深海管道位姿測量系統(tǒng)的研制及相關理論研究.pdf

1、全球海上油氣資源中大約有44％儲存在300m以深的深水海域,未來勢必有越來越多的管線鋪設到海底。海底兩管道的相對位姿測量,即:兩管道相對距離與相對角度等空間位姿參數(shù)的測量,是深水管道連接過程中的一項關鍵技術。準確地測量出這些參數(shù),是在施工船上預制合適管段的前提條件,是保證海底管網順利連接的基礎。課題來源于十一五期間承擔的國家863重大專項,目的是研制深海管道位姿精確測量設備,為海底管道鋪設提供技術保障。
　　 論文首先綜述水下位

2、姿測量技術的國內外發(fā)展概況,闡述拉繩測量技術、衛(wèi)星定位技術、水聲測量技術的特點與發(fā)展,對比各個測量系統(tǒng)的優(yōu)缺點,重點分析潛水員輔助拉繩測量系統(tǒng)、水下法蘭測量儀和ROV輔助拉繩測量系統(tǒng)等典型拉繩測量系統(tǒng)的工作原理。此外,對拉繩測量系統(tǒng)的相關技術(索長理論、水下纜索理論和誤差修正技術)進行簡要的綜述。
　　 針對深水位姿測量系統(tǒng)指標要求和實際深海作業(yè)環(huán)境,完成基于拉繩的水下管道位姿測量系統(tǒng)總體方案設計。分析系統(tǒng)本體機構的工作原理與作

3、業(yè)范圍,建立拉繩絞盤磁耦合數(shù)學模型和絲杠定位底座受力模型,對測量裝置、磁動力拉繩絞盤、絲杠定位底座進行詳細結構設計。利用三維建模軟件3DS MAX完成系統(tǒng)作業(yè)方案的虛擬作業(yè)仿真,驗證方案的可行性。針對深海環(huán)境,對設備進行防腐處理和浮力材料設計。
　　 通過分析拉繩系統(tǒng)的深水力學模型與拉繩微元受到的水下外力,建立水下拉繩的平衡微分方程,利用拋物線索長理論并結合伸出臂俯仰角度初始條件,求解兩個測量裝置的支點距與高度差,得出兩個測量裝

4、置的相對距離。利用傳感器獲取相關參數(shù),基于機器人技術位姿理論、過渡矩陣理論與向量的運算原則,提出深水海底管道位姿求解的關鍵算法——過渡矩陣位姿算法。通過該算法對管道相對位姿進行演算,得出測量裝置相對距離、參考坐標系與基礎坐標系的過渡角度、法蘭中心向量的表示等,實現(xiàn)兩管道相對距離與相對角度等位姿參數(shù)的求解。
　　 分析系統(tǒng)的測量誤差、模型誤差、計算誤差和定位誤差組成,運用誤差設計思想建立誤差設計數(shù)學模型,并對密封殼變形誤差與卡座定

5、位誤差進行辨識,對系統(tǒng)誤差傳遞關系進行分析。以系統(tǒng)某一特定作業(yè)工況為例,計算長度誤差與角度誤差具體數(shù)值,并且仿真各誤差源對系統(tǒng)長度與角度相對誤差的影響。利用分段式最小二乘法對誤差進行修正,求出長度與角度誤差修正系數(shù),得到其誤差修正函數(shù)表達式,修正管道相對位姿的測量結果。設計誤差防止措施,從根本上進一步減小誤差的形成。
　　 通過系統(tǒng)檢測方案的設計,完成正交傾角檢測調試、磁耦合角度傳感器電路設計和拉繩長度檢測調試,實現(xiàn)正交傾角、深

6、水角度、拉繩繩長的檢測,采用ARM控制芯片實現(xiàn)各個傳感器數(shù)據(jù)的采集和絞繩電機的控制。基于LabVIEW軟件設計上位機操控界面,完成串口通訊模塊、絞盤控制模塊、過渡算法模塊和數(shù)據(jù)結果模塊的編程,實現(xiàn)拉繩操控、參數(shù)獲取、結果顯示和數(shù)據(jù)存儲等功能。
　　 通過實驗樣機的系統(tǒng)調試實驗,分析驗證拉繩索長的求解方法和拉繩所需張緊力。通過陸上綜合測量實驗,模擬設備在水下的工作過程,對比位姿測量值與真值的誤差。模擬深海環(huán)境,利用深海壓力試驗艙進