一种动力定位船舶铺管循迹导引方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于船舶铺管作业领域，尤其涉及一种动力定位船舶铺管循迹导引方法。
【背景技术】
[0002] 随着陆地资源的日益减少，人类越发重视对海洋尤其是深海资源、能源的利用与 开发，海洋油气资源运输是海洋资源利用过程中至为重要的一环，水下管道在油气运输中 起着重要的作用，海底管道路径规划的优劣、铺管精度的高低对提高深海资源的运输效率 有着重要影响。铺管船在进行管道铺设作业时，需控制船舶在海上定位或沿着预先设定好 的路径进行循迹，DP系统通过推进器推力能够控制船舶自动地保持位置和艏向，具有定位 精度高、机动灵活等优点，由此DP系统开始在铺管船上得到广泛应用。如何根据预先设定 好的航迹点合理、科学地规划出管道铺设路径以及船舶循迹路径并利用DP系统控制铺管 船沿规划好的路径准确循迹成为科学研究和工程实践领域人们研究的热点。科学地规划管 道着地点路径以及船舶循迹路径，避免因转折角度过大导致管道弯曲段曲率过大，超过其 应力承受上限从而导致管道损坏的情况发生成为保证动力定位船舶安全作业的一个重要 功能。
[0003] 关于如何根据设定的航迹点合理地规划出管道着地点铺设路径以及船舶循迹路 径的相关文献较少，杨丽丽在其硕士论文《S型铺管船动力定位鲁棒控制方法研究》以及谢 文博在其博士论文《船舶铺管作业动力定位控制方法研究》中均为铺管船循迹设计了控制 方法，并提及了管道铺设时需注意管道参考轨迹与实际铺设路径的差异，但都没有提出具 体的路径规划方法。国际上主流的动力定位产品如北欧挪威Kongsberg公司设计的DP操 纵台已实现了给定航迹点后自动规划出管道铺设路径与船舶循迹路径的功能，但没有给出 具体实现方法。目前国内外文献中尚未给出本文所提路径规划方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种能够提高系统稳定性与控制精度的，动力定位船舶铺管 循迹导引方法。
[0005] -种动力定位船舶铺管循迹导引方法，包括以下步骤，
[0006] 步骤一：根据铺管船设定的铺管起始点a(Xi, 、转折点b(x2,y2)、铺管终止点 c(x3，y3)、管道着地点纵向速度Vdp以及角速度《计算出管道铺设路径；
[0007] 步骤二：根据管道铺设路径以及管道悬跨段长度计算出船舶期望路径；
[0008] 步骤三：根据管道铺设路径以及设定的速度计算出导引点运动轨迹；
[0009] 步骤四：计算当前时刻船舶的实际位置和艏向与导引点的位置和艏向的偏差，采 用PID控制律，获得船舶进行铺管作业的控制力和力矩；
[0010] 步骤五：根据铺管船的实际位置求解出管道的实际铺设位置。
[0011] 本发明还可以包括：
[0012] 1、管道铺设路径包括：
[0013] (1)直线段管道铺设路径：铺管起始点a(Xi, 与转弯起始点pts(xts,yts)的连线 及转弯终止点ptf3(xtf3,ytJ与铺管终止点c(x3,y3)的连线，
[0014]
[0015] 其中，1。为转折点至转弯中心〇的距尚：：4,I3为转弯起始点至转折点 的距离：13=七&11(9〇°-六0/2)1?，转弯中心为〇〇^， 7。)，转弯半径1? =、/?，第一段航迹 角为9 1，第二段航迹角为9 2,循迹时船舶需转过的角为9z= 9 9 1，两段航迹线夹角为 A0 =180° -(02-0^，两段航迹线夹角角平分线的角度0h;
[0016] (2)转弯段管道铺设路径为：以转弯中心0(xQ，y。）为圆心，以R为半径，自转弯起 始点Pts(xts，yts)至转弯终止点pte(xte，yte)的圆弧。
[0017] 2、船舶期望路径包括：
[0018] (1)直线段船舶期望路径为：船舶起始点as(xsl，ysl)与船舶转弯起始点 Psts(xsts，ysts)的连线及船舶转弯终止点Pste(xste，yste)与船舶终止点cs(xs3，ys3)的连线，
[0019]
[0020] 其中：ltd为着地点与船尾部之间在水平面上的长度为管道悬跨段距离；
[0021] (2)转弯段船舶期望路径为：以转弯中心0(x。，y。）为圆心，以Rs为半径，自转弯起 始点Psts(xsts,ysts)至转弯终止点pste(xste,ystJ的圆弧：
[0022] Rs= (x sts-x〇)2+(ysts-y〇)2〇
[0023] 3、导引点运动轨迹为：
[0024]
[0025] 其中，为管道的期望速度，nI为管道着地点期望运动轨迹：
[0026]
[0027] Ah为采样周期。
[0028] 4、PTD棹制律为，
[0029]
[0030] ne= [ne % 为当前时刻船舶的实际位置和艏向与导引点的位置和艏向的偏 差，
[0031] 动力定位船舶纵向控制力Tx、横向控制力Ty和控制力矩T,为：
[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_为船舶纵向力的PID控制参数，Isurge表示对纵向偏 差的积分；Kps胃、Kds胃和Kls胃为船舶横向力的PID控制参数，Is胃表示对横向偏差的积 分；Kpyaw、和Klyaw为船舶转艏力矩的PID控制参数，I胃表示对艏向偏差的积分。
[0036] 5、管道的实际铺设位置：
[0037]
[0038] 有益效果：
[0039] 本发明的有益效果在于针对动力定位船舶循迹工作模式，根据当前预定的航迹 点，通过设计管道着地点的期望运动轨迹，获得船舶的期望运动轨迹，并通过对当前时刻期 望位置和期望艏向的导引方法的设计，实现对船舶循迹的控制，从而达到间接控制管道按 预期规划路径铺设的目的。同时，在对管道着地点的期望运动轨迹的设计过程中，由于转折 点处加入了曲线循迹的思想，避免管道在转折处因弯曲过大使管道承受过大应力导致管道 断裂破损等情况的发生，极大地提高了铺管作业的安全性。本文所提出的导引方法简单易 行，且控制精度较高，适用于实际铺管作业，具有较高工程应用价值。
【附图说明】
[0040]图1为船舶动力定位系统铺管路径导引控制方法基本流程框图。
[0041] 图2为动力定位船舶船体坐标系和大地坐标系的示意图。
[0042]图3为任意给定起始点，转折点，终止点后规划出的管道与船舶期望路径示意图。
[0043] 图4为动力定位船舶铺管过程示意图。
[0044] 图5为任意给定起始点，转折点，终止点后规划出的管道与船舶期望路径示意图 (用于仿真验证）。
[0045]图6为仿真验证图5中所示管道与船舶期望路径可行性仿真图。
[0046] 图7为仿真试验中应用所提出方法得到的动力定位船舶位置跟踪曲线。
[0047] 图8为仿真试验中应用所提出方法得到的管道位置跟踪曲线。
[0048] 图9为仿真试验中应用所提出方法得到的动力定位船舶速度曲线。
【具体实施方式】
[0049] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0050] 本发明的目的在于，为实现动力定位船舶实现循迹功能提供一种系统稳定性更 好、控制精度更高，循迹路径更合理的动力定位船舶铺管循迹导引方法。
[0051] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括下列步骤，如图1~图4所示：
[0052](1)完成循迹给定点的设定，船舶进入铺管工作状态，并完成系统初始化；
[0053] 建立大地坐标系和随船坐标系来表示船舶运动，其中大地坐标系onxnynzn描述 为：选取海平面上任意一点 〇n为原点，以正东方向为横轴、正北方向为纵轴；船体坐标系 obxbybzb描述为：以船舶的重心ob为原点，以右舷方向为横轴、船艏方向为纵轴。
[0054] 所涉及的动力定位船舶在大地坐标系和船体坐标系中三自由度的数学模型为：
[0055] i] =Jv
[0056] A/y+Dv+Cv-r
[0057] 式中，n表示船舶在大地坐标系中的位置和艏向向量[n,e, $ ]，v表示船 舶在船体坐标系中的速度向量[u，v，r]，t表示推进器产生的推力和回转力矩向量
[Tx,Ty,TJ，J为从船体坐标系到大地坐标系的转换矩阵
，M为 船舶的惯性矩阵
：，m为船舶质量，Iz为转动惯量，xg为船 体坐标系中船舶质心纵向坐标，其他参数为一阶水动力导数，D为船舶的水动力阻尼系数矩 阵，
，C为科里奥利力向心力矩阵。
[0058] (2)结合大地坐标系下设定的铺管起始点、转折点、终止点坐标以及船体坐标系中 设定的速度，获得管道着地点期望轨迹和船舶期望运动轨迹。
[0059]管道铺设起始点为a(Xi, ，转折点为b(x2,y2)，终止点为c(x3,y3)，船舶期望艏 向为也，管道着地点纵向速度为vdp，角速度为w，转弯中心为〇(x。，y。)，转弯半径R=vdp/ ?，第一段航迹角为^(本文中所涉及的角度均为与北的夹角），第二段航迹角为Q2，循 迹时船舶需转过的角为9z=QQ1，两段航迹线夹角为八Q= 180° -(92-9丨）（若 A0〈180。，A0 =A0 -180。，若A0〈180。，A0 =A0 +180。），两段航迹线夹角角 平分线的角度9h= 92+A0/2(若向左转弯0h= 02_A0/2)。
[0060] 1)直线段管道期望轨迹
[0061] 直线段管道期望轨迹为：起始点a(Xi,yj与转弯起始点pts(xts,yts)的连线及转弯 终止点ptf3(xtf3,ytJ与终止点c(x3,y3)的连线。
[0062]
1。为转折点至转弯 中心0的距离：/a =:彳衣:2 +.13为转弯起始点至转折点的距离：13=tan(90。-A0 /2)R。
[0063] 注：当转弯角度过小时，按上述方法计算会出现转弯起始点落在航迹线反向延长 线上的情况，与实际不符，此时，需对13加以限制，即：当1 3多〇. 51 1 3多0. 51 2时，1 3 = minlli, 12}，其中:^为起始点与转折点b(x2，y2)的距离，12为转折点b(x2，y2)与终 止点c(x3, y3)的距离。此时，,1〇= 13/cos(0h-0i), Pts(xts,yts), pte(xte,yj 与0(x。,y。）的计算方法同上。
[0064]2)转弯段管道期望轨迹
[0065] 转弯段管道期望轨迹为：以转弯中心0(x。，y。）为圆心，以R为半径，自转弯起始点 Pts(xts，yts)至转弯终止点pte(xte，yte)的圆弧。
[0066] 3)直线段船舶期望轨迹
[0067] 定义：管道与海底的接触点为管道着地点，着地点与船尾部之间在水平面上的长 度为管道悬跨段距离，记：ltd。
[0068] 直线段船舶期望轨迹为：船舶起始点as(xsl,ysl)与船舶转弯起始点psts(xsts,ysts) 的连线及船舶转弯终止点pste(xstf3,