管节水下姿态的测控系统及测控方法
【专利摘要】本发明涉及一种管节水下姿态的测控系统及测控方法，尤其涉及一种通过GPS接收机、声纳装置以及中央处理器对管节沉放和对接姿态进行指导和调整的测控系统以及测控方法。本发明采用声纳装置的设计；该声纳装置可用于在沉放过程中对待安管节进行实时定位；以及在对接过程中对待安管节与已安管节相对位置关系进行实时定位；可以有效解决管节在水深处的沉放和对接测控问题，从而实现管节在深水环境下的实时姿态调整；节省施工成本，提高了工作效率。
【专利说明】管节水下姿态的测控系统及测控方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种管节水下姿态的测控系统及测控方法，尤其涉及一种通过GPS接收机、声纳装置以及中央处理器对管节沉放和对接姿态进行指导和调整的测控系统以及测控方法。
【背景技术】
[0002]目前，供车辆行走的水下隧道是由多根沉管连接而成，沉管的体积和重量相当大，一般其长度有大约100-200米，沉管铺设到预先铺设好的基床上。在安装大规格沉管时大多采用安装船通过吊索缆垂吊沉管的方法；但是，该种方法对沉管沉降及对接精度要求很高，相应的控制难度很大，而且对管节水下姿态的测控是保证沉管顺利沉放和对接的重要保证。在水深较浅的区域施工时可采用测量塔法测控沉管的水下姿态，但测量塔的高度有限，在水深较深的区域施工时测量塔可能完全浸没在水下，这样测量塔顶部安装的GPS接收机将失去作用，因此，就要采用深水测控系统来进行沉管水下姿态的测控；可是目前还没有此种可进行深水测控的系统相应的更没有采用该系统进行测控的方法。
[0003]因此，针对上述问题急需提供一种新的管节水下姿态的测控系统及测控方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种管节水下姿态的测控系统及测控方法，该测控系统及测控方法通过GPS接收机、声纳装置以及中央处理器实现对管节沉放和对接姿态进行指导和调整的目的。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:一种管节水下姿态的测控系统，该系统包括GPS接收机、声纳装置以及中央处理器；所述中央处理器分别与所述声纳装置和GPS接收机连接。
[0006]所述声纳装置包括设置在安装船上的送受波器和多个设置在管节顶面的应答器；所述送受波器通过信号与所述应答器连接。
[0007]所述应答器与预标定在管节顶面上的特征点位对应设置。
[0008]所述管节顶面至少设置三个应答器分别与预标定在管节对接端顶面上的特征点位对应设置。
[0009]所述管节顶面至少设置两个应答器分别与预标定在管节尾端顶面上的特征点位对应设置。
[0010]一种应用上述其中之一所述测控系统实现的测控方法，该测控方法包括以下步骤:
[0011]S1、中央处理器在管节沉放过程中对管节进行绝对定位并建立绝对坐标系的步骤；
[0012]S2、中央处理器根据管节绝对坐标系调整管节沉放姿态的步骤；
[0013]S3、中央处理器在管节对接过程中对管节进行相对定位并建立相对坐标系的步骤；
[0014]S4、中央处理器根据管节相对坐标系调整管节对接姿态的步骤。
[0015]所述步骤SI中还包括如下步骤:
[0016]S11、通过声纳装置检测待安管节各特征点位声纳信号的步骤；
[0017]S12、声纳装置将声纳信号上传给中央处理器的步骤；
[0018]S13、中央处理器将声纳信号编辑成特征点位坐标数据的步骤；
[0019]S14、通过GPS接收机接收安装船卫星定位信号的步骤；
[0020]S15、GPS接收机将安装船卫星定位信号上传给中央处理器的步骤；
[0021]S16、中央处理器将安装船卫星定位信号编辑成安装船坐标数据的步骤；
[0022]S17、中央处理器将待安管节各特征点位坐标数据和安装船坐标数据进行汇总计算并建立待安管节绝对坐标系的步骤。
[0023]所述步骤S3中还包括如下步骤:
[0024]S31、通过声纳装置检测待安管节和已安管节各特征点位声纳信号的步骤；
[0025]S32、声纳装置将声纳信号上传给中央处理器的步骤；
[0026]S33、中央处理器将声纳信号编辑成特征点位坐标数据的步骤；
[0027]S34、通过GPS接收机接收安装船卫星定位信号的步骤；
[0028]S35、GPS接收机将安装船卫星定位信号上传给中央处理器的步骤；
[0029]S36、中央处理器将安装船卫星定位信号编辑成安装船坐标数据的步骤；
[0030]S37、中央处理器将各特征点位坐标数据和安装船坐标数据进行汇总计算并建立已安管节与待安管节的相对坐标系的步骤。
[0031]所述步骤S2中还包括如下步骤:
[0032]S21、中央处理器根据绝对坐标系模拟出三维空间形态图的步骤；
[0033]S22、通过图像显示器显示三维空间形态图的步骤；
[0034]S23、操作人员根据三维空间形态图向中央处理器输入待安管节的姿态调整指令的步骤；
[0035]S24、中央处理器根据待安管节的姿态调整指令对待安管节的沉放姿态进行调整的步骤。
[0036]所述步骤S4中还包括如下步骤:
[0037]S41、中央处理器根据相对坐标系模拟出三维空间形态图的步骤；
[0038]S42、通过图像显示器显示三维空间形态图的步骤；
[0039]S43、操作人员根据三维空间形态图向中央处理器输入待安管节的姿态调整指令的步骤；
[0040]S44、中央处理器根据待安管节的姿态调整指令对待安管节的对接姿态进行调整的步骤。
[0041]本发明与现有技术相比具有以下的优点:
[0042]1、本发明采用声纳装置的设计；该声纳装置可用于在沉放过程中对待安管节进行实时定位；以及在对接过程中对待安管节与已安管节相对位置关系进行实时定位；可以有效解决管节在水深处的沉放和对接测控问题，从而实现管节在深水环境下的实时姿态调整；节省各施工成本，提高了工作效率。[0043]2、本发明采用GPS接收机的设计；该GPS接收机通过接收GPS卫星信号网络实时传输的安装船坐标数据，并以此坐标数据实时监测安装船运行轨迹；为中央处理器建立统一的绝对坐标系和相对坐标系提供了保障；使管节沉放和对接作业更加简单、快捷，节省了人工，提高了效率。
[0044]3、本发明采用中央处理器的设计；该中央处理器通过计算将安装船坐标系、管节相对坐标系和管节绝对坐标系汇集后建立在统一的坐标系下，并实时模拟出安装船、待安管节及已安管节的三维空间形态图；以便工作人员参考和进行姿态调整指令的编写；使得管节姿态调整更加直观、简便，缩短了施工进程，提高了效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0045]以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0046]图1是本发明测控系统的结构示意图；
[0047]图2是本发明测控系统中各装置的连接框图；
[0048]图3是本发明测控方法的步骤框图。
【具体实施方式】
[0049]参见图1、图2所示，本发明的管节水下姿态的测控系统，该系统包括用于对安装船定位的GPS接收机1、用于对管节定位的声纳装置以及用于数据处理的中央处理器；所述中央处理器分别与所述声纳装置和GPS接收机连接。本实施例中所述声纳装置用于在沉放过程中对待安管节2进行定位；以及在对接过程中对待安管节与已安管节3相对位置关系进行定位；可以有效解决管节在水深处的沉放和对接测控问题，从而实现管节在深水环境下的实时姿态调整；节省各施工成本，提高了工作效率。
[0050]本发明采用GPS接收机的设计；GPS接收机通过接收GPS卫星信号网络实时传输的安装船坐标数据，并以此坐标数据实时监测安装船运行轨迹；为中央处理器建立统一的绝对坐标系和相对坐标系提供了保障；使管节沉放和对接作业更加简单、快捷，节省了人工，提高了效率。
[0051]本实施例中所述声纳装置包括设置在安装船上的送受波器4和多个设置在管节顶面的应答器5 ;所述送受波器通过声纳信号与所述应答器连接。本实施例中所述多个应答器分别设置在待安管节对接端6和已安管节尾端7。
[0052]本实施例中所述应答器与预标定在管节顶面上的特征点位对应设置。本实施例中所述待安管节顶面至少设置三个应答器分别与预标定在待安管节对接端顶面上的特征点位对应设置；本实施例中所述已安管节顶面至少设置两个应答器分别与预标定在已安管节尾端顶面上的特征点位对应设置。本实施例中所述的管节特征点位是指能够从整体上反映管节的空间形态的坐标采集位置；本实施例中所述待安管节特征点位主要设置在待安管节对接端顶面两端角上以及待安管节对接端顶面上与GPS接收机位置对应处；所述已安管节特征点位主要设置在已安管节对接端顶面两端角上。
[0053]本实施例中所述中央处理器可根据各管节特征点的坐标数据建立符合WGS84坐标系标准(World Geodetic Systeml984，是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统)的管节坐标系，并以此管节坐标系模拟出管节三维空间形态图；中央处理器根据该管节三维空间形态图对管节在沉放或对接施工中的姿态进行调整和指导。本发明采用中央处理器的设计；该中央处理器通过计算将安装船坐标系、管节相对坐标系和管节绝对坐标系汇集后建立在统一的坐标系下，并实时模拟出安装船、待安管节及已安管节的三维空间形态图；以便工作人员参考和进行姿态调整指令的编写；使得管节姿态调整更加直观、简便，缩短了施工进程，提高了效率。
[0054]本实施例中所述送受波器与所述安装船上的GPS接收机位置对应设置；所述送受波器设置在GPS接收机底部，以实现安装船坐标系与管节坐标系的统一，减小测量误差。
[0055]本实施例中所述测控系统至少包括两个送受波器，且分别与安装船上的两个GPS接收机对应设置。
[0056]本实施例中所述应答器设有用于测量各特征点位水位深度的深度计8 ;深度计测量实时测量出各特征点位的深度值，通过应答器将数值回传送受波器。
[0057]本实施例中所述中央处理器包括数据接收装置和姿态数据处理装置；所述数据接收装置包括与GPS接收机连接的GPS数据接收端和与送受波器连接的测控数据接收端。所述姿态数据处理装置分别与GPS数据接收端和测控数据接收端连接；所述姿态数据处理装置上还连接有图像显示器。所述中央处理器还包括与姿态数据处理装置连接的数据存储器；该数据存储器用于随时存储和调用各特征点坐标数据、绝对坐标系、相对坐标系、管节三维空间形态图以及安装船坐标数据的数据存储器。本实施例中所述GPS接收机通过线缆与所述GPS数据接收端连接，从而实现各管节特征点坐标数据的实时传输；并以此将建立起的实时管节坐标系与全球卫星定位系统动态连接。所述中央处理器还包括与姿态数据处理装置连接的姿态调整控制端；该姿态调整控制端可用于发送待安管节的姿态调整指令，以控制姿态调整装置进行管节在沉放和对接过程中的姿态调整作业。
[0058]参见图3所示，本发明的管节水下姿态的测控方法，该测控方法包括以下步骤:
[0059]1、预先舾装测控系统，其中声纳装置的应答器分别与待安管节对接端、已安管节尾端预先标定的特征点位对应安装。
[0060]2、中央处理器在管节沉放过程中对管节进行绝对定位并建立管节绝对坐标系；其中还包括以下步骤:
[0061]通过声纳装置检测待安管节各特征点位坐标数据:送受波器发送声纳信号给待安管节对接端的应答器；应答器将采集到的特征点位坐标数据以声纳信号形式发回送受波器。
[0062]声纳装置将接收到的声纳信号上传给中央处理器:送受波器将接收到的声纳信号上传至测控数据接收端；测控数据接收端将该声纳信号编辑成特征点位坐标数据；并将该特征点位坐标数据上传至姿态数据处理装置；姿态数据处理装置将特征点位坐标数据存储至数据存储器内。
[0063]通过GPS接收机接收安装船卫星定位信号:GPS接收机接收安装船所在位置的卫
星定位信号。
[0064]GPS接收机将安装船卫星定位信号上传给中央处理器:GPS接收机将卫星定位信号上传至GPS数据接收端；GPS数据接收端将卫星定位信号编辑成安装船坐标数据，并将该安装船坐标数据上传至姿态数据处理装置；姿态数据处理装置将安装船坐标数据存储至数据存储器内。[0065]中央处理器的姿态数据处理装置将待安管节各特征点位坐标数据和安装船坐标数据从数据存储器内调出并进行汇总计算；根据计算结果建立待安管节的绝对坐标系。
[0066]上述2中还可按以下步骤完成:
[0067]通过GPS接收机接收安装船卫星定位信号:GPS接收机接收安装船所在位置的卫
星定位信号。
[0068]GPS接收机将安装船卫星定位信号上传给中央处理器:GPS接收机将卫星定位信号上传至GPS数据接收端；GPS数据接收端将卫星定位信号编辑成安装船坐标数据，并将该安装船坐标数据上传至姿态数据处理装置；姿态数据处理装置将安装船坐标数据存储至数据存储器内。
[0069]通过声纳装置检测待安管节各特征点位坐标数据:送受波器发送声纳信号给待安管节对接端的应答器；应答器将采集到的特征点位坐标数据以声纳信号形式发回送受波器。
[0070]声纳装置将接收到的声纳信号上传给中央处理器:送受波器将接收到的声纳信号上传至测控数据接收端；测控数据接收端将该声纳信号编辑成特征点位坐标数据；并将该特征点位坐标数据上传至姿态数据处理装置；姿态数据处理装置将特征点位坐标数据存储至数据存储器内。
[0071]中央处理器的姿态数据处理装置将待安管节各特征点位坐标数据和安装船坐标数据从数据存储器内调出并进行汇总计算；根据计算结果建立待安管节的绝对坐标系。
[0072]3、中央处理器根据管节绝对坐标系调整管节沉放姿态:中央处理器的姿态数据处理装置根据绝对坐标系模拟出三维空间形态图；通过图像显示器显示三维空间形态图；操作人员根据三维空间形态图向姿态数据处理装置输入待安管节的姿态调整指令；姿态数据处理装置将姿态调整指令发送至姿态调整控制端；姿态调整控制端根据姿态调整指令通过操作姿态调整装置实现管节在沉放过程中的姿态调整；直至对接作业开始。
[0073]4、中央处理器在管节对接过程中对管节进行相对定位并建立管节相对坐标系；其中还包括以下步骤:
[0074]通过声纳装置测量待安管节和已安管节各特征点位坐标数据:送受波器将声纳信号分别发送给待安管节对接端的应答器和已安管节尾端的应答器；应答器将采集到的特征点位坐标数据以声纳信号形式发回送受波器。
[0075]声纳装置将接收到的声纳信号上传给中央处理器:送受波器将接收到的声纳信号上传至测控数据接收端；测控数据接收端将该声纳信号编辑成特征点位坐标数据；并将该特征点位坐标数据上传至姿态数据处理装置；姿态数据处理装置将特征点位坐标数据存储至数据存储器内。
[0076]通过GPS接收机接收安装船卫星定位信号:GPS接收机接收安装船所在位置的卫
星定位信号。
[0077]GPS接收机将安装船卫星定位信号上传给中央处理器:GPS接收机将卫星定位信号上传至GPS数据接收端；GPS数据接收端将卫星定位信号编辑成安装船坐标数据，并将该安装船坐标数据上传至姿态数据处理装置；姿态数据处理装置将安装船坐标数据存储至数据存储器内。
[0078]中央处理器的姿态数据处理装置将各特征点位坐标数据和安装船坐标数据从数据存储器内调出并进行汇总计算；根据计算结果建立已安管节与待安管节的相对坐标系。
[0079]上述4中还可按以下步骤完成:
[0080]通过GPS接收机接收安装船卫星定位信号:GPS接收机接收安装船所在位置的卫
星定位信号。
[0081]GPS接收机将安装船卫星定位信号上传给中央处理器:GPS接收机将卫星定位信号上传至GPS数据接收端；GPS数据接收端将卫星定位信号编辑成安装船坐标数据，并将该安装船坐标数据上传至姿态数据处理装置；姿态数据处理装置将安装船坐标数据存储至数据存储器内。
[0082]通过声纳装置测量待安管节和已安管节各特征点位坐标数据:送受波器将声纳信号分别发送给待安管节对接端的应答器和已安管节尾端的应答器；应答器将采集到的特征点位坐标数据以声纳信号形式发回送受波器。
[0083]声纳装置将接收到的声纳信号上传给中央处理器:送受波器将接收到的声纳信号上传至测控数据接收端；测控数据接收端将该声纳信号编辑成特征点位坐标数据；并将该特征点位坐标数据上传至姿态数据处理装置；姿态数据处理装置将特征点位坐标数据存储至数据存储器内。
[0084]中央处理器的姿态数据处理装置将各特征点位坐标数据和安装船坐标数据从数据存储器内调出并进行汇总计算；根据计算结果建立已安管节与待安管节的相对坐标系。
[0085]6、中央处理器根据管节绝对坐标系调整管节沉放姿态:中央处理器的姿态数据处理装置根据绝对坐标系模拟出三维空间形态图；通过图像显示器显示三维空间形态图；操作人员根据三维空间形态图向姿态数据处理装置输入待安管节的姿态调整指令；姿态数据处理装置将姿态调整指令发送至姿态调整控制端；姿态调整控制端根据姿态调整指令通过操作姿态调整装置实现管节在对接过程中的姿态调整；直至对接作业完成。
[0086]7、测控系统指导管节沉放和对接完毕后拆除测控系统。
【权利要求】
1.一种管节水下姿态的测控系统，其特征在于:该系统包括GPS接收机、声纳装置以及中央处理器；所述中央处理器分别与所述声纳装置和GPS接收机连接。
2.根据权利要求1所述管节水下姿态的测控系统，其特征在于:所述声纳装置包括设置在安装船上的送受波器和多个设置在管节顶面的应答器；所述送受波器通过信号与所述应答器连接。
3.根据权利要求2所述管节水下姿态的测控系统，其特征在于:所述应答器与预标定在管节顶面上的特征点位对应设置。
4.根据权利要求3所述管节水下姿态的测控系统，其特征在于:所述管节顶面至少设置三个应答器分别与预标定在管节对接端顶面上的特征点位对应设置。
5.根据权利要求4所述管节水下姿态的测控系统，其特征在于:所述管节顶面至少设置两个应答器分别与预标定在管节尾端顶面上的特征点位对应设置。
6.一种应用权利要求1-5其中之一所述管节水下姿态的测控系统实现的测控方法，其特征在于:该测控方法包括以下步骤: 51、中央处理器在管节沉放过程中对管节进行绝对定位并建立绝对坐标系的步骤； 52、中央处理器根据管节绝对坐标系调整管节沉放姿态的步骤； 53、中央处理器在管节对接过程中对管节进行相对定位并建立相对坐标系的步骤； 54、中央处理器根据管节相对坐标系调整管节对接姿态的步骤。
7.根据权利要求14所述管节水下姿态的测控方法，其特征在于:所述步骤SI中还包括如下步骤: 511、通过声纳装置检测待安管节各特征点位声纳信号的步骤； 512、声纳装置将声纳信号上传给中央处理器的步骤； 513、中央处理器将声纳信号编辑成特征点位坐标数据的步骤； 514、通过GPS接收机接收安装船卫星定位信号的步骤； 515、GPS接收机将安装船 卫星定位信号上传给中央处理器的步骤； 516、中央处理器将安装船卫星定位信号编辑成安装船坐标数据的步骤； 517、中央处理器将待安管节各特征点位坐标数据和安装船坐标数据进行汇总计算并建立待安管节绝对坐标系的步骤。
8.根据权利要求15所述管节水下姿态的测控方法，其特征在于:所述步骤S3中还包括如下步骤: 531、通过声纳装置检测待安管节和已安管节各特征点位声纳信号的步骤； 532、声纳装置将声纳信号上传给中央处理器的步骤； 533、中央处理器将声纳信号编辑成特征点位坐标数据的步骤； 534、通过GPS接收机接收安装船卫星定位信号的步骤； 535、GPS接收机将安装船卫星定位信号上传给中央处理器的步骤； 536、中央处理器将安装船卫星定位信号编辑成安装船坐标数据的步骤； 537、中央处理器将各特征点位坐标数据和安装船坐标数据进行汇总计算并建立已安管节与待安管节的相对坐标系的步骤。
9.根据权利要求16所述管节水下姿态的测控方法，其特征在于:所述步骤S2中还包括如下步骤:S21、中央处理器根据绝对坐标系模拟出三维空间形态图的步骤； S22、通过图像显示器显示三维空间形态图的步骤； S23、操作人员根据三维空间形态图向中央处理器输入待安管节的姿态调整指令的步骤； 5S24、中央处理器根据待安管节的姿态调整指令对待安管节的沉放姿态进行调整的步骤。
10.根据权利要求17所述管节水下姿态的测控方法，其特征在于:所述步骤S4中还包括如下步骤: S41、中央处理器根据相对坐标系模拟出三维空间形态图的步骤； S42、通过图像显示器显示三维空间形态图的步骤； S43、操作人员根据三维空间形态图向中央处理器输入待安管节的姿态调整指令的步骤； S44、中央处理器根据待安管节的姿态调整指令对待安管节的对接姿态进行调整的步骤。
【文档编号】E02D29/07GK103912012SQ201310002970
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2013年1月6日 优先权日:2013年1月6日
【发明者】林鸣, 李一勇, 关秋枫, 尹海卿, 曾旭平, 刘亚平, 翟世鸿, 梁萌, 彭瑞, 高纪兵, 宿发强, 苏长玺, 王强, 岳远征, 刘兆权, 赵坤 申请人:中交第一航务工程局有限公司, 中交一航局第二工程有限公司