基于激光傳感器的船舶避碰預(yù)警系統(tǒng)

武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 屈驍 武漢理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心 鄭衛(wèi)剛

為了實(shí)現(xiàn)船舶的安全航行，航運(yùn)技術(shù)主要采取兩種措施，一種是船靠港時(shí)依賴于船舶交通管理系統(tǒng) (VTS)，另一種是依賴于船舶避撞規(guī)則。雷達(dá)一直是這兩種措施的主要觀測(cè)設(shè)備，用來檢測(cè)和識(shí)別船只。作為普通雷達(dá)的發(fā)展，自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀(Automatic Radar Plotting Aids,ARPA) 早已作為現(xiàn)代大型船舶上用于避免碰撞的主要儀器而得到普遍使用，對(duì)減少船舶碰撞發(fā)揮了重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System)作為未來海上識(shí)別、檢測(cè)和通信系統(tǒng)，提高了船舶航行安全，避免了海上碰撞[1]。

無論是傳統(tǒng)的雷達(dá)、ARPA 技術(shù)，還是自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AIS，都是確保海上安全航行、防止碰撞的有力手段。但是從中國(guó)目前的實(shí)際情況來看，大型商船均配備較為完善的檢測(cè)系統(tǒng)，而中等船只和一般輕型噸位的漁船，由于現(xiàn)有設(shè)備的昂貴，很難大范圍得到普及。因此對(duì)于中小船只來說，高性價(jià)比的防撞系統(tǒng)是必需的?，F(xiàn)階段防撞系統(tǒng)未考慮到船舶與船舶之間或者船舶與障礙物之間的相對(duì)速度、船舶之間相對(duì)的行駛方向、船舶前后左右不同方向預(yù)警距離要求不同這三種情況，而是機(jī)械地判斷固定的相對(duì)距離而達(dá)到預(yù)警目的，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用局限性很大，比如靠碼頭、船舶并排行駛等正常情況下也會(huì)發(fā)生預(yù)警。

激光器件及測(cè)量技術(shù)的發(fā)展為解決海上船舶防撞提供了一個(gè)新的途徑，它使得船舶導(dǎo)航、避撞甚至?？康淖詣?dòng)化和自適應(yīng)成為可能。激光測(cè)量具有高方向性、高單色性、高亮度、測(cè)量速度快等優(yōu)點(diǎn)，尤其是對(duì)雨霧有一定的穿透能力，大氣抗干擾能力強(qiáng)。結(jié)合海上船舶間測(cè)距的特點(diǎn)，可以采用脈沖激光測(cè)距、激光定位、激光測(cè)速來及時(shí)連續(xù)的測(cè)量目標(biāo)船只與周圍船只的距離、測(cè)量目標(biāo)船只與周圍船只的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向、測(cè)量目標(biāo)船只與周圍船只的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

一、激光測(cè)距的基本原理

激光測(cè)距分為連續(xù)波相位測(cè)距和脈沖測(cè)距兩種。連續(xù)波測(cè)距是用無線電波段的頻率，對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測(cè)定調(diào)制光往返測(cè)線一次所產(chǎn)生的相位延遲[2]，再根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)，換算此相位延遲所代表的距離。連續(xù)波相位測(cè)距的精度極高，一般可達(dá)毫米級(jí)，但連續(xù)波相位測(cè)距較激光脈沖測(cè)距電路復(fù)雜，成本高?？紤]到在船舶防撞系統(tǒng)中不需要那么高的精度，采用激光脈沖測(cè)距方法完全能夠滿足船舶防撞系統(tǒng)的要求[3]。

激光脈沖測(cè)距是利用測(cè)量往返脈沖間隔時(shí)間獲知距離，測(cè)量方法是在確定時(shí)間起止間用時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)。這種方法可以得到10-10s以上的測(cè)量精度[3]。激光脈沖測(cè)距部分原理圖如圖1所示。由激光發(fā)射器產(chǎn)生作用時(shí)間為幾納秒、發(fā)射角為幾豪弧度的激光脈沖經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)射向被測(cè)目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)反射后返回到接收系統(tǒng)。通過主波脈沖和回波脈沖的時(shí)間差即可測(cè)出被測(cè)距離。設(shè)目標(biāo)距離為S，安全距離為S0，光脈沖往返時(shí)間為t，光在真空中的傳播速度為c（c=2.99×108m/s，光在空氣中傳輸受介質(zhì)、氣壓、溫度的影響可忽略），則有

設(shè)在t時(shí)間內(nèi)，有N個(gè)時(shí)鐘脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘脈沖的震動(dòng)頻率為?0，則：

圖1 激光脈沖測(cè)距部分原理圖

上述公式中，K=c/2?0，表示每一個(gè)時(shí)鐘所代表的距離增量；如果計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)N個(gè)時(shí)鐘脈沖，則由式（4）可得目標(biāo)距離S，K的大小決定了脈沖測(cè)距的測(cè)量計(jì)數(shù)精度。

二、船舶防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.雙自由度云臺(tái)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇了由水平方向0°～355°和垂直方向-90o～+90o的兩自由度云臺(tái)，能有效滿足大測(cè)量范圍的需要。接線說明見圖2[4]：

圖2 電動(dòng)云臺(tái)電路原理圖

紅、黑為水平控制線，紅正黑負(fù)為水平電機(jī)向左運(yùn)轉(zhuǎn)，紅負(fù)黑正為向右運(yùn)轉(zhuǎn)。

棕、白為垂直控制線，棕正白負(fù)為垂直電機(jī)向上運(yùn)轉(zhuǎn)，棕負(fù)白正為向下運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3是雙自由度云臺(tái)電源的邏輯控制示意圖。89C52單片機(jī)P1接口的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7控制4路信號(hào)實(shí)現(xiàn)云臺(tái)水平和垂直方向的往返運(yùn)動(dòng)；P1.4、P1.5實(shí)現(xiàn)水平電機(jī)的電源換相，P1.6、P1.7實(shí)現(xiàn)垂直電機(jī)的電源換相。為確保云臺(tái)正常工作，在同一時(shí)刻，水平和垂直方向電機(jī)只能有一個(gè)方向供電，74HC126中的4個(gè)緩沖（A1～A4）和74LS86中的3個(gè)異或門（M1～M3）構(gòu)成一個(gè)封閉邏輯，實(shí)現(xiàn)4路信號(hào)的邏輯控制，以保證水平和垂直方向的唯一選通

圖3 云臺(tái)電源的邏輯控制

2.船舶周圍障礙物的三維坐標(biāo)定位

采用激光測(cè)距、定位、測(cè)速的原理分別測(cè)得測(cè)量目標(biāo)船只與周圍船只（障礙物）之間的相對(duì)距離S、方位角θ、相對(duì)速度的大小v、相對(duì)速度與X軸正半軸的夾角β，O點(diǎn)為測(cè)量目標(biāo)船舶電動(dòng)云臺(tái)激光測(cè)距傳感器所在位置，A為周圍船舶或者障礙物，B為周圍船舶或障礙物距離測(cè)量目標(biāo)船舶距離最小的位置，L為周圍船舶或障礙物距離測(cè)量目標(biāo)船舶最小距離，確定測(cè)量目標(biāo)船舶周圍障礙物的定位，如圖4所示。

圖4 測(cè)量目標(biāo)船舶周圍障礙物的定位

3.控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

以測(cè)量目標(biāo)船舶的船頭為Y軸建立空間坐標(biāo)系（如圖4），船舶發(fā)生碰撞與β、L、θ、S有關(guān)。周圍船舶或障礙物在不同象限β要求不同，如周圍船舶A若在第一象限，那么只有β角在π～3π/2之間才有可能發(fā)生碰撞，其他角度沒有必要預(yù)警。預(yù)警的時(shí)機(jī)與碰撞距離L和周圍船舶從A到B行駛的時(shí)間t有關(guān)，即

其中，T表示從監(jiān)測(cè)位置到距離可能發(fā)生碰撞位置船舶駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，只有L和T同時(shí)符合設(shè)定值L0和T0預(yù)警才是科學(xué)的，周圍船舶所在的象限和β角大小有關(guān)。由于本系統(tǒng)是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此即使在檢測(cè)期間船舶走曲線也沒有關(guān)系，一樣可以做出科學(xué)預(yù)警。控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

三、結(jié)語

本系統(tǒng)采用激光測(cè)距傳感器，對(duì)行船過程中船舶周圍500m的障礙物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在設(shè)計(jì)中利用多塊激光傳感器和電動(dòng)雙自由度云臺(tái)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水平和垂直兩方向大范圍偵測(cè)；能夠不間斷的監(jiān)測(cè)目標(biāo)船舶與周圍障礙物的相對(duì)速度、距離和角度，并根據(jù)不同的復(fù)雜情況自主判定恰當(dāng)?shù)念A(yù)警時(shí)機(jī)進(jìn)行預(yù)警，有效克服了設(shè)定固定預(yù)警距離而忽略船舶間的相對(duì)速度、行駛方向的傳統(tǒng)防撞預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警時(shí)機(jī)的不恰當(dāng)性。本系統(tǒng)具有良好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景，相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，激光測(cè)距技術(shù)在船舶防撞報(bào)警過程中能夠得到完美應(yīng)用。

圖5 控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程

[1]章堅(jiān)武，張數(shù)明.基于激光測(cè)距的船舶防撞定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用激光，2008(6):497-501.

[2]張召亮，張帆，馬智遠(yuǎn)，等.激光測(cè)距在汽車智能防撞系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)水運(yùn)，2007(7):53-54.

[3]丁洪影.基于激光測(cè)距技術(shù)的船舶防撞系統(tǒng)的研究[J].福建電腦，2010(4):144-145.

[4]劉巖川，王玲芬，欒慧，等.基于激光測(cè)距技術(shù)的汽車防撞系統(tǒng)的研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008(11):96-98.