专利名称：海洋平台锚泊辅助动力定位模型测试装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的装置，尤其涉及的是一种海洋平台锚泊
辅助动力定位模型测试装置。
背景技术：
为了满足在深海的恶劣环境条件下进行钻探等工程作业的需要，必须在较长一段 时间内精确地保持半潜式平台在海面上的位置，但是半潜式平台在水平面内的运动不具有 回复力，这就需要安装定位系统，平衡作用在浮体上的外力，减小浮体的水平运动，以减小 其水平面的位移。传统的定位方式是锚泊定位，锚泊定位因其结构简单、投资小、节省能源、 操作简便而被广泛采用。然而其应用受到水深条件的限制，并且海底土质要有利于抛锚，另 外锚泊定位的机动灵活性较差，遇到突发的恶劣海况，不能够及时的撤离。近年来，随着人 类对深海的进军，平台的作业水深急剧增加，若仍然仅依靠锚泊线，锚泊线的制作成本会随 着水深的增加而大幅度的提高，且水深较大，系泊缆索对浮体的影响比较大，两者之间的耦 合运动比较强烈，从而降低定位的精度。动力定位因其不受水深的限制，且适于恶劣海况， 能够迅速躲避恶劣海况，从而弥补了锚泊定位的不足，但全动力定位系统初始投资和营运 成本都比较高，单纯的依靠动力定位将会降低整体的经济效益，故在适当水深的条件下，采 取锚泊辅助的动力定位的方式，将会使得平台的能耗、定位精度等各项性能的综合指标达 到最优。 经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利申请号200810036552. 2，名称主
动式海洋平台混合模型试验装置，该技术包括海洋平台模型、拉力传感器、系泊缆模型、滑
块、计算机、运动控制卡、驱动器、丝杆、伺服电机、水密装置、非接触式光学测量系统、应变
放大器、接线装置和数据自动采集卡及计算机实时分析模块，其中海洋平台模型通过拉力
传感器和系泊缆模型相连，系泊缆模型下端固接于滑块，滑块位于丝杠上面，丝杆和伺服电
机固接，水密装置位于伺服电机、丝杠和滑块的外面，且置于水池底部，运动控制卡连接到
计算机，非接触式光学测量系统连接数据自动采集卡及计算机实时分析模块，拉力传感器
设置在海洋平台模型和锚泊线模型上端之间，拉力传感器连接到应变放大器，应变放大器
连接到数据自动采集卡及计算机实时分析模块。该技术的缺陷是系泊缆顶端固定，不能通
过控制系统实施随时收放，并且没有考虑在环境载荷较大的情况下的定位方式。 又如中国发明专利申请号200910045544. 9，名称半潜式平台动力定位模型试
验推进装置，该技术的第一轴承、第二轴承设置在内轴上，第一直齿轮设置在步进电机上，
第一直齿轮与第二直齿轮啮合，第二直齿轮设置在外轴上端，外轴上设有吊舱和导管，外轴
通过第一推力轴承和第二推力轴承连接在外轴套中，第三轴承设置在靠近螺旋桨端的吊舱
的一端。该装置能够全方位回转，实现360。全方位推进，适合在环境载荷较大的情况下使用。 综上所述，现阶段急需一种装置当环境载荷较小时，锚泊机构可以根据自身的适 当调节以满足船舶(或海洋平台)的定位精度要求；当环境载荷较大时，锚泊线不能够满足定位精度需求或者在锚泊线张力达到极限值之前，能够适时启动动力定位装置，实现二者 的联合定位。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种海洋平台锚泊辅助动力定位模 型测试装置，本发明对现有技术进行了改进，将系泊缆模型、滑块、驱动器、丝杆、伺服电机 和水密装置用锚泊机构代替；通过锚泊机构和推力器的联合，利用运动控制模块发出实时 指令来满足定位精度要求。 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括海洋平台模型、推力器、锚泊机 构、非接触式光学测量器、应变片、应变放大器、数据采集分析模块、计算机和运动控制模 块，其中运动控制模块分别与锚泊机构和推力器相连并输出运动控制信号，运动控制模块 和计算机相连，锚泊机构固定于海洋平台模型上，推力器设置于海洋平台模型内，应变片和 应变放大器相连，应变片和锚泊机构相连，应变放大器和数据采集分析模块相连，数据采集 分析模块分别与计算机和非接触式光学测量器相连，非接触式光学测量器设置于海洋平台 模型上。 所述的锚泊机构包括锚泊线、锚泊电机、飞轮、齿轮和绞车，其中锚泊电机和飞 轮相连，飞轮和齿轮相连，齿轮和绞车相连，锚泊线缠绕设于绞车上，锚泊线和应变片相连， 锚泊电机和绞车固定设于海洋平台模型上，运动控制模块和锚泊电机相连并输出运动控制 信号。 所述的推力器包括伺服电机、第一锥齿轮、第二锥齿轮、内轴、第三锥齿轮、第四 锥齿轮、螺旋桨、吊舱、步进电机、第一直齿轮、第二直齿轮、外轴和螺旋桨轴，其中运动控 制模块分别与步进电机和伺服电机相连并输出运动控制信号，伺服电机和第一锥齿轮相 连，第一直齿轮和第二锥齿轮相连，第二锥齿轮和内轴相连，内轴和第三锥齿轮相连，第三 锥齿轮和第四锥齿轮相连，第四锥齿轮和螺旋桨轴相连，螺旋桨轴和螺旋桨相连，螺旋桨设 置于海洋平台模型的底部，步进电机和第一直齿轮相连，第一直齿轮和第二直齿轮相连，第 二直齿轮和外轴相连，外轴和吊舱相连，内轴和外轴相连。 本发明工作时，首先根据实际海洋平台和水池的尺度确定合适的海洋平台模型，
并根据海洋平台模型制作锚泊线，通过计算机和运动控制模块完成对锚泊线的布置。然后
模拟实际工作的环境载荷，在一定的风浪流等外载荷条件下，通过非接触式光学测量器测
量海洋平台模型在水平面内的位置信号，将测量得的位置信号传递给数据采集分析模块，
同时改用现有技术的拉力传感器为应变片，通过应变放大器，测量锚泊线的应变，将锚泊线
的受力情况反馈给数据采集分析模块，数据采集分析模块将得到的数据传递给计算机。计
算机通过程序计算后，选择适当的定位方式，运动控制模块发出指令控制锚泊电机和推力
器进行收放锚泊线或启动推力器定位方式来满足海洋平台模型的定位精度需求。
本发明相比现有技术具有以下优点本发明能够使得平台系统在较小的环境载荷
下仅通过锚泊定位系统实现精确定位，节省功率消耗。当环境载荷增大时，启用推力器进行
定位从而实现精确定位。
图1是本发明的结构示意图；
图2是锚泊机构的结构示意图；
图3是推力器的结构示意图；
图4是本发明的控制原理图。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。 如图1所示，本实施例包括海洋平台模型1、推力器2、锚泊机构3、非接触式光学 测量器4、应变片5、应变放大器6、数据采集分析模块7、计算机8、运动控制模块9和拖车 10，其中运动控制模块9分别与计算机8、推力器2和锚泊机构3相连，锚泊机构3固定于 海洋平台模型1上，推力器2设置于海洋平台模型1内，应变片5和应变放大器6相连，应 变片5和锚泊机构3相连，应变放大器6和数据采集分析模块7相连，数据采集分析模块7 分别与计算机8和非接触式光学测量器4相连，非接触式光学测量器4设置于海洋平台模 型1上，拖车10用于放置数据采集分析模块7。 如图2所示，锚泊机构3包括锚泊线11、锚泊电机12、飞轮13、齿轮14和绞车15， 其中锚泊电机12和飞轮13相连，飞轮13和齿轮14相连，齿轮14和绞车15相连，锚泊线 11缠绕在绞车15上，锚泊线11和应变片5相连，运动控制模块9和锚泊电机12相连，锚泊 电机12和绞车15固定设于海洋平台模型1上。 如图3所示，推力器2包括伺服电机16、第一锥齿轮17、第二锥齿轮18、内轴19、 第三锥齿轮20、第四锥齿轮21、螺旋桨22、吊舱23、步进电机24、第一直齿轮25、第二直齿 轮26、外轴27、外轴套28、第二轴承29、第一轴承30、第一推力轴承31、第二推力轴承32和 螺旋桨轴33，其中运动控制模块9分别与步进电机24和伺服电机16相连并输出运动控 制信号，伺服电机16和第一锥齿轮17相连，第一直齿轮17和第二锥齿轮18相连，第二锥 齿轮18和内轴19相连，内轴19和第三锥齿轮20相连，第三锥齿轮20和第四锥齿轮21相 连，第四锥齿轮21和螺旋桨轴33相连，螺旋桨轴33和螺旋桨22相连，步进电机24和第一 直齿轮25相连，第一直齿轮25和第二直齿轮26相连，第二直齿轮26和外轴27相连，外轴 27和吊舱23相连，内轴19和外轴27通过第一轴承30和第二轴承29相连接，外轴27与外 轴套28通过第一推力轴承31和第二推力轴承32相连。 所述的海洋平台模型1是根据縮尺比和实际工作的海洋平台制作的。
所述的非接触式光学测量器4测量海洋平台模型1的位置信号，并将信号传递给 数据采集分析模块7，同时应变片5测量锚泊线11的应变，并由计算机分析系统计算出导缆 孔处锚链的张力，通过应变放大器6将信号进行放大，锚泊线11的受力情况被反馈给数据 采集分析模块7，数据采集分析模块7将得到的数据传递给计算机8。 所述的计算机8接收海洋平台模型1随时间变化的运动信息，并将信息传送至运 动控制模块9。
所述的运动控制模块9包括运动控制卡和信号驱动器，其中运动控制卡接收计算机8传送的控制信息，并将此信号传送至信号驱动器，信号驱动器驱动锚泊电机12、步进 电机24和伺服电机16以实现运动信号的传输。 本实施例中，锚泊线11共有八根，对称的布置于实验水池中，每两根锚泊线11通 过一个导缆孔固定于海洋平台模型1的外侧，并分别与海洋平台模型1成45度夹角。推力 器2共有八个，设置在海洋平台模型1之中，其中推力器2的螺旋桨22设置于海洋平台模型 1的下浮体的底部，其他部分设于海洋平台模型1的内部，螺旋桨轴33中心的位置坐标分 别为(单位为m) : (-O. 864， 0. 7) ， (-O. 864， -0. 7) ， (0. 864， -0. 7) ， (0. 864， 0. 7) ， (-O. 352， 0. 5) ， (0. 352， 0. 5) ， (-0. 352， -0. 5) ， (0. 352， -0. 5)，海洋平台模型1的主甲板长度和宽度 均为1. 56m，海洋平台模型1的下浮体的宽度为0. 36m。 本实施例使用前，需要对锚泊线11进行等效水深的截断。启动海洋平台模型1定 位控制程序，程序就会根据实时反馈的海洋平台模型1位置参数及锚泊线11的张力来自动 选取定位方式。 如图4所示，本实施例使用时，首先根据实际海洋平台和水池的尺度确定合适的 海洋平台模型1，并根据海洋平台模型1制作锚泊线11，通过计算机8和运动控制模块9完 成锚泊线11的布置。然后模拟实际工作的环境载荷，在一定的风浪流等外载荷条件下，通 过非接触式光学测量器4测量海洋平台模型1在水平面内的位置信号，将测量得的位置信 号传递给数据采集分析模块7，同时应变片5通过应变放大器6将锚泊线11的受力情况反 馈给数据采集分析模块7，数据采集分析模块7将得到的数据传递给计算机8。计算机8通 过程序计算后，选择适当的定位方式，运动控制模块9发出指令控制锚泊电机12和推力器 2进行收放锚泊线11或启动动力定位方式来满足海洋平台模型1的定位精度需求。
权利要求
一种海洋平台锚泊辅助动力定位模型测试装置，包括海洋平台模型、非接触式光学测量器、应变片、应变放大器、数据采集分析模块、计算机、运动控制模块和推力器，其特征在于，还包括锚泊机构，运动控制模块和计算机相连，应变片和应变放大器相连，应变放大器和数据采集分析模块相连，数据采集分析模块分别与计算机和非接触式光学测量器相连，非接触式光学测量器设置于海洋平台模型上，运动控制模块分别与锚泊机构和推力器相连并输出运动控制信号，锚泊机构固定于海洋平台模型上，推力器设置于海洋平台模型内，应变片和锚泊机构相连；所述的锚泊机构包括锚泊线、锚泊电机、飞轮、齿轮和绞车，其中锚泊电机和飞轮相连，飞轮和齿轮相连，齿轮和绞车相连，锚泊线缠绕设于绞车上，锚泊线和应变片相连，锚泊电机和绞车固定设于海洋平台模型上，运动控制模块和锚泊电机相连并输出运动控制信号。
2. 根据权利要求1所述的海洋平台锚泊辅助动力定位模型测试装置，其特征是，所述 的运动控制模块包括运动控制卡和信号驱动器，其中运动控制卡接收计算机传送的控 制信息，并将此信号传送至信号驱动器，信号驱动器驱动锚泊电机和推力器以实现运动信 号的传输。
3. 根据权利要求1或者2所述的海洋平台锚泊辅助动力定位模型测试装置，其特征是， 所述的推力器包括伺服电机、第一锥齿轮、第二锥齿轮、内轴、第三锥齿轮、第四锥齿轮、螺 旋桨、吊舱、步进电机、第一直齿轮、第二直齿轮、外轴和螺旋桨轴，其中运动控制模块分别 与步进电机和伺服电机相连并输出运动控制信号，伺服电机和第一锥齿轮相连，第一直齿 轮和第二锥齿轮相连，第二锥齿轮和内轴相连，内轴和第三锥齿轮相连，第三锥齿轮和第四 锥齿轮相连，第四锥齿轮和螺旋桨轴相连，螺旋桨轴和螺旋桨相连，螺旋桨设置于海洋平台 模型的底部，步进电机和第一直齿轮相连，第一直齿轮和第二直齿轮相连，第二直齿轮和外 轴相连，外轴和吊舱相连，内轴和外轴相连。
全文摘要
一种海洋工程技术领域的海洋平台锚泊辅助动力定位模型测试装置，其中运动控制模块分别与锚泊机构和推力器相连并输出运动控制信号，运动控制模块和计算机相连，锚泊机构固定于海洋平台模型上，推力器设置于海洋平台模型内，应变片和应变放大器相连，应变片和锚泊机构相连，应变放大器和数据采集分析模块相连，数据采集分析模块分别与计算机和非接触式光学测量器相连，非接触式光学测量器设置于海洋平台模型上。本发明能够使得平台系统在较小的环境载荷下仅通过锚泊定位系统实现精确定位，节省功率消耗。当环境载荷增大时，启用推力器进行定位从而实现精确定位。
文档编号G01M10/00GK101782455SQ20101012262
公开日2010年7月21日 申请日期2010年3月12日 优先权日2010年3月12日
发明者孙攀, 张申, 李勇跃, 杨世知, 王磊 申请人:上海交通大学