CN111678490B - 一种座底自升式水下整平架监测及调节系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种座底自升式水下整平架监测及调节系统，包括4台水下压力传感器、一台定位GPS、一个数据发送单元、一台温盐深仪和数据处理与显示模块，4台水下压力传感器分别靠近4个液压支腿安装在整平架的矩形框架上，定位GPS和数据发送单元露出水面，安装在测量塔架上，测量塔架固定在整平架的矩形框架上，温盐深仪安装在整平架的料斗或小车上；数据处理与显示模块包括计算机、数据接收单元及数据处理单元，数据处理单元通过计算获得四个液压支腿的伸缩量。本发明可以得到整平架四个液压支腿的伸缩量，将该伸缩量发送给液压控制系统，就可以实现液压支腿的高度调节。

Description

一种座底自升式水下整平架监测及调节系统
技术领域
本发明涉及一种整平架监测及调节系统，特别是一种座底自升式水下整平架监测及调节系统。
背景技术
目前越来越多的水运工程都需要进行水下基床的整平工作，如港口码头、护岸堤坝、沉管隧道等工程。整平装置有很多种类型，具有升降支腿的大型海上平台式整平船，其刮刀底面高程通常采用GPS和倾斜仪的方式推算得到，但这种平台式整平船造价高昂，操作复杂，一般均为专用工程定制，通用性较差，而且插拔桩存在较高风险。倾斜仪仅反映其安装位置处的倾斜角度，不能得到整体的倾斜情况。对于水下简易框架式的整平架，由于液压支腿升起高度不同和自身结构刚度问题，存在一定程度的形变，很难用GPS和倾斜仪推算得到精准的刮刀高程。由于存在形变，整平作业过程中需要不断调节液压支腿高度使刮刀底面高程达到设计高程，因此需要一种座底自升式水下整平架监测及调节系统。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种座底自升式水下整平架监测及调节系统。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种座底自升式水下整平架监测及调节系统，包括4台水下压力传感器、一台定位GPS、一个数据发送单元、一台温盐深仪和数据处理与显示模块，4台所述水下压力传感器分别靠近4个液压支腿安装在整平架的矩形框架上，所述定位GPS和所述数据发送单元露出水面，安装在测量塔架上，所述测量塔架固定在整平架的矩形框架上，所述温盐深仪安装在整平架的料斗或小车上；所述数据处理与显示模块包括计算机、数据接收单元及数据处理单元，所述数据接收单元与所述计算机相连，所述数据处理单元安装在所述计算机上；所述定位GPS和所述水下压力传感器通过所述数据发送单元向所述数据接收单元发送数据；所述温盐深仪发送数据给所述数据接收单元；所述数据接收单元传输数据给所述数据处理单元，所述数据处理单元根据来自所述温盐深仪的水密度数值对来自水下压力传感器的入水深度值进行修正，所述数据处理单元按照以下方法计算整平架坐底后四个液压支腿伸缩量T1、T2、T3和T4：
T1＝Z1-ZT1
T2＝Z2-ZT2
T3＝Z3-ZT3
T4＝Z4-ZT4
其中，Z1-Z4分别为四个液压支腿伸缩后的目标高程，采用以下公式计算：
Figure BDA0002516123660000021
Figure BDA0002516123660000022
Figure BDA0002516123660000023
Figure BDA0002516123660000024
ZT1-ZT4分别为液压支腿伸缩前的实际高程，采用以下公式计算：
Figure BDA0002516123660000025
Figure BDA0002516123660000026
Figure BDA0002516123660000027
Figure BDA0002516123660000028
其中，(XT1,YT1，ZT1)、(XT2,YT2,ZT2)、(XT3,YT3,ZT3)和(XT4,YT4,ZT4)分别为整平架坐底后四个液压支腿顶部中心坐标；
α＝(b2-a2)(c3-a3)-(b3-a3)(c2-a2)
β＝(b3-a3)(c1-a1)-(b1-a1)(c3-a3)
γ＝(b1-a1)(c2-a2)-(b2-a2)(c1-a1)
其中，(a1，a2，a3)、(b1，b2，b3)和(c1，c2，c3)分别为目标整平区域整平完成后四个角点中任意三个角点的设计坐标；
(XG0，YG0，ZG0)和(XT10，YT10，ZT10)、(XT20，YT20，ZT20)、(XT30，YT30，ZT30)、(XT40，YT40，ZT40)，分别为整平架预制完成后下水前采用全站仪测得的定位GPS坐标和四个液压支腿顶部中心坐标；
(XG，YG，ZG)为整平架坐底后定位GPS坐标；
Roll为整平架坐底后的横倾角，Pitch为整平架坐底后的纵倾角，采用以下方法计算：
当DS2≥DS1，则
Figure BDA0002516123660000031
当DS2＜DS1，则
Figure BDA0002516123660000032
当DS1≥DS4，则
Figure BDA0002516123660000033
当DS1＜DS4，则
Figure BDA0002516123660000034
式中，S1、S2、S3、S4分别代表4台水下压力传感器，DS1为S1水下压力传感器测量得到的经温盐深仪测得的密度值修正后的入水深度，DS2为S2水下压力传感器测量得到的经温盐深仪测得的密度值修正后的入水深度，DS3为S3水下压力传感器测量得到的经温盐深仪测得的密度值修正后的入水深度，DS4为S4水下压力传感器测量得到的经温盐深仪测得的密度值修正后的入水深度；D12为S1和S2水下压力传感器的间距，D34为S3和S4水下压力传感器的间距，D14为S1和S4水下压力传感器的间距，D23为S2和S3水下压力传感器的间距。
该系统还包括两台高度计，沿刮刀运行方向安装，料斗前后各安装一台，所述高度计将其测得的整平面高度数据经所述数据接收单元发送给所述数据处理单元，所述数据处理单元根据来自温盐深仪的声速数据对来自高度计的整平面高度数据进行修正，并根据修正后的整平面高度数据生成整平面图像输出至计算机显示器进行显示。
该系统还包括一台定向GPS，所述定向GPS和所述定位GPS间隔设置。
所述数据发送单元与所述数据接收单元通过无线通信网络连接。
所述测量塔架是一个露出水面的钢结构支架。
本发明具有的优点和积极效果是：根据塔架顶部GPS测得的高程数据及四个水下压力传感器测得的水深度，可以得到液压支腿伸缩前的实际高度，根据目标区域整平的设计位置和高程数据，可以获得四个液压支腿的目标高度，根据液压支腿伸缩前的实际高度和目标高度可以获得四个液压支腿的伸缩量，将该伸缩量发送给液压控制系统，就可以实现液压支腿的高度调节。通过温盐深仪实时得到水密度和声速等物理参数，对水下压力传感器和高度计的测量值进行修正，可以得到更准确的数据。数据发送单元与数据接收单元通过无线通信网络进行数据传输，可避免有线电缆牵拉损坏造成的数据中断，从而保证整平作业顺利进行。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1-1、矩形框架；1-2、横向轨道；1-3、料斗；1-4、刮刀；1-5、液压支腿；2-1、水下压力传感器；2-2、定位GPS；2-3、定向GPS；2-4、高度计；2-5、测量塔架。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1，一种座底自升式水下整平架监测及调节系统，所述整平架设有矩形框架1-1，在矩形框架1-1上设有纵向轨道，在纵向轨道上装配有横向轨道1-2，在横向轨道上装配有小车，在小车上固定有料斗1-3，在料斗1-3下方设有与其固接的刮刀1-4，在矩形框架1-1上设有四个液压支腿1-5，四个液压支腿1-5按照矩形阵列布置。
上述系统包括4台水下压力传感器2-1、一台定位GPS2-2、一个数据发送单元、一台温盐深仪和数据处理与显示模块。
4台所述水下压力传感器2-1分别靠近4个液压支腿1-5安装在整平架的矩形框架1-1上。
所述定位GPS2-2和所述数据发送单元露出水面，安装在测量塔架2-5上，所述测量塔架2-5固定在整平架的矩形框架1-1上。
所述温盐深仪安装在整平架的料斗1-3或小车上。
所述数据处理与显示模块包括计算机、数据接收单元及数据处理单元，所述数据接收单元与所述计算机相连，所述数据处理单元安装在所述计算机上。
所述定位GPS2-2和所述水下压力传感器2-1通过所述数据发送单元向所述数据接收单元发送数据。
所述温盐深仪发送数据给所述数据接收单元。
所述数据接收单元传输数据给所述数据处理单元，所述数据处理单元根据来自所述温盐深仪的水密度数值对来自水下压力传感器的入水深度值进行修正，所述数据处理单元按照以下方法计算整平架座底后四个液压支腿伸缩量T1、T2、T3和T4：
T1＝Z1-ZT1
T2＝Z2-ZT2
T3＝Z3-ZT3
T4＝Z4-ZT4
其中，Z1-Z4分别为四个液压支腿伸缩后的目标高程，采用以下公式计算：
Figure BDA0002516123660000051
Figure BDA0002516123660000052
Figure BDA0002516123660000053
Figure BDA0002516123660000054
ZT1-ZT4分别为液压支腿伸缩前的实际高程，采用以下公式计算：
Figure BDA0002516123660000055
Figure BDA0002516123660000056
Figure BDA0002516123660000057
Figure BDA0002516123660000061
其中，(XT1，YT1，ZT1)、(XT2，YT2，ZT2)、(XT3，YT3，ZT3)和(XT4，YT4，ZT4)分别为整平架座底后四个液压支腿顶部中心坐标。
α＝(b2-a2)(c3-a3)-(b3-a3)(c2-a2)
β＝(b3-a3)(c1-a1)-(b1-a1)(c3-a3)
γ＝(b1-a1)(c2-a2)-(b2-a2)(c1-a1)
其中，(a1，a2，a3)、(b1，b2，b3)和(c1，c2，c3)分别为目标整平区域四个角点中任意三个角点的坐标，该坐标是整平完成后的设计坐标，通过工程设计图纸可以获得。
(XG0，YG0，ZG0)和(XT10，YT10，ZT10)、(XT20，YT20，ZT20)、(XT30，YT30，ZT30)、(XT40，YT40，ZT40)，分别为整平架预制完成后下水前采用全站仪测得的定位GPS坐标和四个液压支腿顶部中心坐标。
(XG，YG，ZG)为整平架座底后定位GPS坐标。
Roll为整平架座底后的横倾角，Pitch为整平架座底后的纵倾角，采用以下方法计算：
当DS2≥DS1，则
Figure BDA0002516123660000062
当DS2＜DS1，则
Figure BDA0002516123660000063
当DS1≥DS4，则
Figure BDA0002516123660000064
当DS1＜DS4，则
Figure BDA0002516123660000065
式中，S1、S2、S3、S4分别代表4台水下压力传感器，DS1为S1水下压力传感器测量得到的经温盐深仪测得的密度值修正后的入水深度，DS2为S2水下压力传感器测量得到的经温盐深仪测得的密度值修正后的入水深度，DS3为S3水下压力传感器测量得到的经温盐深仪测得的密度值修正后的入水深度，DS4为S4水下压力传感器测量得到的经温盐深仪测得的密度值修正后的入水深度；D12为S1和S2水下压力传感器的间距，D34为S3和S4水下压力传感器的间距，D14为S1和S4水下压力传感器的间距，D23为S2和S3水下压力传感器的间距。
在本实施例中，该系统还包括两台高度计2-4，沿刮刀运行方向安装，料斗1-3前后各安装一台，所述高度计2-4将其测得的整平面高度数据经所述数据接收单元发送给所述数据处理单元，所述数据处理单元根据来自温盐深仪的声速数据对来自高度计的整平面高度数据进行修正，并根据修正后的整平面高度数据生成整平面图像输出至计算机显示器进行显示，用于整平后检测，验证整平精度。
在本实施例中，该系统还包括一台定向GPS2-3，所述定向GPS2-3和所述定位GPS2-2间隔设置，用于整平架的下放定位，采用两台GPS可以将整平架准确地下放至目标整平区域。
在本实施例中，所述数据发送单元与所述数据接收单元通过无线通信网络连接，可避免电缆牵拉损坏造成的数据中断，从而保证整平作业顺利进行。
在本实施例中，所述测量塔架2-5是一个露出水面的钢结构支架。
本发明的设计原理：
整平架下放至目标区域后，在进行整平作业前，需要通过调节液压支腿的伸缩来使刮刀底面高程达到设计高程。
整平架就位座底后，可以按照下述方法计算得到每个液压支腿的伸缩量T1、T2、T3和T4：
一)计算整平架就位座底后四个液压支腿伸缩后的目标高程Z1-Z4：
根据设计位置和高程，设本次目标整平区域四个角点分别为A、B、C、D，其坐标分别为A(a1，a2，a3)，B(b1，b2，b3)，C(c1，c2，c3)，D(d1，d2，d3)，上述坐标是整平完成后的设计坐标。选取任意三个点都可以组成一个平面，其计算结果相同。此处，作为例子，选取A、B和C三个点构建平面方程。三个点中各两点的向量分别如下：
Figure BDA0002516123660000071
Figure BDA0002516123660000072
法向向量的计算结果是
Figure BDA0002516123660000073
与
Figure BDA0002516123660000074
的外积，即：
Figure BDA0002516123660000075
设
Figure BDA0002516123660000076
即：
α＝(b2-a2)(c3-a3)-(b3-a3)(c2-a2)
β＝(b3-a3)(c1-a1)-(b1-a1)(c3-a3)
γ＝(b1-a1)(c2-a2)-(b2-a2)(c1-a1)
通过A、B、C的平面的方程式如下：
α(xa1)+β(y-a2)+γ(z-a3)＝0
式中x、y、z分别为平面上某点的三维坐标。设四个液压支腿的平面位置分别为(X1，Y1)、(X2，Y2)、(X3，Y3)、(X4，Y4)，则有：
Figure BDA0002516123660000081
Figure BDA0002516123660000082
Figure BDA0002516123660000083
Figure BDA0002516123660000084
二)计算整平架就位座底后四个液压支腿伸缩前的实际高程ZT1-ZT4：
整平架预制时通常保持水平状态，设整平架四个角点分别为1、2、3、4，角点1为整平架坐标原点，角点1和角点2连线方向为整平架X轴方向，角点1和角点4为整平架Y轴方向。
预制完成后可用全站仪测量定位GPS和四个液压支腿顶面中心相对于原点的偏移量，设定位GPS偏移量坐标为(XG0，YG0，ZG0)，四个液压支腿顶面中心偏移量坐标分别为(XT10，YT10，ZT10)、(XT20，YT20，ZT20)、(XT30，YT30，ZT30)、(XT40，YT40，ZT40)。实际整平作业时因设计坡度会使整平架产生倾斜，倾斜角度由上述水下压力传感器求得，分别为Roll和Pitch。设实际作业是GPS坐标设为(XG，YG，ZG)，ZT1-ZT4分别为液压支腿伸缩前的实际高程，采用以下公式计算：
Figure BDA0002516123660000085
Figure BDA0002516123660000091
Figure BDA0002516123660000092
Figure BDA0002516123660000093
其中，(XT1,YT1，ZT1)、(XT2,YT2,ZT2)、(XT3,YT3,ZT3)和(XT4,YT4,ZT4)分别为整平架座底后四个液压支腿顶部中心坐标。
Roll为整平架座底后的横倾角，Pitch为整平架座底后的纵倾角，采用以下方法计算：
当DS2≥DS1，则
Figure BDA0002516123660000094
当DS2＜DS1，则
Figure BDA0002516123660000095
当DS1≥DS4，则
Figure BDA0002516123660000096
当DS1＜DS4，则
Figure BDA0002516123660000097
式中，S1、S2、S3、S4分别代表4台水下压力传感器，DS1为S1水下压力传感器测量得到的经温盐深仪测得的密度值修正后的入水深度，DS2为S2水下压力传感器测量得到的经温盐深仪测得的密度值修正后的入水深度，DS3为S3水下压力传感器测量得到的经温盐深仪测得的密度值修正后的入水深度，DS4为S4水下压力传感器测量得到的经温盐深仪测得的密度值修正后的入水深度；D12为S1和S2水下压力传感器的间距，D34为S3和S4水下压力传感器的间距，D14为S1和S4水下压力传感器的间距，D23为S2和S3水下压力传感器的间距。
三)计算四个液压支腿的伸缩量T1、T2、T3和T4：
T1＝Z1-ZT1
T2＝Z2-ZT2
T3＝Z3-ZT3
T4＝Z4-ZT4。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种座底自升式水下整平架监测及调节系统，其特征在于，该系统包括4台水下压力传感器、一台定位GPS、一个数据发送单元、一台温盐深仪和数据处理与显示模块，
4台所述水下压力传感器分别靠近4个液压支腿安装在整平架的矩形框架上，
所述定位GPS和所述数据发送单元露出水面，安装在测量塔架上，所述测量塔架固定在整平架的矩形框架上，
所述温盐深仪安装在整平架的料斗或小车上；
所述数据处理与显示模块包括计算机、数据接收单元及数据处理单元，所述数据接收单元与所述计算机相连，所述数据处理单元安装在所述计算机上；
所述定位GPS和所述水下压力传感器通过所述数据发送单元向所述数据接收单元发送数据；
所述温盐深仪发送数据给所述数据接收单元；
所述数据接收单元传输数据给所述数据处理单元，所述数据处理单元根据来自所述温盐深仪的水密度数值对来自水下压力传感器的入水深度值进行修正，所述数据处理单元按照以下方法计算整平架坐底后四个液压支腿伸缩量T1、T2、T3和T4：
T1＝Z1-ZT1
T2＝Z2-ZT2
T3＝Z3-ZT3
T4＝Z4-ZT4
其中，Z1-Z4分别为四个液压支腿伸缩后的目标高程，采用以下公式计算：
Figure FDA0002516123650000011
Figure FDA0002516123650000012
Figure FDA0002516123650000013
Figure FDA0002516123650000014
ZT1-ZT4分别为液压支腿伸缩前的实际高程，采用以下公式计算：
Figure FDA0002516123650000021
Figure FDA0002516123650000022
Figure FDA0002516123650000023
Figure FDA0002516123650000024
其中，(XT1，YT1，ZT1)、(XT2，YT2，ZT2)、(XT3，YT3，ZT3)和(XT4，YT4，ZT4)分别为整平架坐底后四个液压支腿顶部中心坐标；
α＝(b2-a2)(c3-a3)-(b3-a3)(c2-a2)
β＝(b3-a3)(c1-a1)-(b1-a1)(x3-a3)
γ＝(b1-a1)(c2-a2)-(b2-a2)(c1-a1)
其中，(a1，a2，a3)、(b1，b2，b3)和(c1，c2，c3)分别为目标整平区域整平完成后四个角点中任意三个角点的设计坐标；
(XG0，YG0，ZG0)和(XT10，YT10，ZT10)、(XT20，YT20，ZT20)、(XT30，YT30，ZT30)、(XT40，YT40，ZT40)，分别为整平架预制完成后下水前采用全站仪测得的定位GPS坐标和四个液压支腿顶部中心坐标；
(XG，YG，ZG)为整平架坐底后定位GPS坐标；
Roll为整平架坐底后的横倾角，Pitch为整平架坐底后的纵倾角，采用以下方法计算：
当DS2≥DS1，则
Figure FDA0002516123650000025
当DS2＜DS1，则
Figure FDA0002516123650000031
当DS1≥DS4，则
Figure FDA0002516123650000032
当DS1＜DS4，则
Figure FDA0002516123650000033
式中，S1、S2、S3、S4分别代表4台水下压力传感器，DS1为S1水下压力传感器测量得到的经温盐深仪测得的密度值修正后的入水深度，DS2为S2水下压力传感器测量得到的经温盐深仪测得的密度值修正后的入水深度，DS3为S3水下压力传感器测量得到的经温盐深仪测得的密度值修正后的入水深度，DS4为S4水下压力传感器测量得到的经温盐深仪测得的密度值修正后的入水深度；D12为S1和S2水下压力传感器的间距，D34为S3和S4水下压力传感器的间距，D14为S1和S4水下压力传感器的间距，D23为S2和S3水下压力传感器的间距。
2.根据权利要求1所述的座底自升式水下整平架监测及调节系统，其特征在于，该系统还包括两台高度计，沿刮刀运行方向安装，料斗前后各安装一台，所述高度计将其测得的整平面高度数据经所述数据接收单元发送给所述数据处理单元，所述数据处理单元根据来自温盐深仪的声速数据对来自高度计的整平面高度数据进行修正，并根据修正后的整平面高度数据生成整平面图像输出至计算机显示器进行显示。
3.根据权利要求1所述的座底自升式水下整平架监测及调节系统，其特征在于，该系统还包括一台定向GPS，所述定向GPS和所述定位GPS间隔设置。
4.根据权利要求1所述的座底自升式水下整平架监测及调节系统，其特征在于，所述数据发送单元与所述数据接收单元通过无线通信网络连接。
5.根据权利要求1所述的座底自升式水下整平架监测及调节系统，其特征在于，所述测量塔架是一个露出水面的钢结构支架。
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