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深海管道位姿测量系统的研制及相关理论研究

王文明  
【摘要】:全球海上油气资源中大约有44%储存在300m以深的深水海域,未来势必有越来越多的管线铺设到海底。海底两管道的相对位姿测量,即:两管道相对距离与相对角度等空间位姿参数的测量,是深水管道连接过程中的一项关键技术。准确地测量出这些参数,是在施工船上预制合适管段的前提条件,是保证海底管网顺利连接的基础。课题来源于十一五期间承担的国家863重大专项,目的是研制深海管道位姿精确测量设备,为海底管道铺设提供技术保障。 论文首先综述水下位姿测量技术的国内外发展概况,阐述拉绳测量技术、卫星定位技术、水声测量技术的特点与发展,对比各个测量系统的优缺点,重点分析潜水员辅助拉绳测量系统、水下法兰测量仪和ROV辅助拉绳测量系统等典型拉绳测量系统的工作原理。此外,对拉绳测量系统的相关技术(索长理论、水下缆索理论和误差修正技术)进行简要的综述。 针对深水位姿测量系统指标要求和实际深海作业环境,完成基于拉绳的水下管道位姿测量系统总体方案设计。分析系统本体机构的工作原理与作业范围,建立拉绳绞盘磁耦合数学模型和丝杠定位底座受力模型,对测量装置、磁动力拉绳绞盘、丝杠定位底座进行详细结构设计。利用三维建模软件3DS MAX完成系统作业方案的虚拟作业仿真,验证方案的可行性。针对深海环境,对设备进行防腐处理和浮力材料设计。 通过分析拉绳系统的深水力学模型与拉绳微元受到的水下外力,建立水下拉绳的平衡微分方程,利用抛物线索长理论并结合伸出臂俯仰角度初始条件,求解两个测量装置的支点距与高度差,得出两个测量装置的相对距离。利用传感器获取相关参数,基于机器人技术位姿理论、过渡矩阵理论与向量的运算原则,提出深水海底管道位姿求解的关键算法——过渡矩阵位姿算法。通过该算法对管道相对位姿进行演算,得出测量装置相对距离、参考坐标系与基础坐标系的过渡角度、法兰中心向量的表示等,实现两管道相对距离与相对角度等位姿参数的求解。 分析系统的测量误差、模型误差、计算误差和定位误差组成,运用误差设计思想建立误差设计数学模型,并对密封壳变形误差与卡座定位误差进行辨识,对系统误差传递关系进行分析。以系统某一特定作业工况为例,计算长度误差与角度误差具体数值,并且仿真各误差源对系统长度与角度相对误差的影响。利用分段式最小二乘法对误差进行修正,求出长度与角度误差修正系数,得到其误差修正函数表达式,修正管道相对位姿的测量结果。设计误差防止措施,从根本上进一步减小误差的形成。 通过系统检测方案的设计,完成正交倾角检测调试、磁耦合角度传感器电路设计和拉绳长度检测调试,实现正交倾角、深水角度、拉绳绳长的检测,采用ARM控制芯片实现各个传感器数据的采集和绞绳电机的控制。基于LabVIEW软件设计上位机操控界面,完成串口通讯模块、绞盘控制模块、过渡算法模块和数据结果模块的编程,实现拉绳操控、参数获取、结果显示和数据存储等功能。 通过实验样机的系统调试实验,分析验证拉绳索长的求解方法和拉绳所需张紧力。通过陆上综合测量实验,模拟设备在水下的工作过程,对比位姿测量值与真值的误差。模拟深海环境,利用深海压力试验舱进行高压实验,分析设备的抗高压性。模拟海洋环境,在10米水池进行实验,测量水下两个管道的相对位姿,分析设备水下测量的准确性。 本文的研究成果为测量系统实验样机的设计,为工程样机的进一步研制奠定理论基础,也为后续位姿算法和误差设计深入研究提供良好的理论平台,同时也将为我国深水测量技术的深入研究开辟更新更广阔的思路,相信,深水位姿测量系统在海底油气管道铺设工程中将发挥出重要的作用。


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