一种浮式风机的位姿测量系统以及位姿测量方法

技术领域

本发明涉及海洋技术工程领域，特指一种浮式风机的位姿测量系统以及位姿测量方法。

背景技术

在能源危机与气候危机的大背景下，风能开发以其高储量、低成本等优势蓬勃发展；随着陆上风能开发的日趋完善、科技建造水平提高等多方面因素，风能开发呈现出“由陆向海，由浅入深”的格局。离岸式风机中，浅海区域以固定式支撑基础为主，随着海水深度的增加，固定式的成本急剧增长，因而在深海区域，漂浮式支撑基础为主要方案。漂浮式方案虽降低了成本，却也带来了诸多挑战，浮式风机的位姿测量就是其一。浮式风机的位姿与其安全、可靠、高效运行有着直接的联系，而对于位姿的有效控制又由位姿的测量直接决定。因而，浮式风机的位姿测量有着重要意义。浮式风机的位姿呈现出小尺度，高频率的特征；若使用传统海工的定位系统，则会显著增加成本，因此，针对浮式风机独立设计的位姿测量亟待深入探索。

发明内容

本发明的目的是提供一种浮式风机的位姿测量系统以及位姿测量方法，通过在风姿平台上设置多个传感器，并将多个传感器信号进行数据融合，获得更为精确的浮式风机位姿。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提出了一种浮式风机的位姿测量系统，安装于所述浮式风机的风机平台上，具有这样的特征，包括：压力传感器，安装在所述风机平台的特征点上，用于测量所述特征点的压力且与计算机通讯连接；姿态传感器，安装在所述风机平台上，用于测量所述风机平台的位姿并与计算机通讯连接；波高计，安装在所述风机平台的周围，用于推演所述特征点的波高且与计算机通讯连接；声波定位器，安装在所述风机平台的底部，用于测量所述风机平台的位姿并与计算机通讯连接；其中，所述压力传感器测得的压力数据以及所述波高计测得的波高数据共同用于计算所述特征点的垂向位移，所述计算机用于接收所述压力传感器、姿态传感器、波高计及声波定位器所发出的信号并计算处理得到所述风机平台的位移，同时用于人机交互。

在本发明提出的浮式风机的位姿测量系统中，还可以具有这样的特征，其中，所述风机平台包括：塔架，具有上塔架和下塔架，支撑框架，所述支撑框架的中部向上设置有所述上塔架，所述上塔架的上部安装有风机叶轮；所述上塔架可转动的安装在所述支撑框架上，或，所述风机叶轮可转动的安装在所述上塔架上端；所述支撑框架的中部向下设置有所述下塔架，所述下塔架的下端安装有潮流能发电机构；所述下塔架可转动的安装在所述支撑框架上，或，所述潮流能发电机构可转动的安装在所述下塔架的端部。

在本发明提出的浮式风机的位姿测量系统中，还可以具有这样的特征，其中，所述支撑框架具有：中心立柱，安装于所述塔架中部；若干外围立柱，分布于所述中心立柱的外围；若干连梁，一端连接于所述中心立柱上，另一端向外辐射并形成用于安装所述外围立柱的安装板；若干撑杆，用于连接所述中心立柱和所述外围立柱；以及安装框架，其安装于所述安装板下端，用于安装第二潮流能发电机构。

在本发明提出的浮式风机的位姿测量系统中，还可以具有这样的特征，其中，所述压力传感器安装在所述外围立柱的外周面上；所述姿态传感器安装在所述外围立柱的顶面上；所述声波定位器安装在所述潮流能发电机构的底部。

在本发明提出的浮式风机的位姿测量系统中，还可以具有这样的特征，其中，所述特征点具有三个，且这三个特征点不共线。

本发明还提出了一种浮式风机的位姿测量方法，具有这样的特征，采用了如上所述的浮式风机的位姿测量系统，包括以下步骤：

步骤一：定义惯性坐标系和第一运动坐标系，将所述惯性坐标系记为O

步骤二：利用所述压力传感器及所述波高计获得的压力数据及波高数据求解所述风机平台在所述惯性坐标系下的Z向位移；

步骤三：利用所述姿态传感器，并通过所述第一运动坐标系和所述惯性坐标系的转换关系，获取所述风机平台的X

步骤四：利用所述声波定位器获取所述风机平台的X

步骤五：将步骤二-步骤四中的位姿信息进行数据融合，得到更为精确的位姿信息。

在本发明提出的浮式风机的位姿测量方法中，还可以具有这样的特征，其中，在上述步骤二种，所述压力传感器及所述波高计求解所述风机平台在所述惯性坐标系下的Z向位移的具体方法如下：

(1)记所述风机平台上三个不共线的所述特征点为A、B、C，并以A为原点建立平行于所述惯性坐标系的第二运动坐标系；

(2)分别用[X

(3)假设Y

其中，H

(4)特征点A、B、C及质心M形成确定的空间四面体，且其各个边长确定，可以得到6个方程，如下所示：

其中，S

(5)联立求解上述8个方程可以求解所述剩余的8个未知量，进而获取质心M在所述第二运动坐标系下的坐标Z

(6)再利用所述惯性坐标系与所述第二运动坐标系的关系，可以求得质心M在所述惯性坐标系中的Z向位移。

在本发明提出的浮式风机的位姿测量方法中，还可以具有这样的特征，所述第一运动坐标系和所述惯性坐标系A的转换关系如下：

其中，c＝[X Y Z]

在本发明提出的浮式风机的位姿测量方法中，还可以具有这样的特征，所述数据融合为对多组数据进行比对分析，相互修正，得到更为精确的数据。

在本发明提出的浮式风机的位姿测量方法中，还可以具有这样的特征，利用所述压力传感器及所述波高计获取所述三个特征点A、B、C之间的Z向的相对位移的具体方法如下：

(1)利用所述压力传感器提取所述三个特征点的压力信息，利用所述波高计推演并提取所述三个特征点的波高信息；

(2)将压力信息转换为深度信息，结合波高信息得到所述三个特征点的绝对深度信息；

(3)根据所述三个特征点的绝对深度信息求得Z向的相对位移。本发明相比现有技术突出且有益的技术效果

本发明所提供的浮式风机的位姿测量系统以及位姿测量方法，由于在浮式风机的风机平台上安装压力传感器、姿态传感器、波高计以及声波定位器，且这些传感器可将数据信号传输给计算机，计算机可将多个传感器信号进行数据融合，从而获得更为精确的浮式风机位姿，可有效解决浮式风机位姿检测的问题，尤其是位移不精确的难点，进而可为浮式风机的控制或走锚风险的预测提供有效的数据资料。

附图说明

图1是本发明浮式风机整体结构示意图。

图2为本发明浮式风机的位姿测量方法的原理图。

附图标记：

风机叶轮1、上塔架11、下塔架12、中心立柱21、连梁22、安装板23、外围立柱24、撑杆25、潮流能发电机构3、压力传感器4、姿态传感器5、波高计6、支撑物61、声波定位器7。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

图1是本发明浮式风机整体结构示意图。

如图1所示，本实施例提供一种浮式风机的位姿测量系统，安装于所述浮式风机的漂浮式风机平台上。浮式风机至少包括漂浮式风机平台、潮流能发电机构以及位姿测量系统。其中，如图1所示，漂浮式风机平台包括塔架和支撑框架，其中，塔架具有上塔架11和下塔架12；支撑框架用于形成浮体；在支撑框架的中部向上设置有所述上塔架11，上塔架11的上部安装有风机叶轮1；上塔架11可转动的安装在支撑框架上，或者风机叶轮1可转动的安装在上塔架11上端。在支撑框架的中部向下设置有下塔架12，下塔架12的下端安装有潮流能发电机构3；下塔架12可转动的安装在支撑框架上，或者，潮流能发电机构3可转动的安装在下塔架12的端部。在本实施例中，潮流能发电机构3也可以为风机叶轮。

进一步的，支撑框架具有中心立柱21、若干连梁22、若干外围立柱24以及若干撑杆25。其中，中心立柱21为桶状结构，其形成于支撑框架的中部并安装于塔架中部，连梁22具有三个，均匀分布于中心立柱21周侧，且连梁22的一端连接于中心立柱21上，另一端向外辐射并形成圆形的安装板23，外围立柱24也设置有三个，分别垂直安装于安装板23上端面，中心立柱21上端与每个外围立柱24上端之间均安装有撑杆25，撑杆25使得支撑框架整体结构更加稳定，支撑框架构成三组结构物，且各组结构物呈120°旋转对称设置于塔架周侧，各组结构物之间没有大型的连接构建，以便为漂浮式风机平台的建造、运输和安装提供很大的便利。

另外，上塔架11与支撑框架之间的连接方式可以为刚性连接，也可以为上塔架11可转动的安装于支撑框架上，当上塔架11与支撑框架之间的连接方式为刚性连接时，风机叶轮1可转动的安装于上塔架11上端；当上塔架11可转动的安装于支撑框架上时，风机叶轮1固定安装于上塔架11上，通过上塔架11的转动进而实现风机叶轮1的转动；本技术方案优选的连接方式为刚性连接。

进一步的，下塔架12与支撑框架之间的连接方式可以为刚性连接，也可以为下塔架12可转动的安装与支撑框架上，当下塔架12与支撑框架之间的连接方式为刚性连接时，潮流能发电机构3可转动的安装在下塔架12的端部；当下塔架12转动安装于支撑框架上时，潮流能发电机构3固定安装于下塔架12下端，通过下塔架12的转动实现潮流能发电机构3的转动；本技术方案的优选连接方式为刚性连接。

通过位姿测量系统采集当前状态的平台姿态信号并传输给计算机控制系统可以调节并控制潮流能发电机构3的朝向始终与海流方向一致，当海流方向发生变化时，潮流能发电机构3随之改变朝向。

位姿测量系统包括计算机、安装在风机平台上的压力传感器4和姿态传感器5、安装在风机平台周围的波高计6以及安装在风机平台底部的声波定位器7，压力传感器4、姿态传感器5、波高计6以及声波定位器7均与计算机通讯连接并向计算机发出信号，计算机接收所述信号并计算处理得到所述风机平台的位移，进行人机交互。

在本实施例中，先在风机平台上选取三个不共线的特征点，这三个特征点可以分别位于外围立柱24的外周面上，在每个特征点上分别安装上一个压力传感器4，压力传感器4能够测量所述特征点的压力；每个外围立柱24的顶面上分别安装一个姿态传感器5，用于测量所述风机平台的位姿；波高计6通过支撑物61设置在整个风机平台的外围，并设置有两个，用于推演所述特征点的波高；声波定位器7安装在所述潮流能发电机构3的底部，用于测量所述风机平台的位姿。

图2为本发明浮式风机的位姿测量方法的原理图。

如图2所示，本实施例还提出了一种浮式风机的位姿测量方法，采用了上述的位姿测量系统，包括以下步骤：

步骤一：定义惯性坐标系和第一运动坐标系，将所述惯性坐标系记为O

步骤二：利用所述压力传感器及所述波高计获得的压力数据及波高数据求解所述风机平台在所述惯性坐标系下的Z向位移；

步骤三：利用所述姿态传感器，并通过所述第一运动坐标系和所述惯性坐标系的转换关系，获取所述风机平台的X

步骤四：利用所述声波定位器获取所述风机平台的X

步骤五：将步骤二-步骤四中的位姿信息进行数据融合，得到更为精确的位姿信息。所述数据融合为通过计算机对多组数据进行比对分析，例如初步的Z向位移，初步的XY向位移，进行相互修正，得到更为精确的数据。

其中，在上述步骤二种，所述压力传感器及所述波高计求解所述风机平台在所述惯性坐标系下的Z向位移的具体方法如下：

(1)记所述风机平台上三个不共线的所述特征点为A、B、C，并以A为原点建立平行于所述惯性坐标系的第二运动坐标系；

(2)分别用[X

(3)假设Y

其中，H

(4)特征点A、B、C及质心M形成确定的空间四面体，且其各个边长确定，可以得到6个方程，如下所示：

其中，S

(5)联立求解上述8个方程可以求解所述剩余的8个未知量，进而获取质心M在所述第二运动坐标系下的坐标Z

(6)再利用所述惯性坐标系与所述第二运动坐标系的关系，可以求得质心M在所述惯性坐标系中的Z向位移。

前述惯性坐标系就是大地坐标系，不会随着风机运动而运动，第一、第二运动坐标系则是与风机固连的坐标系，跟随风机一起运动。

所述第一运动坐标系和所述惯性坐标系A的转换关系如下：

其中，c＝[X Y Z]

其中，利用所述压力传感器及所述波高计获取所述三个特征点A、B、C之间的Z向的相对位移的具体方法如下：

(1)利用所述压力传感器提取所述三个特征点的压力信息，利用所述波高计推演并提取所述三个特征点的波高信息；

(2)将压力信息转换为深度信息，结合波高信息得到所述三个特征点的绝对深度信息；

(3)根据所述三个特征点的绝对深度信息求得Z向的相对位移。

根据上述步骤，本实施例进行了多次试验，具体的试验数据如下表(单位：mm)所示：

以上实施例显示和描述了发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。例如，上述实施例仅给出了一种特征点所在位置的选择，而在实际中，特征点可以是在风机平台上任意三个不共线的位置。