控制细长结构的位置和/或定向的方法和系统

技术领域

本公开涉及在海床安装结构的一般领域。特别地，本公开涉及用于控制细长结构的位置和/或定向的方法，例如桩，尤其是要放置在水底层中的桩，更具体地说是单桩，经由夹持器连接到船舶上。本公开进一步涉及控制经由夹持器连接到船舶这种细长结构的位置和/或定向的系统，以及包含该系统的船舶，以及计算机程序产品和计算机可读介质。特别地，本公开涉及用于将单桩浮动安装到海床上的控制系统和方法。

背景技术

目前，在海床上安装结构(尤其是海上风力涡轮机发电机)是重要的活动。风力涡轮机发电机的基础构造涉及从船舶上安装大型管状结构，例如海床上的桩或单桩。

对于海床上的桩安装，其是将桩安装在海床上预先已知且准确匹配的地球坐标(为简单性，以X-Y表示)的绝对位置的主要范围(例如，以其在纬度，经度和向上的位置，其垂直度或任何已知的陆生大地测量系统，例如WGS-84，ITRF或其他系统表示)。此外，在对桩的垂直度有要求的情况下安装桩也是一个目标。在大多数情况下，根据目前的技术水平，桩的垂直度偏差应不超过任何方向与地球坐标垂直度的最大偏移0.2-0.25度。

受此领域约束的单桩可以被认为是超大的管状(空心)结构，直径范围从5到11-12米，长度约为110米。这种桩的重量可以达到2000公吨(“T”)或更多，如1500-3500吨，预计将来桩会变得更大。

桩的安装可能涉及“浮动”安装，其中，单桩从船上降至海床。这种做法在业内仍属罕见。目前，诸如单桩之类的基础主要由自升式船舶安装，自升式船舶是固定在海床的船舶，因为漂浮安装被认为是非常困难的，而且可能非常危险。自升式安装需要更多的时间，这就是为什么浮式安装仍然是可取的，只要能够克服目前的技术挑战。

船舶上掉落的桩可能会造成灾难性的破坏并容易导致死亡。

考虑到浮动安装，另一个挑战是，由于涉及较大的惯性，对桩的操纵可能会对船舶动态定位系统的操作产生重大影响(“DP系统”)。

业界已经提出了许多单桩夹持器-框架，以控制桩并实现具有此类要求的单桩的安装。

从浮动船舶中安装桩时，需要运动补偿式桩夹持器框架。这样的桩夹持器框架将具有控制系统，该控制系统将产生影响桩的力和动作，但也会对现有DP系统的控制系统和致动器产生外部影响。系统(例如，船舶，DP系统，桩夹持器，桩和海床)的联接可能导致不良情况，例如，如果将桩插入海床中，因此会与海床经历一定的高联接刚度，而DP系统可例如是在高精度模式下(以DP系统配置为将船舶紧紧地保持在指定位置的事实的特征)。然后，船舶，运动补偿式桩夹持器，桩和海床之间的组合联接能够导致联接动态系统中不希望的不稳定性(例如控制不稳定性)。这样的不稳定性可能会导致DP系统或桩夹持器或两者在位置保持性能上产生较大的位置漂移和偏差，从而阻碍了桩的安装操作，并可能导致潜在的危险情况(例如导致桩掉落)。DP系统中的时间滞后(其可存在于在向其发送命令和接收船舶的可测量响应之间)通常太大，无法有效地将主动控制输入用于DP系统以稳定不稳定的情况。缓解该问题的一种可能方法是使DP系统“失谐”，例如，在这种时刻使其变得不那么精确，以避免这种不稳定性；但是，这种使失谐调节可能会导致安装准确性(例如桩的位置和桩的垂直度)的显着丧失。

因此，需要一种方法和系统来提高操作安全性和安装精度，并且在大量可能的故障条件下也是如此。

此外，由于自升式船舶固定在海床上，因此无需进行主动运动补偿。最近，一些公司已经开始开发运动补偿式桩夹持器和相关的安装方法，以便能够从浮动起重机船舶中安装单桩，而无需抬起系统和/或系泊或锚定在海床上的船舶；例如，WO2019/172572A2，NL2020536B1，WO2019/125172A2，NL2022205B1，NL2018066B1，EP3517479A1。这些系统是基于“运动补偿”，该系统将可移动的桩夹持器定位在甲板上，主要是2个自由度(X-Y)。垂直Z轴保持自由，以允许桩通过夹持器垂直移动。通常，通常采用滚轮被动引导桩沿z方向。这种滚轮以圆形的方式布置在夹持器的周围，该夹持器牢牢地抓住“滚轮箱”中的桩。然后，滚轮箱通过桩夹持器的致动器系统在水平坐标X、Y中移动。

众所周知，可以通过位置控制方案实现海上运动补偿系统，在该方案中，基于源自船舶位置和方向的测量的传感器信号来命令可移动设备。这些信号通常源自惯性测量系统(IMU)和/或惯性与GPS测量的组合，当组合时，有时称为运动参考单元(MRU)。行业内已知的有多种方法。

一些已知的概念可以使用单独的桩测量设备，例如在AU2012233801A1，AU2014281920A1，EP3382335A1中披露的。WO2019125172A2披露了以下考虑：一般情况下，也可以与控制系统集成在一起，例如，将桩夹持器定位在水平平面中，并可能输入船舶GPS数据和桩测量设备。

在本公开的背景下，桩安装顺序可能包含以下元素，如稍后将详细讨论：

-“桩起吊”：用桩夹紧工具将桩在甲板上和甲板上方的水平位置吊至垂直位置，例如如CA2892993A1所披露的，例如根据WO 2021002750A1使用的起吊装置。起吊后，将桩悬挂在起重机上，位于船舶旁边，至少部分浸入水中；

-“桩装载”：这意味着将桩从甲板上方转移(提升)到安装位置(吊装)，然后，在地球坐标和船舶旁边，通常通过起重机回转运动将桩移动到桩夹持器；然后，将桩插入安装在甲板上或附近的桩夹持器中；然后，桩夹持器可以是已经接近位于最终安装位置上或附近，这也可以与DP系统与船舶定位相结合来实现。桩装载还可能包括用桩夹持器抓取桩；在桩装载期间，夹持器可以“跟踪”桩，以便使夹持器中心轴与桩对齐。在披露的实施例中，该操作可以例如通过在桩夹持器的致动器系统中的力控制来执行，以便允许改变夹持器的刚度和阻尼，从而最小化来自在夹持器和船舶结构上的桩力(该力可能由诸如波浪、海风、气流或船舶的运动等外部因素引起，或受波浪、海风和气流对船舶施加的力的影响，一般来说，这些因素可以说与桩和/或船舶的状况有关)。在“跟踪”期间，这种刚度和阻尼设置可能会有所不同，以确保良好的跟踪性能；

-“桩下降”：将桩下降到海床上。在披露的实施例中，可以通过致动器系统中的力控制来完成此操作，以改变细长结构相对于船舶，夹持器或地球坐标框架的刚度和阻尼；

-“桩放置”：最后将桩的底部放在指定的最终位置上或附近的海床上。在披露的实施例中，这可以例如通过用于刚度和阻尼控制的致动器系统中的力控制来完成，并且例如通过在桩开始接触海床时补偿相对于海床的水平船舶和桩夹持器运动的爬坡运动控制来完成。在此步骤中，例如，可以根据传感器的输入或有关操作过程的其他信息来缩放运动控制，例如，在从吊车悬挂桩到底部固定桩的过渡过程中，缓慢地增加运动控制。为了控制运动补偿的迅速增加，可以使用其他传感器或测量或间接测量，例如起重机吊钩中的荷载。在最终放置期间，例如，可以使用桩倾斜控制装置来确保桩的准确垂直度。这种桩倾控制可用于在例如船舶坐标系、桩夹持器坐标系或地球固定坐标系中直接或间接的桩倾度测量；

-“桩自重贯入”：进一步降低桩，直到不再需要用起重机支撑桩(在其自重贯入深度处)，从桩上拆除法兰起桩工具(FPUT)，例如将桩的顶部分从与起重机的联轴器中释放出来。在此步骤中，在披露的实施例中，例如，可以将运动补偿控制与倾斜度控制结合使用。驱动系统中的力控制也可以使用，以便在线调节桩，桩夹持器和船舶之间的联接刚度和/或阻尼；

-“桩平衡”：在移除了吊装夹具(FPUT)后，桩位于海床上的船舶旁边且仅通过桩夹持器联接到船舶。控制系统确保桩不会掉落(即，使翻倒)，并且所有的外部干扰，比如船舶运动的偏差，或者来自桩或船舶上的外力，都能得到补偿。在披露的实施例中，此步骤，例如可能涉及致动器系统中的力控制，以调节任何坐标系统中的刚度和/或阻尼，例如在地球坐标系统中，并且可能涉及运动补偿控制和额外的倾斜度控制。另外，也可以使用一种特殊的控制方法来代替倾斜度控制，这种方法可以平衡桩和船舶的组合质量，使组合系统始终保持平衡，与桩和/或船舶上的外部扰动的大小和方向无关；在此安装步骤结束时，需要在桩上安装桩驱动器以驱动桩，例如在AU2014281920A1中所披露的；

-“桩驱入”：在运动补偿下将桩驱入(或有时称为“锤击”)至插入深度；在桩驱入过程中，在披露的实施例中，例如，在致动器系统中的力控制可以用于调节桩和船舶之间的刚度和/或阻尼，例如使桩与船舶分离。这种解联接的刚度和阻尼可以在桩驱入过程中作为变量设置，例如连续或偶尔调节刚度和/或阻尼以精度和解联接之间找到最佳权衡。通常情况下，桩与船舶之间的界面刚度会随着桩插入海床越深而降低。这将桩和桩的控制与DP系统“解联接”，并允许将DP系统保持在刚性设置中。

-“夹持器收回”：从桩夹持器中释放桩。首先打开夹持器内固定桩的滚轮箱，然后打开夹持器，在运动补偿控制下将夹持器从桩上收回。在此阶段，在披露的实施例中，可以使用力控制，切换到“跟踪”桩时，力控制通常会变得“更硬”。为了避免与桩发生碰撞，需要在滚轮箱与桩分离后对桩进行跟踪控制。致动器力控制(也可称为阻抗控制或导纳控制)中的刚性刚度设置将有助于实现良好的跟踪性能。

-“紧急停止”：系统中错误会导致操作“安全停止”的模式。在这种模式下，在披露的实施例中，可以激活“星型控制器”(或组合式船舶-单桩控制器)，例如，为了防止在桩平衡模式下桩掉落。

-“紧急恢复”：在披露的实施例中，“星型控制器”的激活是平衡船舶和桩的组合质量中心，以稳定桩随船舶位置的倾斜度。紧急恢复模式也可以作为DP系统潜在的完全失效时的安全防护。

考虑到上述情况，在此提出重大改进。

发明内容

在一方面，提供了一种控制细长结构的位置和/或定向的方法。

该方法是控制经由夹持器连接到船舶的细长结构的位置和/或定向的方法。该方法包括以下步骤：

接收指示该结构与该夹持器之间的相互作用力的力数据。和

控制结构和船舶的位置和/或定向，尤其是控制结构和/或船舶相对于彼此的位置和/或定向。控制结构的位置和/或定向的步骤包括根据力数据控制结构和船舶的位置和/或定向。例如，致动器系统可以在阻抗或导纳控制架构中配置，以便能够独立于使用力的应用而呈现不同的刚度和阻尼特性。然后，运动补偿控制可以为这种阻抗或导纳控制系统提供输入设定点，以补偿水平船舶运动。然后，倾斜控制功能可以为运动补偿控制提供输入，以确保桩的准确垂直度。因此，联接的刚度(和/或阻尼)的变化/适应可能取决于船舶，桩或夹持器的状况。另外或替代地，刚度(和/或阻尼)的变化/适应可能取决于安装过程中的操作阶段(将桩放置在水底层地层中的操作阶段)。细长结构可能是桩，尤其是要放置在水底底层之上和/或之中的桩。桩可以是单桩。

该船舶至少在该方法的一部分中可能是浮动船舶或是相对于水底地层固定的船舶(例如被抬起)。另外或替代地，船舶可能以有限的自由度漂浮，例如通过锚系泊到水底地层。水底地层可能是海床(包括海底)、湖底或河床等。

指示结构与夹持器或夹持器与船舶之间的相互作用力的力数据可包含来自力传感器的力数据，该力传感器配置为检测结构与夹持器之间的相互作用力，和/或致动器操作数据，例如致动器电流数据，致动器扭矩数据，例如来自被配置为检测一个或多个致动器输入电流，扭矩，输出力，输出扭矩的一个或多个传感器的致动器数据。

在此，结构(例如单桩)的定向包括结构的倾斜度。结构的倾斜度最好确定为绝对(即相对于地球坐标和/或重力)倾斜度。结构的倾斜度可以相对于船舶和/或夹持器定向来确定。因此，所获得的结构的相对倾斜数据可以与船舶和/或夹持器的绝对位置和/或定向数据合并，以确定结构的绝对倾斜数据。这经过必要修改后，同样适用于船舶和/或夹持器相对于结构的定向和/或绝对(即相对于地球坐标和/或重力的)定向。

基于力数据，而不是惯常的位置数据，控制结构和船舶的位置和/或船舶的定向，可以在控制中具有更高的灵敏度，尤其是在响应时间方面具有优势，并且在指定控制参数时具有更大的自由度，并允许定义联接的刚度和阻尼。这将在下面详细说明。

控制结构和/或船舶的位置和/或定向的步骤可包括基于力数据控制船舶和夹持器之间的致动器。特别地，这可能包括控制致动器以控制结构和船舶的位置和/或定向。

因此，联接的刚度(或阻尼)的变化/适应(可能地，除了其他方面之外)可取决于夹持器的条件。另外，或替代地，刚度(和/或阻尼)的变化/适应可取决于安装过程中的操作阶段(将桩放置在水底层地层中的操作阶段)。

通过基于力数据而不是位置数据(包括位置差数据)来控制致动器，可以改善对致动器和/或夹持器的规格和/或公差的控制调节。这可以防止风险和/或损坏。控制致动器可能足以控制结构和船舶的位置和/或定向。然而，同样可选地，控制结构和船舶的位置和/或定向可包括采用船舶的动态位置控制系统和/或系泊线张紧系统。

控制致动器的步骤可包括控制致动器的驱动的力和/或扭矩和/或控制致动器的可移动部件的相对位置和/或运动。该方法可包括控制几个致动器的驱动的力和/或扭矩和/或控制几个致动器的可移动部件的相对位置和/或运动；这些致动器控制可是平行的或串行的。例如，旋转致动器可以通过按比例控制驱动电流或电机电流来驱动控制扭矩。这种扭矩控制的输入可能来自力测量和力控制器。该力控制器的输入可能来自控制系统，例如在阻抗控制方案中配置旋转致动器，例如准确地呈现不同的刚度和阻尼。另外，在液压传动系统中，压力可以类似于上述示例中的电流。

控制致动器的驱动的力和/或扭矩可以允许或简化将控制值(例如设置值和/或已达到的值)与力数据进行比较。

在任何方法中，调节至少部分夹持器相对于船舶的位置可以调节部分结构；这可以调节整个结构的位置，或者，特别是如果结构具有固定点，例如搁在水底地层之中或之上的桩可以调节结构在固定点附近的定向。

执行至少一种方法可包括使用力控制器和/或结构定向控制器，这可能包括(执行)一个或多个反馈环路。例如。力控制器可以根据该致动器中测得的扭矩或力来调节致动器中的力或扭矩，以在致动器的输出处实现所需的力或扭矩。这可以确保可以补偿致动器的几种，优选是全部的，非线性，例如摩擦。这种所需的力或扭矩可以在一种配置中通过夹持器位置控制器的输出来提供，该夹持器位置控制器可包括致动器控制器，该致动器控制器可根据对结构的这种位置和/或定向的测量来调节结构的位置和/或定向，以实现该结构所需的位置和/或定向。因此，结构位置控制器与力控制器结合使用，可以用作阻抗控制器，通过例如使用可变增益调整结构位置控制器的反馈因子(例如增益)来调节联接的刚度和/或阻尼。结构位置控制器可以从倾斜控制器中接收其所需的位置和/或定向，该倾斜控制器基于结构倾斜度测量来调节结构的定向(尤其是：倾斜度)，以实现所需的在绝对地球坐标下的倾斜度，优选地，该倾斜度可设置为零。

该方法可进一步包括以下步骤：

接收指示结构的位置、定向和运动中至少一者的结构数据，

然后控制结构和船舶的位置和/或定向的步骤也可包括根据该结构数据控制结构和船舶的位置和/或定向。

接收结构数据的步骤可包括接收指示结构相对于夹持器和/或船舶的位置、定向和运动中至少一者的结构数据。但是，优选的接收结构数据的步骤包括接收结构相对于结构要放置其上或其中的水底地层的位置、定向和运动中至少一者的结构数据。这种水底地层可以在地球绝对坐标中表示。在前一种情况下，可以改善相对控制(例如船舶和结构相对于彼此)，例如可简化致动器操作空间和/或传感器检测空间的设置边界内的保持控制。在后一种情况下，可以改善结构位置和/或定向的控制准确性，这可能有利于满足安装公差，同样或可选地，可能有利于满足安全公差和/或检测潜在关键和/或条件不良的情况的早期预警信号。

同样地，该方法可进一步包括以下步骤：接收指示船舶的位置和/或运动的船舶数据，然后，控制结构和船舶的位置和/或定向也可能包括基于船舶数据控制结构和船舶的位置和/或定向。

如对结构/结构数据的解释，接收船舶数据的步骤可包括接收指示船舶和夹持器和/或结构相对于彼此的位置、定向和运动中至少一者的船舶数据；然而，优选地，接收船舶数据的步骤可包括接收指示该船舶相对于结构要放置其上和/或其中的水底地层(因此是地球参考坐标)系统)的位置、定向和运动中至少一者的船舶数据。

接收指示结构的位置、定向和运动中至少一者的结构数据可包括接收一个或多个惯性测量传感器(IMU)数据，运动参考单元(MRU)数据，全球导航卫星系统(GNSS))数据，全球定位系统(GPS)数据，激光测距数据，光探测和测距(LIDAR)数据，声音导航和测距(声纳)数据，相机数据，测深仪数据，USBL数据，USBL数据，托德线(todd-wire)数据数据和桩倾斜度控制器数据。任何这类数据可以直接从结构上获得，也可以通过涉及遥感的技术间接获得，例如通过照相机、激光雷达或雷达。

接收指示船舶的位置、定向和运动中至少一者的船舶数据可包括接收来自一个或多个惯性测量传感器(IMU)、全球导航卫星系统(GNSS)、全球定位系统(GPS)传感器、激光测距传感器、光探测和测距(LIDAR)系统、声音导航和测距(声纳)系统、相机、测深仪、USBL数据、托德线数据和来自动态定位控制系统、船舶推进器控制器、系泊线张力传感器等的数据。

该方法可以利用传感器融合，通过已知的传感器融合算法，例如卡尔曼过滤器，粒子过滤器，扩展的卡尔曼过滤器或其他基于统计的方法，以计算船舶和/或结构的位置和/或方向和/或运动数据的鲁棒估计。在这样的传感器融合中，可以并行使用相同物理量的各种测量值作为输入，并且在输出上将提供最稳健，最准确的输出测量，以进一步在控制系统内使用。

该方法可进一步包括以下步骤：接收指示结构在地球坐标中和/或相对于结构要放置其上和/或其中的水底地层的位置、定向和运动中至少一者的结构数据，和/或接收指示船舶的位置、定向和/或运动，尤其是该船舶在地球坐标中和/或相对于结构要放置其上和/或其中的水底地层的位置和/或运动，的结构数据。

然后，控制结构和船舶的位置和/或定向的步骤也可包括控制结构和船舶相对于地球坐标和/或相对于水底地层的位置和/或定向。

因此，该方法允许根据绝对坐标和/或相对于绝对位置的坐标确定和/或控制结构和/或船舶，其可包括结构和/或船舶的位置和/或定向。这可能有利于满足安装公差，也可能有利于满足安全公差和/或检测潜在关键和/或条件不良情况的早期预警信号。这种情况可能会影响执行该方法的系统的所期望和/或可实现的响应特征。特别是，请参见下文，可能需要根据船舶数据调整船舶和结构之间的联接的刚度和/或阻尼。可以通过单桩位置控制器以阻抗控制器的形式(这可以通过调节控制器中的一个或多个增益来实现)来调节船舶和结构之间联接的刚度和/或阻尼。

该方法可进一步包括接收荷载数据，例如来自荷载传感器的起重机荷载数据，该荷载传感器被配置为检测支撑结构的提升系统，例如起重机，上的荷载，然后控制结构和船舶的位置和/或定向的步骤也可包括基于荷载数据控制结构和船舶的位置和/或定向。例如，可以使用荷载数据来调节桩下降操作阶段的运动补偿控制器的增益。

因此，上述联接的刚度(或阻尼)的变化/适应可能取决于提升系统的条件。另外或替代地，刚度(和/或阻尼)的变化/适应可能取决于安装过程中的操作阶段(将桩放置在水底层地层中的操作阶段)。

提升系统可能包括起重机，荷载数据可能包括起重机荷载数据。

这可以改善控制和/或稳定由起重机支撑的结构，尤其是在结构与该结构要放置其上或其中的水底地层之间之间创建接触时或期间。与安装过程和/或与一个或多个时间常数、时间约束、空间约束、运动特性等相比，在接触创建时，提升系统上的荷载和/或结构的动态行为往往在短时间内和/或较小的位置变化中差异很大。

基于力数据和载荷数据控制结构和船舶的位置和/或方向可以改善在不同配置和动态行为之间转换期间的控制，特别地，从其中所述结构由(特别是:悬挂于)所述提升系统支撑的一种提升配置，到其中所述结构至少主要由与夹持器、船舶和提升系统分离的另一结构支撑的一种卸载配置，尤其使站立于水底地层上。

荷载数据可包含来自荷载传感器的荷载数据，该荷载传感器被配置为检测提升系统上的荷载，例如在液压系统中的压力传感器，和/或来自膨胀补偿系统的膨胀补偿数据中，该膨胀补偿系统可包含一个或多个传感器以用于检测提升驱动器的负载和/或扭矩。

该方法可进一步包含接收指示致动器的一个或多个可移动部件的相对位置和/或运动的配置数据，和/或

接收指示船舶的位置、定向和/或运动，尤其是船舶相对于结构要放置在其上或其中的水底地层的位置、定向和/或运动的船舶数据。

然后，控制结构和船舶的位置和/或定向的步骤还可以包括基于配置数据和/或船舶数据控制结构和船舶的位置和/或定向。尤其是当配置数据表明致动器的可移动部件的相对位置和/或运动在预定的空间和/或速度范围之外时，和/或船舶数据表明船舶被定位或移动至预定的空间和/或速度范围之外时，可以执行此操作。例如，为了使船舶产生运动，可以使用DP系统的外力输入。或者，可以使用对DP系统输入的外部位置或定向校正。

接收指示致动器的一个或多个可移动部件的相对位置和/或运动的配置数据的步骤可包括接收来自致动器的配置传感器的配置数据，该致动器的配置传感器配置为检测致动器的一个或多个可移动部件的相对位置和/或运动。指示运动的配置数据可包括指示运动变化的数据，例如开始运动，停止运动，速度，加速/减速(例如，速度的一阶导数)，加速/减速的速率(例如，速度的二阶导数)等等。

在此披露的任何方法实施例中，船舶和/或结构的位置和/或定向可以相对于地球坐标和/或相对于结构要安装其上或其中的水底地层的至少一部分确定。或者，结构的位置和/或定向可以相对于船舶位置和/或定向确定，或者可以相对于夹持器结构的位置和/或定向确定(例如，结构的位置可以相对于船舶位置确定，和/或结构的定向可以相对于船舶定向确定)。优选的实施例是例如重新计算所有相对于绝对地球坐标表示的测量值。

在此的任何方法都可包括：确定结构要放置在水底地层之上或之中的位置，以及围绕该位置对称地控制结构和船舶的位置和/或定向的步骤，和/或

确定包括经由夹持器连接的结构和船舶的组件的质量中心和/或中心或惯性，围绕质量中心和/或中心或惯性对称地控制结构和船舶的位置和/或定向的步骤。在“星型控制器”的实施方案中，可以实现这种组合的运动目标。

因此，可以防止船舶和结构的组合系统的漂移。在这种方法中，可以相对于结构移动船舶，而不是相对于船舶移动的结构。需要注意的是，当组件放置在和/或进入(特别是:驱入)水底地层时，其惯性中心可以由摩擦和/或结构的稳定性来确定不同的量。可以由组合式船舶-单桩控制器(VMPC)，也称为“星形控制器”，来执行围绕质量中心和/或中心或惯性对称地控制结构和船舶的位置和/或的定向。此类VMPC可以布置为使得其可以使用船舶和结构的各个质量来确定组件的质量中心和/或中心或惯性，以稳定该组合式动态系统。另外或替代地，VMPC也可以布置为使得其可以使用在水底地层上或水底地层中的给定位置围绕该位置来对称地控制结构和船舶的位置和/或定向。另外或替代地，VMPC也可以布置成使得其可以使用该结构相对于相对于环境方面(例如海风，波浪，气流等对船舶和结构的一种或多种影响)的形状、几何定向中至少一者以围绕给定位对称地控制结构和船舶的位置和/或定向。换句话说，基于结构的形状、几何形状和定向中的至少一种，且进一步地基于环境因素，包括例如海风、波浪和/或气流围绕给定位对称地控制组合式结构-船舶系统的位置和定向种的至少一种。

在一方面，与在此披露的任何其他方法实施例相结合，提供了一种控制经由夹持器连接到船舶连接到船舶的细长结构的位置和/或定位的方法，该方法包括以下步骤：确定在船舶和结构之间的联接，并确定联接的刚度和/或阻尼。

然后该方法进一步可包括以下步骤：将联接的刚度从第一刚度设置调节至不同的第二刚度设置和/或从第二刚度设置调节至第一刚度设置，和/或将阻尼从第一阻尼设置调节至不同的第二阻尼设置和/或从第二阻尼设置调节至第一阻尼设置。

优选地包括将该联接的刚度和/或阻尼调节至处于第一刚度设置和第二刚度设置之间的一个或多个刚度设置和/或处于第一阻尼设置和第二阻尼设置之间的一个或多个阻尼设置。

例如，将相对较高的刚度和/或高阻尼调节至相对较低的刚度和/或低阻尼和/或将相对较低的刚度，和/或低阻尼调节至相对较高的刚度和/或高阻尼。刚度和阻尼可以一起调节，也可以单独调节。

通过调节联接的刚度和/或阻尼，联接可以适应不同的情况。例如，一个或多个有关特定值的数据相对较大的偏移或相对较小的偏移的情况，可以预期和/或可以被允许或无法容忍。

这允许对控制结构和船舶的位置和/或定向的步骤进行动态控制，还包括根据力数据和/或本文确定的一个或多个适用于控制结构和船舶的位置和/或定向的数据(或者彼此相关或者不相关，例如力数据，结构数据，船舶数据，荷载数据，配置数据，插入数据，以及可能地这些数据中的任何一个，无论是绝对还是相对)来控制结构和船舶的位置和/或定向。

调节联接的刚度和/或阻尼可以基于在此提出的一个或多个数据，例如力数据，结构数据，船舶数据，荷载数据，插入数据。

另外或替代地，本文所披露的方法的任何步骤都可以允许和/或需要人为输入，例如允许人为干预；尤其是调节联接的刚度和/或阻尼可能涉及人为输入，例如确定时间和/或调节范围。

确定联接和调节刚度和/或阻尼的这种方法尤其包括：接收指示支持结构的提升系统上的荷载的荷载数据(例如来自起重机的起重机荷载数据)和指示结构插入水底地层的深度和/或指示结构从水底地层伸出的长度的插入数据中至少一种的步骤；以及

在第一刚度设置和第二刚度设置之间调节联接的刚度的步骤，以及/或在第一阻尼设置和第二阻尼设置之间调节联接的阻尼的步骤，

优选地包括至少根据荷载数据和/或插入数据将联接的刚度和/或阻尼调节至处于第一和第二相应设置之间一个或多个相应设置。

这允许对夹持器的控制及其任何影响进行调整，以适应相对于水底地层和/或夹持器和/或船舶的结构配置的变化。

(接收)荷载数据的示例已在此处的其他地方说明。插入数据可包括例如，长度数据和结构的振荡数据中的一个或多个，例如用于纵向和/或横向振荡的共振频率数据。

本文的任何方法都可以包括将船舶布置在水体中的步骤，包括进一步的步骤：从船舶的提升系统中支撑结构的步骤，仅由夹持器将结构连接至船舶，尤其是当结构由提升系统支撑时，将结构放置在水体的水底地层之上或之中并将结构驱动进入水底地层中，以及从夹持器和/或从船舶中断开结构。在结构通过夹持器连接到船舶的至少一些时间内，可以从力传感器接收力数据。

这可进一步包括在一个或多个这些“进一步步骤”中和/或在执行一个或多个这些“进一步步骤”期间在第一设置和第二设置之间调节联接的刚度和/或阻尼的步骤。在第一设置和第二设置之间的调节可包括将联接的刚度和/或阻尼调节至处于第一和第二设置之间的一个或多个设置，其中至少部分可是逐步的或基本上连续的。

在可与本文披露的任何其他方法相结合的一方面，提供了一种控制经由夹持器连接到船舶的细长结构的位置和/或定向的方法，该方法包括以下步骤：

接收指示结构与夹持器之间的相互作用力的力数据；和

基于力数据，控制结构和船舶的相对位置、结构和船舶的相对定向、结构和/或船舶的位置和结构和/或船舶的定向中的至少一者。结构和/或船舶的位置和/或定向可以根据地球坐标和/或相对于结构要安装其中和/或其上的水底地层的至少一部分确定。例如，该结构可为桩，例如单桩。

在至少与前面相关的是一方面，在此提供了一个系统，用于控制经由夹持器连接到船舶连接的细长结构的位置和/或定向，该系统包括：

计算机，其包含具有计算机可读程序代码的计算机可读存储介质和至少与计算机可读的存储介质相连的处理器，优选为微处理器，其中响应执行计算机可读的程序代码，该处理器被配置为实施可执行的操作，包括：

接收来自力传感器的力数据，该力传感器被配置为检测结构与夹持器之间的相互作用力；和

基于力数据，对船舶的控制系统和/或处于船舶和/或加持器之间致动器进行控制，以控制结构和/或船舶的位置和/或定向，尤其是控制结构和船舶相对于彼此的位置和和/或定向。

该系统可进一步包括能够安装或安装到船舶上的夹持器，以经由所述夹持器连接所述船舶和所述细长结构，例如桩，尤其是要被放置到水底地层中且被所述夹持器夹持的桩。

当将夹持器安装到船舶上并将细长的结构连接到船舶上时，该系统可配置为确定船舶和结构之间的联接，并确定联接的刚度和/或阻尼，然后，该系统可配置为调节和/或允许在第一设置(相对高刚度和/或高阻尼)与不同的第二设置(相对低刚度和/或低阻尼)之间调节联接的刚度和/或阻尼，优选地包括将联接的刚度和/或阻尼调节至处于第一和第二设置之间的一个或多个设置。

该系统可进一步包括以下至少一者：被配置为检测所述结构和所述夹持器之间的相互作用力的力传感器，被配置为检测所述结构的位置、定向和运动中的至少一者的结构数据传感器，被配置为检测所述船舶的位置、定向和运动中的至少一者的船舶数据传感器，被配置为检测支撑所述结构的提升系统上的荷载的荷载传感器。

在另一方面，提供了其中包括本文所述的系统的船舶。

在另一方面，提供了其中包括指令的计算机程序产品，该指令使得此处描述的系统执行本文所述或表明的任一方法实施例的方法步骤。在相关的方面，提供了一种其上存储有计算机程序产品的可读的计算机可读介质。

附图简要说明

以上所描述的方面将在后面以进一步的细节和益处将参照通过示例的方式示出的若干实施例的附图，进行更多的解释。

在附图中示出了：

图1：系统描述，示出了船舶(A1)，单桩(P)和海床(S)。在此以及以下的描述中，单桩(P)用作细长结构的非限制示例。船舶(A1)配备了起重机(A2)夹持器(G)和控制系统(C)。船舶和单桩(P)受海风(W1)和波浪(W2)力的干扰。单桩安装在海床上。单桩需要安装在地球参考系的正确位置(X、Y坐标)上，与Z方向垂直对齐并沿Z方向达到给定高度。

图2：操作阶段I，其中单桩(P)仅由起重机支撑，插入夹持器(G)，并朝向海床方向。

图3：操作阶段II，其中单桩(P)通过其自身的重量(自重贯入深度)完全被支撑在海底(S)上。该桩已进入海床达到其自重贯入深度(SWP)，在起重机脱离后仅由船舶(A1)和夹持器(G)支撑。

图4：操作阶段III，其中在桩的顶部安装了驱动锤(H)，以将桩驱动进入海底(S)。锤(H)为桩增加了可能需要补偿的额外质量。

图5：传感器套件，其包括船舶绝对位置传感器(S1)、夹持器相对位置和力传感器(S2)、单桩位置和绝对倾斜传感器(S3)，起重机荷载传感器(S4)和单桩插入深度测量函数(S5)。注意，可以根据需要，如在其他地方所描述的，使用更多、更少和/或不同的传感器(未示出)。夹持器相对位置和力传感器S2可配置为输出该夹持器的相对位置和当前力的指示。此外，单桩位置和绝对倾角传感器S3可以实现为相对传感器，其测量相对于例如船舶或例如夹持器的单桩位置和倾斜度，然后利用坐标变换来计算绝对参考中的位置和倾斜度测量。除了将S3安装在船舶上，S3也可以位于夹持器或系统的任何其他结构上。在任何情况下，绝对倾斜传感器S3可配置为输出单桩绝对倾斜的指示。起重机荷载传感器S4可以配置为输出起重机负荷的指示。单桩插入深度传感器S5可配置为输出单桩插入海床的深度的指示。

图6：控制系统。在所示的实施例中，控制器(C1)使用船舶绝对位置传感器(S1)，夹持器的位置和力(S2)，单桩位置和绝对倾斜度(S3)，起重机载荷传感器(S4)和单桩深度(S5)的信息，以优选方式移动致动器(Y1)以稳定单桩的位置。可以使用更多，更少和/或不同的传感器。每个传感器都可以由复数传感器组成，其输出由传感器融合进行融合，以得出所述传感器最准确，最可靠的测量值。可选的人用户界面(H1)允许控制器在不同的操作模式之间进行切换。控制器还可以具有监视功能，自动执行操作模式之间的这种变化，例如上述定义的操作阶段。

图7：本发明的优选实施例。在此实施例中，整个控制系统(C)以“嵌套控制环路”方式描述，显示了三个嵌套反馈环路，其中一个并行环路可以代替外部两个环路。一般来说，整个控制系统至少可以有两个嵌套的反馈环路：内部反馈环路和外部反馈环路，该内部反馈环路可以是力控制环路，用于调节单桩联接的刚度和阻尼；该外部反馈环路用于运动补偿，如本公开的其他地方详细说明。外部反馈环路可确定联接的所需刚度和/或阻尼，并为内部反馈环路提供适当的设定值，然后内部反馈环路根据这些设定值执行力控制。作为第三反馈环路，包含上述两个反馈环路，可用于控制单桩的倾斜度控制。

插图(灰色)显示了以灰色表示的系统的更详细的典型实施例，示例性“IMU,GPS和/或电机编码器测量”块包括如图所示的多个子系统，即至少一个IMU(惯性测量单元)，至少一个GPS接收器(全球定位系统接收器)，一个或多个外部校正信号的选项，例如，MarineStar、PPP或RTK校正。但是，可以提供其他子系统和/或组合(未显示)。作为参考，示出了一个传感器融合的框，为运动补偿控制器提供输入。

图8：控制系统，根据本发明的实施例，以另一种表示形式显示，用通过监控控制器配置的单个MIMO控制器(多输入多输出控制器)替换嵌套的单个子系统。监控控制器可以配置为改变MIMO控制器内部的状态和/或改变控制增益、变量或操作模式。单桩倾斜度测量和相关的PI控制器(比例积分控制器)显示在MIMO的“外部”仅供参考，也可以包括在MIMO结构的内部，例如上述任何其他子系统。在此示例中，力控制器(FC)将其控制输出信号传递给电动机，例如，夹持器的电动机，例如电力，液压和/或水力马达型(作为选择，同时具有常规的以及二次控制的水力马达)。

图9：控制系统在操作阶段I期间的配置。控制系统利用夹持器跟踪并紧握单桩。控制系统通过设置刚度来抑制桩的过度运动。单桩位置控制器充当阻抗控制器，可以更改刚度和/或阻尼，例如，作为起重机荷载的函数，例如，通过降低起重机荷载使刚度升高。在此，监控控制器可以动态调整控制器的设置、增益和运行状态。

图10A-10B：控制系统在操作阶段II期间的基线配置(图10A)和显示为替代配置(图10B)的配置，但也可以提供其他配置。在这些实施例中，如果船舶处于安全操作位置，则控制系统通过刚性位置控制设置和倾斜控制器使单桩直立。如果船舶不在其安全的操作位置(例如达到工作区限制或过度的DP漂移)，则则控制器使用组合式船舶-单桩控制器(船舶-单桩位置控制器-VMPC)，也称为“星型控制器”，稳定船舶和单桩。

图11：控制系统在操作阶段III期间的配置。在桩驱入过程中，控制系统使单桩保持直立，并且在本实施例中，还降低了单桩位置控制器的刚度和/或阻尼，作为单桩在海底的贯入深度的函数。

具体实施方式

应当注意，附图是示意图，不一定按比例，并且对于理解本发明不需要的细节可能已被省略。与实施例相关术语“向上”，“向下”，“下方”，“上方”等，除非另有说明，否则以附图所示方位为准。此外，至少基本相同或执行至少基本相同功能的元件用相同的数字表示，其中使用字母后缀进行个别化是有帮助的。

此外，除非另有说明，否则“可拆卸”和“可移动连接”之类的术语旨在意味着可以基本上断开各个零件，而不会损坏或破坏任何一部分，例如，不包括部件是整体的结构(例如焊接或成型为一体件)，但包括部件通过或作为配合的连接器，紧固件，可释放自紧固特征等连接的结构。

在下文中，描述了本文披露的系统的实施例和变体。

一实施例包括控制系统，这里也被称为“X控制盒”和包括计算机(计算设备)和传感器的硬件套件，其允许对现有运动补偿式桩夹持器进行改装，以允许安全且准确的桩安装。X控制盒也与外部传感器(例如MRU和IMU)和GPS/GNSS系统以及用于单桩位姿测量的自定义传感器组合使用。X控制盒与此类外部传感器的组合称为X-控制套件。X控制盒和X-控制套件能够实现单桩(作为结构的非限制示例，尤其是细长的结构)从浮动起重机船舶到海床的安全且高精度的安装。

与X-控制套件适配的夹持器可能需要在X-Y方向的至少一个或至少两个度的运动，且可能需要一个或多个力传感器以向控制系统提供输入信号。另外，也可以使用其他输入信号，例如电动机电流。

X控制盒，或通常是控制系统，使用内部力环作为主要控制系统(中央力控制系统)，其目的是(a)可以改变船舶至单桩界面(联接)的刚度和/或阻尼，例如，通过防止定义过高或定义不足的情况，使得能够防止控制不稳定甚至使其不可能发生；以及(b)对于波动和海风诱导运动的运动补偿，桩夹持器的一个或多个动作可以发生，并且可能会独立于船舶和单层之间的联接刚度而独立进行。这可能会使DP系统的运动和反作用力与桩夹持器的运动解联接。例如，刚度和/或阻尼的变化可能取决于外力和/或外部条件。

通常，例如，通过内部力环，控制系统计算在单桩和船舶之间合适的联接刚度和/或阻尼，作为基于(可能是瞬时)起重机载荷数据(例如，悬挂在起重机中时稳定桩)或基于夹持器和单桩(通常基于外力和/或外部条件)之间测量的力的大小的选项。

作为首选选项，控制系统根据(可能是瞬时的)单桩插入海床的插入深度数据计算在单桩和船舶之间进行合适的联接刚度和/或阻尼(以使桩在被海床牢牢支撑时解联接，避免DP系统失稳)。还可以或可选地基于其他因素和/或数据，例如，基于由桩与波浪之间的相互作用产生的力的大小，来自波浪的幅度测量值，风强度测量值或来自单桩和/或船舶运动的测量值(包括其相对运动的测量值)来计算联接刚度和/或阻尼。

在一些示例中，即使在船舶的动态定位系统(“DP系统”)失效、漂移或完全缺失的情况下，控制系统也可以计算运动响应，以使用船舶-单桩的组合系统来稳定桩直立。

这种系统与已知系统的不同之处在于，目前桩夹持器控制系统的焦点仅集中在用于运动补偿的定位任务上，这具有许多显着的缺点，这些缺点将在下面解释。此外，当桩基本插入海床时，船舶动态定位系统无法以严格的精确设置支持桩安装，这一点在此之前没有得到解决。此外，目前的系统没有在所有操作步骤和阶段(例如，本公开别处阐述的操作阶段)期间利用力信息来不断调整桩、夹持器和船舶之间的联接中的刚度和阻尼参数，以显着减少在桩夹持器上的外力。

下面解释本公开的各个方面。可以看出现有技术和浮动桩装置的一些关键问题：

带有起重机回转运动桩(例如单桩)进入桩夹持器时的碰撞力可能非常巨大的，并且如果它是位置控制的，则可能会损坏桩夹持器驱动系统(通常，位置控制系统将被设计为“刚性”，以便达到良好的位置跟踪性能)；

当桩悬挂在起重机上并插入桩夹持器中(同时仍受到波浪和风力)时，和/或将桩下降到海床时，通过对桩施加阻尼，从桩(例如单桩)中去除能量，直到桩停在海床上，对于纯位置控制的桩夹持器是不可能的。因此，桩和夹持器之间将产生较大的界面力，这可能会损坏夹持器驱动系统和/或桩本身；

当从起重机悬挂的桩(例如单桩)被降低到海床时，它将在某个点卸载起重机(特别是当桩开始搁置在海床上时)。现在，如果运动补偿(例如，通过夹持器)只是简单地“打开”，则如果太早打开，可能会导致桩和夹持器/船舶之间产生显着的界面力，因为夹持器会产生相对于船舶的相对运动，因此起重机会刚性地附着在船上。另一方面，如果运动补偿“开启”太晚，则会导致桩身倾斜，导致桩掉落的重大风险；

当桩通过自重搁置在海床上并且起重机被拆卸(例如，更换工具)时，桩夹持器的位置控制器只能在桩倾斜发生时检测到倾斜，这也会导致船舶漂移(通过将桩推向船舶/夹持器)。这可导致运动补偿桩夹持器可快速达到达到其主动工作空间的冲程末端限制的情况。这很快就会导致非常危险的情况，其中桩不再受控制，因此可能造成(可能是灾难性的)损坏。这种影响可能会因偶尔发生的动态定位漂移(DP漂移)而被放大，众所周知，动态定位漂移可在任何给定时间发生，并且高度依赖于DP系统及其配置；

即使使用高精度DP系统，漂移也会经常发生，并且可能在数米范围内。这就是为什么夹持器的典型工作空间也在数米范围内，例如在X和Y方向上±3或±4米。

当未连接到起重机的情况下平衡桩时，任何DP漂移都会导致位置控制的夹持器快速移向其冲程末端之一(例如，在几十秒或几秒内，例如1-3分钟)。如果实际上达到了任一冲程末端限制，则桩会因其变得不可控而容易掉落；

DP系统通常太慢，无法成功地对下落或“即将下落”(单)桩的动态做出反应(时间常数约为一分钟)。因此，即使在桩夹持器与动态定位系统进行控制集成的情况下，仅靠DP系统的响应也不太可能阻止条件不良的桩的掉落；

因此，很难长时间成功地平衡质量和惯性接近船舶质量和惯性的(单)桩，特别是在涉及明显非零的风和波浪的不利天气条件下；

在桩上安装桩驱动器后，桩的总质量与没有桩驱动器的桩相比甚至会增加，并且质量中心可能会移动，并且需要例如非常精确地布置DP系统，以确保良好的位置保持的定位行为；

当将桩打入海床时，桩与海床之间的刚度增加会导致DP系统出现不稳定(特别是通过外部约束引起的控制失稳)，从而导致DP系统出现较大的漂移和振荡。然后，这会在桩、桩夹持器和/或船舶上产生显着的力。这种情况可能会导致一种不可控制的情况，在这种情况下，桩可能会向任何方向掉落并可能造成重大损坏。当桩对土刚度增加时，最有可能发生这种不稳定。作为一种替代方案，人们可能会认为可以放宽DP系统的精度设置。然而，如果这种调整进行得太早，则可能会导致漂移，并且可能会使单桩倾斜，和/或导致夹持器的冲程末端，这可能会导致在最佳情况下安装超出公差范围。如果这种调整进行得太晚，那么不稳定可能已经发生，并且至少在大多数情况下无法避免桩的掉落。

特别地参考附图，注意以下内容。

下面更详细描述的本发明的实施例通过在作为运动补偿控制系统的中心元件的桩夹持器的至少一些驱动器上实施基于力控制的方法来解决上述一个或多个问题。这允许直接检测桩和夹持器/船舶系统之间的界面力，从而更快地对潜在的条件不良的情况或可能导致桩条件不良的情况做出反应。此外，力控制方法使得实现可以修改联接刚度和/或阻尼的阻抗或导纳控制的可行性。此外，倾斜控制可用于确保在操作期间保持桩倾斜优选为零或在零附近的预定义的公差范围内。

此外，在一实施例中，控制系统以及可能的传感器套件然后利用围绕中央力控制系统的外部位置控制环路，以便执行期望的运动补偿，以消除海洋和风引起的船舶到夹持器的位置漂移的影响，从而将桩插入其中。在这里还可以实现阻抗控制：运动补偿控制环路计算期望的刚度和/或阻尼，并向内力控制环路提供期望的力以实现这样的刚度/阻尼。此外，所提供的力也考虑到为运动补偿控制提供充分的响应。

除了这种(可能是嵌套的)运动补偿控制之外，运动补偿控制可以基于感测地球坐标，例如经由IMU和GPS系统，中的船舶绝对位置和旋转，实施例还包括专用桩倾斜控制器，其确保或至少被配置为确保单桩可以在所需的垂直安装公差内安装。

另外，在此公开的控制系统的实施例包括桩和船舶平衡在一起的模式，以从当DP系统发生故障或表现不佳时或者当由于其他原因接近冲程末端时的情况中恢复。

所提出的独特且新的力和位置控制组合允许主动调整船舶/夹持器和桩之间的界面的刚度和/或阻尼。通过驱动器中的力控制方法与外部位置控制环路的组合，可以实现阻抗控制。因此，根据任务和操作步骤，桩和船舶可以以不同程度的刚度和阻尼(阻抗)联接或分离。根据操作步骤的不同刚度和/或阻尼设置的非限制性示例如下。

-当桩悬挂在起重机中时，在到达海底(“桩下降”)之前，控制系统中可以使用“柔软”(低刚度)和/或主动“阻尼”来减轻过大的力，可能会牺牲一些定位精度；

-当桩伸入海床土壤并开始通过其自重(“桩自重贯入”)在土壤上(和/或部分在土壤中)稳定时，可调节(最好：在线调节)刚度和阻尼例如以稳定桩；

-一旦起重机部分卸载了桩，关于起重机荷载的测量信息可以允许配置控制系统，例如缓慢地增加或减少至少部分运动补偿控制(以及可能的刚度和阻尼中一项或两项)，可能地，取决于桩在海底上和/或海底中的支撑程度，从而减少作用力，并将船舶、起重机/吊钩、桩夹持器和单桩之间的冲突的(尝试的)相对运动降至最低；

当桩完全自支撑(“桩平衡”)时，控制系统可以快速检测其力控制系统内的任何力偏差，可以使用来自与例如相关的多个位置和/或定向测量传感器的传感器数据。例如以地球绝对坐标系表示来计算最佳运动补偿，并且优选地同时确保维持桩倾斜度。这允许调节，特别是：最小化系统中的力的大小，优选地在任何时候。桩倾斜度可以通过测量得出，并且可以在线实时地反馈到控制系统中(例如，与控制系统的采样率相关联或者甚至以控制系统的采样率)。

在优选实施例中，如果发生过度DP漂移事件并且桩夹持器控制器无法通过这些装置拒绝，则例如通过监控系统启用可选的专用“组合式船舶-单桩控制器”。组合式船舶-单桩控制器(或控制)可以考虑和/或使用(单)桩的质量来影响船舶位置并帮助DP系统恢复。在DP系统部分或完全不起作用或不存在的情况下(例如在桩平衡期间)，该可选控制器还能够在延长的时间内稳定桩/船舶系统。通过这种方式，该系统可以有效地抵消DP漂移，并提供安全可靠的解决方案，防止桩出现不良状况。同时，在标称操作下，系统可以确保高度精确的桩倾斜度，因为桩倾斜度被积极地用在控制系统中，因此可以在行业要求的公差范围内实现。

在稍后阶段，当桩被驱入海床(“桩驱入”)时，来自单桩插入深度的传感器数据可以允许或可以用于通过改变夹持器系统的机械阻抗来改变船舶/夹持器和单桩之间的刚度和/或阻尼。随着桩进入海床，系统可以缓慢且连续地降低刚度和/或阻尼，以随着插入深度的增加而缓慢地将桩与船舶分离。即使选择高精度设置进行位置保持，这也可以防止出现DP不稳定的情况，这对于整个操作也是优选的。机械联接阻抗的调整允许在大范围的天气条件下安全地安装桩。

在最后阶段，当桩完全插入到插入深度时(“夹持器缩回”)，并且当夹持器需要打开时，船舶将与桩完全脱开。然而，为了防止(例如，由于波浪引起的船舶过度运动)对桩夹持器的损坏，可以将优先级转移回当前的控制系统中，以支持更好的运动补偿，并使用更严格的致动器设置。这使得能够最小化夹持器和桩之间的相对运动，并且能够实现或简化夹持器从桩的安全且无故障的抽出。

图1显示了供参考的系统描述。漂浮在水面上的船舶(A1)配备有起重机(A2)、夹持器(G)和控制系统(C)。夹持器(G)固定单桩(P)。船舶和单桩(P)受到海风(W1)和波浪(W2)力的干扰。单桩安装在海床(S)上。单桩需要安装在地球参考系中的正确位置(X、Y坐标)，并与Z轴垂直对齐。

单桩(P)需要安装在地球坐标中的精确X、Y位置，并在多个主要安装阶段由船舶(A1)、起重机(A2)和桩夹持器(G)同时安装。

在第一阶段，将单桩(P)悬挂在起重机上，然后将其降低至海床上。此阶段包括从突出水面的自由悬挂桩、到突出在水线里面的桩、到进入夹持器的桩、直到完全被夹持器抓住的桩的所有过渡，夹持器通常具有一些打开的门(为简单起见，此处未显示)。通常，通过起重机的回转运动将桩插入到夹持器中，然后通过用滚轮箱和/或其他夹持器部分关闭和闩锁大的圆周门。在插入过程中，桩夹持器可以主动跟踪桩的位置，以保持桩夹持器与桩之间尽可能少的相对运动。

然后，夹持器可以通过相应的执行机构和驱动系统在1或2个自由度(为简单起见，用X和Y表示)上主动地沿水平方向移动；

竖直方向Z通常是被动的，并且桩可以顺着一些滚轮沿该轴线自由且被动地移动。

图2显示了操作阶段I(“桩装载”、“桩下降”)，其中单桩(P)仅由起重机A2支撑并插入夹持器(G)中。

图1显示了操作阶段II，其中单桩(P)通过其自身重量完全支撑在海床，或：“海底”(S)(“桩平衡”)。该桩已进入海床到达其自重贯入深度(SWP)且仅由船舶(A1)和夹持器(G)支撑。

图4显示了操作阶段III，其中在桩(P)的顶部安装了驱动锤(H)，以便将其驱动进入海底(S)(“桩驱入”)。锤(H)为桩增加了需要补偿的额外质量。

请注意，此处使用(单)桩用于说明目的，但相同的阶段和问题适用于(安装)任何其他通常相对长且细(即，细长)的结构，或者可以同样适用于其他底部固定的安装结构。

在阶段I(图2)期间，作业中一个具有挑战性的部分是将桩插入夹持器(G)(“桩装载”)，另一个具有挑战性的部分是将桩下降到海床(S)(“桩下降”和“桩自重贯入”)。

在典型作业的阶段II(图3)中，桩(P)已完全降至海床，并且起重机已断开连接。在这种情况下，除了海底(S)之外，桩(P)仅由船舶(A1)和夹持器(G)支撑，并且需要在没有起重机(A2)连接的情况下进行平衡(“桩平衡”)。起重机通常会断开连接以更换工具，从起桩辅助装置到桩驱动器。

从阶段I到阶段II的过渡是具有挑战性的，因为在阶段I，在将桩放置在海床之前，不能使用运动补偿(夹持器G与船舶和起重机一起移动)，而在当桩接触海床时，必须使用主动运动补偿来平衡桩(P)并防止桩掉落(即翻倒)，并补偿船舶相对于海床在X和Y位置的相对变化。

在阶段I，桩(P)下降到海床直至其自重贯入深度(SWP)，这是桩由于自身重量而下沉的插入深度，取决于海底以及桩的质量和几何形状。

在第三操作阶段，阶段III(图4)中，桩驱动器或锤(H)安装在桩(P)的顶部，以便将桩打入海床(S)中的最终安装深度。

锤(H)和起重机(A2)之间的连接需要保持松动，以便在打桩时允许锤(H)被动跟随桩(P)(沿-Z方向)。

操作阶段III的一个主要挑战是，当桩(P)和海床(S)之间的刚度达到一定值(类似于停泊的船舶)时，船舶(A1)动态定位系统的高增益设置可能导致船舶(A1)、夹持器(G)、桩(P)和锤子(H)的连接系统的控制不稳定。

由于波浪(W1)和海风(W2)在所有阶段都会对船舶(A1)和单桩产生干扰，因此在海床(S)上安装单桩(P)具有挑战性。当单桩位于海床上且没有起重机支撑(或没有足够的入海深度)时，单桩不稳定并且可能掉落。

当船舶(A1)未系泊且未顶升时，由于单桩(P)作用在船舶(A1)上的力，船舶可能会发生漂移。这可能会导致单桩掉落。

当船舶(A1)使用动态定位系统(DP系统)时，船舶(A1)和海床(S)之间通过桩(P)的联接可能会导致在操作阶段III不稳定，或者，可导致在操作阶段I或操作阶段II时，船舶(A1)、夹持器(G)和桩(P)组件的漂移，从而导致无法将桩安装在准确的X，Y位置上，和/或可能导致桩倾斜(可能导致桩掉落)。

DP系统的操作模式对于海上作业领域的技术人员来说被认为是已知的。DP系统允许使用可调节推进器定位船舶，以在一定程度上补偿船舶位置漂移，并在工作现场上方执行位置保持。它主要作用于低频扰动，例如洋流和海洋风环境中的长频变化。然而，每个DP系统都有监视圈，在该监视圈内它会围绕其设定点漂移。已观察到大的漂移可能会突出到常规监视圈之外，在非标称情况下偏差可达数十米。

本公开主要涉及控制系统(C)以及相关的传感器和测量套件(S1-S5)(图5)，其可以与能够相对于船舶(A1)，在X-Y方向执行至少水平运动的桩夹持器(G)的机械实现相连接。控制系统(C)的任务是在没有起重机支撑的情况下稳定单桩直立，并且在一些实施例中防止船舶在没有DP系统的情况下或在DP系统反应太慢的情况下发生漂移。此外，在一些实施例中，控制系统(C)的任务是主动改变船舶(A1)和桩(P)之间的联接刚度和/或阻尼。

图5显示了传感器套件，包括船舶绝对位置传感器(S1)、夹持器相对位置和力传感器(S2)、单桩位置和绝对倾斜传感器(S3)、起重机荷载传感器(S4)和单桩插入深度测量功能(S5)。

本发明优选实施例中的传感器和测量套件包括以下传感器和测量功能：

-(S1)船舶绝对位置传感器和相关测量功能。这些传感器可以包括至少一个惯性测量单元(IMU)，例如集成三个加速计和三个陀螺仪以测量其自身在地球参考系中的运动的单元，至少一个用于地球坐标系中绝对位姿估计的GPS接收器，并且还可包括多个IMU和GPS、或GNSS系统以及其他外部传感器，例如用于基于GPS的校正信号，可以将其合并(融合)到船舶绝对位置测量功能中。优选地，船舶绝对位置传感器包括与冗余差分校正GPS/GNSS系统组合的两个冗余惯性测量单元(IMU)。然而，S1传感器可以包括更多、更少和/或不同的传感器。S1传感器可以放置在船舶甲板上和/或靠近夹持器的位置，并且可以将附加输入与GPS校正信号结合使用以提高准确性。在任何情况下，传感器S1被配置为输出船舶的绝对位置和/或定向(位姿)的指示。

-(S2)夹持器相对位置测量传感器和夹持器力传感器导致夹持器相对位置测量或力测量功能。夹持器的位置测量可以例如由安装在致动夹持器水平运动的夹持器致动器中的编码器或霍尔传感器来执行。夹持器力传感器可以例如是安装在夹持器致动器和负责滚轮箱的X-Y运动的相应可移动夹持器结构之间的力感测元件。工业标准称重传感器可用于此测量，或者也可用于从其他测量中推断荷载的信息，例如电力驱动器中的电机(电枢)电流或液压驱动机器中的压力传感器。优选地，在至少一个传动系(负责致动夹持器的水平运动的2个主轴之一)的至少一部分的输出处或在每个单独传动系上实施力感测。

-(S3)单桩位置和绝对倾斜传感器以及测量功能，其从直接测量或间接测量组合得出地球坐标系中的位置和绝对单桩倾斜度。桩(P)绝对倾斜度可以直接从IMU和/或GPS/GNSS数据和/或从可直接应用于桩(P)或锤(H)的其他传感器接收，和/或其也可通过组合测量(例如距离数据测量与船舶绝对位置的组合)来获得。这可以例如从激光测距数据、相机数据和/或从其他距离测量(例如，激光雷达(LIDAR))获得，例如从船舶对桩进行的激光雷达测量，如图5所示，和/或与(S1)的传感器数据和/或与专用绝对位置(位置和旋转)测量传感器相结合，用于桩倾斜系统(然后，通常也基于GPS/GNSS和/或IMU)。这也可以从安装在桩夹持器本身上的传感器获得。

-(S4)起重机荷载传感器和测量功能，其利用当前已知的方法例如称重传感器和/或经由起重机提升系统中的电机电流直接和/或间接地测量起重机中的单桩的荷载。优选地，起重机荷载测量是从直接安装在缆索(吊钩)和单桩接口之间的荷载传感器获得的。

-(S5)单桩插入深度测量功能可以通过业界已知的多种方式实现。测量插入深度的一种简单方法是通过起重机系统，在操作阶段III将桩打入海床(S)期间监测锤(H)的位移。但其他直接和/或间接测量方法也是可能的且是可以设想的。优选地，插入深度测量包括船舶到海床测距数据(例如声纳)与夹持器数据的组合，例如从夹持器滚轮箱中的Z滚轮获得(可能直接获得)的编码器数据，该滚轮箱其是夹持器(G)和桩(P)之间的接口。

上述任何传感器和测量功能可以由传感器直接或间接实现，而不丧失本发明的适用性，并且出于安全原因，优选地用于或需要传送测量数据以执行测量功能的所有传感器将是完全硬件冗余的并且/或可热插拔的。

还可以使用其他测量功能，例如至少部分桩(未示出)的绝对位置测量(X，Y坐标)。

图2显示了控制系统。在此示出的系统中，控制器(C1)使用船舶绝对位置传感器(S1)、夹持器的位置和力(S2)、单桩的位置和绝对倾斜度(S3)、起重机荷载传感器(S4))和单桩深度(S5)的信息，以优选方式移动致动器(Y1)以稳定单桩的位置。根据操作阶段，控制器可以使用这些传感器中的任意一个、一些或全部。可选的人用户界面(H1)允许控制器在不同的操作模式之间进行切换(例如，从一个操作阶段过渡到另一个操作阶段)。

因此，所示的传感器套件(S1-S5)最终处理并读取船舶(S1)和起重机荷载(S4)的绝对位置、单桩的绝对倾斜度(S3)、单桩的绝对插入深度(S5)和机械夹持器(S2)的几个、优选地所有可移动轴的相对位置和力。该信息被传递到控制器(C1)。

控制器作用于机械夹持器致动器的位置和力(Y1)。

用户界面(H1)允许更改控制系统的功能。

在所有三个阶段的单桩安装期间，所提出的控制系统的优选实施例将完成与三个主要操作阶段相关的许多任务，并将确保这些阶段之间的平稳过渡，尤其是，

-在阶段I期间，控制系统(C)确保桩中的能量消散，并且桩可以安全地插入桩夹持器(P)，

-在阶段I到阶段II的过渡期间，控制系统(C)确保运动补偿控制的斜坡上升与桩下降到海床(S)和卸钩同步，

-在阶段II期间，控制系统确保单桩保持和/或将保持垂直，

-在阶段II到阶段III的过渡期间，控制系统(C)保持单桩稳定，和

-在阶段III期间，控制系统确保单桩逐渐与船舶和DP系统分离，并逐步插入海底。

在此未示出的整个桩-夹持器系统的所有控制功能，如果对于整个控制系统不是必需的，通常可能被认为是相关的，可认为是“标准实践”。这些功能和特征包括但不限于例如操作致动器、准备夹持器接收数据、开启和关闭系统、记录数据等的控制系统特征，并将包括“标准”SCADA系统、人用户界面、图形用户界面以及工业控制系统领域的技术人员认为适用的所有其他标准系统。在此未描述的所有此类功能都需要完全操作桩夹持器并执行和协调所有标准任务，例如记录数据、移动部件、开门、激活安全系统、激活热监控和控制、预热等。那些被认为不是本发明所必需的部件可采用多种不同的形式，因此在本公开中没有更详细地描述。

图7显示了本发明的优选实施例，以“嵌套控制环路”方式描绘了整个控制系统(C)，示出了三个嵌套反馈环路，其中一个并行环路可以代替外部两个环路。插图(灰色)示出了灰色显示的系统的更详细的典型实施例，“IMU、GPS和/或电机编码器测量”的方框包括多个子系统，如图所示，即，至少1个IMU、1个GPS接收器、外部校正信号(例如MarineStar、PPP或RTK服务)的选项，输入传感器融合算法，并与来自夹持器机构(编码器等)的反馈信号一起形成测量信号的输出。然而，在其他实施例中，可以使用更多、更少和/或其他子系统。

本发明优选的总体控制系统(C)(C1)是这样的系统，其负责成功操作桩夹持器，并负责执行主动运动补偿和桩的定位以达到要求的安装性能。优选的控制系统布置如图7所示，包括以下关键元件：

-监控控制器(SC)，负责监督各个操作阶段的各种控制操作的协调。监控控制器可以全自动方式实现，或者可以通过人用户界面(H)依赖操作员提供人工输入；

尽管图7中未显示，但监控控制器(SC)可以(单向或双向)链接到任何或所有系统，并可能记录任何或所有可能对操作感兴趣的必要数据，或稍后用于后处理和/或实际安装性能分析；

-这样的数据可包括或者是例如与任何或所有子系统、端开关、编码器、位置传感器等相关的数字状态数据的至少一个选择；任何或所有子系统的模拟数据，例如压力、扭矩、电流等；也可以转换为数字数据，以下各种传感器的任何或所有传感器数据以及控制系统感兴趣的任何或所有其他数据，根据需要执行“决策”或需要显示和潜在的记录给操作人员；

-人用户界面(H)，向一个或多个操作员提供信息，并配置为还接收来自一个或多个操作员的人工命令，例如以影响任务的执行；

-力控制子系统(FC)，其控制与主动运动补偿相关联的桩夹持器的任何或每个可移动部件中所涉及的至少一个或每个驱动器的力和相应的扭矩。尽管未在图中明确示出，但是FC的一个或多个、优选地所有增益和/或参数可以由监控控制器调节。然而，在本发明的另一优选实施例中，该子系统的增益和参数可以保持恒定。

-位置控制子系统(PC)，其控制部分或全部桩夹持器可移动部件(特别是带有桩的滚轮箱)相对于船舶的位置，从而控制相对于地球坐标系的位置。该位置控制子系统(PC)还可以充当阻抗控制子系统(IMPC)，通过可调节增益和参数，确保可以主动影响夹持器的一个或多个可移动部件的表观刚度和阻尼。可以基于传感器反馈和/或人工输入且由监控系统来执行这种参数改变。

-倾斜控制子系统(IC)，其控制单桩的倾斜并且其被配置为使得桩的倾斜能够(优选地：始终)保持在所需的安装公差内。倾斜控制子系统可以“开启”或“关闭”，尽管图中未示出，但其增益和参数也可以由监控控制器实时调整。

-本发明的第四功能子系统是可选的，并且在一个方面也可以在其他控制系统中使用，该第四功能子系统是组合式船舶-单桩控制器(VMPC)，其被布置为使得其可以使用船舶和单桩各自的质量，以稳定组合动力系统。在操作时，可能会对倾斜控制子系统(IC)施加影响，故意在桩倾斜中产生偏移，以便在船舶上施加可以快速抵消任何启动船舶漂移的力，或者有意抵消船舶动态定位系统(DP系统)漂移。

-一些或所有控制子系统可以由监控控制器基于传感器反馈和/或基于通过人用户界面(H)的人为选择来独立地激活。

-监控控制器(SC)可以利用整个系统的传感器输入来选择何时激活哪个控制系统以及使用其底层控制器的哪个参数集。在本发明的优选实施例中，监控控制器(SC)将至少接收来自起重机荷载测量(S4)的实时输入和来自单桩插入深度测量(S5)的测量，该测量可以至少部分地产生来自起重机荷载测量(S4)。

-控制系统可以使所有子系统处于活动状态，或者可以在任何时间仅激活任何一个子系统或子系统的组合处于活动状态，另外具有可调节增益，以确保在一些或所有操作阶段成功且安全地安装；

-各个子系统中的部分或全部实际控制器可以通过例如标准比例(P)、积分(I)和微分(D)动作来实现，可以根据标准实践要求以任何组合和尽可能多的阶段来实现，也可以采用更先进的标准控制器。

例如如图8所示，一些或所有控制子系统可以接收独立输入并提供独立输出，或者可以级联、分组，或者可以概括为单个多输入多输出(MIMO)控制系统，而不会失去通用性。子系统控制器的任何组合可以被分组到MIMO系统中，并且任何子系统可以被或可以不被包括或保留在这样的MIMO实现之外，而不丧失本发明的适用性。

图8显示了控制系统，作为本发明的实施例，以替代表示形式示出，用通过监控控制器配置的单个MIMO控制器来替换嵌套的单独子系统。单桩倾斜测量和相关的PI控制器，仅作为参考，显示在MIMO“外部”，也可以包含在MIMO结构内部，例如上述任何其他子系统。力控制器(FC)将其控制输出信号传送至电动、液压或液压马达类型的电机。

主子系统、力控制(FC)子系统被布置成使得其接收期望的扭矩或力设定值作为输入，并将控制信号作为输出传送至致动器，致动器被配置为处理这样的输出，例如以机械方式对夹持器可移动部件产生等效的扭矩或力。

-致动器的机械输出可以直接施加到负责X或Y运动(或两者)的桩夹持器的可移动结构，或者可以通过减速器联接到输出结构。致动器可以是本领域目前已知的任何致动器，例如所有变型(同步、异步、步进等)的电动马达、所有变型(例如主控制或辅助控制型)的液压马达(液压马达)、本领域当前已知的各种型号的液压缸或被认为适合该应用的任何其他致动器。本发明的优选实施例是力控制子系统，其被配置为测量来自具有小减速比(例如，减速比在10:1至100:1之间)的减速器的电动致动器的实际扭矩并直接由传感器测量该减速器的输出扭矩，并将该扭矩反馈给力控制子系统(FC)。

-用于扭矩控制子系统的力和/或扭矩传感器可以通过标准工业组件(称重传感器)来实现，例如基于应变计测量，或者可以通过适合于测量单独传动系的输出处的扭矩的任何其他测量原理来测量；

-或者，也可以使用间接方法基于给定致动器的输入来估计其输出扭矩。这种间接方法是本领域已知的，并且可以是例如基于流经直流电动机的(电枢)电流的测量。可以实施各种解决方案。

-除了测量输出力和/或扭矩之外，优选地直接在将运动施加到夹持器的机械致动器的机械输出处，还可以测量致动器的位置变化并将其反馈到力控制系统和/或至监控控制器和/或至其他相关的控制子系统。在本发明的优选实施例中，电驱动器的编码器反馈信号将被馈送到位置控制子系统(PC)；

-在本发明的优选实施例中，力控制子系统被实现为一系列PI或PID控制器，每个致动器传动系统一个控制器；

-例如用于夹持器的X位移的一个致动器传动系可以包括多个致动器，例如齿条齿轮配置中的多个电动机，或者例如串联或并联连接的或任何串联和并联配置的多个液压致动器。另外或替代地，致动器传动系也可以与位移方向联接起来，例如具有控制夹持器的两个水平方向的(子)组的一组致动器；

在本发明的优选实施例中，夹持器位置控制(PC)子系统嵌套在力控制子系统周围，该力控制子系统被布置为遵循给定的参考位置输入并产生对力控制子系统的输出。特别地：

-位置控制子系统接收来自传感器和测量功能(S2)的信息，该传感器和测量功能提供有关夹持器可移动部件相对于固定在船舶上的静态部件的定位的位置信息。例如，通过安装在负责定位夹持器的致动器之一上的电机绝对旋转编码器，可以沿着齿条测量输出轴(小齿轮)的位置，从而控制系统可以从齿条及其参考位置推断出小齿轮的相对或绝对位置。另外或替代地，可以测量沿着齿条的电机位移的直接线性测量。另外或替代地，除了提供来自致动器的位置反馈之外，还可以等效地或附加地提供系统的各个元件的速度信息。

-为了在正确和所需的坐标系中解释测量的位置信息，例如在操作的各个阶段中所需要的，由系统测量的任何位置、速度或加速度信息可以被重新计算为不同参考系中的等效位置、速度或加速度。这种重新映射可以借助许多其他传感器，例如惯性测量单元(IMU)或获取的GPS-/GNSS数据来执行。本发明可以利用任何一个这样的传感器或多个这样的传感器，例如，如图7中的灰色插图所示，其详细描述了控制系统的“IMU、GPS和/或电机编码器测量”框。可以使用各种当前已知的传感器融合方法(例如卡尔曼滤波器、观察器等)来获得控制器所需的部分或所有相关输入变量的更稳健的估计；

在本发明的优选实施例中，单桩位置控制器(PC)将通过监督控制系统接收船舶的瞬时绝对位置和/或速度和/或加速度、部分或所有致动器瞬时位置和/或速度和/或加速度，激活信号以及增益和其他变量集作为输入。

-位置控制器的布置使得通过调整其比例、积分和/或微分增益，可以在运行时通过监督控制功能调整位置控制部分的“刚度”和“阻尼”。这就是为什么位置控制子系统(PC)也可以称为阻抗控制子系统，或者也可以解释为导纳控制子系统，具体取决于实际的传感器选择；

-位置控制子系统可确保控制桩夹持器位置，使得其将桩的中心点定位在地球坐标中的期望绝对位置上。

在本发明的优选实施例中，位置控制子系统由倾斜控制子系统(IC)的输出馈电，这也可被认为是可选的，但是极大地提高了整个系统的性能。

-倾斜控制子系统可以接收绝对地球坐标系中的桩倾斜度的测量结果。如果没有以绝对地球坐标提供，则可以在倾角控制器内重新计算输入测量值以将其映射成相应的测量信号。虽然图7显示了具有单个输入的单个框，用于单桩倾斜测量的，但实际上，可以使用来自多个传感器的多个输入，这些传感器被计算以实现对实际桩倾斜的鲁棒估计或测量。

-例如，桩的倾斜度可以通过船舶的激光雷达系统进行测量，然后与船舶的INS(惯性导航系统)、IMU或GPS/GNSS信息联合重新计算，形成绝对地球坐标下的桩倾斜度测量结果。另外或替代地，还可以直接获得桩倾斜度，例如从直接安装在桩上的倾斜传感器获得，或者可以从该领域的当前实践标准的任何其他倾斜测量方法获得。

-桩倾斜控制子系统可以接收其增益参数以及来自监控系统的“开/关”信号，并且接收单桩的期望倾斜度设定点作为输入，在优选实施例中，该倾斜度设定点在本发明的优选实施例中为零设定点。

-桩倾斜控制子系统实际控制器可以用任何当前已知的标准控制结构来实现。在优选实施例中，其通过具有可变参数的PID控制器来实现。

此外，在本发明的优选实施例中，专用的组合式船舶-单桩控制器(VMPC)与单桩位置控制和倾斜控制子系统并行实现。

该控制器被布置为例如引起夹持器运动，从而在需要时稳定组合的夹持器-船舶系统。例如，如果监控控制器检测到桩倾斜度存在较大偏差，或者通过其INS系统检测到船舶的漂移，或者例如夹持器在其工作空间中不断传播并有可能到达工作空间末端限制，或者例如检测到系统中指示可能的桩掉落的其他异常，或上述情况的组合，则可以激活该系统，通过移动桩体来稳定船舶位置，从而重新定位带有桩体的船舶。为此，控制器可以利用上图中未显示的系统测量数据(例如终端开关等)，并且可以利用任何传感器输入(S1–S5)或或从这些输入得到的任何处理结果。组合式船舶-单桩控制器优选地布置为具有以下一项或多项：

-DP系统故障时平衡桩；

-以施加单桩倾斜度为代价影响绝对地球坐标中的船舶位置；

-在无法避免安装中止的情况下，将桩的倾斜度调至安全弹出位置；

在本发明的优选实施例中，由监控控制器对组合式船舶-单桩控制器(VMPC)的激活将与位置和倾斜控制子系统相关联或引起位置和倾斜控制子系统的去激活；

作为激活VMPC的替代方案或除了激活VMPC之外，监控控制器还可以随后将校正信号发送到船舶DP系统，例如通过DP系统本身的支撑使给定情况的逐渐改善，从而导致船舶漂移停止或者在其中心工作空间中再次移动夹持器端点。

控制系统可以根据执行安装的操作阶段来改变其任何子系统的激活和配置。

下面，将显示单桩安装将经历的所有三个主要阶段的优选控制系统配置。

在操作阶段I(图2)期间，本发明的优选实施例将配置为如图9所示。

-控制系统用夹持器跟踪并抓取单桩。控制系统可以抑制桩的过度移动。单桩位置控制器充当阻抗控制器，刚度和阻尼随着起重机荷载的变化而变化。

-在阶段I期间，控制系统使用船舶绝对位置传感器(S1)、夹持器传感器(S2)和单桩传感器(S3)来跟踪单桩的运动并用夹持器抓取单桩。单桩仍由起重机吊起；

-通过结合船舶和夹持器(和起重机)的移动，将桩(P)定位在所需的海床绝对位置。为此，可以实施从控制系统(C)到起重机的专用控制链路；

-控制系统通过测量单桩相对于船舶的速度、位置和力中的一项或多项，并通过调整位置控制环路刚度和/或阻尼来阻尼单桩的过度摆动运动；

-一旦单桩接触海床，控制系统逐渐从起重机稳定单桩过渡到夹持器稳定单桩，从而可以设置海洋运动补偿(补偿船舶、桩上的波浪引起的运动以及风引起的运动)以例如不与起重机发生冲突。除了图9所示的输入之外，位置控制器部分还可以接收另一专用的第二输入信号作为设定点；

-优选地，由监控控制器命令夹持器的界面刚度作为起重机荷载(由S4测量)的函数从“软”改变为“硬”，以逐渐从力减轻控制过渡到运动补偿控制。这可以避免侧向荷载损坏起重机。

-阶段I结束时，桩完全支撑在海床上。桩已下沉至自重贯入深度(SWP)，并且夹持器的运动补偿系统已准备好执行其命令以实现良好的桩位置稳定。起重机的吊钩可以拆除。

因此，图9显示了控制系统在操作阶段I期间的配置。控制系统用夹持器跟踪并抓取单桩。控制系统可以抑制桩的过度移动。单桩位置控制器充当阻抗控制器，刚度和阻尼随着起重机荷载的变化而变化，随着起重机荷载的降低，刚度逐渐增加。

如上所述，图10显示了控制系统在操作阶段II期间在基线配置(A)以及且被示出为替代配置(B)的配置的优选实施例。如果船舶处于安全操作位置，控制系统会通过刚性位置控制设置和倾斜控制器使单桩直立。如果船舶不在其安全操作位置(例如达到工作空间限制或过度的DP漂移)，则控制器会使用组合式船舶-单桩控制器(VMPC)来稳定船舶和单桩。

在操作阶段II(图3)期间，本发明的优选实施例可以配置为如图A“基线”配置所示。

-在阶段II期间，单桩由海床支撑，起重机已被释放。

-如果船舶处于安全操作位置，控制系统会通过刚性位置控制设置和倾斜控制器使单桩直立。如果船舶不在其安全操作位置(例如达到工作空间限制或过度的DP漂移)，则控制器通过组合式船舶-单桩控制器(VMPC)稳定船舶和单桩；

-控制系统使用传感器S1、S2和S3来稳定单桩直立；

-来自S1系统的传感器测量提供了地球坐标下的船舶绝对位置，来自S2的夹持器执行器系统的位置和速度信息(如果需要，可以在必要的坐标下重新计算)，以及来自S3的绝对单桩倾斜度(如前所述)。

-当监控控制器检测到以下一种或多种情况时，组合式船舶-单桩控制器就会被触发：

--船舶漂移；

--任一夹持器轴组合达到工作空间极限；

--DP系统故障；

--DP系统漂移过大；

--其他控制系统无法抵消的单桩过度倾斜；

-如果船舶位置在安全区域内并且在标称操作条件内，则控制系统使用至少一些绝对单桩位置和倾斜测量以及如前所述的其他测量数据持续地直立单桩。

-如果船舶位置不在安全区域和操作条件内，则控制系统使用船舶测量传感器和单桩测量(传感器S1至S4和/或甚至S5的任意组合)来稳定单桩和船舶。然后利用单桩的质量来间接移动船舶。一旦船舶返回安全区域并处于标称操作条件下，控制系统就会使单桩直立并继续处于桩运动补偿模式。

-对于这些配置之间的切换，图10中所示的开关(SW1)将被激活。为了避免疑义，开关可以是简单的“开/关”功能或更复杂的，例如在两个并行控制系统之间逐渐转移权限。开关(SW1)可以由控制系统和/或人工操作，例如通过人用户界面H1(未指示)。

图10(B)中示出了替代的控制系统配置，其也表示本发明在该阶段的一种可能配置：

-除了激活组合式船舶-单桩控制器之外，或者作为其替代，控制系统(C)还可以向船舶DP系统传输校正信号，这可以使得船舶DP系统或通过将此校正信号解释为力信号或通过位置信号(或通过将此校正信号解释为位置信号)或通过速度或加速度信号(或通过将此校正信号解释为速度或加速度信号)或其任意组合，而对操作状态做出响应，并以某种方式启动其推进器以帮助解决情况；

-然而，据认为，相应的DP系统往往反应太慢而无法足够迅速地从这种非标称情况中恢复。这就是为什么在本发明的一实施例中，向DP系统发送信号且并行地激活VMPC控制器可以结合使用；

-传输到DP系统的信息还可以被监控控制器用来调整VMPC、力控制器、位置控制器和/或倾斜控制器的增益和激活模式。

-此外，为了将信息传输到DP系统，监控控制器也可以使用来自DP系统的附加信息来影响其任何子系统，例如改变它们的激活、状态和/或参数以纠正这种情况。

图11显示了控制系统在阶段III期间的配置。在桩驱入过程中，控制系统保持单桩直立，并且另外根据单桩在海床中的贯入深度而降低单桩位置控制器的刚度和/或阻尼。

在操作阶段III(图4)期间，本发明的优选实施例配置将如图11所示。

-在阶段III期间，例如通过启动桩驱动器或锤(H)将单桩驱入海床(桩驱入)，然后该桩驱动器或锤(H)安装在桩的顶部；

-当被打入海床(S)时，控制系统通过激活其力控制功能、其位置控制功能以及优选地其倾斜控制功能来保持单桩直立；

-监控控制器(SC)接收与单桩插入海床的深度相关的测量输入(单桩插入深度测量)。

--为避免疑义，该测量输入可以直接测量，例如通过位于桩或桩驱动器中的传感器，和/或通过安装在围绕桩的夹持器上的传感器，或者还可以通过结合多个测量值(例如，船舶下方的深度测量、沿桩的z轴滚动的滚轮接头的编码器信号，或本领域技术人员可以合理使用的任何其他信号组合)更间接地获得该值；

-在桩驱入过程中，桩将逐渐从夹持器直立稳定过渡到由海床本身直立稳定，因为桩插入得越深，海床将与桩形成更坚硬的界面；

-为了避免DP系统出现不稳定，该系统可能被配置为最高精度(因此将接收来自刚性单桩的外部约束作为干扰)，监控系统通过调整位置控制环路中的控制增益来逐渐减少单桩与夹持器和/或船舶的之间的界面刚度，位置控制环路现在的作用类似于夹持器的阻抗控制器。

--为了避免疑义，不是通过增益调整主动降低夹持器位置控制系统中的刚度和/或阻尼，而是可以主动或被动地降低加持桩的界面处的刚度和/或阻尼。然而，据认为界面应该具有足够的工作空间以容许在期望的操作限制内进行操作。此外，例如，如果传动系统中使用液压缸，则刚度也可以被动地改变。在这种情况下，可以通过串联连接额外的液压储存器(例如充气弹簧)来降低刚度，这些液压储存器可以逐步添加到传动系统中。然而，这样的刚度变化会不太平缓，并且可以被认为是本发明的次优选或非优选实施例。

-在部分或优选地整个打桩过程中，夹持器控制器补偿由于波浪和海风使得船舶和/或桩引起的运动；

-在打桩接近结束时，当桩在目标插入深度或接近目标插入深度处牢固地插入海床时，桩与夹持器和/或船舶之间的阻抗可以设置得足够低，使得没有显着的动态相互作用可以导致DP-系统不稳定，例如将桩与船舶/夹持器及其控制系统(DP)充分隔离。

为了避免疑义，单桩安装顺序将不仅仅具有这三个关键阶段，然而，控制器在其他涉及的操作顺序期间的操作原理与上述原理类似，尽管参数和关系有变化。

当从最终安装的单桩上收回船舶时，夹持器打开并缩回，船舶可以自由地离开现场。各种刚度和/或阻尼参数以及增益参数的改变可以由监控控制器在有或没有人输入的情况下执行，同时在该步骤不改变所提出的发明的概念。

应当理解，虽然上面已经描述了控制系统，但是贯穿本公开做出的关于控制系统的任何陈述同样适用于相应的控制方法(反之亦然)。

此外，本公开不限于上述实施例，其可以在权利要求的范围内以多种方式变化。

各种实施例可以被实现为与计算机系统一起使用的程序产品，其中程序产品的程序定义实施例(包括在此描述的方法)的功能。在一实施例中，程序可以包含在各种非暂时性计算机可读存储介质上，其中，如本文所使用的，“非暂时性计算机可读存储介质”的表述包括所有计算机可读介质，其中唯一的例外是瞬态传播信号。在另一实施例中，程序可以包含在各种暂时性计算机可读存储介质上。示例性计算机可读存储介质包括但不限于：(i)其上信息被永久存储的不可写存储介质(例如，计算机内的只读存储器设备，诸如可由CD-ROM驱动器读取的CD-ROM盘、ROM芯片或任何类型的固态非易失性半导体存储器)；(ii)其上存储可更改信息的可写存储介质(例如，闪存、软盘驱动器或硬盘驱动器内的软盘或任何类型的固态随机存取半导体存储器)。

除非另外明确说明，针对特定实施例讨论的或与特定实施例相关的元件和方面可以适当地与其他实施例的元件和方面组合。