O-XYZ下X方向缆力分量，N； Fy 为船舶牵引缆绳在安装坐标系O-XYZ下的Y方向缆力分量，N；Px0 为安装***在安装坐标系O-XYZ下的X方向初始动量，kg·m/s；Py0为安装***在安装坐标系下Y方向初始动量，kg·m/s；t为对接安装时间。
步骤四：建立预制结构的运动轨迹方程。具体实施如下：
式（1）积分整理后，可得船舶在安装坐标系O-XYZ下的运动轨迹：
预制结构在安装坐标系O-XYZ下的轨迹如下：
将式（2）带入式（3），得
由式（4）可知，预制结构质心在XOY平面的轨迹方程如下，
预制结构沉放时选择平潮期，初始动量可忽略不计，即Px0=0、Py0=0。
一般预制结构纵摇成周期性变化，即有
所以预制结构质心运动轨迹方程可简化为：
其中，参数ωφ为预制结构纵摇频率，φA为预制结构纵摇幅值，
，
。
步骤五：由监测点的姿态仪测得的预制结构的横荡、纵荡、垂荡姿态数据，经坐标变换，得到预制结构质心在安装坐标系O-XYZ下的姿态方程：
式中：（X Y Z)T为预制结构质心在安装坐标系O-XYZ中的坐标；（X' Y' Z')T为监测点在预制结构质心坐标系O'-X'Y'Z'中坐标；（X" Y" Z")T 为监测点坐标系O" -X" Y" Z"中的坐标，由姿态仪监测得出；B 0为变形矩阵；θ、φ、Φ为横摇角、纵摇角和艏摇角，由姿态仪监测得出；Rx(θ)、Ry(φ)和Rz(Φ)为变换矩阵。其中，
将式（9）~式（12）带入式（8），有
步骤六：根据步骤四和步骤五，建立预制结构监测点的运动轨迹方程，结合安装精度要求，确定安装对接条件。具体如下：
将步骤五得到的式（13）带入步骤四中的式（7），得到预制结构监测点的运动轨迹方程：
预制结构安装精度要求需满足误差，即应满足下式，
其中，D为预制结构质心到对接端的距离。
纵向误差δy是在预制结构沉放对接完成后，通过拉合装置及水力压接等工艺对结构的纵向安装进行控制，即满足相关止水要求即可，一般不对δy进行具体要求或控制。预制结构着底与基床接触后，认为竖向误差δz满足要求，即一般在基床整平或清淤阶段根据已安装结构位置对基床顶面标高进行控制，进而实现满足竖向安装误差的要求，而非在沉放安装对接阶段对δz控制。由此可知在安装对接时对预制结构的横向误差δx进行控制即可实现精准对接。
由式（13）~式（15）可知，当监测点横荡满足以下条件进行安装即可实现精准对接。
值得指出的是，当预制结构着底阶段不调整结构姿态时，A=0，B=0，预制结构在着底前监测点运动轨迹为周期运动，即在一个运动周期T内，存在时间
满足式（16），所以在t1~t2时间内可实现δx误差。如在一个周期内未完成沉放，需等下一个周期进行沉放安装。当预制结构着底阶段调整结构姿态时，A≠0，B≠0，待调整结束后，A、B为常数，待重新确定预制结构初始坐标，更新后的A、B记为A i 、B i （i表示第i次姿态调整），有A i =0，B i =0，此时，监测点运动轨迹依然为周期运动，上述误差控制方法仍适用。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种预测预制结构运动轨迹的水下精准对接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在预制结构上布设姿态仪，用以监测预制结构在与已安结构对接过程的横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇数据；
步骤二：建立船舶-结构对接阶段力学模型，该模型中包括已安装结构和待安装的预制结构，并建立安装坐标系O-XYZ，该坐标系以已安装结构对接面中心为原点；建立预制结构质心坐标系O′-X′Y′Z′，该坐标系以预制结构质心为原点；建立监测点坐标系O″-X″Y″Z″，该坐标系以姿态仪中心为原点；
步骤三：推导对接时船舶-预制结构安装***的运动运动微分方程；
式中：ms为船舶质量；mp为预制结构质量；L为船舶与预制结构连接缆绳的绳长；
为预制结构纵摇角；θ为预制结构横摇角；Fx为船舶牵引缆绳在安装坐标系O-XYZ下X方向缆力分量；Fy为船舶牵引缆绳在安装坐标系O-XYZ下的Y方向缆力分量；px0为安装***在安装坐标系O-XYZ下的X方向初始动量；py0为安装***在安装坐标系下Y方向初始动量；t为对接安装时间；/>
为预制结构纵摇角的一阶导数；
步骤四：建立预制结构的运动轨迹方程；
式(1)积分整理后，得到船舶在安装坐标系O-XYZ下的运动轨迹：
预制结构在安装坐标系O-XYZ下的轨迹如下：
将式(2)带入式(3)，得
由式(4)可知，预制结构质心在XOY平面的轨迹方程如下，
预制结构纵摇成周期性变化，
预制结构沉放时选择平潮期，初始动量忽略不计，px0＝0，py0＝0；
将预制结构质心运动轨迹方程简化为：
其中，参数
为预制结构纵摇频率，/>
为预制结构纵摇幅值，/>
步骤五：由监测点的姿态仪测得的预制结构的横荡、纵荡、垂荡姿态数据，经坐标变换，得到预制结构质心在安装坐标系O-XYZ下的姿态方程：
式中：(x y z)T为预制结构质心在安装坐标系O-XYZ中的坐标；(x′ y′ z′)T为监测点在预制结构质心坐标系O′-X′Y′Z′中坐标；(x″ y″ z″)T为监测点坐标系O″-X″Y″Z″中的坐标，由姿态仪监测得出；B0为变形矩阵；θ、
φ为横摇角、纵摇角和艏摇角，由姿态仪监测得出；Rx(θ)、/>
和Rz(φ)为变换矩阵，其中：
将式(9)～式(12)带入式(8)，有
步骤六：将步骤五得到的式(13)带入步骤四得到的式(7)，得到预制结构监测点的运动轨迹方程，结合预制结构安装精度要求，确定安装对接条件。
2.根据权利要求1所述的预测预制结构运动轨迹的水下精准对接方法，其特征在于：步骤三中，是在假设条件下建立预制结构的运动轨迹方程，假设条件为：①预制结构沉放到对接地点后，至对接安装完成阶段，船舶与预制结构之间的缆绳一直处于受拉状态；②各缆绳之间的夹角忽略不计；③缆绳始终垂直于预制结构上表面；④水下对接选择风浪的平潮窗口进行，水流对预制结构作用忽略不计；⑤施工水域海水密度是恒定的，不随深度变化。
3.根据权利要求1所述的预测预制结构运动轨迹的水下精准对接方法，其特征在于：步骤六中，预制结构安装精度要求要满足误差δ＝[δxδyδz]T，满足下式：
其中，D为预制结构质心到对接端的距离，δy是纵向误差，δz是竖向误差，δx是横向误差。
4.根据权利要求3所述的预测预制结构运动轨迹的水下精准对接方法，其特征在于：步骤六中，当监测点横荡满足以下条件进行安装以实现精准对接，
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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