一种耙吸挖泥船动力定位与动态跟踪系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种耙吸挖泥船动力定位与动态跟踪系统，包括由控制台、可编程逻辑控制器、风向风速测量系统、航向测量单元、位置测量系统、疏浚轨迹显示系统、左可调螺距螺旋桨、右可调螺距螺旋桨、运动单元、测深仪、计程仪和艏侧向推进器，所述运动单元、风向风速测量系统、航向测量单元、计程仪、位置测量系统、测深仪均与控制台相连；本实用新型精确控制耙吸挖泥船疏浚作业，实现船舶动力定位与动态跟踪，具有自动航迹向挖泥、循迹挖泥、定点挖泥、循迹抛泥、彩虹艏喷等功能。本实用新型可提高耙吸挖泥船疏浚作业的效率和精度，取得良好的疏浚效益，并能应用于其他类似特种工程船舶上。
【专利说明】一种耙吸挖泥船动力定位与动态跟踪系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种耙吸挖泥船动力定位与动态跟踪系统。
【背景技术】
[0002]随着经济全球化的迅猛发展使得港口的航道建设、填海造地、江河湖泊整治等工程的规模越来越大，对工期要求也越来越高，如何提高挖泥船的疏浚效率就显得尤为迫切。耙吸挖泥船动力定位与动态跟踪，可以实现耙吸挖泥船或耙头的位置和轨迹的控制，能提高疏浚作业的效率和精度。而迄今为止，国内还没有系统能实现上述要求。随着疏浚事业的发展，对疏浚精度和效率的要求越来越高，为了填补国内耙吸挖泥船动力定位这一项空白，成了有关科研人员需功克的难题。
【发明内容】
[0003]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种可提高耙吸挖泥船疏浚作业的效率和精度，取得良好的疏浚效益，并能应用于其他类似特种工程船舶上的耙吸挖泥船动力定位与动态跟踪系统。
[0004]本实用新型是通过以下技术方案来实现的:一种耙吸挖泥船动力定位与动态跟踪系统，包括控制台、可编程逻辑控制器、风向风速测量系统、航向测量单元、位置测量系统、疏浚轨迹显示系统、左可调螺距螺旋桨、右可调螺距螺旋桨、运动单元、测深仪、计程仪和艏侧向推进器，所述运动单元、风向风速测量系统、航向测量单元、计程仪、位置测量系统、测深仪均与控制台相连，疏浚轨迹显示系统与控制台相连，控制台输出端与可编程逻辑控制器相连，可编程逻辑控制器输出端与左可调螺距螺旋桨、右可调螺距螺旋桨、艏侧向推进器相连。
[0005]作为优选的技术方案，所述控制台包括控制计算机、模式转换开关、控制按钮、指示灯、操纵手柄、操作键盘、打印机和不间断电源。
[0006]作为优选的技术方案，所述可编程逻辑控制器为西门子S7-400可编程控制器，用于控制系统的执行器、控制按钮、指示灯、操纵手柄、推进器及舵机。
[0007]作为优选的技术方案，所述航向测量单元为电罗经，具体可选用安修斯STD-22，用于测量船舶艏向，艏向精度为±0.1°。
[0008]作为优选的技术方案，所述位置测量系统为差分全球卫星定位系统。
[0009]本实用新型的有益效果是:本实用新型精确控制耙吸挖泥船疏浚作业，实现船舶动力定位与动态跟踪，具有自动航迹向挖泥、循迹挖泥、定点挖泥、循迹抛泥、彩虹艏喷等功能。本实用新型可提高耙吸挖泥船疏浚作业的效率和精度，取得良好的疏浚效益，并能应用于其他类似特种工程船舶上。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]为了易于说明，本实用新型由下述的具体实施例及附图作以详细描述。
[0011]图1是本实用新型系统组成结构图。
【具体实施方式】
[0012]如图1所示，一种耙吸挖泥船动力定位与动态跟踪系统，包括控制台1、可编程逻辑控制器2、风向风速测量系统3、航向测量单元4、位置测量系统5、疏浚轨迹显示系统6、左可调螺距螺旋桨7、右可调螺距螺旋桨8、运动单元9、测深仪10、计程仪11和艏侧向推进器12，所述运动单元9、风向风速测量系统3、航向测量单元4、计程仪11、位置测量系统5、测深仪10均与控制台I相连，疏浚轨迹显示系统6与控制台I相连，控制台I输出端与可编程逻辑控制器2相连，可编程逻辑控制器2输出端与左可调螺距螺旋桨7、右可调螺距螺旋桨8、艏侧向推进器12相连。
[0013]控制台包括控制计算机、模式转换开关、控制按钮、指示灯、操纵手柄、操作键盘、打印机和不间断电源。控制计算机选用研华IPC610高性能工控机，作为DP/DT主控制器，主控制器内含有信号采集、信号滤波、控制器、推力分配等控制软件和人机界面软件。
[0014]可编程逻辑控制器为西门子S7-400可编程控制器，用于控制系统的执行器、控制按钮、指示灯、操纵手柄、推进器及舵机。
[0015]船舶姿态运动测量单元选用Kongsberg Seatex MRU-Z,测量船舶的摇摆、颠簸和涌浪。
[0016]风向风速测量系统选用GILL WindObserver II超声风速风向仪，测量风速和风向，风速精度2% i 12111/8，风速分辨率0.01 m/s，风向精度±2°，风向分辨率1°。
[0017]航向测量单元为电罗经，电罗经即陀螺罗经，具体可选用安修斯STD-22，用于测量船舶艏向，艏向精度为±0.1°。
[0018]位置测量系统采用差分全球卫星定位系统(DGPS)，测量船舶位置，选用TrimbleSPS461型RTK模式，具有I厘米的定位精度。
[0019]疏浚轨迹显示系统为挖泥船提供疏浚轨迹和疏浚剖面监控，同时还向动力定位与动态跟踪系统提供预置的挖泥轨迹线。
[0020]该耙吸挖泥船动力定位与动态跟踪系统已在“通程号”耙吸挖泥船上实施，具有自动航迹向挖泥、循迹挖泥、定点挖泥、循迹抛泥、彩虹艏喷作业模式。
[0021]系统通过位置和航向测量系统不断检测耙吸挖泥船和耙头的实际位置与目标位置、实际运动方向和目标方向的偏差，根据风、浪、流等外界扰动力的影响计算出恢复到目标位置所需推力的大小，对挖泥船上各推力器进行推力分配，产生相应的螺距和舵角指令信号，使挖泥船保持所要求的位置和艏向。
[0022]选择“自动航迹向挖泥”功能模式后，设置挖泥轨迹向，动力定位与动态跟踪系统根据位置测量系统信号与目标位置的偏差及风、浪、流等外界扰动力的影响计算出恢复到目标位置所需推力的大小，对挖泥船上各推力器进行推力分配，产生相应的控制指令信号，自动控制船舶按照设计挖泥轨迹向进行挖泥作业。由于在挖泥过程中，耙臂阻力是一个快速变化的大阻力，动力定位与动态跟踪系统自动补偿耙臂阻力，使挖泥船按照设计航速进行挖泥。耙吸挖泥船航行至挖泥终点时提升耙管，挖泥结束。本模式适用于风、流较大导致船艏向与航向偏差较大时。
[0023]选择“循迹挖泥”功能模式后，在疏浚轨迹显示系统中设置好将要疏浚的轨迹线，转化为工程坐标后通过以太网传送到动力定位与动态跟踪系统。当耙吸挖泥船航行至设计的疏浚轨迹线起始点附近时，在动力定位与动态跟踪系统的“循迹挖泥”操作页上选择跟踪点(跟踪点是左祀头或右祀头或船上任何一点)后放祀，然后选择开始指令。动力定位与动态跟踪系统根据位置测量系统信号与目标位置的偏差及风、浪、流等外界扰动力的影响计算出恢复到目标位置所需推力的大小，对挖泥船上各推力器进行推力分配，产生相应的控制指令信号，控制船舶航行在设计疏浚轨迹上进行挖泥作业。由于在挖泥过程中，耙臂阻力是一个快速变化的大阻力，动力定位与动态跟踪系统自动补偿耙臂阻力，使挖泥船按照设计航速进行挖泥。耙吸挖泥船航行至设计疏浚轨迹的终点时提升耙管，挖泥结束。
[0024]选择“定点挖泥”功能模式后，在疏浚轨迹显示系统中设置好将要疏浚的轨迹线，转化为工程坐标后通过以太网传送到动力定位与动态跟踪系统。当耙吸挖泥船航行至设计的疏浚轨迹线起始点附近时，在动力定位与动态跟踪系统的“定点挖泥”操作页上选择跟踪点(跟踪点是左耙头或右耙头或船上任何一点)和往复挖泥的次数，然后选择开始指令。动力定位与动态跟踪系统根据位置测量系统信号与目标位置的偏差及风、浪、流等外界扰动力的影响计算出恢复到目标位置所需推力的大小，对挖泥船上各推力器进行推力分配，产生相应的控制指令信号。船在开始上线挖泥时，系统向疏浚控制系统发出下放耙头到设计深度，开始沿着设计航线挖泥。当到达设计航线终点时，系统向疏浚控制系统发出起升耙头到一定位置，疏浚控制系统执行后发出可允许倒车命令给动力定位与动态跟踪系统，动力定位与动态跟踪系统控制船舶按照设计航行倒退回挖泥起点，重复下一个挖泥周期。本模式适用于耙吸挖泥船扫浅点施工或在狭小地段施工作业。
[0025]选择“循迹抛泥”功能模式后，在疏浚轨迹显示系统中设置好抛泥轨迹线，转化为工程坐标后通过以太网传送到动力定位与动态跟踪系统。当耙吸挖泥船航行至设计的轨迹线起始点附近时，在动力定位与动态跟踪系统的“循迹抛泥”操作页上选择跟踪点(跟踪点是船上任何一点)开始抛泥。动力定位与动态跟踪系统根据位置测量系统信号与目标位置的偏差及风、浪、流等外界扰动力的影响计算出恢复到目标位置所需推力的大小，对挖泥船上各推力器进行推力分配，产生相应的控制指令信号，控制船舶航行在设计抛泥轨迹上进行抛泥作业。耙吸挖泥船航行至抛泥轨迹的终点时关闭泥门，抛泥结束。
[0026]选择“彩虹艏喷”功能模式后，可有三种工作模式:模式1、模式2、模式3。
[0027]选择“彩虹艏喷”模式I时，完成定点定向艏喷作业。在“彩虹艏喷”模式I操作页上设置位置和艏向，点击开始按钮，动力定位与动态跟踪系统根据位置测量系统信号与目标位置的偏差及风、浪、流和艏喷时产生喷射力等外界扰动力的影响计算出恢复到目标位置所需推力的大小，对挖泥船上各推力器进行推力分配，产生相应的控制指令信号，控制船舶保持船位和艏向不变，完成定点定向艏喷作业。
[0028]选择“彩虹艏喷”模式2时，完成弧线艏喷作业。在“彩虹艏喷”模式2操作页上设置位置、船旋转中心(船艏、船中心、船艉)、艏向变化范围和艏向步进速度，点击开始按钮，动力定位与动态跟踪系统根据位置测量系统信号与目标位置的偏差及风、浪、流和艏喷时产生喷射力等外界扰动力的影响计算出恢复到目标位置所需推力的大小，对挖泥船上各推力器进行推力分配，产生相应的控制指令信号，控制船舶保持船位和旋转运动，完成弧线艏喷作业。
[0029]选择“彩虹艏喷”模式3时，完成扇面艏喷作业。在“彩虹艏喷”模式3操作页上设置起始位置、终点位置、船旋转中心(船艏、船中心、船艉)、船艏向变化范围和旋转速度，点击开始按钮，动力定位与动态跟踪系统根据位置测量系统信号与目标位置的偏差及风、浪、流和艏喷时产生喷射力等外界扰动力的影响计算出恢复到目标位置所需推力的大小，对挖泥船上各推力器进行推力分配，产生相应的控制指令信号，使挖泥船按照设定位置和艏向进行移动，完成扇面艏喷作业。
[0030]本实用新型的有益效果是:本实用新型精确控制耙吸挖泥船疏浚作业，实现船舶动力定位与动态跟踪，具有自动航迹向挖泥、循迹挖泥、定点挖泥、循迹抛泥、彩虹艏喷等功能。本实用新型可提高耙吸挖泥船疏浚作业的效率和精度，取得良好的疏浚效益，并能应用于其他类似特种工程船舶上。
[0031]以上所述，仅为本实用新型的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种耙吸挖泥船动力定位与动态跟踪系统，其特征在于:包括控制台、可编程逻辑控制器、风向风速测量系统、航向测量单元、位置测量系统、疏浚轨迹显示系统、左可调螺距螺旋桨、右可调螺距螺旋桨、运动单元、测深仪、计程仪和艏侧向推进器，所述运动单元、风向风速测量系统、航向测量单元、计程仪、位置测量系统、测深仪均与控制台相连，疏浚轨迹显示系统与控制台相连，控制台输出端与可编程逻辑控制器相连，可编程逻辑控制器输出端与左可调螺距螺旋桨、右可调螺距螺旋桨、艏侧向推进器相连。
2.根据权利要求1所述的耙吸挖泥船动力定位与动态跟踪系统，其特征在于:所述控制台包括控制计算机、模式转换开关、控制按钮、指示灯、操纵手柄、操作键盘、打印机和不间断电源。
3.根据权利要求1所述的耙吸挖泥船动力定位与动态跟踪系统，其特征在于:所述可编程逻辑控制器为西门子S7-400可编程控制器，用于控制系统的执行器、控制按钮、指示灯、操纵手柄、推进器及舵机。
4.根据权利要求1所述的耙吸挖泥船动力定位与动态跟踪系统，其特征在于:所述航向测量单元为电罗经。
5.根据权利要求1所述的耙吸挖泥船动力定位与动态跟踪系统，其特征在于:所述位置测量系统为差分全球卫星定位系统。
【文档编号】G05D1/02GK203965939SQ201320722541
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年11月17日 优先权日:2013年11月17日
【发明者】李超超, 刘斌, 曹恒方, 程继 申请人:中交天航南方交通建设有限公司