一种用于铺管船管道路径的分析方法技术

本发明专利技术属于船舶动力定位控制技术领域，具体涉及一种用于铺管船管道路径的分析方法，包括以下步骤：根据铺管船的位置和接触距离确定管道落地点的位置，根据管道落地点的位置确定出滑动矩阵；根据滑动矩阵判断管道曲线路径类型；根据路径类型特点计算直线路径之间的夹角；根据圆弧半径和夹角计算切点到中间点的距离；根据圆心、切点1相对于12直线路径的SF坐标值，计算其在北东坐标系下的位置；根据切点2相对于23直线路径的SF坐标值，计算其在北东坐标系下的位置；本发明专利技术简化了对航点表的预处理工作，不用提前对整个的管道路径进行完整的计算分析。而只需要循环执行通过滑动矩阵定义的管道路径分析方法就可以依次将整个路径做一个全面的分析。

An Analysis Method for Pipeline Path of Pipelaying Vessel

【技术实现步骤摘要】
一种用于铺管船管道路径的分析方法
本专利技术属于船舶动力定位控制
，具体涉及一种用于铺管船管道路径的分析方法。
技术介绍
21世纪至今，海洋已经成为全球石油勘探至关重要的领域。国外权威机构曾经预测，未来世界油气资源总储存量的44％来自海洋。随着海上石油工业的发展，海上油气运输变得越来越繁忙，所以水下管道在油气长途运输中起着至关重要的作用。海底管道目前采用专用工程船舶--铺管船进行铺设，尤其是深水管道铺设，世界上大约75％的海洋管道是用这种方法施工完成的。铺管船在进行管道铺设作业时，需要控制船体在海上定位，或沿着预先设定好的路径进行循迹。对于常规的DP船作业时只需直接对船体设置期望的路径，但在铺管过程中却是要对铺设管道设置期望路径，并通过DP系统控制船舶间接将管道铺设于设定的路径。铺管船的管道路径是通过航点表来表示的。航点表的形式如表1所示。航点表中除了航点坐标(北东坐标系下)外，还包含管道落地点与船舶旋转中心之间的距离，即接触距离。船舶的期望艏向、期望速度和转弯半径。管道路径被存储在航点表中的航迹点和转弯半径分成直线路径和曲线路径，每一段曲线路径的半径为航点表对应航点处所指定的半径大小。当所处海域的水深为一定值时，接触距离也通常为一定值。而船舶在铺管过程中，可认为一定范围内海域的水深是不变的。在这一条件下，使得由管道路径和接触距离推算船舶路径成为可能，接触距离成为管道路径和船舶路径之间的连接的桥梁。目前国内外对于动力定位铺管船的铺管作业的研究主要集中在，铺管船定位性能研究和定位能力分析、铺管船的路径跟踪控制方法等方面。在铺管船的路径跟踪控制方面，主要是对循迹控制器和导引策略进行研究，而没有对管道路径和船舶路径进行深入的研究。对于水面船舶的路径跟踪通常采用的是LOS视线导引算法。视线导引算法只适用于直线路径，而不适用于曲线路径。因此研究铺管船的路径类型特点，有助于理清船舶在铺管过程中路径变化的特点，并为设计适用于铺管船的曲线路径的导引算法提供依据。因此本专利技术提出一种针对铺管船舶的管道路径分析方法。为通过接触距离计算出船舶的期望路径奠定了基础。
技术实现思路
一种用于铺管船管道路径的分析方法，包括以下步骤：(1)根据铺管船的位置和接触距离确定管道落地点的位置，根据管道落地点的位置确定出滑动矩阵；(2)根据滑动矩阵判断管道曲线路径类型；(3)根据路径类型特点计算直线路径之间的夹角；(4)根据圆弧半径和夹角计算切点到中间点的距离；(5)根据圆心、切点1相对于12直线路径的SF坐标值，计算其在北东坐标系下的位置；(6)根据切点2相对于23直线路径的SF坐标值，计算其在北东坐标系下的位置；(7)根据切点和圆心坐标，计算两个切点到圆心的航迹角；(8)得到直线路径的起点和终点坐标，以及弧线路径的角度范围。所述根据铺管船的位置和接触距离确定管道落地点的位置，根据管道落地点的位置确定出滑动矩阵，包括：管道落地点为航点表中的第一个点，则滑动矩阵由航点表中的第1、2、3个点组成；若管道落地点在中间位置，则滑动矩阵由上一次弧线路径的切点和切点之后的两个航点组成。所述根据滑动矩阵判断管道曲线路径类型，包括：所述曲线路径类型包括以下8种：第1种路径类型：起点在西，终点在东，路径向北凸；第2种路径类型：起点在西，终点在东，路径向南凸；第3种路径类型：起点在东，终点在西，路径向北凸；第4种路径类型：起点在东，终点在西，路径向南凸；第5种路径类型：起点在南，终点在北，路径向东凸；第6种路径类型：起点在南，终点在北，路径向西凸；第7种路径类型：起点在北，终点在南，路径向东凸；第8种路径类型：起点在北，终点在南，路径向西凸；路径类型用Pk表示，取值为1、2、3、4、5、6、7、8；第1、2两种路径的参数化特点：(1)E3>E1；(2)k13＝(N3-N1)/(E3-E1)，k13为1、3航点之间连线的斜率，N′2＝N1+k13(E2-E1)，N′2为2号航点在1、3航点连线上的投影点；(3)若N2>N′2，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成的路径类型为第一种；若N2<N′2，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成的路径类型为第二种；若N2＝N′2，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成直线；第3、4两种路径的参数化特点：(1)E3<E1；(2)k13＝(N3-N1)/(E3-E1)，k13为1、3航点之间连线的斜率，N′2＝N1+k13(E2-E1)，N′2为2号航点在1、3航点连线上的投影点；(3)若N2＞N'2，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成的路径类型为第三种；若N2＜N'2，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成的路径类型为第四种；若N2＝N'2，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成直线；第5、6两种路径的参数化特点：(1)E3＝E1且N3>N1；(2)若E2＞E1，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成的路径类型为第五种；若E2＜E1，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成的路径类型为第六种；若E2＝E1，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成直线；第7、8两种路径的参数化特点：(1)E3＝E1且N3<N1；(2)若E2＞E1，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成的路径类型为第七种；若E2＜E1，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成的路径类型为第八种；若E2＝E1，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成直线。所述根据路径类型特点计算直线路径之间的夹角，包括：各路径的夹角计算方法如下：Pk＝1：a＝π-(c23-c12)Pk＝2：a＝π-(c12-c23)Pk＝3：a＝π-(c12-c23)Pk＝4：a＝π-(c23-c12)Pk＝5：a＝c23-c12-πPk＝6：a＝c12-c23-πPk＝7：a＝c12-(c23-π)Pk＝8：a＝c23-(c12-π)其中，C12和C23表示直线路径12和23的航迹角，即与正北轴之间沿顺时针方向的夹角；a表示两直线路径之间的夹角。所述根据圆弧半径和夹角计算切点到中间点的距离，包括：切点到中间点的距离l2q计算公式如下：l2q＝R/tan(a/2)其中，R为圆弧半径，a表示两直线路径之间的夹角。所述根据圆心、切点1相对于12直线路径的SF坐标值，计算其在北东坐标系下的位置，包括：在1、4、6、7种类型中，圆心O相对于直线路径12的纵向距离为l1q＝(l12-l2q)，横向距离为R，则圆心O的坐标[NO,EO]与1点坐标满足如下等式：其中，[N1,E1]表示1号点的坐标；c12表示1、2点连线的直线路径的航迹角；求解上式得到圆心坐标的计算公式：在2、3、5、8种类型中圆心O相对于直线路径12的纵向距离为l1q＝(l12-l2q)，横向距离为-R，则圆心O的坐标[NO,EO]与1点坐标满足如下等式：其中，[N1,E1]表示1号点的坐标；c12表示1、2点连线的直线路径的航迹角；求解上式得到圆心坐标的计算公式：切点1相对于12直线路径的纵向距离为l1q，横向距离为0，则切点q1的坐标[Nq1,Eq1]坐标满足如下等式：所述根据切点2相对于23直线路径的SF坐标值，计算其在北东坐标系下的位置，包括：切点2相对于23直线路径的纵向距离为l2q，横向距离为0，得到切点2的坐标[Nq2,Eq2]计算公式：其中，[N本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于铺管船管道路径的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据铺管船的位置和接触距离确定管道落地点的位置，根据管道落地点的位置确定出滑动矩阵；(2)根据滑动矩阵判断管道曲线路径类型；(3)根据路径类型特点计算直线路径之间的夹角；(4)根据圆弧半径和夹角计算切点到中间点的距离；(5)根据圆心、切点1相对于12直线路径的SF坐标值，计算其在北东坐标系下的位置；(6)根据切点2相对于23直线路径的SF坐标值，计算其在北东坐标系下的位置；(7)根据切点和圆心坐标，计算两个切点到圆心的航迹角；(8)得到直线路径的起点和终点坐标，以及弧线路径的角度范围。

【技术特征摘要】
1.一种用于铺管船管道路径的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据铺管船的位置和接触距离确定管道落地点的位置，根据管道落地点的位置确定出滑动矩阵；(2)根据滑动矩阵判断管道曲线路径类型；(3)根据路径类型特点计算直线路径之间的夹角；(4)根据圆弧半径和夹角计算切点到中间点的距离；(5)根据圆心、切点1相对于12直线路径的SF坐标值，计算其在北东坐标系下的位置；(6)根据切点2相对于23直线路径的SF坐标值，计算其在北东坐标系下的位置；(7)根据切点和圆心坐标，计算两个切点到圆心的航迹角；(8)得到直线路径的起点和终点坐标，以及弧线路径的角度范围。2.根据权利要求1所述的一种用于铺管船管道路径的分析方法，其特征在于，所述根据铺管船的位置和接触距离确定管道落地点的位置，根据管道落地点的位置确定出滑动矩阵，包括：管道落地点为航点表中的第一个点，则滑动矩阵由航点表中的第1、2、3个点组成；若管道落地点在中间位置，则滑动矩阵由上一次弧线路径的切点和切点之后的两个航点组成。3.根据权利要求1所述的一种用于铺管船管道路径的分析方法，其特征在于，所述根据滑动矩阵判断管道曲线路径类型，包括：所述曲线路径类型包括以下8种：第1种路径类型：起点在西，终点在东，路径向北凸；第2种路径类型：起点在西，终点在东，路径向南凸；第3种路径类型：起点在东，终点在西，路径向北凸；第4种路径类型：起点在东，终点在西，路径向南凸；第5种路径类型：起点在南，终点在北，路径向东凸；第6种路径类型：起点在南，终点在北，路径向西凸；第7种路径类型：起点在北，终点在南，路径向东凸；第8种路径类型：起点在北，终点在南，路径向西凸；路径类型用Pk表示，取值为1、2、3、4、5、6、7、8；第1、2两种路径的参数化特点：(1)E3>E1；(2)k13＝(N3-N1)/(E3-E1)，k13为1、3航点之间连线的斜率，N′2＝N1+k13(E2-E1)，N′2为2号航点在1、3航点连线上的投影点；(3)若N2>N′2，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成的路径类型为第一种；若N2<N′2，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成的路径类型为第二种；若N2＝N′2，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成直线；第3、4两种路径的参数化特点：(1)E3<E1；(2)k13＝(N3-N1)/(E3-E1)，k13为1、3航点之间连线的斜率，N′2＝N1+k13(E2-E1)，N′2为2号航点在1、3航点连线上的投影点；(3)若N2＞N'2，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成的路径类型为第三种；若N2＜N'2，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成的路径类型为第四种；若N2＝N'2，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成直线；第5、6两种路径的参数化特点：(1)E3＝E1且N3>N1；(2)若E2＞E1，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成的路径类型为第五种；若E2＜E1，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成的路径类型为第六种；若E2＝E1，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成直线；第7、8两种路径的参数化特点：(1)E3＝E1且N3<N1；(2)若E2＞E1，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成的路径类型为第七种；若E2＜E1，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成的路径类型为第八种；若E2＝E1，则由该滑动矩阵的1、2、3点构成直线。4.根据权利要求1所述的一种用于铺管船管道路径的分析方法，其特征在于，所述根据路径类型特点计算直线路径之间的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新飞，吴昌楠，袁利毫，昝英飞，国岩，陈忠言，李桐，廖德辉，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23