适用于fpso上部模块提升安装过程的运动补偿方法
技术领域
1.本发明涉及一种运动补偿方法，尤其涉及一种适用于fpso上部模块提升安装过程的运动补偿方法。


背景技术：

2.fpso上部模块安装一般分为提升安装和悬吊安装两种，提升安装是使用液压缸将fpso上部模块提升至fpso甲板高度再进行滑移装船，该方法承载能力强、稳定性高，逐渐被广泛使用。fpso上部模块提升安装过程持续时间较长，fpso船体会由于码头风、浪、流、潮等环境载荷的影响发生姿态改变，导致装船过程中无法准确完成对接，严重地可能会损坏fpso上部模块，造成大量的经济损失。目前fpso上部模块提升安装过程主要是选择合适的作业窗口期，减少环境因素影响，并未采用运动补偿系统对上部模块位姿进行调整。当前的fpso上部模块提升安装系统并不能完全满足实际工程需求，在fpso上部模块提升安装过程中亟需一种高效可靠、简便易行的运动补偿方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种提高fpso上部模块与船体对接精度、提升上部模块安装效率、保障安装过程稳定性和安全性、控制策略简单、可靠性高、时效性强的适用于fpso上部模块提升安装过程的运动补偿方法。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.本发明的适用于fpso上部模块提升安装过程的运动补偿方法，包括以下步骤：
6.步骤一、建立全局坐标系和船体坐标系，具体过程如下：
7.第一步，fpso上部模块提升系统为由多个塔架组成的提升安装支撑结构，提升安装支撑结构为框体结构，在提升安装支撑结构顶部设置多个拉力油缸，沿竖直方向设置的拉力油缸的升降杆与钢绞线的上端固定相连，所述的钢绞线的底端焊接在提升底板上，焊接点的位置为提升点的位置；初始状态下，fpso上部模块固定在提升底板顶壁上，提升底板的上表面为提升平面，在工作过程中，拉力油缸通过下放钢绞线将提升底板放置在位于码头处的支撑垫墩上，固定在码头上的八个激光测距传感器位于上部模块的下方，八个激光测距传感器不同时处于一条直线上，激光测距传感器测量端面竖直向上，fpso船体停靠在码头旁的海域上，fpso船体的上甲板平面为目标平面；
8.多个拉力油缸的信号输入端通过控制线与计算机的信号输出端相连，八个激光测距传感器的信号输出端通过控制线与计算机的信号输入端相连；
9.第二步，在码头平面上取一个相对于fpso船体和fpso上部模块提升系统都较近的点o1，以o1点为坐标原点建立全局坐标系，竖直向上方向为z1轴正方向，x1o1y1平面始终平行于水平面，沿平行于fpso船体纵向中轴线的方向为y1轴方向，平行于fpso船体横向的方向为x1轴方向；
10.第三步，根据该艘fpso的船体设计模型得到船体重心位置o2，以fpso船体的重心
位置o2为坐标原点建立船体坐标系，竖直向上方向为z2轴正方向，x2o2y2平面始终平行于水平面，y1轴与y2轴平行，x1轴与x2轴平行；
11.步骤二、利用gps位置传感器计算fpso上部模块安装过程初始目标平面方程，具体过程如下：
12.第一步，在fpso船体6的甲板上不共线的任意三个安装点处分别安装gps位置传感器，测量t0时刻各gps位置传感器的安装点在船体坐标系o2下的位置坐标，通过gps位置传感器内置的无线传输模块将测得的坐标数据传输至计算机中；三个安装点分别记为a1位置点、a2位置点、a3位置点；
13.第二步，根据第一步测得的各个安装点的坐标数据，建立空间平面方程计算出初始目标平面方程x项系数a0、y项系数b0、常数项系数c0,得到在船体坐标系o2下fpso上部模块提升过程初始目标平面方程空间平面方程如下：
[0014][0015]
式中，x
a1
、y
a1
、z
a1
表示船体坐标系o2下a1位置点处gps位置传感器测量得到的x坐标、y坐标、z坐标；x
a2
、y
a2
、z
a2
表示船体坐标系o2下a2位置点处gps位置传感器测量得到的x坐标、y坐标、z坐标；x
a3
、y
a3
、z
a3
表示船体坐标系o2下a3位置点处gps位置传感器测量得到的x坐标、y坐标、z坐标；a0、b0、c0表示初始目标平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；
[0016]
步骤三、利用rmu位姿传感器计算fpso上部模块安装过程目标平面方程，具体过程如下：
[0017]
第一步，在fpso船体重心位置安装lmu位姿传感器，自t0时刻开始实时测量船体升沉数据z0、横摇数据纵摇数据θ0，通过lmu位姿传感器内置的无线传输模块将测得的fpso船体实时位姿数据传输至计算机中；
[0018]
第二步，根据第一步测量的fpso船体实时位姿数据，以t0时刻位姿数据为初始数据计算当前时刻fpso船体升沉变化量δz、横摇变化量纵摇变化量δθ，其中：
[0019][0020]
式中，zk、θk表示当前时刻测量的船体升沉数据、横摇数据、纵摇数据，z0、θ0表示t0时刻船体升沉数据、横摇数据、纵摇数据；
[0021]
第三步，结合步骤二中得到的船体坐标系o2下初始目标平面方程及第二步中得到fpso船体升沉变化量δz、横摇变化量纵摇变化量δθ，依次进行如下计算：
[0022]
当fpso船体升沉变化量为δz时，计算船体坐标系o2下初始目标平面方程的变化，得到第一变化平面方程其中：
[0023][0024]
式中，a0、b0、c0表示初始目标平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；a1、b1、c1表示第一变化平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；δz表示当前时刻fpso船体升沉变化量；
[0025]
当fpso船体横摇变化量为时，计算船体坐标系o2下第一变化平面方程的变化，得到第二变化方程其中：
[0026][0027]
式中，a1、b1、c1表示第一变化平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；a2、b2、c2表示第二变化平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；表示当前时刻fpso船体横摇变化量；
[0028]
当fpso船体纵摇变化量为δθ时，计算船体坐标系o2下第二变化平面方程的变化，得到船体坐标系o2下第三变化目标平面方程其中：
[0029][0030]
式中，a2、b2、c2表示第二变化平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；a3、b3、c3表示目标平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；δθ表示当前时刻fpso船体纵摇变化量；
[0031]
第四步，利用坐标系转化方法，将第三步中船体坐标系o2下第三变化目标平面方程转变到全局坐标系o1中，得到全局坐标系o1下目标平面方程其中：
[0032][0033]
式中，a3、b3、c3表示船体坐标系o2下目标平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；
a、b、c表示全局坐标系o1下目标平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；x
o2
、y
o2
、z
o2
表示点o2在全局坐标系o1下的x坐标、y坐标、z坐标；
[0034]
步骤四、利用激光测距传感器计算fpso上部模块安装过程提升平面方程，具体过程如下：
[0035]
第一步，fpso上部模块提升过程中使用激光测距传感器实时测量激光测距传感器与支撑上部模块的提升底板底壁的距离，通过激光测距传感器内置的无线传输模块将测得的距离数据传输至计算机中；
[0036]
第二步，通过激光测距传感器在全局坐标系o1下的位置及第一步中八个激光测距传感器测得的距离数据，得到每个激光测距传感器的激光发射线对应的fpso上部模块提升底板底壁平面上的八个测量点坐标，计算出全局坐标o1下提升平面方程的m、n和d的值，从而得到提升平面方程式中，m、n、d表示全局坐标o1下提升平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；
[0037]
步骤五、计算fpso上部模块安装过程中各提升点补偿量，具体过程如下：
[0038]
第一步，利用全站仪测量得到全局坐标系o1下fpso上部模块设定的所有提升点坐标(xi,yi,zi)，下角标i表示第i个提升点，提升点指的是拉力油缸的钢绞线与支撑上部模块的提升底板的连接点；
[0039]
第二步，将每一个提升点横坐标xi、纵坐标yi带入步骤三获得的全局坐标系o1下目标平面方程中，计算得到的数值，记为提升点目标高度将每一个提升点横坐标xi、纵坐标yi带入步骤四获得的全局坐标系o1下提升平面方程中，计算得到的数值，记为提升点实际高度通过公式计算得到各个提升点补偿量εi；
[0040]
步骤六、在计算机中设置提升安装系统中各个拉力油缸的提升高度hi，在fpso上部模块提升安装过程中，控制各个拉力油缸缓慢提升，实时将步骤五所获得的各个提升点补偿量εi输入计算机中，所述的计算机根据各个提升点补偿量εi计算各个拉力油缸的实际提升高度h
t
＝hi±
εi，各个拉力油缸每次按照实际提升高度h
t
同步提升，fpso上部模块逐渐被提升到与fpso船体甲板平面共面的位置。
[0041]
本发明的有益效果是：采用mru位置传感器和激光测距传感器用来完成实时位姿监测，时效性强，准确性高；对fpso上部模块底面采用多点监测和超定方程拟合，减少了底面变形和底面平整度的影响，保证上部模块底平面方程还原的精确度，提高运动补偿精度；能够应对fpso驳船在码头停靠时最主要的升沉、横摇、纵摇运动的影响，极大保证了对接精度，保障安装过程的安全性；计算方法简便，控制策略简单，数据处理过程集中在预处理阶段，可以较为高效地应对码头上海洋环境的变化；能够有效地解决fpso上部模块提升安装过程中fpso船体位姿变化快、对接精度差等问题，采用本方法安装精度高、安装效率高、适应能力强。
附图说明
[0042]
图1是fpso上部模块提升安装过程的运动补偿方法流程图；
[0043]
图2是fpso上部模块提升安装系统布局示意图；
[0044]
图3是fpso上部模块提升安装坐标系建立示意图；
[0045]
图4是fpso上部模块提升安装gps位置传感器安装位置示意图；
[0046]
图2中：1—fpso上部模块；2—拉力油缸；3—提升安装支撑结构；4—提升点位置；5—提升底板；6—fpso船体；7—目标平面；8—提升平面；9—激光测距传感器；10—码头。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图对本发明做详细的说明：
[0048]
如附图所示，本发明的适用于fpso上部模块提升安装过程的运动补偿方法,包括以下步骤：
[0049]
步骤一、建立全局坐标系和船体坐标系，具体过程如下：
[0050]
第一步，fpso上部模块提升系统为由多个塔架组成的提升安装支撑结构3，提升安装支撑结构3为框体结构，在提升安装支撑结构3顶部设置多个拉力油缸2，优选的拉力油缸2为四个，四个拉力油缸2的升降杆组成矩形，沿竖直方向设置的拉力油缸2的升降杆与钢绞线的上端固定相连，所述的钢绞线的底端焊接在提升底板5上，焊接点的位置为提升点的位置4。初始状态下，fpso上部模块1固定在提升底板5顶壁上，可以利用角铁将fpso上部模块1与提升底板5焊接在一起，提升底板5的上表面为提升平面8。fpso上部模块放置在提升底板5上，在工作过程中，拉力油缸2通过下放钢绞线将提升底板5放置在位于码头10处的支撑垫墩上，固定在码头10上的八个激光测距传感器9位于上部模块的下方，八个激光测距传感器不能同时处于一条直线上，激光测距传感器测量端面竖直向上，fpso船体6停靠在码头旁的海域上，fpso船体6的上甲板平面为目标平面7。多个拉力油缸2的信号输入端通过控制线与计算机的信号输出端相连，八个激光测距传感器9的信号输出端通过控制线与计算机的信号输入端相连。
[0051]
第二步，在码头平面上取一个相对于fpso船体和fpso上部模块提升系统都较近的点o1，以o1点为坐标原点建立全局坐标系，竖直向上方向为z1轴正方向，x1o1y1平面始终平行于水平面，沿平行于fpso船体纵向中轴线的方向为y1轴方向，平行于fpso船体横向的方向为x1轴方向；
[0052]
第三步，根据该艘fpso的船体设计模型得到船体重心位置o2(每个fpso都有单独的设计手册，注明尺寸、关键位置坐标等等)，以fpso船体的重心位置o2为坐标原点建立船体坐标系，竖直向上方向为z2轴正方向，x2o2y2平面始终平行于水平面，y1轴与y2轴平行，x1轴与x2轴平行。
[0053]
步骤二、利用gps位置传感器计算fpso上部模块安装过程初始目标平面方程，具体过程如下：
[0054]
第一步，在fpso船体6的甲板上不共线的任意三个安装点处分别安装gps位置传感器，测量t0时刻各gps位置传感器的安装点在船体坐标系o2下的位置坐标，通过gps位置传感器内置的无线传输模块将测得的坐标数据传输至计算机中；三个安装点分别记为a1位置点、a2位置点、a3位置点；
[0055]
第二步，根据第一步测得的各个安装点的坐标数据，建立空间平面方程计算出初始目标平面方程x项系数a0、y项系数b0、常数项系数c0,得到在船体坐标系o2下fpso上部模
块提升过程初始目标平面方程空间平面方程如下：
[0056][0057]
式中，x
a1
、y
a1
、z
a1
表示船体坐标系o2下a1位置点处gps位置传感器测量得到的x坐标、y坐标、z坐标；x
a2
、y
a2
、z
a2
表示船体坐标系o2下a2位置点处gps位置传感器测量得到的x坐标、y坐标、z坐标；x
a3
、y
a3
、z
a3
表示船体坐标系o2下a3位置点处gps位置传感器测量得到的x坐标、y坐标、z坐标；a0、b0、c0表示初始目标平面方程x项系数、y项系数、常数项系数。
[0058]
步骤三、利用rmu位姿传感器计算fpso上部模块安装过程目标平面方程，具体过程如下：
[0059]
第一步，在fpso船体重心位置安装lmu位姿传感器，自t0时刻开始实时测量船体升沉数据z0、横摇数据纵摇数据θ0，通过lmu位姿传感器内置的无线传输模块将测得的fpso船体实时位姿数据传输至计算机中；
[0060]
第二步，根据第一步测量的fpso船体实时位姿数据，以t0时刻位姿数据为初始数据计算当前时刻fpso船体升沉变化量δz、横摇变化量纵摇变化量δθ，其中
[0061][0062]
式中，zk、θk表示当前时刻测量的船体升沉数据、横摇数据、纵摇数据，z0、θ0表示t0时刻船体升沉数据、横摇数据、纵摇数据；
[0063]
第三步，结合步骤二中得到的船体坐标系o2下初始目标平面方程及第二步中得到fpso船体升沉变化量δz、横摇变化量纵摇变化量δθ，依次进行如下计算：
[0064]
当fpso船体升沉变化量为δz时，计算船体坐标系o2下初始目标平面方程的变化，得到第一变化平面方程其中：
[0065][0066]
式中，a0、b0、c0表示初始目标平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；a1、b1、c1表示第一变化平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；δz表示当前时刻fpso船体升沉变化量；
[0067]
当fpso船体横摇变化量为时，计算船体坐标系o2下第一变化平面方程的变化，得到第二变化方程其中：
[0068][0069]
式中，a1、b1、c1表示第一变化平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；a2、b2、c2表示第二变化平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；表示当前时刻fpso船体横摇变化量；
[0070]
当fpso船体纵摇变化量为δθ时，计算船体坐标系o2下第二变化平面方程的变化，得到船体坐标系o2下第三变化目标平面方程其中：
[0071][0072]
式中，a2、b2、c2表示第二变化平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；a3、b3、c3表示目标平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；δθ表示当前时刻fpso船体纵摇变化量；
[0073]
第四步，利用坐标系转化方法，将第三步中船体坐标系o2下第三变化目标平面方程转变到全局坐标系o1中，得到全局坐标系o1下目标平面方程其中：
[0074][0075]
式中，a3、b3、c3表示船体坐标系o2下目标平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；a、b、c表示全局坐标系o1下目标平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；x
o2
、y
o2
、z
o2
表示点o2在全局坐标系o1下的x坐标、y坐标、z坐标。
[0076]
步骤四、利用激光测距传感器计算fpso上部模块安装过程提升平面方程，具体过程如下：
[0077]
第一步，fpso上部模块提升过程中使用激光测距传感器实时测量激光测距传感器与支撑上部模块的提升底板底壁的距离，分别记为z
b1
、z
b2
、z
b3
、z
b4
、z
b5
、z
b6
、z
b7
、z
b8
，通过激光测距传感器内置的无线传输模块将测得的距离数据传输至计算机中；
[0078]
第二步，通过激光测距传感器在全局坐标系o1下的位置及第一步中八个激光测距传感器测得的距离数据，得到每个激光测距传感器的激光发射线对应的fpso上部模块提升
底板底壁平面上的八个测量点坐标(x
b1
,y
b1
,z
b1
)、(x
b2
,y
b2
,z
b2
)
…
(x
b8
,y
b8
,z
b8
)，计算出全局坐标o1下提升平面方程的m、n和d的值，从而得到提升平面方程其中：
[0079][0080]
式中，m、n、d表示全局坐标o1下提升平面方程x项系数、y项系数、常数项系数；(x
b1
,y
b1
,z
b1
)、(x
b2
,y
b2
,z
b2
)
…
(x
b8
,y
b8
,z
b8
)分别表示fpso上部模块提升底板底壁平面上各个测量点的坐标。
[0081]
步骤五、计算fpso上部模块安装过程中各提升点补偿量，具体过程如下：
[0082]
第一步，利用全站仪测量得到全局坐标系o1下fpso上部模块设定的所有提升点坐标(xi,yi,zi)，下角标i表示第i个提升点，提升点指的是拉力油缸的钢绞线与支撑上部模块的提升底板的连接点；
[0083]
第二步，将每一个提升点横坐标xi、纵坐标yi带入步骤三获得的全局坐标系o1下目标平面方程中，计算得到的数值，记为提升点目标高度将每一个提升点横坐标xi、纵坐标yi带入步骤四获得的全局坐标系o1下提升平面方程中，计算得到的数值，记为提升点实际高度通过公式计算得到各个提升点补偿量εi。
[0084]
步骤六、在计算机中设置提升安装系统中各个拉力油缸的提升高度hi，在fpso上部模块提升安装过程中，控制各个拉力油缸缓慢提升，实时将步骤五所获得的各个提升点补偿量εi输入计算机中，所述的计算机根据各个提升点补偿量εi计算各个拉力油缸的实际提升高度h
t
＝hi±
εi，各个拉力油缸每次按照实际提升高度h
t
同步提升，fpso上部模块逐渐被提升到与fpso船体甲板平面共面的位置。
[0085]
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。