專利名稱：耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤系統及其控制方法
技術領域：
本發明屬于工程船舶自動化技術領域，特別是涉及一種耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤系統及其控制方法。
背景技術：
目前，隨著經濟全球化 的迅猛發展了，港口的航道建設、填海造地、江河湖泊整治等工程的規模越來越大，對工期要求也越來越高，如何提高挖泥船的疏浚效率就顯得尤為迫切。現有的耙吸挖泥船動力沒有定位與動態跟蹤系統，無法實現耙吸挖泥船或耙頭的位置和軌跡的控制，大大降低了疏浚作業的效率和精度，成為挖溝槽、回填作業、挖隧道等精確疏浚的技術難題。
發明內容
本發明為解決公知技術中存在的技術問題，而提供一種耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤系統及其控制方法。本發明的目的之一是提供一種具有結構簡單，操作方便，精確控制，模式多樣，疏浚效率高等特點的耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤系統。本發明耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤系統為解決現有技術問題所采取的技術方案是耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤系統，其特點是動力定位與動態跟蹤系統包括控制臺、可編程邏輯控制器、航向測量裝置、位置測量裝置、風向風速測量裝置、船舶運動姿態測量裝置、推進器和舵機；控制臺連接控制可編程邏輯控制器、航向測量裝置、位置測量裝置、風向風速測量裝置、船舶運動姿態測量裝置、推進器和舵機，進行船舶動力定位與動態跟蹤，精確控制耙吸挖泥船疏浚作業。本發明耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤系統還可以采用如下技術措施所述的耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤系統，其特點是控制臺包括控制計算機、模式轉換開關、控制按鈕、指示燈和操縱手柄，控制計算機內有信號采集、信號濾波、可編程邏輯控制器和推進器推力分配控制軟件和人機界面軟件；航向測量裝置為電羅經。本發明的目的之二是提供一種適合于挖溝槽、回填作業、挖隧道等精確疏浚作業，具有操作方便，精確控制，模式多樣，疏浚效率高等特點的耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法。本發明耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法為解決現有技術問題所采取的技術方案是耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法，其特點是控制臺連接控制可編程邏輯控制器、航向測量裝置、位置測量裝置、風向風速測量裝置、船舶運動姿態測量裝置、推進器和舵機；控制臺采集航向測量裝置、位置測量裝置、風向風速測量裝置、船舶運動姿態測量裝置信息，檢測耙吸挖泥船和耙頭的實際位置與目標位置、實際運動方向和目標方向，根據風、浪和流外界擾動力的影響，計算出恢復到目標位置所需推力的大小，可編程邏輯控制器控制挖泥船上推力器，產生相應的螺距和舵角指令信號，使挖泥船保持所要求的位置和航向，進行耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤，實現精確循跡挖泥。本發明耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法還可以采用如下技術措施所述的耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法，其特點是控制臺精確檢測耙吸挖泥船和耙頭的實際位置與目標位置偏差，可編程邏輯控制器對挖泥船上推力器進行推力分配，使挖泥船進行自動航跡向挖泥、循跡挖泥、定點挖泥、循跡拋泥、彩虹艏噴疏浚作業。所述的耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法，其特點是自動航跡向挖泥模式是耙吸挖泥船按照設置好的挖泥軌跡方向精確挖泥，至挖泥終點時提升耙管，挖泥結束。所述的耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法，其特點是循跡挖泥模式是耙 吸挖泥船按照設置好的挖泥軌跡線精確動態跟蹤挖泥，至設計挖泥軌跡線的終點時提升耙管，挖泥結束。所述的耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法，其特點是定點挖泥模式是耙吸挖泥船精確沿著短距離設計航線往復前進/倒退，自動起升/放耙挖泥作業，直至該狹小距離挖泥結束。所述的耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法，其特點是循跡拋泥模式是耙吸挖泥船按照設置好的拋泥軌跡精確動態跟蹤拋泥，至拋泥軌跡的終點時關閉泥門，拋泥結束。所述的耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法，其特點是彩虹艏噴模式是耙吸挖泥船按照設置好位置和艏向參數精確控制船舶挖泥，此模式下有三種工作模式一是精確控制耙吸挖泥船定點定向艏噴作業，二是按照設定軌跡精確控制耙吸挖泥船進行弧線艏噴作業，三是按照設定參數精確控制耙吸挖泥船完成扇面艏噴作業。本發明具有的優點和積極效果是耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤系統及其控制方法由于采用了本發明全新的技術方案，與現有技術相比，本發明能夠使耙吸挖泥船用于挖溝槽、回填作業、挖隧道等精確疏浚，提高疏浚效率。在應用軟件和設置上作簡單修改，就能廣泛應用于布纜船、鋪管船、起重船等特種船舶上。
圖I是本發明耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤系統組成結構示意圖；圖2是本發明的自動航跡向挖泥模式示意圖；圖3是本發明的動態跟蹤循跡挖泥模式示意圖。圖中1 —運動機構，2 —風向風速儀，3 —電羅經，4 —計程儀，5 — DGPS, 6 —測深儀，7 — DP操作站，8 —工控機，9 一可編程邏輯控制器，10 一左可調螺旋衆和左航，11 一右可調螺旋漿和右舵，12 一艏側向推進器，13-船艏向，14 一航跡向，15 —挖泥船，16 一耙管，17 — IE頭，18 —航跡線，19 一設計航道線，20 —設計航線，21 —挖泥船，22 — fE管，23 —奉巴頭,24 —航跡線，25 —設計航道線。
具體實施例方式為能進一步了解本發明的技術內容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下參閱附圖I、圖2和圖3。實施例I耙吸挖泥船動力定位與動態跟 蹤系統，包括控制臺、可編程邏輯控制器、航向測量裝置、位置測量裝置、風向風速測量裝置、船舶運動姿態測量裝置、推進器和舵機；控制臺連接控制可編程邏輯控制器、航向測量裝置、位置測量裝置、風向風速測量裝置、船舶運動姿態測量裝置、推進器和舵機，進行船舶動力定位與動態跟蹤，精確控制耙吸挖泥船疏浚作業。本實施例的具體結構詳述如下耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤系統由控制臺、可編程邏輯控制器(PLC)、船舶姿態運動測量單元、風向風速測量系統、航向測量單元、位置測量系統(DGPS)、疏浚軌跡顯示系統、左可調螺距螺旋槳(CPP)、右可調螺距螺旋槳(CPP)、左舵機、右舵機和艏側向推進器組成。①控制臺由控制計算機、模式轉換開關、控制按鈕、指示燈、操縱手柄、操作鍵盤、打印機和不間斷電源組成。控制計算機選用研華IPC610高性能工控機，作為DP/DT主控制器，主控制器內含有信號采集、信號濾波、控制器、推力分配等控制軟件和人機界面軟件。②可編程邏輯控制器選用西門子S7-400，作為系統的執行器，控制按鈕、指示燈、操縱手柄、推進器、舵機等。③船舶姿態運動測量單元選用Kongsberg Seatex MRU-Z,測量船舶的搖擺、顛簸和涌浪。④風向風速測量系統選用GILL WindObserver II超聲風速風向儀，測量風速和風向，風速精度2% @ 12m/s，風速分辨率O.Olm/s，風向精度±2°，風向分辨率1°。⑤航向測量單元采用電羅經，選用安修斯STD-22，測量船舶艏向，艏向精度
+ 0. I。ο⑥位置測量系統采用差分全球衛星定位系統(DGPS)，測量船舶位置，選用TrimbleSPS461型RTK模式，具有I厘米的定位精度。⑦疏浚軌跡顯示系統為挖泥船提供疏浚軌跡和疏浚剖面監控，同時還向動力定位與動態跟蹤系統提供預置的挖泥軌跡線。實施例2耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法，參見實施例I各組成部分，控制臺連接控制可編程邏輯控制器、航向測量裝置、位置測量裝置、風向風速測量裝置、船舶運動姿態測量裝置、推進器和舵機；控制臺采集航向測量裝置、位置測量裝置、風向風速測量裝置、船舶運動姿態測量裝置信息，檢測耙吸挖泥船和耙頭的實際位置與目標位置、實際運動方向和目標方向，根據風、浪和流外界擾動力的影響，計算出恢復到目標位置所需推力的大小，可編程邏輯控制器控制挖泥船上推力器，產生相應的螺距和舵角指令信號，使挖泥船保持所要求的位置和航向，進行耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤，實現精確循跡挖泥。控制臺精確檢測耙吸挖泥船和耙頭的實際位置與目標位置偏差，可編程邏輯控制器對挖泥船上推力器進行推力分配，使挖泥船進行自動航跡向挖泥、循跡挖泥、定點挖泥、循跡拋泥、彩虹艏噴疏浚作業。自動航跡向挖泥模式是耙吸挖泥船按照設置好的挖泥軌跡方向精確挖泥，至挖泥終點時提升耙管，挖泥結束。循跡挖泥模式是耙吸挖泥船按照設置好的挖泥軌跡線精確動態跟蹤挖泥，至設計挖泥軌跡線的終點時提升耙管，挖泥結束。定點挖泥模式是耙吸挖泥船精確沿著短距離設計航線往復前進/倒退，自動起升/放耙挖泥作業，直至該狹小距離挖泥結束。循跡拋泥模式是耙吸挖泥船按照設置好的拋泥軌跡精確動態跟蹤拋泥，至拋泥軌跡的終點時關閉泥門，拋泥結束。彩虹艏噴模式是耙吸挖泥船按照設置好位置和艏向參數精確控制船舶挖泥，此模式下有三種工作模式一是精確控制耙吸挖泥船定點定向艏噴作業，二是按照設定軌 跡精確控制耙吸挖泥船進行弧線艏噴作業，三是按照設定參數精確控制耙吸挖泥船完成扇面艏噴作業。本實施例的具體操作過程耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤系統通過位置和航向測量系統不斷檢測耙吸挖泥船和耙頭的實際位置與目標位置、實際運動方向和目標方向的偏差，根據風、浪、流等外界擾動力的影響計算出恢復到目標位置所需推力的大小，對挖泥船上各推力器進行推力分配，產生相應的螺距和舵角指令信號，使挖泥船保持所要求的位置和艏向。選擇“自動航跡向挖泥”功能模式后，設置挖泥軌跡向，動力定位與動態跟蹤系統根據位置測量系統信號與目標位置的偏差及風、浪、流等外界擾動力的影響計算出恢復到目標位置所需推力的大小，對挖泥船上各推力器進行推力分配，產生相應的控制指令信號，自動控制船舶按照設計挖泥軌跡向進行挖泥作業。由于在挖泥過程中，耙臂阻力是一個快速變化的大阻力，動力定位與動態跟蹤系統自動補償耙臂阻力，使挖泥船按照設計航速進行挖泥。耙吸挖泥船航行至挖泥終點時提升耙管，挖泥結束。本模式適用于風、流較大導致船艏向與航向偏差較大時。選擇“循跡挖泥”功能模式后，在疏浚軌跡顯示系統中設置好將要疏浚的軌跡線，轉化為工程坐標后通過以太網傳送到動力定位與動態跟蹤系統。當耙吸挖泥船航行至設計的疏浚軌跡線起始點附近時，在動力定位與動態跟蹤系統的“循跡挖泥”操作頁上選擇跟蹤點(跟蹤點是左祀頭或右祀頭或船上任何一點)后放祀，然后選擇開始指令。動力定位與動態跟蹤系統根據位置測量系統信號與目標位置的偏差及風、浪、流等外界擾動力的影響計算出恢復到目標位置所需推力的大小，對挖泥船上各推力器進行推力分配，產生相應的控制指令信號，控制船舶航行在設計疏浚軌跡上進行挖泥作業。由于在挖泥過程中，耙臂阻力是一個快速變化的大阻力，動力定位與動態跟蹤系統自動補償耙臂阻力，使挖泥船按照設計航速進行挖泥。耙吸挖泥船航行至設計疏浚軌跡的終點時提升耙管，挖泥結束。選擇“定點挖泥”功能模式后，在疏浚軌跡顯示系統中設置好將要疏浚的軌跡線，轉化為工程坐標后通過以太網傳送到動力定位與動態跟蹤系統。當耙吸挖泥船航行至設計的疏浚軌跡線起始點附近時，在動力定位與動態跟蹤系統的“定點挖泥”操作頁上選擇跟蹤點(跟蹤點是左耙頭或右耙頭或船上任何一點)和往復挖泥的次數，然后選擇開始指令。動力定位與動態跟蹤系統根據位置測量系統信號與目標位置的偏差及風、浪、流等外界擾動力的影響計算出恢復到目標位置所需推力的大小，對挖泥船上各推力器進行推力分配，產生相應的控制指令信號。船在開始上線挖泥時，系統向疏浚控制系統發出下放耙頭到設計深度，開始沿著設計航線挖泥。當到達設計航線終點時，系統向疏浚控制系統發出起升耙頭到一定位置，疏浚控制系統執行后發出可允許倒車命令給動力定位與動態跟蹤系統，動力定位與動態跟蹤系統控制船舶按照設計航行倒退回挖泥起點，重復下一個挖泥周期。本模式適用于耙吸挖泥船掃淺點施工或在狹小地段施工作業。選擇“循跡拋泥”功能模式后，在疏浚軌跡顯示系統中設置好拋泥軌跡線，轉化為工程坐標后通過以太網傳送到動力定位與動態跟蹤系統。當耙吸挖泥船航行至設計的軌跡線起始點附近時，在動力定位與動態跟蹤系統的“循跡拋泥”操作頁上選擇跟蹤點(跟蹤點是船上任何一點)開始拋泥。動力定位與動態跟蹤系統根據位置測量系統信號與目標位置的偏差及風、浪、流等外界擾動力的影響計算出恢復到目標位置所需推力的大小，對挖泥船上各推力器進行推力分配，產生相應的控制指令信號，控制船舶航行在設計拋泥軌跡上進行拋泥作業。耙吸挖泥船航行至拋泥軌跡的終點時關閉泥門，拋泥結束。選擇“彩虹艏噴”功能模式后，可有三種工作模式模式I、模式2、模式3。選擇“彩虹艏噴”模式I時，完成定點定向艏噴作業。在“彩虹艏噴”模式I操作頁上設置位置和艏向，點擊開始按鈕，動力定位與動態跟蹤系統根據位置測量系統信號與 目標位置的偏差及風、浪、流和艏噴時產生噴射力等外界擾動力的影響計算出恢復到目標位置所需推力的大小，對挖泥船上各推力器進行推力分配，產生相應的控制指令信號，控制船舶保持船位和艏向不變，完成定點定向艏噴作業。選擇“彩虹艏噴”模式2時，完成弧線艏噴作業。在“彩虹艏噴”模式2操作頁上設置位置、船旋轉中心(船艏、船中心、船艉)、艏向變化范圍和艏向步進速度，點擊開始按鈕，動力定位與動態跟蹤系統根據位置測量系統信號與目標位置的偏差及風、浪、流和艏噴時產生噴射力等外界擾動力的影響計算出恢復到目標位置所需推力的大小，對挖泥船上各推力器進行推力分配，產生相應的控制指令信號，控制船舶保持船位和旋轉運動，完成弧線艏噴作業。選擇“彩虹艏噴”模式3時，完成扇面艏噴作業。在“彩虹艏噴”模式3操作頁上設置起始位置、終點位置、船旋轉中心(船艏、船中心、船艉)、船艏向變化范圍和旋轉速度，點擊開始按鈕，動力定位與動態跟蹤系統根據位置測量系統信號與目標位置的偏差及風、浪、流和艏噴時產生噴射力等外界擾動力的影響計算出恢復到目標位置所需推力的大小，對挖泥船上各推力器進行推力分配，產生相應的控制指令信號，使挖泥船按照設定位置和艏向進行移動，完成扇面艏噴作業。
權利要求
1.一種耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤系統，其特征是動力定位與動態跟蹤系統包括控制臺、可編程邏輯控制器、航向測量裝置、位置測量裝置、風向風速測量裝置、船舶運動姿態測量裝置、推進器和舵機；控制臺連接控制可編程邏輯控制器、航向測量裝置、位置測量裝置、風向風速測量裝置、船舶運動姿態測量裝置、推進器和舵機，進行船舶動力定位與動態跟蹤，精確控制耙吸挖泥船疏浚作業。
2.按照權利要求I所述的耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤系統，其特征是控制臺包括控制計算機、模式轉換開關、控制按鈕、指示燈和操縱手柄，控制計算機內有信號采集、信號濾波、可編程邏輯控制器和推進器推力分配控制軟件和人機界面軟件；航向測量裝置為電羅經。
3.按照權利要求I所述的耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法，其特征是控制臺連接控制可編程邏輯控制器、航向測量裝置、位置測量裝置、風向風速測量裝置、船舶運動姿態測量裝置、推進器和舵機；控制臺采集航向測量裝置、位置測量裝置、風向風速測量裝置、船舶運動姿態測量裝置信息，檢測耙吸挖泥船和耙頭的實際位置與目標位置、實際運動方向和目標方向，根據風、浪和流外界擾動力的影響，計算出恢復到目標位置所需推力的大小，可編程邏輯控制器控制挖泥船上推力器，產生相應的螺距和舵角指令信號，使挖泥船保持所要求的位置和航向，進行耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤，實現精確循跡挖泥。
4.按照權利要求3所述的耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法，其特征是控制臺精確檢測耙吸挖泥船和耙頭的實際位置與目標位置偏差，可編程邏輯控制器對挖泥船上推力器進行推力分配，使挖泥船進行自動航跡向挖泥、循跡挖泥、定點挖泥、循跡拋泥、彩虹艏噴疏浚作業。
5.按照權利要求4所述的耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法，其特征是自動航跡向挖泥模式是耙吸挖泥船按照設置好的挖泥軌跡方向精確挖泥，至挖泥終點時提升耙管，挖泥結束。
6.按照權利要求4所述的耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法，其特征是循跡挖泥模式是耙吸挖泥船按照設置好的挖泥軌跡線精確動態跟蹤挖泥，至設計挖泥軌跡線的終點時提升耙管，挖泥結束。
7.按照權利要求4所述的耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法，其特征是定點挖泥模式是耙吸挖泥船精確沿著短距離設計航線往復前進/倒退，自動起升/放耙挖泥作業，直至該狹小距離挖泥結束。
8.按照權利要求4所述的耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法，其特征是循跡拋泥模式是耙吸挖泥船按照設置好的拋泥軌跡精確動態跟蹤拋泥，至拋泥軌跡的終點時關閉泥門，拋泥結束。
9.按照權利要求4所述的耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤控制方法，其特征是彩虹艏噴模式是耙吸挖泥船按照設置好位置和艏向參數精確控制船舶挖泥；此模式下有三種工作方式一是精確控制耙吸挖泥船定點定向艏噴作業，二是按照設定軌跡精確控制耙吸挖泥船進行弧線艏噴作業，三是按照設定參數精確控制耙吸挖泥船完成扇面艏噴作業。
全文摘要
本發明涉及一種耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤系統及其控制方法。本發明屬于工程船舶自動化技術領域。耙吸挖泥船動力定位與動態跟蹤系統，包括控制臺、可編程邏輯控制器、航向測量裝置、位置測量裝置、風向風速測量裝置、船舶運動姿態測量裝置、推進器和舵機；控制臺連接控制可編程邏輯控制器、航向測量裝置、位置測量裝置、風向風速測量裝置、船舶運動姿態測量裝置、推進器和舵機。定位與動態跟蹤控制方法是檢測耙吸挖泥船和耙頭的實際位置與目標位置、實際運動方向和目標方向，控制挖泥船上推力器，使挖泥船保持所要求的位置和航向，精確控制疏浚作業。本發明具有結構簡單，操作方便，精確控制，模式多樣，疏浚效率高等優點。
文檔編號E02F3/90GK102817388SQ201210274299
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月2日 優先權日2012年8月2日
發明者丁樹友, 顧明, 田俊峰, 俞夢蕻, 袁偉, 張宏濤, 李金貴, 王健, 楊立楠 申請人:中交天津航道局有限公司, 中國交通建設股份有限公司