一种浮式风机的位姿测量系统以及位姿测量方法

本发明涉及海洋技术工程领域，特指一种浮式风机的位姿测量系统以及位姿测量方法。

背景技术：

1、在能源危机与气候危机的大背景下，风能开发以其高储量、低成本等优势蓬勃发展；随着陆上风能开发的日趋完善、科技建造水平提高等多方面因素，风能开发呈现出“由陆向海，由浅入深”的格局。离岸式风机中，浅海区域以固定式支撑基础为主，随着海水深度的增加，固定式的成本急剧增长，因而在深海区域，漂浮式支撑基础为主要方案。漂浮式方案虽降低了成本，却也带来了诸多挑战，浮式风机的位姿测量就是其一。浮式风机的位姿与其安全、可靠、高效运行有着直接的联系，而对于位姿的有效控制又由位姿的测量直接决定。因而，浮式风机的位姿测量有着重要意义。浮式风机的位姿呈现出小尺度，高频率的特征；若使用传统海工的定位系统，则会显著增加成本，因此，针对浮式风机独立设计的位姿测量亟待深入探索。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种浮式风机的位姿测量系统以及位姿测量方法，通过在风姿平台上设置多个传感器，并将多个传感器信号进行数据融合，获得更为精确的浮式风机位姿。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、本发明提出了一种浮式风机的位姿测量系统，安装于所述浮式风机的风机平台上，具有这样的特征，包括：压力传感器，安装在所述风机平台的特征点上，用于测量所述特征点的压力且与计算机通讯连接；姿态传感器，安装在所述风机平台上，用于测量所述风机平台的位姿并与计算机通讯连接；波高计，安装在所述风机平台的周围，用于推演所述特征点的波高且与计算机通讯连接；声波定位器，安装在所述风机平台的底部，用于测量所述风机平台的位姿并与计算机通讯连接；其中，所述压力传感器测得的压力数据以及所述波高计测得的波高数据共同用于计算所述特征点的垂向位移，所述计算机用于接收所述压力传感器、姿态传感器、波高计及声波定位器所发出的信号并计算处理得到所述风机平台的位移，同时用于人机交互。

4、在本发明提出的浮式风机的位姿测量系统中，还可以具有这样的特征，其中，所述风机平台包括：塔架，具有上塔架和下塔架，支撑框架，所述支撑框架的中部向上设置有所述上塔架，所述上塔架的上部安装有风机叶轮；所述上塔架可转动的安装在所述支撑框架上，或，所述风机叶轮可转动的安装在所述上塔架上端；所述支撑框架的中部向下设置有所述下塔架，所述下塔架的下端安装有潮流能发电机构；所述下塔架可转动的安装在所述支撑框架上，或，所述潮流能发电机构可转动的安装在所述下塔架的端部。

5、在本发明提出的浮式风机的位姿测量系统中，还可以具有这样的特征，其中，所述支撑框架具有：中心立柱，安装于所述塔架中部；若干外围立柱，分布于所述中心立柱的外围；若干连梁，一端连接于所述中心立柱上，另一端向外辐射并形成用于安装所述外围立柱的安装板；若干撑杆，用于连接所述中心立柱和所述外围立柱；以及安装框架，其安装于所述安装板下端，用于安装第二潮流能发电机构。

6、在本发明提出的浮式风机的位姿测量系统中，还可以具有这样的特征，其中，所述压力传感器安装在所述外围立柱的外周面上；所述姿态传感器安装在所述外围立柱的顶面上；所述声波定位器安装在所述潮流能发电机构的底部。

7、在本发明提出的浮式风机的位姿测量系统中，还可以具有这样的特征，其中，所述特征点具有三个，且这三个特征点不共线。

8、本发明还提出了一种浮式风机的位姿测量方法，具有这样的特征，采用了如上所述的浮式风机的位姿测量系统，包括以下步骤：

9、步骤一：定义惯性坐标系和第一运动坐标系，将所述惯性坐标系记为oa-xayaza，所述第一运动坐标系记为od-xdydzd；

10、步骤二：利用所述压力传感器及所述波高计获得的压力数据及波高数据求解所述风机平台在所述惯性坐标系下的z向位移；

11、步骤三：利用所述姿态传感器，并通过所述第一运动坐标系和所述惯性坐标系的转换关系，获取所述风机平台的xayaza三轴姿态及加速度信息，并利用该加速度信息求解xayaza向的位移；

12、步骤四：利用所述声波定位器获取所述风机平台的xayaza三轴姿态及位移信息；

13、步骤五：将步骤二-步骤四中的位姿信息进行数据融合，得到更为精确的位姿信息。

14、在本发明提出的浮式风机的位姿测量方法中，还可以具有这样的特征，其中，在上述步骤二种，所述压力传感器及所述波高计求解所述风机平台在所述惯性坐标系下的z向位移的具体方法如下：

15、(1)记所述风机平台上三个不共线的所述特征点为a、b、c，并以a为原点建立平行于所述惯性坐标系的第二运动坐标系；

16、(2)分别用[xm ym zm]、[xb yb zb]、[xc yc zc]表示质心m及特征点b、c在所述第二运动坐标系下的坐标；

17、(3)假设yb＝0，则剩余8个未知量，利用所述压力传感器及所述波高计获取三个所述特征点a、b、c之间的z向的相对位移，可以得到2个方程，如下所示：

18、

19、其中，hab为ab间的z向的相对位移，hac为ac间的z向的相对位移；

20、(4)特征点a、b、c及质心m形成确定的空间四面体，且其各个边长确定，可以得到6个方程，如下所示：

21、

22、

23、其中，sma为ma之间的距离，sba为ba之间的距离，sca为ca之间的距离，smb为mb之间的距离，sbc为bc之间的距离，scm为cm之间的距离，

24、(5)联立求解上述8个方程可以求解所述剩余的8个未知量，进而获取质心m在所述第二运动坐标系下的坐标zm；

25、(6)再利用所述惯性坐标系与所述第二运动坐标系的关系，可以求得质心m在所述惯性坐标系中的z向位移。

26、在本发明提出的浮式风机的位姿测量方法中，还可以具有这样的特征，所述第一运动坐标系和所述惯性坐标系a的转换关系如下：

27、

28、其中，c＝[x y z]t，为所述第一运动坐标系的坐标原点在所述惯性坐标系中的坐标，t为从所述第一运动坐标系到所述惯性坐标系的欧拉变换矩阵，为传感器在其测量点测量所得的运动坐标系下的平台加速度，pd＝[px py pz]t为传感器测量点p在所述第一运动坐标系中的坐标；

29、在本发明提出的浮式风机的位姿测量方法中，还可以具有这样的特征，所述数据融合为对多组数据进行比对分析，相互修正，得到更为精确的数据。

30、在本发明提出的浮式风机的位姿测量方法中，还可以具有这样的特征，利用所述压力传感器及所述波高计获取所述三个特征点a、b、c之间的z向的相对位移的具体方法如下：

31、(1)利用所述压力传感器提取所述三个特征点的压力信息，利用所述波高计推演并提取所述三个特征点的波高信息；

32、(2)将压力信息转换为深度信息，结合波高信息得到所述三个特征点的绝对深度信息；

33、(3)根据所述三个特征点的绝对深度信息求得z向的相对位移。本发明相比现有技术突出且有益的技术效果

34、本发明所提供的浮式风机的位姿测量系统以及位姿测量方法，由于在浮式风机的风机平台上安装压力传感器、姿态传感器、波高计以及声波定位器，且这些传感器可将数据信号传输给计算机，计算机可将多个传感器信号进行数据融合，从而获得更为精确的浮式风机位姿，可有效解决浮式风机位姿检测的问题，尤其是位移不精确的难点，进而可为浮式风机的控制或走锚风险的预测提供有效的数据资料。