用于水下挖沟作业的自适应拖曳控制方法、设备及介质与流程

本发明涉及水下挖沟作业，具体是涉及到一种用于水下挖沟作业的自适应拖曳控制方法、设备及介质。

背景技术：

1、在水下挖沟工程中，挖沟犁作为一种主要的挖沟设备，通过母船拖曳作业在海底进行沟槽的挖掘。由于水下环境复杂，挖沟犁自身不具备自行移动能力，作业时需要母船通过拖曳绞车控制拖曳缆，利用拖曳力使挖沟犁沿预定轨迹行进。然而，由于拖曳缆具有较大的重量，且在作业过程中需要保持特定的悬链线形状，以确保挖沟犁的稳定拖拽效果，因此对拖曳缆构型的控制提出了较高的要求。

2、在现有技术中，拖曳缆构型会受到多种因素的影响，包括海底底质的强度、挖沟犁所需的拉力、母船和挖沟犁之间的相对位置、水深、拖曳缆自身重量等。在实际作业过程中，操作人员需要根据海底环境的变化以及挖沟需求，不断调整母船位置和拖曳缆长度，以确保挖沟犁能够保持在目标沟槽内稳定工作。这种控制方式对操作人员的经验依赖性较强，操作难度大且精度难以保证，尤其在深海复杂地形作业中，挖沟犁可能受到不均匀拉力影响，导致工作效果难以达到预期。同时，不合适的拖曳缆布放长度可能导致拖曳缆与挖沟犁之间发生缠绕，损坏设备；或是拖曳缆在海床上拖行，增加了绞车的负载，甚至可能损伤海底光电缆等设施，影响整个作业系统的安全性和可靠性。

技术实现思路

1、本发明提供了一种用于水下挖沟作业的自适应拖曳控制方法、设备及介质，其目的是解决水下挖沟作业中拖曳缆构型和拖曳力控制精度不足、操作难度大、作业效率低的问题。

2、为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种用于水下挖沟作业的自适应拖曳控制方法，包括如下步骤：

3、接收挖沟深度要求，生成对应的油缸长度指令；根据所述长度指令调整油缸至指令长度；

4、依据调整后的油缸长度，通过几何关系计算出油缸形成的三角形角度；

5、利用所述三角形角度，推算滑靴支点在挖沟犁坐标系中的坐标位置；

6、根据滑靴支点的坐标位置，计算滑靴支点连线与坐标轴之间的夹角，确定该连线在挖沟犁坐标系内的方向；

7、由所述连线在挖沟犁坐标系内的方向，计算当前海底坡度角；

8、使用计算所得的海底坡度角，推导期望的挖沟犁端拖曳缆拖曳角度；

9、结合拖曳缆参数、挖沟犁深度以及所述期望的挖沟犁端拖曳缆拖曳角度，计算母船端对应的拖曳缆拖曳角度；

10、依据母船端拖曳缆拖曳角度，调整母船位置，使母船与挖沟犁之间保持预设水平距离；

11、基于所需水平距离和拖曳角度，计算并调节拖曳绞车的布缆长度，完成拖曳缆的配置。

12、进一步的，通过几何关系计算出油缸形成的三角形角度的方法包括：

13、定义挖沟犁坐标系，所述挖沟犁坐标系与地球坐标系相关，根据挖沟犁坐标系获取挖沟犁的几何参数，包括滑靴支点的位置及油缸的安装位置；

14、接收操作人员提供的油缸长度指令，获取油缸的当前长度；

15、根据滑靴支点的位置、油缸的当前长度及其安装位置，利用三角形余弦定理计算油缸与挖沟犁本体的连接支点所构成的三角形角度。

16、进一步的，油缸形成的三角形角度的计算公式如下：

17、

18、

19、其中，β1和β2表示由滑靴支点、油缸、挖沟犁所组成的两角对应的角度，lab表示油缸ab的两个可旋转连接支点的长度，lob表示坐标系ob点到油缸支点b的距离，loa表示坐标系ob点到油缸支点a的距离，ob表示挖沟犁前后滑靴之间与挖沟犁本体的连接支点，lcd表示油缸dc的两个可旋转连接质点的长度，loc表示坐标系ob点到油缸质点c的距离，lod表示坐标系ob点到油缸质点d的距离。

20、进一步的，滑靴支点在挖沟犁坐标系的坐标计算如下：

21、

22、

23、

24、

25、其中，e和f分别为滑靴支点，表示滑靴支点e在挖沟犁坐标系中的x坐标，表示滑靴支点e在挖沟犁坐标系中的y坐标，表示滑靴支点f在挖沟犁坐标系中的x坐标，表示滑靴支点f在挖沟犁坐标系中的y坐标，α1和α2表示与油缸ab、油缸dc在挖沟犁本体上安装支点a和d与ob连线与xb坐标轴的夹角。

26、进一步的，滑靴支点连线与坐标轴之间的夹角通过如下公式计算得到：

27、

28、其中，为滑靴支点连线与坐标轴之间的夹角；

29、当前海底坡度角的计算公式如下：

30、

31、其中，为当前海底坡度角，为挖沟犁俯仰角；

32、期望的挖沟犁端对应的拖曳缆拖曳角度的计算公式如下：

33、

34、其中，为期望的挖沟犁端对应的拖曳缆拖曳角度。

35、进一步的，母船端对应的拖曳缆拖曳角度的计算方法包括：

36、定义拖曳缆与挖沟犁相连的点为地球坐标系的原点；

37、将拖曳缆视作由多个小段缆连接而成，每小段缆在地球坐标系内进行表达；

38、根据已知条件，分别计算每个小段缆在拖曳缆法线方向和切线方向上的受力；在忽略水对拖曳缆的作用力影响下，将受力方程简化；

39、将简化后的受力方程两边相除并积分，得到拖曳缆的张力与角度关系式；

40、期望的挖沟犁端对应的拖曳缆拖曳角度和当前所受拖曳缆张力大小代入拖曳缆的张力与角度关系式，通过积分计算得到母船端对应的拖曳缆拖曳角度。

41、进一步的，母船端对应的拖曳缆拖曳角度的计算公式如下：

42、

43、其中，yn为挖沟犁当前深度，y0表示y坐标处于地球坐标系的原点，为拖曳角度，为当前海底坡度角，为期望的挖沟犁端对应的拖曳缆拖曳角度，t0为拖曳绳和挖沟犁之间的相符作用力，ω为拖曳缆单元每单位长度的水重量，为拖曳缆单元上张力拖曳缆角。

44、进一步的，拖曳绞车的布缆长度的计算公式如下：

45、

46、其中，sn表示拖曳缆在第n点处与第零点处之间的长度，s0为拖曳缆在第零点处的拖曳缆长度。

47、为实现上述目的，本发明第二方面提供了一种电子设备，包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储支持处理器执行所述用于水下挖沟作业的自适应拖曳控制方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

48、为实现上述目的，本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行所述用于水下挖沟作业的自适应拖曳控制方法的步骤。

49、本发明的有益效果：

50、与现有技术相比，本发明提供的一种用于水下挖沟作业的自适应拖曳控制方法、设备及介质，通过建立拖曳缆的数学模型，结合海底坡度、挖沟犁所需的拖曳力、水深、拖曳缆的特性等因素，自适应地计算拖曳缆的布放长度和母船与挖沟犁的相对位置，从而在作业过程中实时调整母船位置和拖曳绞车的布缆长度。通过生成油缸长度指令，控制油缸角度以精确推算挖沟犁的位置与姿态，计算当前海底坡度角及期望拖曳角度，使拖曳缆始终处于最佳构型状态。该方法有效解决了现有技术中拖曳缆构型和拖曳力控制精度不足的问题，降低了操作难度，减少了设备受损风险，从而提高了水下挖沟作业的安全性和效率。