CN117526175B - 一种自动化水下管缆挖沟埋设装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种自动化水下管缆挖沟埋设装置及方法，摆动驱动组件驱动转动座转动，第一升降组件安装在转动座上，第三升降组件和两组第二升降组件均安装在第一升降组件上，每组第二升降组件上均安装有一个冲射刀和一组宽度调节组件，压缆器安装在第三升降组件上，宽度调节组件包括宽度调节油缸、安装水箱、铰接柱和滑动柱，铰接柱和滑动柱平行设置，安装水箱的两端分别安装在铰接柱和滑动柱上并可沿铰接柱和滑动柱的延伸方向滑动，宽度调节油缸的活动端与安装水箱连接，冲射刀安装在安装水箱上；还包括各种传感器和控制系统。本发明使得冲射刀可制造得更加长，挖沟的深度可大大加深，可准确夹缆放缆，并适应不同直径的管缆，自动化程度更高，更易于操控。

Description

一种自动化水下管缆挖沟埋设装置及方法

技术领域

本发明涉及海底设备技术领域，尤其涉及一种自动化水下管缆挖沟埋设装置及方法。

背景技术

水下挖沟埋缆设备可用于海底管线和缆线的挖沟埋设，现有大多数的挖沟机一般为犁刀式结构，通过船舶牵引，操控受船只影响，自动化程度低，操控性差，特别是在转弯时，极易损伤电缆管道，往往只能在电缆/管道铺设前先挖沟。且一般冲射器受限于其结构设计，冲射刀短而小，导致其挖沟深度浅，适应管缆的直径小。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种自动化程度更高、挖沟深度更深、适用性更强的自动化水下管缆挖沟埋设装置，以及自动化水下管缆挖沟埋设方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种自动化水下管缆挖沟埋设装置，包括转动座、摆动驱动组件、第一升降组件、第二升降组件、冲射刀、第三升降组件、压缆器和宽度调节组件，所述转动座可转动设置（可安装在挖沟机基座上，采用铰接的方式），所述摆动驱动组件与转动座相连以驱动转动座转动，以适应管缆转弯的需求；所述第一升降组件安装在转动座上，所述第二升降组件有两组，所述第三升降组件和两组第二升降组件均安装在第一升降组件上，第二升降组件和第三升降组件在第一升降组件的驱动下升降，每组第二升降组件上均安装有一个所述冲射刀和一组所述宽度调节组件，冲射刀和宽度调节组件在第二升降组件的驱动下抬起或下放，所述压缆器安装在第三升降组件上，压缆器在第三升降组件的驱动下抬起或放下，压缆器用于将管缆压入挖出的缆沟中。

每组宽度调节组件连接一个冲射刀以调节冲射刀的位置，从而两个冲射刀之间的宽度，适应不同直径的管缆和挖沟宽度，每组宽度调节组件均包括宽度调节油缸、安装水箱、铰接柱和滑动柱，所述铰接柱和滑动柱平行设置，所述安装水箱的两端设置有连接部，安装水箱的两端分别通过其连接部安装在铰接柱和滑动柱上并可沿铰接柱和滑动柱的轴向滑动，所述宽度调节油缸的活动端与安装水箱连接，所述冲射刀安装在所述安装水箱上，宽度调节油缸驱动安装水箱沿着铰接柱和滑动柱滑动，以调节两个冲射刀之间的距离。

每个所述安装水箱上设置有若干出水口，部分出水口上设置有封堵组件，另一部分出水口上没有设置封堵组件，每组所述封堵组件均包括弹性堵头和封堵油缸，所述弹性堵头与出水口相契合，每个弹性堵头连接一个所述封堵油缸，弹性堵头在封堵油缸的驱动下堵住出水口，当冲射刀开始工作并开始下放时，没有设置封堵组件的出水口则一直出水，设置有封堵组件的出水口由弹性堵头封堵住而不出水，以增大冲射刀末端出口的流速及压力；在冲射刀开放过程中，封堵油缸驱动弹性堵头逐步打开出水口；当冲射刀完全下放时，封堵油缸驱动弹性堵头打开全部出水口，全部出水口出水。外置水泵通过管路将高压水送入安装水箱中，安装水箱与冲射刀之间存在水路通道，经由冲射刀上的喷嘴喷出，挖出沟壑。进一步地，所述第一升降组件包括支撑杆、安装架、收放架和平台收放油缸，所述转动座、支撑杆、安装架和收放架依次相互铰接成平行四边形（铰点的连线呈平行四边形），所述平台收放油缸的一端铰接在转动座上，另一端与支撑杆相铰接，通过平台收放油缸的伸缩驱动平行四边形变形，从而带动安装架升降，所述第二升降组件与安装架相连。

进一步地，每组所述第二升降组件均包括冲射刀下放油缸和收放臂，所述收放臂的一端铰接在所述安装架上，另一端与所述冲射刀下放油缸相铰接，冲射刀下放油缸的另一端铰接在安装架上，冲射刀下放油缸、收放臂和安装架围合成三角形，每个收放臂上安装一个所述安装水箱，每个安装水箱上安装一个冲射刀，冲射刀下放油缸的伸缩驱动收放臂升降，从而带动安装水箱和冲射刀抬起或放下。

进一步地，所述收放臂、收放架、安装架通过所述铰接柱铰接在同一轴线上，所述滑动柱固定在所述收放臂上。

进一步地，所述第三升降组件包括压缆油缸和压缆臂，所述压缆臂的一端铰接在所述安装架上，另一端与所述压缆油缸相铰接，压缆油缸的另一端铰接在安装架上，压缆油缸、压缆臂和安装架围合成三角形，所述压缆器安装在所述压缆臂上，压缆油缸的伸缩驱动压缆臂升降，从而带动压缆器抬起或放下。

进一步地，所述摆动驱动组件包括摆动油缸，所述转动座的一端铰接，另一端与所述摆动油缸铰接，摆动油缸的伸缩驱动转动座绕着其铰接轴转动。

进一步地，还包括传感器组件和控制系统，所述传感器组件包括摄像头、成像声呐、行程传感器和油路压力传感器，所述摆动驱动组件、第一升降组件、第二升降组件、第三升降组件和宽度调节组件的驱动动力均为液压油缸，所述油路压力传感器设置在液压油缸的油路上以监测油路压力，所述行程传感器设置在液压油缸以监测液压油缸的行程，通过监测液压油缸的伸缩来监测冲射刀或压缆器的位置，所述摄像头和成像声呐用于通过图像识别技术监测管缆的位置、直径以及两个冲射刀的横向位置，所述控制系统与摆动驱动组件、第一升降组件、第二升降组件、第三升降组件和宽度调节组件相连，以控制转动座的转动、冲射刀的下放、抬起和横向移动、压缆器的下放和抬起。

一种自动化水下管缆挖沟埋设方法，采用上述自动化水下管缆挖沟埋设装置，包括如下步骤：

S1、控制系统控制整个自动化水下管缆挖沟埋设装置位于待挖沟海床区域的上方，根据预设的挖沟路径，通过摆动驱动组件调整整个自动化水下管缆挖沟埋设装置的方向，使正对挖沟路径；

S2、根据管缆的直径，控制宽度调节油缸动作，驱使两个安装水箱滑动，预调节两个冲射刀之间的间距，适应目标缆径/管径；

S3、开启连接安装水箱的高压水输送装置，将高压水送入安装水箱中，并通过封堵组件堵住安装水箱的部分出水口，冲射刀喷射工作；

S4、控制第一升降组件和第二升降组件工作，冲射刀下放，并随着下放深度的增加，依次开启安装水箱上剩余的出水口，直至冲射刀完全下放，所有出水口全部打开，开始挖沟，并控制挖沟深度；控制第三升降组件动作，压缆器下放，将管缆压入挖出的沟底；

其中，冲射刀下放的方法为：预调好两冲射刀之间的间距后，两冲射刀在下放的过程中，控制系统通过后喷射系统上搭载的摄像头及成像声呐，通过图像识别的方式进一步获取管缆的位置、宽度和左右喷射刀当前的横向位置，将两冲射刀的位置与管缆的位置和直径相对比，经算法计算后产生喷射刀横向调节指令，先控制其中一个冲射刀（根据实际地形情况而定，如左冲射刀）横向移动至合适位置，再控制该冲射刀下降至设定位置，再控制另一个冲射刀横向移动至合适位置，保证管缆位于两冲射刀之间，再控制该冲射刀下降至设定位置，启动冲射系统挖沟，两个冲射刀的下降和横向移动、冲射系统的水压控制等均通过控制相应的液压油缸来实现。

压缆器下放的方法为：第三升降组件采用压缆油缸为压缆器的驱动动力，控制系统控制压缆油缸下放压缆器，并结合左右喷射刀对应的宽度调节油缸上行程传感器的信号，将电缆位置横向限制于压缆器正下方，并压住两冲射刀间的管缆下放，下放过程中通过压缆油缸上的行程传感器和油路压力传感器监测压缆油缸行程和液压回路压力，反馈至控制系统，计算出压缆器当前的下压力和下放深度，并根据沟底工况，以及实际使用需求，调整下压力，进而使其压紧力维持动态平衡，保证开沟速度以及保护电缆。

压缆器的下压力直接通过调节压缆油缸的行程来调整，因为电缆是柔性的，下压力和压缆深度有关。当压缆深度未达预定值时，增大压缆油缸的行程下压，在运行过程中，当监测到压力超过阈值，则需要减小油缸行程，收回油缸，降低下压力，此时或许遇到障碍物，另外在部分要求深度不高的路线，降低下压力，可以提高开沟效率。

挖沟深度的控制方法为：第一升降组件采用平台收放油缸为驱动动力，第二升降组件采用冲射刀下放油缸为驱动动力，控制系统预先设定挖沟深度值，冲射刀位置调节算法和冲射刀负载调节算法根据该挖沟深度值计算得到平台收放油缸和冲射刀下放油缸的控制指令，平台收放油缸和冲射刀下放油缸根据控制指令动作，工作过程中实时监控平台收放油缸和冲射刀下放油缸的行程和油路压力，得到冲射刀位置和负载，并将其反馈给控制系统，控制系统根据这些数据，实时调整控制平台收放油缸和冲射刀下放油缸，直至到达目标挖沟深度；如果冲射刀负载出现异常，超过设定阈值，说明遇到无法通过的障碍物或碰到无法进一步挖掘的工况，采用直接抬高冲射刀的方式避开该区域，如果避让的次数超过设定值，则需核实设备是否正常，避免因设备故障而导致作业异常，如设备正常，则需进一步核实该段海底工况是否合适冲射式挖沟。

S5、当需要转弯时，控制挖沟方向，以适应管缆的弯曲半径，并对管缆的铺设路线进行微调。

挖沟方向的控制方法为：控制系统预先设定挖沟方向（根据寻缆系统规划的路线），角度调节算法根据设定的挖沟方向计算得到平台收放油缸、冲射刀下放油缸和摆动油缸的控制指令，平台收放油缸、冲射刀下放油缸和摆动油缸工作，使冲射刀正对设定方向，挖沟过程中，由各油缸行程传感器实时反馈位置信息，由于装置的结构是已知确定的，因而可由此得到实时的挖沟角度，角度调节算法根据反馈的角度计算得到控制指令，直至到达目标挖沟方向。

进一步地，还包括如下步骤：平台收放油缸、冲射刀下放油缸、摆动油缸上均设置有油路压力传感器，并设定各油路压力的极限值，实时监控各油缸的油路压力，当某一油路压力超过其极限值时，表明其负载超标，通过控制各油缸调节冲射刀和压缆器的高度，避开无法破碎的土壤或其它作业异常。

本发明的冲射刀采用四连杆机构下放+冲射刀直接下放相结合的两段下放方式，可以大大增加下放深度，也使冲射刀的长度可以制造得更加长，可挖更深的沟；且两个冲射刀的下放机构单独设置，使得冲射刀可分别下放，当海底情况复杂，电缆位置无法精确定位时，分别下放冲射刀可以将电缆夹入冲射刀内；通过设置宽度调节组件，使得冲射刀的间距可调，可适应不同直径的管缆；压缆器的下放机构亦单独设置，可独立下放压缆器，并控制压缆力，根据不同工况及挖沟速度，配置不同的压缆力；转动座可转动，随时调整整个冲射装备的角度，沟机在转弯过程中，由于挖沟机和冲射刀跨度大，电缆会给冲射刀反作用力，因此冲射刀相对于挖沟机需要相对转动，通过液压回路控制转动座随动临界压力，并在特定工况下保持位置恒定；冲射刀、压缆器、转动座等机构的驱动动力采用液压油缸的形式，适合于水下工作环境，且易于控制；通过油缸上的行程和压力反馈，融合摄像头、成像声呐等视觉技术，可实现冲射刀自动调节宽度、自动挖沟、下放夹缆、随缆转弯避障等一系列自动化作业；在安装水箱上设置若干出水口，通过控制出水口的开启数量来增加冲射刀上喷嘴末端的射流压力机流速，大大增加冲射器的开沟深度及下放速度。本发明不仅适用于海底电缆，还适用于海底管道或其它海底铺设的线路。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例另一种工作状态的结构示意图。

图3为本发明实施例的俯视示意图。

图4为本发明实施例中去掉第三升降组件和压缆器的侧视示意图。

图5为本发明实施例中宽度调节组件的俯视示意图。

图6为图5中A-A的截面示意图。

图7为图6中B处封堵组件的细节放大图。

图8为图7中封堵组件另一种工作状态的示意图。

图9为本发明实施例中自动夹缆压缆控制流程图。

图10为本发明实施例中自动控制挖沟深度的流程图。

图11为本发明实施例中自动调节挖沟方向的流程图。

附图标记：1-转动座；2-摆动油缸；3-支撑杆；4-平台收放油缸；5-安装架；6-收放架；7-冲射刀下放油缸；8-收放臂；9-安装水箱；10-冲射刀；11-压缆油缸；12-压缆臂；13-压缆器；14-宽度调节油缸；15-滑动柱；16-铰接柱；17-封堵油缸；18-弹性堵头；51-出水口；101-喷嘴。

具体实施方式

一种自动化水下管缆挖沟埋设装置，如图1至图3所示，包括转动座1、摆动驱动组件、第一升降组件、第二升降组件、冲射刀10、第三升降组件、压缆器13和宽度调节组件，所述转动座1可转动设置（可安装在挖沟机基座上，采用铰接的方式），所述摆动驱动组件与转动座1相连以驱动转动座1转动，以适应管缆转弯的需求。本实施例中，所述摆动驱动组件包括摆动油缸2，所述转动座1的一端铰接，可铰接在挖沟机基座上，另一端与所述摆动油缸2铰接，摆动油缸2的另一端也可铰接在挖沟机基座上，摆动油缸2的伸缩驱动转动座1绕着其铰接轴转动，从而控制整个装置的偏转角度，也可以通过摆动油缸2的液压回路实现在挖沟机工作过程中的随动旋摆。

所述第一升降组件安装在转动座1上，所述第二升降组件有两组，所述第三升降组件和两组第二升降组件均安装在第一升降组件上，第二升降组件和第三升降组件在第一升降组件的驱动下升降，每组第二升降组件上均安装有一个所述冲射刀10和一组所述宽度调节组件，冲射刀10和宽度调节组件在第二升降组件的驱动下抬起或下放，所述压缆器13安装在第三升降组件上，压缆器13在第三升降组件的驱动下抬起或放下，压缆器13用于将管缆压入挖出的缆沟中，可采用现有的结构或形式。

每组宽度调节组件连接一个冲射刀10以调节冲射刀10的位置，从而调节两个冲射刀10之间的宽度，适应不同直径的管缆和挖沟宽度，如图4至图6，每组宽度调节组件均包括宽度调节油缸14、安装水箱9、铰接柱16和滑动柱15，所述铰接柱16和滑动柱15平行设置，安装水箱9的两端设置有连接部，安装水箱9的两端分别通过其连接部安装在铰接柱16和滑动柱15上并可沿铰接柱16和滑动柱15的轴向滑动，具体可为，连接部上设置轴孔，铰接柱16和滑动柱15穿过轴孔即完成滑动连接，所述宽度调节油缸14的活动端与安装水箱9连接，所述冲射刀10安装在所述安装水箱9上，宽度调节油缸14驱动安装水箱9沿着铰接柱16和滑动柱15滑动，以调节两个冲射刀10之间的距离。冲射刀10上设置有多个喷嘴101，对应多个流道，安装水箱9连通这些流道，用于汇结紊乱水流，以及水流的分配。

本实施例中，如图6至图8，每个所述安装水箱9上设置有若干出水口51，部分出水口51上设置有封堵组件，另一部分出水口上没有设置封堵组件，每组所述封堵组件均包括弹性堵头18和封堵油缸17，所述弹性堵头18与出水口51相契合，每个弹性堵头18连接一个所述封堵油缸17，弹性堵头18在封堵油缸17的驱动下堵住出水口51，当冲射刀10开始工作并开始下放时，没有设置封堵组件的出水口则一直出水，设置有封堵组件的出水口由弹性堵头18封堵住而不出水，以增大冲射刀10末端出口的流速及压力；在冲射刀10开放过程中，封堵油缸17驱动弹性堵头18逐步打开出水口；当冲射刀10完全下放时，封堵油缸17驱动弹性堵头18打开全部出水口，全部出水口出水。外置水泵通过管路将高压水送入安装水箱9中，安装水箱9与冲射刀10之间存在水路通道，经由冲射刀10上的喷嘴101喷出，挖出沟壑。作为其中一种实施方式，本实施例中，所述第一升降组件包括支撑杆3、安装架5、收放架6和平台收放油缸4，所述转动座1、支撑杆3、安装架5和收放架6依次相互铰接成平行四边形（铰点的连线呈平行四边形），所述平台收放油缸4的一端铰接在转动座1上，另一端与支撑杆3相铰接，通过平台收放油缸4的伸缩驱动平行四边形变形，从而带动安装架5升降。所述第二升降组件与安装架5相连，安装架升降，带动两个第二升降组件升降。宽度调节油缸14的一端连接在安装架5上，另一端与安装水箱9相连。

每组所述第二升降组件均包括冲射刀下放油缸7和收放臂8，所述收放臂8的一端铰接在所述安装架5上，另一端与所述冲射刀下放油缸7相铰接，冲射刀下放油缸7的另一端铰接在安装架5上，冲射刀下放油缸7、收放臂8和安装架5围合成三角形（铰点的连线呈三角形），每个收放臂8上安装一个所述安装水箱9，每个安装水箱9上安装一个冲射刀10，冲射刀下放油缸7的伸缩驱动收放臂8升降，从而带动安装水箱9和冲射刀10抬起或放下。

本实施例中，所述收放臂8、收放架6、安装架5、安装水箱9通过所述铰接柱16铰接在同一轴线上，铰接柱16穿过安装架5，所述滑动柱15固定在所述收放臂8上，可一体化设置，安装水箱9也铰接在滑动柱上，并可沿滑动柱15滑动以调节位置。

作为其中一种实施方式，本实施例中，所述第三升降组件包括压缆油缸11和压缆臂12，所述压缆臂12的一端铰接在所述安装架5上，另一端与所述压缆油缸11相铰接，压缆油缸11的另一端铰接在安装架5上，压缆油缸11、压缆臂12和安装架5围合成三角形（铰点的连线呈三角形），所述压缆器13安装在所述压缆臂12上，压缆油缸11的伸缩驱动压缆臂12升降，从而带动压缆器13抬起或放下。

本实施例中，如图9，还包括传感器组件和控制系统，所述传感器组件包括摄像头、成像声呐、行程传感器和油路压力传感器，所述摆动驱动组件、第一升降组件、第二升降组件、第三升降组件和宽度调节组件的驱动动力均为液压油缸，所述油路压力传感器设置在液压油缸的油路上以监测油路压力，所述行程传感器设置在液压油缸以监测液压油缸的行程，通过监测液压油缸的伸缩来监测冲射刀或压缆器的位置，所述摄像头和成像声呐用于通过图像识别技术监测管缆的位置、直径以及两个冲射刀10的横向位置，所述控制系统与摆动驱动组件、第一升降组件、第二升降组件、第三升降组件和宽度调节组件相连，以控制转动座1的转动、冲射刀10的下放、抬起和横向移动、压缆器13的下放和抬起。

一种自动化水下管缆挖沟埋设方法，采用上述自动化水下管缆挖沟埋设装置，包括如下步骤：

S1、控制系统整个自动化水下管缆挖沟埋设装置位于待挖沟海床区域的上方，根据预设的挖沟路径，通过摆动驱动组件调整整个自动化水下管缆挖沟埋设装置的方向，使正对挖沟路径。

S2、根据管缆的直径，控制宽度调节油缸14动作，驱使两个安装水箱9滑动，预调节两个冲射刀10之间的间距，适应目标缆径/管径，一般两冲射刀10之间的距离要大于目标缆径/管径。

S3、开启连接安装水箱9的高压水输送装置，将高压水送入安装水箱9中，并通过封堵组件堵住安装水箱9的部分出水口51，冲射刀10喷射工作。

S4、控制第一升降组件和第二升降组件工作，冲射刀10下放，并随着下放深度的增加，依次开启安装水箱9上剩余的出水口51，直至冲射刀10完全下放，所有出水口51全部打开，开始挖沟，并控制挖沟深度。控制第三升降组件动作，压缆器13下放，将管缆压入挖出的沟底。

举例说明，每个安装水箱设置7个出水口，有3个出水口设置有封堵组件，开始工作时，这3个出水口一直关闭，另4个一直出水，当冲射刀完全下放时，7个出口全部打开。由冲射刀的冲射侵蚀机理可知，堵住部分出水口可增大冲射刀末端出水口的流量及压力，让末端出水口能更快的进入土壤中，等下方出水口进入土壤，即可逐步打开封堵组件，继续下放。

冲射刀下放的方法可如图9所示，预调好两冲射刀之间的间距后，两冲射刀在下放的过程中，控制系统通过后喷射系统上搭载的摄像头及成像声呐，通过图像识别的方式进一步获取管缆的位置、宽度和左右喷射刀当前的横向位置，将两冲射刀的位置与管缆的位置和直径相对比，经算法计算后产生喷射刀横向调节指令，先控制其中一个冲射刀（根据实际地形情况而定，如左冲射刀）横向移动至合适位置，再控制该冲射刀下降至设定位置，再控制另一个冲射刀横向移动至合适位置，保证管缆刚好位于两冲射刀之间且不会有太多空隙，即两冲射刀之间的距离稍大于管缆的直径，再控制该冲射刀下降至设定位置，两个冲射刀的下降和横向移动、冲射系统的水压控制等均通过控制相应的液压油缸来实现。

压缆器下放的方法可如图9所示，控制系统控制压缆油缸下放压缆器，并结合左右喷射刀对应的宽度调节油缸上行程传感器的信号，将电缆位置横向限制于压缆器正下方，并压住两冲射刀间的管缆下放，下放过程中通过压缆油缸上的行程传感器和油路压力传感器监测油缸行程和液压回路压力，反馈至控制系统，计算出压缆器当前的下压力和下放深度，并根据沟底工况，以及实际使用需求，调整下压力，进而使其压紧力维持动态平衡，保证开沟速度以及保护电缆。

具体地，可通过直接调节压缆油缸的行程来调整下压力，因为电缆是柔性的，下压力和压缆深度有关。当压缆深度未达预定值时，增大压缆油缸的行程下压，在运行过程中，当监测到压力超过阈值，则需要减小油缸行程，收回油缸，降低下压力，此时或许遇到障碍物，另外在部分要求深度不高的路线，降低下压力，可以提高开沟效率。

可采用如图10所示的方式控制挖沟的深度，具体为，第一升降组件采用平台收放油缸为驱动动力，第二升降组件采用冲射刀下放油缸为驱动动力，控制系统预先设定挖沟深度值，冲射刀位置调节算法和冲射刀负载调节算法根据该挖沟深度值计算得到冲射刀油缸（平台收放油缸和冲射刀下放油缸）的控制指令，平台收放油缸和冲射刀下放油缸根据控制指令动作，工作过程中实时监控平台收放油缸和冲射刀下放油缸的行程和油路压力，得到冲射刀位置和负载，并将其反馈给控制系统，控制系统根据这些数据，实时调整控制平台收放油缸和冲射刀下放油缸，直至到达目标挖沟深度；如果冲射刀负载出现异常，超过设定阈值，说明遇到无法通过的障碍物或碰到无法进一步挖掘的工况，采用直接抬高冲射刀的方式避开该区域，如果避让的次数超过设定值，则需核实设备是否正常，避免因设备故障而导致作业异常，如设备正常，则需进一步核实该段海底工况是否合适冲射式挖沟。

S5、当需要转弯时，控制挖沟方向，以适应管缆的弯曲半径，并对管缆的铺设路线进行微调。

可采用如图11所示的方式控制挖沟的方向，适应管缆转弯的需求，总体方法是先由寻缆系统得到管缆的大致方向，再进行路线规划，得到当前的挖沟方向，以该挖沟方向为目标，并根据海底环境进行微调。具体为，控制系统预先设定挖沟方向（规划的方向），角度调节算法根据设定的挖沟方向计算得到平台收放油缸、冲射刀下放油缸和摆动油缸的控制指令，平台收放油缸、冲射刀下放油缸和摆动油缸工作，使冲射刀正对设定方向，挖沟过程中，由各油缸行程传感器实时反馈位置信息，由于装置的结构是已知确定的，因而可由此得到实时的挖沟角度，角度调节算法根据反馈的角度计算得到控制指令，直至到达目标挖沟方向。一般情况下的转弯，通过控制摆动油缸即可实现方向调节，当碰到小半径转弯的情况时，需要配合平台收放油缸和冲射刀下放油缸抬起冲射刀，防止冲射刀下放太深，被过小弯曲半径的管缆压坏。

上述平台收放油缸、冲射刀下放油缸、摆动油缸上均设置有行程传感器和油路压力传感器，并设定各油路压力的极限值，实时监控各油缸的输出位置和油路压力，当某一油路压力超过其极限值时，表明其负载超标，通过控制各油缸调节冲射刀和压缆器的高度，避开无法破碎的土壤或其它作业异常。并通过监测各油缸的输出位置和负载，结合设定数据，可实现不同海底土质下的挖沟深度控制。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围。

Claims (8)

1.一种自动化水下管缆挖沟埋设方法，其特征在于，所述方法应用了一种自动化水下管缆挖沟埋设装置，其包括转动座、摆动驱动组件、第一升降组件、第二升降组件、冲射刀、第三升降组件、压缆器和宽度调节组件，所述转动座可转动设置，所述摆动驱动组件与转动座相连以驱动转动座转动，以适应管缆转弯的需求；所述第一升降组件安装在转动座上，所述第二升降组件有两组，所述第三升降组件和两组第二升降组件均安装在第一升降组件上，第二升降组件和第三升降组件在第一升降组件的驱动下升降，每组第二升降组件上均安装有一个所述冲射刀和一组所述宽度调节组件，冲射刀在第二升降组件的驱动下抬起或下放，所述压缆器安装在第三升降组件上，压缆器在第三升降组件的驱动下抬起或放下；

每组宽度调节组件均包括宽度调节油缸、安装水箱、铰接柱和滑动柱，所述铰接柱和滑动柱平行设置，所述安装水箱的两端设置有连接部，安装水箱的两端分别通过其连接部安装在铰接柱和滑动柱上并可沿铰接柱和滑动柱的轴向滑动，所述宽度调节油缸的活动端与安装水箱连接，所述冲射刀安装在所述安装水箱上，宽度调节油缸驱动安装水箱沿着铰接柱和滑动柱滑动，以调节两个冲射刀之间的距离；

每个所述安装水箱上设置有若干出水口，部分出水口上设置有封堵组件，每组所述封堵组件均包括弹性堵头和封堵油缸，所述弹性堵头与出水口相契合，每个弹性堵头连接一个所述封堵油缸，弹性堵头在封堵油缸的驱动下堵住出水口，当冲射刀开始工作并开始下放时，设置有封堵组件的出水口由弹性堵头封堵住而不出水，以增大冲射刀末端出口的流速及压力，在冲射刀开放过程中，封堵油缸驱动弹性堵头逐步打开出水口，当冲射刀完全下放时，全部出水口打开；

所述方法具体步骤如下：

S1、控制系统控制整个自动化水下管缆挖沟埋设装置位于待挖沟海床区域的上方，根据预设的挖沟路径，通过摆动驱动组件调整整个自动化水下管缆挖沟埋设装置的方向，使正对挖沟路径；

S2、根据管缆的直径，控制宽度调节油缸动作，驱使两个安装水箱滑动，预调节两个冲射刀之间的间距，适应目标缆径/管径；

S3、开启连接安装水箱的高压水输送装置，将高压水送入安装水箱中，并通过封堵组件堵住安装水箱的部分出水口，冲射刀喷射工作；

S4、控制第一升降组件和第二升降组件工作，冲射刀下放，并随着下放深度的增加，依次开启安装水箱上剩余的出水口，直至冲射刀完全下放，所有出水口全部打开，开始挖沟，并控制挖沟深度；控制第三升降组件动作，压缆器下放，将管缆压入挖出的沟底；

其中，冲射刀下放的方法为：预调好两冲射刀之间的间距后，两冲射刀在下放的过程中，控制系统通过摄像头及成像声呐，通过图像识别的方式进一步获取管缆的位置、宽度和两喷射刀当前的横向位置，将两冲射刀的位置与管缆的位置和直径相对比，经算法计算后产生喷射刀横向调节指令，先控制其中一个冲射刀横向移动至合适位置，再控制该冲射刀下降至设定位置，再控制另一个冲射刀横向移动至合适位置，保证管缆刚好位于两冲射刀之间且不会有太多空隙，再控制该冲射刀下降至设定位置；

压缆器下放的方法为：第三升降组件采用压缆油缸为压缆器的驱动动力，控制系统控制压缆油缸下放压缆器，并结合两喷射刀对应的宽度调节油缸上行程传感器的信号，将电缆位置横向限制于压缆器正下方，并压住两冲射刀间的管缆下放，下放过程中通过压缆油缸上的行程传感器和油路压力传感器监测压缆油缸行程和液压回路压力，反馈至控制系统，计算出压缆器当前的下压力和下放深度，并根据沟底工况，以及实际使用需求，调整下压力，进而使其压紧力维持动态平衡；

压缆器下压力直接通过调节压缆油缸的行程来调节，当压缆深度未达预定值时，增大压缆油缸的行程下压；当监测到压缆油缸的油路压力超过阈值，则减小油缸行程，收回油缸，降低下压力；

挖沟深度的控制方法为：第一升降组件采用平台收放油缸为驱动动力，第二升降组件采用冲射刀下放油缸为驱动动力，控制系统预先设定挖沟深度值，冲射刀位置调节算法和冲射刀负载调节算法根据该挖沟深度值计算得到平台收放油缸和冲射刀下放油缸的控制指令，平台收放油缸和冲射刀下放油缸根据控制指令动作，工作过程中实时监控平台收放油缸和冲射刀下放油缸的行程和油路压力，得到冲射刀位置和负载，并将其反馈给控制系统，控制系统根据冲射刀位置和负载数据，实时调整控制平台收放油缸和冲射刀下放油缸，直至到达目标挖沟深度；如果冲射刀负载出现异常，超过设定阈值，采用直接抬高冲射刀的方式避开该区域，如果避让的次数超过设定值，则核实设备是否正常，避免因设备故障而导致作业异常，如设备正常，则进一步核实该段海底工况是否合适冲射式挖沟；

S5、当需要转弯时，控制挖沟方向，以适应管缆的弯曲半径，并对管缆的铺设路线进行微调；

挖沟方向的控制方法为：控制系统根据寻缆系统规划的路线预先设定挖沟方向，角度调节算法根据设定的挖沟方向计算得到平台收放油缸、冲射刀下放油缸和摆动驱动组件上摆动油缸的控制指令，平台收放油缸、冲射刀下放油缸和摆动油缸工作，使冲射刀正对设定方向，挖沟过程中，由各油缸行程传感器实时反馈位置信息，角度调节算法根据反馈的角度计算得到控制指令，直至到达目标挖沟方向。

2.根据权利要求1所述的一种自动化水下管缆挖沟埋设方法，其特征在于，所述第一升降组件包括支撑杆、安装架、收放架和平台收放油缸，所述转动座、支撑杆、安装架和收放架依次相互铰接成平行四边形，所述平台收放油缸的一端铰接在转动座上，另一端与支撑杆相铰接，通过平台收放油缸的伸缩驱动平行四边形变形，从而带动安装架升降，所述第二升降组件与安装架相连。

3.根据权利要求2所述的一种自动化水下管缆挖沟埋设方法，其特征在于，每组所述第二升降组件均包括冲射刀下放油缸和收放臂，所述收放臂的一端铰接在所述安装架上，另一端与所述冲射刀下放油缸相铰接，冲射刀下放油缸的另一端铰接在安装架上，冲射刀下放油缸、收放臂和安装架围合成三角形，每个收放臂上安装一个所述安装水箱，每个安装水箱上安装一个冲射刀，冲射刀下放油缸的伸缩驱动收放臂升降，从而带动安装水箱和冲射刀抬起或放下。

4.根据权利要求3所述的一种自动化水下管缆挖沟埋设方法，其特征在于，所述收放臂、收放架、安装架通过所述铰接柱铰接在同一轴线上，所述滑动柱固定在所述收放臂上。

5.根据权利要求2所述的一种自动化水下管缆挖沟埋设方法，其特征在于，所述第三升降组件包括压缆油缸和压缆臂，所述压缆臂的一端铰接在所述安装架上，另一端与所述压缆油缸相铰接，压缆油缸的另一端铰接在安装架上，压缆油缸、压缆臂和安装架围合成三角形，所述压缆器安装在所述压缆臂上，压缆油缸的伸缩驱动压缆臂升降，从而带动压缆器抬起或放下。

6.根据权利要求1所述的一种自动化水下管缆挖沟埋设方法，其特征在于，所述摆动驱动组件包括摆动油缸，所述转动座的一端铰接，另一端与所述摆动油缸铰接，摆动油缸的伸缩驱动转动座绕着其铰接轴转动。

7.根据权利要求1所述的一种自动化水下管缆挖沟埋设方法，其特征在于，还包括传感器组件和控制系统，所述传感器组件包括摄像头、成像声呐、行程传感器和油路压力传感器，所述摆动驱动组件、第一升降组件、第二升降组件、第三升降组件和宽度调节组件的驱动动力均为液压油缸，所述油路压力传感器设置在液压油缸的油路上以监测油路压力，所述行程传感器设置在液压油缸以监测液压油缸的行程，通过监测液压油缸的伸缩来监测冲射刀或压缆器的位置，所述摄像头和成像声呐用于通过图像识别技术监测管缆的位置、直径以及两个冲射刀的横向位置，所述控制系统与摆动驱动组件、第一升降组件、第二升降组件、第三升降组件和宽度调节组件相连，以控制转动座的转动、冲射刀的下放、抬起和横向移动、压缆器的下放和抬起。

8.根据权利要求1所述的一种自动化水下管缆挖沟埋设方法，其特征在于，还包括如下步骤：平台收放油缸、冲射刀下放油缸、摆动油缸上均设置有油路压力传感器，并设定各油路压力的极限值，实时监控各油缸的油路压力，当某一油路压力超过其极限值时，表明其负载超标，通过控制各油缸调节冲射刀和压缆器的高度，避开无法破碎的土壤或其它作业异常。