船舶運動姿態測量系統設計與實現

唐原廣，王志光

(中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100)

船舶運動姿態測量系統設計與實現

唐原廣，王志光

(中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100)

為了獲取海上航行船舶及自航模試驗中船模的姿態參數，設計一種基于MEMS（微機電系統）技術的波高傾斜一體化傳感器的船舶運動姿態測量系統。此系統通過MEMS波高傳感器對船舶升沉信息進行采集，利用傾角傳感器對船舶的縱搖和橫搖姿態信息進行采集，采集到的信息經多路A/D轉換后送入單片機進行處理，實時得出船舶運動的升沉、縱搖及橫搖變化。經處理后的三組數據由船舶運動姿態測量系統通過RS-485串口送到數據接收處理機存儲、分析并實時顯示船舶運動的姿態變化曲線，該數據接收處理軟件采用VC++編寫。經過大量試驗及海上測試，該系統性能穩定，測量精度高，具有較大的實用價值。

升沉運動；波高傾斜一體化傳感器；縱搖橫搖；VC++

0 引 言

現代船舶發展越來越趨向于大型化、專業化，出現了各種新型大型船舶，如超大型油船、集裝箱船等。隨著船舶尺寸的增大，船舶營運條件的復雜化，船舶的安全營運問題尤顯突出[1]。為對海上航行船舶的安全狀態進行更加準確的評估需要獲取船舶的運動姿態參數。此外自航模試驗中需要獲取船模航行過程中的縱搖和升沉位移等姿態參數。因此，人們對船舶運動測量系統的研究愈加重視，并且有更多的研究成果和產品不斷呈現。

國內外學者們分別基于機械式、磁測式、GPS式和慣性測量等方面對船舶運動測量系統進行初步研究[2]。本文設計與實現了基于MEMS技術的波高傾斜一體化傳感器的船舶運動姿態測量系統[3-6]。該系統不但結構緊湊、小型化、集成化、易裝卸，而且具有量程大、分辨率高、實時性強等特點，有著理想的應用前景。

1 基本原理

慣性測量以牛頓力學定律為基礎，利用慣性測量元件（加速度傳感器）測量載體相對于慣性空間的運動參數[7]。將內部含有重力加速度傳感器的船舶運動姿態測量硬件系統固定在船體上，當船體的升沉運動狀態發生改變時，所對應的垂直加速度也隨之變化，重力加速度傳感器檢測到垂直加速度的變化，并輸出相應的信號量。最后，再對加速度傳感器輸出的信號量進行2次積分即可得到船體的升沉數據信息。

同時，在將船舶運動姿態測量硬件系統固定在船體上時，必須保證波高傾斜一體化傳感器的Y軸與船舶的首尾線方向一致，這樣它的X軸就與船舶的左右舷方向一致。當船體運動的傾斜姿態發生變化時，波高傾斜一體化傳感器中內含的雙軸傾角傳感器能輸出分別反映船舶縱搖和橫搖的姿態信息信號量，經過姿態解算便可得到船舶的縱搖和橫搖的數據信息。

2 技術指標

表1所示為船舶運動姿態測量系統的技術指標。

表 1 技術指標Tab. 1 Technical specifications

3 系統硬件設計

3.1 系統框架

船舶運動姿態測量系統基于MEMS的波高傾斜一體化傳感器技術、嵌入式技術和C++面向對象程序設計技術等來實現系統功能。如圖1所示，主要由波高傾斜一體化傳感器模塊、信息采集模塊、微控制器模塊、存儲顯示模塊等組成。其中，波高傾斜一體化傳感器模塊由基于MEMS技術的加速度傳感器和雙軸傾角傳感器等組成，信息采集模塊由放大電路、濾波電路、二次積分電路和A/D轉換電路等組成，微控制器模塊由微控制器及其外圍硬件設備等組成，存儲顯示模塊由PC機數據接收處理軟件等組成。

3.2 加速度傳感

采用定制加速度傳感器，它是基于MEMS技術的加速度傳感器，具有信號處理與溫度補償功能，性能優異。其供電電源為8～32 V，輸出為0.5～4.5 V，精確度為0.5%，工作溫度范圍為–40 ℃～+125 ℃。該傳感器適用于物體低頻運動監控，是船舶升沉運動測量的極佳選擇。

3.3 雙軸傾角傳感器

雙軸傾角傳感器選用定制型雙軸傾角傳感器，該傳感器設計以高穩定硅MEMS電容式傾斜傳感器元件為中心平臺，能提供適宜的分辨率，較高的精度和較快的響應速度，并且信號完全由較高的模擬電平輸出。其供電電源為6～30 V，測量角度范圍為–75 ℃～+75°，角分辨率0.05° rms，工作溫度范圍為–40 ℃～+105 ℃。因此使用定制型雙軸傾角傳感器來測量船舶的縱搖、橫搖非常簡便實用。

3.4 系統工作流程圖

船舶運動姿態測量系統工作流程如圖2所示。

1）首先船舶運動姿態測量系統進行初始化。

2）將采集到的縱搖橫搖信號量進行硬件放大和濾波，同時將采集到的升沉信息進行放大、二次積分和濾波處理。

3）由單片機控制A/D轉換器的采樣間隔，將采集到的模擬量轉換成數字量。

4）將縱搖、橫搖和升沉位移的數字量信息分別進行數字濾波和相應計算。

5）將計算后得到的縱搖橫搖和升沉位移數據由串口發送到PC機數據接收處理軟件。

3.5 系統硬件實物圖

如圖3所示，整個船舶運動姿態測量系統放置在一個高230 mm、直徑190 mm的鋼質圓柱體中，儀器總重量為8 kg。鋼質圓柱體的下方有安裝孔方便安裝固定在船體上，圓柱體上面有提手方便攜帶，同時配有一根帶水密插頭的四芯屏蔽電纜，經鋼質圓柱體上方引出將得到的數據送入PC機數據接收處理軟件中進行實時顯示、存儲與分析。

4 數據接收處理軟件設計

船舶運動姿態測量系統的數據接收處理軟件采用Visual C++2010開發，Visual C++2010的界面設計優秀、數據處理功能強大可以高效的進行Windows應用程序開發。數據接收處理軟件主要負責將系統采集的船舶升沉數據、船舶縱搖數據和船舶橫搖數據實時顯示、存儲與分析等。具體的軟件流程如圖4所示。

數據接收處理軟件開發時，首先基于VC++創建一個對話框的工程，使用Visual C++2010提供的MSComm控件來實現串行通信功能，這樣就不用花費大量時間去學習復雜的API函數，自己編寫串口通信程序。因此使用MSComm控件來實現串行通信，在編程時非常方便和高效[8-10]。

如圖5所示，數據接收處理軟件采用圖形化界面設計便于用戶對船舶運動數據的觀察與分析。通過自定義繪圖類實現船舶升沉數據曲線、船舶縱搖數據曲線和船舶橫搖數據曲線的繪制。使用自定義繪圖類實現數據曲線的繪制相比使用諸如TeeChart 、ProEssentials等繪圖控件繪制更加的靈活與方便。需要注意的是由于使用自定義繪圖類實現數據曲線的繪制和MSComm控件的事件驅動方式實現串口通信，每當串口發生事件時，MSComm控件將激發OnComm事件，由應用程序響應OnComm事件進行數據的處理與繪圖曲線數據的送顯，繪圖曲線數據送顯時一定要及時將串口接收緩沖區的數據處理后全部送顯，不然會出現明顯的數據曲線延遲現象。

當用戶選擇存儲數據時，數據接收處理軟件就會將數據存儲到以存儲起始時刻命名的txt文本文件中。這樣用戶就可以使用數據接收處理軟件對得到的船舶升沉數據進行功率譜分析[11]，并且還可以對歷史數據進行回放顯示等。

5 系統測試

5.1 升沉運動測試

在實驗室的船舶升沉運動模擬旋轉測試平臺上對該系統的相對升沉位移數據進行了一系列的對比測試。如圖6所示，是船舶運動姿態測量系統在0.8 m相對升沉位移測試時，由上位機軟件所繪制的圖像。經過一系列的測試，得到的測試結果表明：船舶運動姿態測量系統滿足相對升沉測量范圍和相對升沉測量精度等系統測量指標，從而完成船舶運動姿態測量系統的升沉運動測試。

5.2 縱傾傾角與橫傾傾角測試

在實驗室的傾斜測試臺上分別對船舶運動姿態測量系統的縱傾傾角（縱搖）和橫傾傾角（橫搖）進行一系列的對比測試。如圖7所示，是船舶運動姿態測量系統在5°橫傾傾角（橫搖）測試時，由上位機軟件所繪制的圖像。在測試時，首先將船舶運動姿態測量系統放置在水平測試臺上，并使波高傾斜一體化傳感器的一個軸與測試臺的傾斜測試方向一致，規定這個軸為X軸即測試時輸出的角度為橫傾傾角（橫搖）。然后，測試臺每傾斜1°記錄此時系統輸出的橫搖數據，每次測試測試臺分別從0°傾斜到20°和從0°傾斜到–20°，記錄下40個數據。這樣的測試共進行5次，將5次的測試結果取平均值作為最后的測試結果。同樣的完成對波高傾斜一體化傳感器的Y軸即測試時輸出的角度為縱傾傾角（縱搖）的測試。

表1和表2分別為橫傾傾角（橫搖）和縱傾傾角（縱搖）的部分測試結果。可以看出，使用船舶運動姿態測量系統測出來的斜面傾角與測試臺的標準斜面傾角基本吻合，滿足橫傾傾角（橫搖）和縱傾傾角（縱搖）測量范圍及橫傾傾角（橫搖）和縱傾傾角（縱搖）測量精度等系統測量指標。從而完成船舶運動姿態測量系統的橫傾傾角（橫搖）與縱傾傾角（縱搖）測試。

5.3 海上試驗

圖8所示為船舶運動姿態測量系統在海上某試驗裝置實測的部分數據。該試驗為期3個月，對船舶運動姿態測量系統進行連續不間斷測試。經海上試驗測試船舶運動姿態測量系統性能穩定，各項技術指標均滿足設計要求。

表 2 橫傾傾角（橫搖）Tab. 2 Horizontal dip（roll）

表 3 縱傾傾角（縱搖）Tab. 3 Pitch angle（pitching）

6 結 語

基于MEMS技術的波高傾斜一體化傳感器的船舶運動姿態測量系統，其結構具有小型化、集成化、易裝卸等特點，而且其還具有生產成本低、適用范圍廣等特點。由于對波高傾斜一體化傳感器中內含的加速度傳感器和雙軸傾角傳感器采集的信號進行了有效的硬件濾波和軟件濾波，使系統的抗干擾性大大提高。船舶運動姿態測量系統的數據接收處理軟件采用圖形化的操控顯示界面，使操作變得簡便，同時采用面向對象的編程思想，既提高了編程效率，又極大地方便軟件的升級與維護。

船舶運動姿態測量系統的測試結果顯示：系統具有較好的實時性與準確性，并具有較強的抗干擾性，具有理想的應用前景。

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Design and realization of motion attitude measurement system for ships

TANG Yuan-guang, WANG Zhi-guang
(College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

In order to obtain the sea of ship and self propulsion test of ships mode attitude parameters, designed of a ship motion attitude measurement system based on MEMS technology for wave height and tilt integrated sensor. This system collects the information of ship heave through the MEMS wave height sensor, collects the pitch and roll attitude information of the ship by using the tilt sensor, the collected information is sent to the single chip microcomputer through the multichannel A/D conversion, real-time to give the heave motion, pitch and roll changes of the ship. The data of the three groups after the treatment by motion attitude measurement system for ships through the RS-485 serial port to the data receiving processor storage, analysis and real-time display motion attitude curve of the ship, and the data reception processing software is written in VC++.After a lot of tests and sea trials, the system is stable performance, high accuracy, has great practical value.

heave motion；wave height and tilt integrated sensor；pitch and roll；VC++

TP273

A

1672 – 7649(2017)07 – 0108 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.07.022

2016 – 08 – 25；

2016 – 09 – 22

海洋公益性行業科研專項資助項目(201005001)

唐原廣(1963 – )，男，教授，研究方向為海洋監測技術、海洋儀器設備的研制與開發。