CN110254633B - 一种抛石船自动移位控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抛石船自动移位控制系统，包括：若干台绞车，均匀对称固定于抛石船上；所述绞车的缆绳连接于岸上的地面锚点；每台绞车都对应安装有张力传感器，用于实时检测相应缆绳的张力；每台绞车还对应安装有编码器，用于实时检测相应缆绳的绳长；GPS定位单元，安装在抛石船上，用于采集抛石船的实时位置信息；控制器，根据每根缆绳的目标绳长控制绞车收放缆绳直至目标绳长，从而带动抛石船移动，直至到达目标位置。本发明实现了绞车的无级变速，而且保证液压绞车在负载过大时不至于损坏；而且还降低了抛石船移位控制的复杂程度，在保证控制精度的同时实现了自动化的移位控制。

Description

一种抛石船自动移位控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及抛石船移动控制领域。更具体地说，本发明涉及一种抛石船自动移位控制系统和控制方法。

背景技术

近年来，世界各国把开发海洋、发展海洋经济和海洋产业作为国家发展的战略目标，各类航道建设也得到了国家的重视和发展，抛石施工作为航道整治工程中的重要施工工艺，广泛应用于沉管隧道、护岸及筑坝等施工领域。抛石船在进行抛石施工时需要对船舶缓慢移动进行定位，目前抛石船的移动方法一般是由四个人分别控制安装在抛石船四个角上的电动绞车转动来收放揽绳，船移动的位置由四个人通过对讲机进行人工协调，从而实现抛抛石船的定位。这种方法不仅使抛石船施工劳动量大、移位控制复杂，而且难以保证抛石船移动的精度。

发明内容

为了实现以上目的，本发明提供一种抛石船自动移位控制系统，包括：

若干台绞车，均匀对称固定于抛石船上；所述绞车的缆绳连接于岸上的地面锚点；每台绞车都对应安装有张力传感器，用于实时检测相应缆绳的张力；每台绞车还对应安装有编码器，用于实时检测相应缆绳的绳长；

GPS定位单元，安装在抛石船上，用于采集抛石船的实时位置信息；

控制器，获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置进行对比，从而计算出抛石船移动到目标位置时每根缆绳的目标绳长；然后根据每根缆绳的目标绳长控制绞车收放缆绳直至目标绳长；此过程中，缆绳移动将带动抛石船移动，直至抛石船到达目标位置。

优选的是，所述的抛石船自动移位控制系统，所述GPS定位单元有2个：GPS1和GPS2，分别安装在抛石船的船头和船尾。

优选的是，所述的抛石船自动移位控制系统，控制器将两个GPS定位单元检测的抛石船实时位置信息对比之后，得到抛石船的实时倾斜角度。

优选的是，所述的抛石船自动移位控制系统，控制器，获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置进行对比，从而计算出抛石船移动到目标位置时每根缆绳的目标绳长；然后根据每根缆绳的目标绳长控制绞车收放缆绳直至目标绳长；此过程中，缆绳移动将带动抛石船移动，直至抛石船到达目标位置，具体为：

控制器，获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置进行对比，从而计算出抛石船移动到目标位置时每根缆绳的目标绳长；然后根据每根缆绳的目标绳长控制绞车收放缆绳直至目标绳长；此过程中，缆绳移动将带动抛石船移动，到达既定目标位置，实现初步定位；

待抛石船到达既定目标位置，控制器再次获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置信息进行对比，

若二者一致，则控制器根据抛石船的实时倾斜角度，控制绞车收放缆绳，从而使抛石船角度进行调整，直至抛石船水平；若不一致，则继续控制绞车收放缆绳至目标绳长；此过程中，缆绳移动将带动抛石船移动，直至抛石船的实时位置与目标位置一致，然后控制器根据抛石船的实时倾斜角度，控制绞车收放缆绳，从而使抛石船角度进行调整，直至抛石船水平；

最后，控制器控制绞车收放缆绳，控制其收缩，直至所有缆绳的拉力值达到规定值，此时，抛石船移动完成。

优选的是，所述的抛石船自动移位控制系统，所述绞车为4个，分别固定放置于抛石船的4个角。

优选的是，所述的抛石船自动移位控制系统，控制器，获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置进行对比，从而计算出抛石船移动到目标位置时每根缆绳的目标绳长，计算过程如下：

假设四个地面锚点的坐标分别为(A_X,A_Y)、(B_X,B_Y)、(C_X,C_Y)和(D_X,D_Y)，移动前四台绞车的位置分别为(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)、(X₃,Y₃)和(X₄,Y₄)，移动后四台绞车的位置分别为(X₁₁,Y₁₁)、(X₂₁,Y₂₁)、(X₃₁,Y₃₁)和(X₄₁,Y₄₁)；

那么需要移动的绳缆伸长和缩短的长度分别为：

优选的是，所述的抛石船自动移位控制系统，抛石船水平，具体为以下两种标准之一：

①假设以GPS1的检测数据为标准，GPS1在船舶移动时实时检测的坐标为(X_g1,Y_g1)，其目标位置坐标为(X_g2,Y_g2)，σ为允许误差，则抛石船水平为：

②假设GPS1在船舶移动时实时检测的坐标为(X_g1,Y_g1)，其目标位置坐标为(X_g2,Y_g2)，则抛石船水平为X_g1＝X_g2。

优选的是，所述的抛石船自动移位控制系统，所述绞车为液压绞车，其运转由电液比例阀控制。

一种抛石船自动移位控制方法，包括以下步骤：

步骤1、两个GPS定位单元分别采集抛石船的实时位置信息，并对比计算得到抛石船的倾斜角度；

步骤2、控制器获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置进行对比，从而计算出抛石船移动到目标位置时每根缆绳的目标绳长；然后根据每根缆绳的目标绳长控制绞车收放缆绳直至目标绳长；此过程中，缆绳移动将带动抛石船移动，直至抛石船到达目标位置。

优选的是，所述的抛石船自动移位控制方法，所述步骤2，具体为：

步骤2a、控制器获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置进行对比，从而计算出抛石船移动到目标位置时每根缆绳的目标绳长；然后根据每根缆绳的目标绳长控制绞车收放缆绳直至目标绳长；此过程中，缆绳移动将带动抛石船移动，到达既定目标位置，实现初步定位；

步骤2b、待抛石船到达既定目标位置，控制器再次将获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置信息进行对比；

步骤2c、若二者一致，则控制器根据抛石船的实时倾斜角度，控制绞车收放缆绳，从而使抛石船角度进行调整，直至抛石船水平；若不一致，则继续控制绞车收放缆绳至目标绳长；此过程中，缆绳移动将带动抛石船移动，直至抛石船的实时位置与目标位置一致，然后控制器根据抛石船的实时倾斜角度，控制绞车收放缆绳，从而使抛石船角度进行调整，直至抛石船水平；

最后，控制器控制绞车收放缆绳，控制其收缩，直至所有缆绳的拉力值达到规定值，此时，抛石船移动完成。

本发明至少包括以下有益效果：本发明采用电液比例阀控制液压绞车的运转，不仅实现了绞车的无极变速，而且可以保证液压绞车在负载过大时不至于损坏；利用GPS定位单元和张力传感器检测抛石船的位置以及缆索的张力，实现了抛石船位置信息的实时采集以及缆绳的安全控制；采用显示屏实时显示数据以及输入控制参数，实现了人机的友好交流；利用可编程控制器实现对四台液压绞车的集中控制，降低了抛石船移位控制的复杂程度，在保证控制精度的同时实现了自动化的移位控制。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明中抛石船自动移位控制系统的结构示意图；

图2为本发明中抛石船自动移位示意图；

图3为本发明中抛石船角度倾斜调整示意图；

附图标记示意：1-抛石船，2-绞车，3-控制器，4-GPS定位单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1-3所示，本发明提供一种抛石船自动移位控制系统，包括：

若干台绞车2，均匀对称固定于抛石船1上；所述绞车2的缆绳连接于岸上的地面锚点；每台绞车2都对应安装有张力传感器，用于实时检测相应缆绳的张力；每台绞车2还对应安装有编码器，用于实时检测相应缆绳的绳长；此处所述绞车可以为4个，分别固定放置于抛石船的4个角。

GPS定位单元4，其有2个：GPS1和GPS2，分别安装在抛石船1的船头和船尾，用于采集抛石船1的实时位置信息，控制器3将两个GPS定位单元4检测的抛石船实时位置信息对比之后，得到抛石船1的实时倾斜角度；

控制器3，获取输入的抛石船1的目标位置信息，并将其与抛石船1的实时位置进行对比，从而计算出抛石船1移动到目标位置时每根缆绳的目标绳长；然后根据每根缆绳的目标绳长控制绞车收放缆绳直至目标绳长；此过程中，缆绳移动将带动抛石船移动，到达既定目标位置，实现初步定位；

待抛石船到达既定目标位置，控制器3再次获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置信息进行对比，

若二者一致，则控制器3根据抛石船1的实时倾斜角度，控制绞车2收放缆绳，从而使抛石船角度进行调整，直至抛石船水平；若不一致，则继续控制绞车2收放缆绳至目标绳长；此过程中，缆绳移动将带动抛石船1移动，直至抛石船1的实时位置与目标位置一致，然后控制器3根据抛石船1的实时倾斜角度，控制绞车2收放缆绳，从而使抛石船1角度进行调整，直至抛石船水平；

最后，控制器控制绞车收放缆绳，控制其收缩，直至所有缆绳的拉力值达到规定值时此时，抛石船移动完成。

另一种实施方案中，所述的抛石船自动移位控制系统，控制器，获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置进行对比，从而计算出抛石船移动到目标位置时每根缆绳的目标绳长，计算过程如下：

假设四个地面锚点的坐标分别为(A_X,A_Y)、(B_X,B_Y)、(C_X,C_Y)和(D_X,D_Y)，移动前四台绞车的位置分别为(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)、(X₃,Y₃)和(X₄,Y₄)，移动后四台绞车F1、F2、F3、F4的位置分别为(X₁₁,Y₁₁)、(X₂₁,Y₂₁)、(X₃₁,Y₃₁)和(X₄₁,Y₄₁)；

那么需要移动的绳缆伸长和缩短的长度分别为：

另一种实施方案中，所述的抛石船自动移位控制系统，抛石船水平，具体为以下两种标准之一：

①假设以GPS1的检测数据为标准，GPS1在船舶移动时实时检测的坐标为(X_g1,Y_g1)，其目标位置坐标为(X_g2,Y_g2)，σ为允许误差，则抛石船水平为：

②假设GPS1在船舶移动时实时检测的坐标为(X_g1,Y_g1)，其目标位置坐标为(X_g2,Y_g2)，则抛石船水平为X_g1＝X_g2。

另一种实施方案中，所述的抛石船自动移位控制系统，所述绞车为液压绞车，其运转由电液比例阀控制。

实施例2

如图1-3所示，一种抛石船自动移位控制方法，包括以下步骤：

步骤1、两个GPS定位单元分别采集抛石船的实时位置信息，并对比计算得到抛石船的倾斜角度；

步骤2a、控制器获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置进行对比，从而计算出抛石船移动到目标位置时每根缆绳的目标绳长；然后根据每根缆绳的目标绳长控制绞车收放缆绳直至目标绳长；此过程中，缆绳移动将带动抛石船移动，到达既定目标位置，实现初步定位；

步骤2b、待抛石船到达既定目标位置，控制器再次将获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置信息进行对比；

步骤2c、若二者一致，则控制器根据抛石船的实时倾斜角度，控制绞车收放缆绳，从而使抛石船角度进行调整，直至抛石船水平；若不一致，则继续控制绞车收放缆绳至目标绳长；此过程中，缆绳移动将带动抛石船移动，直至抛石船的实时位置与目标位置一致，然后控制器根据抛石船的实时倾斜角度，控制绞车收放缆绳，从而使抛石船角度进行调整，直至抛石船水平；

最后，控制器控制绞车收放缆绳，控制其收缩，直至所有缆绳的拉力值达到规定值，此时，抛石船移动完成。

实施例3

如图1-3所示，一种抛石船自动移位控制系统包括：抛石船、四台液压绞车、控制台、四个张力传感器、四个编码器、GPS定位单元。

四台液压绞车分别位于抛石船的四个角上，四台液压绞车分别通过缆绳与岸上的四个地面锚点连接，四台液压绞车的启停分别由各自绞车上的电液比例阀进行无极变速控制。

控制台安装在抛石船上，包括控制器、电源开关、自动/手动切换开关以及显示屏，控制器与四台液压绞车上的电液比例阀电连接；电源开关与控制器电连接，控制控制器的启停；自动/手动切换开关与控制器电连接，用于实现电液比例阀是自动还是手动控制的切换；显示屏与控制器电连接，用于显示抛石船的当前位置、缆绳张力大小、绳长、以及输入抛石船的目标位置。

四个张力传感器分别安装在四台液压绞车上，与控制器电连接，用于检测四个缆绳的张力。

四个编码器分别安装在四台液压绞车上，与控制器电连接，用于检测四个缆绳的绳长。

GPS定位单元安装在抛石船上与控制器电连接，用于采集抛石船的当前位置和抛石船的倾斜角度。

实施例4

如图1-3所示，一种抛石船自动移位控制系统的操作步骤如下：

S1、启动电源开关，使控制器工作；

S2、将自动/手动切换开关拨到自动状态，若拨到手动状态，则由人控制电液比例阀的开度，实现液压绞车运转；

S3、向显示屏输入要抛石船要移动目标位置，通过显示屏向控制器发送抛石船开始移动信号；

S4、GPS定位单元采集抛石船的当前位置信息，并将该信息传给控制器；

S5、控制器进行运算，得到抛石船的位置信息，以一个GPS的测量数据为标准，将当前抛石船的位置和目标位置进行对比，如果当前抛石船的位置和目标位置有差距，则需要进行抛石船的定位。

S6、首先是粗定位，控制器将抛石船的当前位置信息与预先输入的抛石船目标位置信息进行对比，计算出抛石船移到目标位置时四个绞车的绳长，根据绳长与绞车旋转的圈数关系，计算出绞车要旋转的圈数，然后输出相应的绞车控制信号，控制电液比例阀的开度，使绞车旋转到规定的圈数；根据抛石船的当前位置信息，电液比例阀控制绞车运作，实现缆绳的收放到规定长度，从而使抛石船快速移位到实施精定位的范围内，实现粗定位。

S7、其次是精定位，控制器实时采集抛石船的位置，并将抛石船的实时位置与预先输入的抛石船目标位置信息进行对比，输出相应的绞车控制信号，控制电液比例阀的开度，电液比例阀控制绞车缓慢运作，实现精定位。

S8、控制器进行运算，得到抛石船的位置信息，将两个GPS的测量数据进行对比，如果两个GPS测得的抛石船坐标的横坐标不一样，则抛石船发生倾斜，需要进行抛石船角度调整。

S9根据抛石船的当前倾斜情况，电液比例阀控制绞车运作，实现缆绳的收放，从而使抛石船角度进行调整，直到角度调整完成。

S10采集液压绞车缆绳的张力信息，并传送给控制器。

S11抛石船角度调整后，4台液压绞车各自的电液比例阀控制各自绞车运作，实现四个绞车缆绳的收缩，当所有缆绳的拉力值达到规定值时，则认为抛石船完成预固定。

S12控制器根据所述的信息判断工作状况，出现意外情况时立即报警并输出静止移位信息，控制绞车停止。

所述的绞车控制信号可以为电流信号、电压信号或者数字信号等。在本发明的实施例中，所述的绞车控制信号为电流信号。

其中，绳长与绞车旋转的圈数关系是根据实验重新测试标定的，此对应关系会储存在控制器中，当粗定位开始时，控制器会根据此对应关系算出绞车的旋转圈数。

其中，绞车控制信号包含绞车控制规则，如图2所示为船舶移动前和移动后的情况，粗定位的控制规则为先控制绞车F2和F4进行放缆，再控制F1和F3进行收揽。假设四个地面锚点的坐标分别为(A_X,A_Y)、(B_X,B_Y)、(C_X,C_Y)和(D_X,D_Y)，移动前四台绞车的位置分别为(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)、(X₃,Y₃)和(X₄,Y₄)，；移动后四台绞车的位置分别为(X₁₁,Y₁₁)、(X₂₁,Y₂₁)、(X₃₁,Y₃₁)和(X₄₁,Y₄₁)；那么需要移动的绳缆伸长和缩短的长度分别为：

精定位的控制规则优选为PID闭环控制算法，具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点。但本发明绝不局限于此，也可以采用其他闭环控制算法得到输出结果；假设以GPS1的检测数据为标准，GPS1在船舶移动时实时检测的坐标为(X_g1,Y_g1)，其目标位置坐标为(X_g2,Y_g2)，σ为允许误差，则该控制规则的目标为：

控制器通过抛石船的位置情况，控制每个电液比例阀换向阀换向和开度，使缆绳进行收放，最终的目标是尽量减小控制误差，从而使系统最终的状态达到目标状态。

在本发明的实施例中，抛石船角度调整优选为PID闭环控制算法，抛石船的倾斜情况是通过对比两个GPS定位单元采集的抛石船位置信息确定的，在如图3中所示，GPS2在船舶精定位后检测的坐标为(X_g2,Y_g2)，抛石船发生倾斜时两个GPS定位单元采集的抛石船位置信息中的横坐标不相同，则此时控制器会控制液压绞车F3和F4,使F3的缆绳伸长，F4的缆绳缩短，对抛石船进行角度调整，该控制的目标为：

X_g1＝X_g2。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (2)

1.一种抛石船自动移位控制系统，其特征在于，包括：

若干台绞车，均匀对称固定于抛石船上；所述绞车的缆绳连接于岸上的地面锚点；每台绞车都对应安装有张力传感器，用于实时检测相应缆绳的张力；每台绞车还对应安装有编码器，用于实时检测相应缆绳的绳长；

GPS定位单元，安装在抛石船上，用于采集抛石船的实时位置信息；

所述GPS定位单元有2个：GPS1和GPS2，分别安装在抛石船的船头和船尾；

控制器将两个GPS定位单元检测的抛石船实时位置信息对比之后，得到抛石船的实时倾斜角度；

控制器，获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置进行对比，从而计算出抛石船移动到目标位置时每根缆绳的目标绳长；然后根据每根缆绳的目标绳长控制绞车收放缆绳直至目标绳长，具体为：根据绳长与绞车旋转的圈数关系，计算出绞车要旋转的圈数，然后输出相应的绞车控制信号，控制电液比例阀的开度，使绞车旋转到规定的圈数；根据抛石船的当前位置信息，电液比例阀控制绞车运作，实现缆绳的收放到规定长度；此过程中，缆绳移动将带动抛石船移动，到达既定目标位置，实现初步定位；

待抛石船到达既定目标位置，控制器再次获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置信息进行对比，

若二者一致，则控制器根据抛石船的实时倾斜角度，控制绞车收放缆绳，从而使抛石船角度进行调整，直至抛石船水平；若不一致，则输出相应的绞车控制信号，控制电液比例阀的开度，电液比例阀控制绞车缓慢运作，实现精定位，或者则继续控制绞车收放缆绳至目标绳长；此过程中，缆绳移动将带动抛石船移动，直至抛石船的实时位置与目标位置一致，然后控制器根据抛石船的实时倾斜角度，控制绞车收放缆绳，从而使抛石船角度进行调整，直至抛石船水平；

最后，控制器控制绞车收放缆绳，控制其收缩，直至所有缆绳的拉力值达到规定值，此时，抛石船移动完成；

所述绞车为4个，分别固定放置于抛石船的4个角；

控制器，获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置进行对比，从而计算出抛石船移动到目标位置时每根缆绳的目标绳长，计算过程如下：

假设四个地面锚点的坐标分别为(A_X，A_Y)、(B_X，B_Y)、(C_X，C_Y)和(D_X，D_Y)，移动前四台绞车的位置分别为(X₁，Y₁)、(X₂，Y₂)、(X₃，Y₃)和(X₄，Y₄)，移动后四台绞车的位置分别为(X₁₁，Y₁₁)、(X₂₁，Y₂₁)、(X₃₁，Y₃₁)和(X₄₁，Y₄₁)；

那么需要移动的绳缆伸长和缩短的长度分别为：

抛石船水平，具体为以下两种标准之一：

①假设以GPS1的检测数据为标准，GPS1在船舶移动时实时检测的坐标为(X_g1，Y_g1)，其目标位置坐标为(X_g2，Y_g2)，σ为允许误差，则抛石船水平为：

②假设GPS1在船舶移动时实时检测的坐标为(X_g1，Y_g1)，其目标位置坐标为(X_g2，Y_g2)，则抛石船水平为X_g1＝X_g2。

2.一种抛石船自动移位控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、两个GPS定位单元分别采集抛石船的实时位置信息，并对比计算得到抛石船的倾斜角度；

步骤2、控制器获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置进行对比，从而计算出抛石船移动到目标位置时每根缆绳的目标绳长；然后根据每根缆绳的目标绳长控制绞车收放缆绳直至目标绳长；此过程中，缆绳移动将带动抛石船移动，直至抛石船到达目标位置；

所述步骤2，具体为：

步骤2a、控制器获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置进行对比，从而计算出抛石船移动到目标位置时每根缆绳的目标绳长；然后根据每根缆绳的目标绳长控制绞车收放缆绳直至目标绳长；此过程中，缆绳移动将带动抛石船移动，到达既定目标位置，实现初步定位；

步骤2b、待抛石船到达既定目标位置，控制器再次将获取输入的抛石船的目标位置信息，并将其与抛石船的实时位置信息进行对比；

步骤2c、若二者一致，则控制器根据抛石船的实时倾斜角度，控制绞车收放缆绳，从而使抛石船角度进行调整，直至抛石船水平；若不一致，则继续控制绞车收放缆绳至目标绳长；此过程中，缆绳移动将带动抛石船移动，直至抛石船的实时位置与目标位置一致，然后控制器根据抛石船的实时倾斜角度，控制绞车收放缆绳，从而使抛石船角度进行调整，直至抛石船水平；

最后，控制器控制绞车收放缆绳，控制其收缩，直至所有缆绳的拉力值达到规定值，此时，抛石船移动完成。