基于MEMS器件的客船防傾覆應急氣囊系統設計

馬全黨 ，劉佳佳 ，胡 義 ，劉 森 ，蘇 昂

（1.武漢理工大學 航運學院，武漢430063；2.武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢430063）

目前，全球客船旅游市場快速發展，客船旅游市場占有量一直以8.6%左右的速度增長，客船數量也在不斷增加。但由于近年來全球環境惡化，龍卷風、強對流天氣等氣象災害頻發且難以預測，內河客船傾覆事故頻發[1-3]，這逐漸引起人們對其運行安全問題的高度關注。因此針對內河客船瞬時傾覆問題，實現對客船的姿態預判斷與應急防瞬時傾覆是十分必要的。現階段如何減緩船舶傾覆速度，為應急救援爭取更多的時間，成為了提高內河客船安全性、促進客船旅游業持續發展的主要問題。

1 防瞬時傾覆系統研究現狀

國內外學者均開展了關于減緩船舶傾覆問題的研究[4-8]，這些裝置雖然具有防傾覆效果，但均根據經驗判斷來控制，且成型較慢，難以滿足緊急情況下系統迅速生效的應急需求和復雜多變的水上環境，歸納研究方法，大致有以下幾種，如表1所示。

表1 船舶防傾覆的方法及比較Tab.1 Method and comparison of ship capsizing

基于已有的研究，結合客船本身特性，本文設計了一種基于MEMS器件的內河客船應急氣囊系統。首先基于MEMS技術的高性能三維姿態傳感器可實時獲取船舶漂浮姿態，經姿態解算，可獲取船舶橫傾角、角速度與角加速度，結合卡爾曼濾波算法和以姿態傳感器測量值為輸入值的預測系統，設計內河客船應急氣囊系統；然后以橫傾為例，分析船舶在外加載荷作用下，控制系統的響應時間，實驗表明該系統預測結果準確，可為氣囊釋放提供數據支持。此外采用DFBI模型，對船體傾覆進行了數值模擬，實時監控船體受力，在運動穩定后得出船體的航行姿態及相應數據。仿真表明氣囊具有顯著的防瞬時傾覆的作用。

2 船舶姿態監測

2.1 船舶姿態預測模型

船舶在內河中的運動與船舶在海洋中的運動大有不同，內河中受突風吹襲產生的波浪較小，經統計側翻等致命事故主要由橫搖導致，故本文建立橫搖預測模型，其傳遞函數為

式中：Y（s）、X（s）分別為輸入象函數與輸出象函數。

船舶受突風作用產生橫搖，由船舶原理[9]可知，該作用的慣性矩、回復矩以及阻尼矩的合成與船舶所受總力矩—擾動力矩相等，其表達式為

式中：MG、MH、MZ分別為船舶的慣性矩、回復矩以及阻尼矩；MBG、MBH、MBZ分別為由于波浪影響而產生的慣性擾動力矩、回復擾動力矩以及阻尼擾動力矩。求解式（2），可得到船舶橫搖的傳遞模型為

式中：θ（s）、αθ（s）分別為輸入傾角與橫搖傾角；ωθ、ξθ分別為無阻尼自振角頻率與阻尼比。

為了預測算法的研究，將式（3）轉化為空間狀態模型：

預測算法為卡爾曼濾波算法[10]，該遞推算法適用于線性、離散和有限維系統，并以動力學方程為基礎，該方法已有相關的學者進行研究，本文不再贅述，通過卡爾曼濾波算法預測出船舶的運動信息，為氣囊的釋放提供數據支持。

2.2 姿態傳感器工作原理與安裝

在本文描述中，主要由主控制芯片、三軸陀螺儀和傾角傳感器構成姿態傳感器。其工作原理主要為主控制芯片首先采集三軸陀螺儀和傾角傳感器的原始數據[11]，而其具體的姿態角度信息將由2個傳感器的數據綜合分析得出。根據實際應用要求，盡可能采取2種傳感器的優點，以載體的運動速度為判別依據，來更好地實現數據融合。當測量系統單獨運行時，為了給預測模型數據提供一定的數據支撐，系統將通過采集傳感器的數據直接進行誤差補償來輸出姿態角度。姿態傳感器工作原理如圖1所示。

圖1 姿態傳感器工作原理Fig.1 Principle of attitude sensor

本文采用在船舶的艏、舯、艉3個區域的中線面上分別安裝1個姿態傳感器的方案。多個傳感器協同工作可有效防止安裝位置松動、船體碰撞、擠壓后骨材或板材變形導致安裝部位扭曲、貨物或人員碰觸等情況下，船舶未發生橫傾而某個傳感器捕捉橫傾角度，誤測船舶發生橫傾等情況。利用實船進行試驗獲得輸出的信號時差最大時傳感器的間距，進行傳感器的布設。

3 系統整體設計

本文研究并設計了一種基于MEMS的內河客船應急氣囊系統。該系統是由船舶姿態預判斷模塊、信號處理模塊、應急控制模塊三大部分組成。其中船舶姿態預判斷模塊由姿態傳感器、數據采集卡組成，信號處理模塊使用微型處理器，應急控制控制模塊主要由氣體發生器以及氣囊組成。系統總體設計如圖2所示。

圖2 系統總體結構Fig.2 Structure of overall system

姿態傳感器選用基于MEMS技術的高性能三維運動姿態測量系統的GY9250-MPU9250型，通過內嵌的低功耗ARM處理器輸出校準過的角速度、加速度及磁數據等運動姿態數據，將信息存儲于LMSSCADAS III數據采集端，為船舶姿態預判斷做好準備。該數據采集端具有16通道，每通道最高采集頻率為 204.8 kHz，量程 PQA：（±62.5 mV～±10 V）、PQMA：（±10 mV～±25 V）、PQCA：（±5 pc～±51200 pc），采樣帶寬：（16位∑Δ、92 kHz）。數據采集前端與微型處理器連接，微型處理器實時對信號進行分析處理，若船體出現橫傾趨勢，應急模塊觸發氣體發生器，氣囊釋放。

3.1 氣囊設計與布置

在船體外殼設計專門的凹槽放置固定氣體發生器，凹槽設計為喇叭狀開口。氣囊分為主體部分和連接部分。平時，連接部分反折、主體部分環形折疊，存放于凹槽并加以飾蓋，充氣后可沖破飾蓋；成型后，連接部分與凹槽內壁完全貼合，減小應力；主體部分近似圓柱體，為船體提供恢復力矩。

本文所研究的基礎是將氣囊安裝在主甲板層，氣囊安裝位置設計在重心以上高度；氣囊結構類比蜂窩的六邊形，結合汽車安全氣囊的設計[12]，船用氣囊的結構采用多氣室設計。

3.2 應急處理系統原理

本系統利用STM32單片機，基于MEMS的姿態傳感器，實時獲取船舶運動姿態，根據基于姿態解算的氣囊釋放預判斷算法來編寫程序。當船舶出現橫傾且橫傾角度達到進水角時，并預測船舶具有繼續傾覆橫傾的運動，自動觸發點火裝置，主甲板氣囊在0.5～2 s釋放。控制方法流程如圖3所示。

圖3 系統控制流程Fig.3 Flow chart of system working principle

3.3 系統試驗

為進一步論證研究成果，需對試驗船舶進行試驗。因直接在實船上進行試驗危險系數較大且成本高昂，純模擬又不能為研究成果提供確切的論證，所以采用半物理仿真方法進行試驗，其不僅能夠有效降低試驗成本，還可以顯著縮短設備的研發周期，仿真采用的船體基本信息如表2所示。該方法利用計算機對船舶的橫搖狀態進行模擬，用于測量參數的一系列傳感器、芯片等設備采用實體，有效保證了試驗數據的準確性。

表2 試驗船舶參數Tab.2 Experimental ship parameter

船舶橫搖預測系統預測的橫搖角度誤差的均值僅為0.2065 rad，當船舶橫傾至進水角時，且船舶具有繼續運動的加速度，主甲板層氣囊瞬間釋放。

角速度誤差的均值僅為0.0226%，可見該預測系統預測結果準確，可為氣囊釋放控制提供有效的數據支持。

3.4 氣囊效果仿真

運用STARCCM+軟件，采用重疊網格方法，建立各重疊網格間的耦合關系，為各區域流場計算提供邊界信息的傳遞服務；采用DFBI模型，對船體傾覆進行了數值模擬，將船舶縮小25倍，在6.5～20 s時間段內，通過對船體施加60 N·m的力矩，模擬客船運動。對模型1（未安裝氣囊）、模型2（安裝氣囊）進行數值模擬，實時監控船體受力，在運動穩定后得出船體的航行姿態及相應數據。提取2種工況下船舶運動的位移、力矩以及轉角等相關參數。

經過對比分析船舶重心相對于水平面的位移（圖 4），在外加約束作用 5.3 s后（即 11.46 s），無氣囊的模型位移瞬間增大，船舶開始下沉，故氣囊的合理布設可提高船舶抗沉性。

圖4 位移對比Fig.4 Comparison diagram of displacement

經過對比分析船舶傾斜角度（圖5），在即將傾覆時，模型1在氣囊所提供的恢復力矩的作用下傾角未超過進水角。模型2在外加約束作用5.3 s后，達到并超過進水角，船舶穩性喪失，發生傾覆。故氣囊的合理布設可提高船舶穩定性。

圖5 轉角對比Fig.5 Comparison diagram of dip angle

4 結語

本文利用自動控制技術較好地解決了船舶瞬時傾覆的問題，基于MEMS的內河客船應急氣囊系統，不僅能提高船舶的抗翻沉能力，還對船舶的安全性提出了新的提高途徑；系統對提高客船的安全性能、保障人員的生命安全以及促進客輪旅游業的發展具有較大的推廣價值與應用前景。為了將本應急處理系統更好地運用在船舶上，今后還應在提高姿態預判斷精確度與處理系統的穩定性2個方面深入地開展試驗研究工作。

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