基于慣性傳感技術(shù)的船舶吃水實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏 羽 楊興聰 王自浮 陳 丹

（重慶交通大學(xué) 航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶400074）

船舶吃水是一個(gè)重要參數(shù)，可以利用它來(lái)計(jì)算船舶的排水量，目前幾乎完全依賴于人工目測(cè)的方法來(lái)確定船舶吃水。這種方法雖然簡(jiǎn)便但存在諸多弊端，比如：（1）肉眼觀察的準(zhǔn)確性和可靠性受到天氣等客觀條件的影響而顯著地變化。（2）工作量大且無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間在水中測(cè)量。（3）水波的干擾。（4）無(wú)法多點(diǎn)同步觀測(cè)。（5）個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的差異對(duì)測(cè)量結(jié)果有較顯著的影響。這些不利因素制約了目測(cè)法測(cè)量精度的提高。[1]

目前對(duì)于吃水測(cè)量的研究還未達(dá)到完全的脫離人工，同類的研究也是需要人工去調(diào)節(jié)傳感器姿態(tài)，以此來(lái)擺正雷達(dá)測(cè)距鏡頭的位置，這樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力，精確度得不到保證。為了改善傳統(tǒng)船舶吃水檢測(cè)方法的缺點(diǎn)，本文提出一種慣性傳感技術(shù)的高精度船舶吃水檢測(cè)方法，保證對(duì)船舶吃水的測(cè)量精度。

本文設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)為船舶駕駛?cè)藛T提供精確的船舶吃水，有利于降低船員在測(cè)量吃水時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)。與現(xiàn)有的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)相比，本文采用慣性傳感器測(cè)量測(cè)距傳感器的姿態(tài)，并通過云臺(tái)實(shí)時(shí)調(diào)整測(cè)距傳感器姿態(tài)，使其始終于水面保持垂直，有利于提高船舶吃水測(cè)量的精確度。且采用無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)量終端與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，有利保證吃水測(cè)量的實(shí)時(shí)性。通過卡爾曼濾波方法對(duì)船舶吃水結(jié)果進(jìn)行處理，有利于降低船舶吃水測(cè)量結(jié)果的誤差。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)量原理

基于慣性傳感技術(shù)的高精度船舶吃水實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，主要包括雷達(dá)測(cè)距儀終端和上位機(jī)兩個(gè)部分。雷達(dá)測(cè)距儀終端包括云臺(tái)、慣性傳感器、雷達(dá)測(cè)距傳感器、單片機(jī)、無(wú)線信號(hào)模塊和驅(qū)動(dòng)裝置；上位機(jī)主要是船舶上的駕駛臺(tái)用于接收船舶實(shí)時(shí)的吃水?dāng)?shù)據(jù)。

并通過太陽(yáng)能電池和可充電池進(jìn)行供電，慣性傳感器和雷達(dá)測(cè)距傳感器均固定安裝在云臺(tái)上，同時(shí)慣性傳感器和雷達(dá)測(cè)距傳感器分別傳輸姿態(tài)數(shù)據(jù)和測(cè)距數(shù)據(jù)到單片機(jī)，單片機(jī)通過姿態(tài)數(shù)據(jù)反饋指令控制云臺(tái)的鏡頭轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行修正調(diào)平云臺(tái)，雷達(dá)測(cè)距儀終端的數(shù)據(jù)通過無(wú)線信號(hào)模塊與無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)上傳給上位機(jī)，上位機(jī)用于接收雷達(dá)測(cè)距終端的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和處理得到吃水結(jié)果。

1.2 整體系統(tǒng)裝置介紹

雷達(dá)測(cè)距裝置：設(shè)有防水外罩，內(nèi)置雷達(dá)測(cè)距傳感器和無(wú)線信號(hào)發(fā)射模塊。雷達(dá)測(cè)距傳感器性能穩(wěn)定可靠，利用電磁波探測(cè)目標(biāo)。其主要測(cè)量原理是從雷達(dá)傳感天線發(fā)射雷達(dá)脈沖，天線接收從水面反射回來(lái)的脈沖，并記錄時(shí)間T，由于電磁波的傳播速度C 是個(gè)常數(shù)，從而得出到水面的距離D。

圖1 基于慣性傳感技術(shù)的高精度船舶實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖

鏡頭轉(zhuǎn)向裝置：利用云臺(tái)原理使鏡頭可以穩(wěn)定，防止由于船的顛簸晃動(dòng)產(chǎn)生誤差。

控制裝置：通過慣性傳感器的測(cè)量，控制雷達(dá)測(cè)距傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)射雷達(dá)脈沖等問題，使雷達(dá)測(cè)距傳感器始終與水面垂直。

慣性傳感裝置：通過檢測(cè)船舶的傾斜程度，來(lái)擺正雷達(dá)發(fā)射脈沖的位置。

數(shù)據(jù)處理：測(cè)距完成后，開始整合數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理，通過無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至船舶駕駛臺(tái)。

驅(qū)動(dòng)裝置：主要由控制精確，反應(yīng)速度快的電池進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電池可進(jìn)行手動(dòng)充電，或者太陽(yáng)能供電。

1.3 理論計(jì)算

慣性傳感器使用測(cè)量：

船體在航行過程中由于受到海浪的影響，船體會(huì)發(fā)生搖晃，所以陀螺儀的姿態(tài)會(huì)隨之發(fā)生變化，在船舶原理中，航向角、橫傾角，以及縱傾角是船舶中要的三個(gè)姿態(tài)，而陀螺儀只能測(cè)量三軸加速度，以及三軸角速度，無(wú)法直接得出船舶姿態(tài)，需要經(jīng)過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，以及積分關(guān)系得出相應(yīng)的姿態(tài)，以此來(lái)調(diào)整雷達(dá)脈沖發(fā)射，使鏡頭可以始終平行于水面，減小誤差。

下面對(duì)陀螺儀三個(gè)自由度分別進(jìn)行了討論和姿態(tài)計(jì)算公式。

（1）旋轉(zhuǎn)Z 軸：

旋轉(zhuǎn)前坐標(biāo)（X0，Y0，Z0），旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)（X1，Y1，Z1）

計(jì)算矩陣：

（2）旋轉(zhuǎn)Y 軸：

旋轉(zhuǎn)前坐標(biāo)（X1，Y1，Z1），旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)（X2，Y2，Z2）

計(jì)算矩陣：

（3）旋轉(zhuǎn)X 軸：

旋轉(zhuǎn)前坐標(biāo)（X2，Y2，Z2），旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)（X3，Y3，Z3）

計(jì)算矩陣：

1.4 雷達(dá)測(cè)距傳感器（恩萊雷達(dá)液位計(jì)）

當(dāng)調(diào)整好雷達(dá)測(cè)距傳感器姿態(tài)后，雷達(dá)測(cè)距傳感器從反射到接受的時(shí)間差t 與天線到物體之間的距離L 成比例，采用以下公式

其中，c 表示電磁波的傳輸速度，為定值；t 為反射到接受的時(shí)間差；

設(shè)傳感器的天線高程為 H0， 反射面的高度H=H0-L=H0-ct/2；

若雷達(dá)測(cè)距傳感器的天線對(duì)著碼頭水面發(fā)射脈沖波，H 值就是需要測(cè)量的水位值；

誤差計(jì)算

其中：

式中：Sg為統(tǒng)計(jì)值標(biāo)準(zhǔn)差；Xi為每次所觀測(cè)的雷達(dá)水位（m）；Xi為每次人工觀測(cè)水位值的平均值（m）。

1.5 誤差分析

船舶停靠在港口肯定會(huì)經(jīng)受波浪而運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)周期可能為幾秒到十幾秒不等。為消除波浪的影響，要求船舶吃水測(cè)量系統(tǒng)每次測(cè)量必須有相當(dāng)數(shù)量的采集子樣（一般采集時(shí)間不少于2min）。根據(jù)顯示的所有測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的周期性變化曲線，選取相應(yīng)的同步時(shí)間段數(shù)據(jù)（波浪周期的整數(shù)倍）進(jìn)行平均計(jì)算，以此來(lái)消除波浪的影響。利用船舶吃水測(cè)量系統(tǒng)可以多次采集足夠數(shù)量的子樣進(jìn)行同步測(cè)量，對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行整合處理。由上述方法得到各測(cè)點(diǎn)的船舶吃水?dāng)?shù)據(jù)，通過軟件可以繪制船體吃水沿船長(zhǎng)的分布曲線。結(jié)合船舶型線值，就能較精確地得到該狀態(tài)下的船舶排水量。若已精確測(cè)量了空船狀態(tài)下的船舶排水量，即可得船舶載重量。

2 測(cè)量方法簡(jiǎn)介

本文擬采用慣性傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量各傳感器的姿態(tài)，通過單片機(jī)對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并向傳感器所在的云臺(tái)發(fā)送控制數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整傳感器的姿態(tài)，始終使傳感器與水線面垂直，提高船舶吃水測(cè)量的精度和實(shí)時(shí)性。同時(shí)，各個(gè)吃水測(cè)量終端的測(cè)量結(jié)果均通過無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)，當(dāng)吃水測(cè)量終端離上位機(jī)距離較遠(yuǎn)時(shí)，可通過其他終端轉(zhuǎn)發(fā)吃水測(cè)量結(jié)果。上位機(jī)接收到各終端的吃水結(jié)果，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到船舶等容吃水。

2.1 船舶吃水測(cè)量終端

結(jié)合船舶實(shí)際情況，每個(gè)船舶有固定的六面水尺標(biāo)線，我們根據(jù)測(cè)量需求，在船體的吃水標(biāo)志線處安裝船舶吃水測(cè)量系統(tǒng)，總共布置6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，幾乎所有船舶的吃水測(cè)量標(biāo)線都是在船艏、船中、船尾。船舶吃水測(cè)量終端同時(shí)連接無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，通過系統(tǒng)終端向各測(cè)量點(diǎn)的無(wú)線裝置發(fā)布指令，可以控制最多6 臺(tái)雷達(dá)測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線模塊傳輸至測(cè)量系統(tǒng)的終端采集器，由后臺(tái)處理中心完成數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)和顯示，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)今{駛臺(tái)，雷達(dá)測(cè)距儀終端通過磁鐵與船舶連接。

2.2 船舶吃水測(cè)量終端結(jié)構(gòu)

以單片機(jī)為核心，系統(tǒng)中的慣性傳感器和雷達(dá)測(cè)距傳感器都連接在云臺(tái)上，單片機(jī)給云臺(tái)發(fā)送控制指令，儀器開始工作時(shí)，慣性傳感器和雷達(dá)測(cè)距傳感器分別傳輸姿態(tài)數(shù)據(jù)和測(cè)距結(jié)果到單片機(jī)上，數(shù)據(jù)返回到云臺(tái)上進(jìn)行鏡頭修正并反饋指令。測(cè)距工作結(jié)束后，通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)。

3 船舶吃水測(cè)量流程

系統(tǒng)開始運(yùn)作時(shí)，處于初始化狀態(tài)開始系統(tǒng)自檢，確保每一個(gè)板塊運(yùn)作正常，如果出現(xiàn)故障，則進(jìn)行修復(fù)或者報(bào)警，完成后再次自檢。確認(rèn)沒有故障后，我們的系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)行慣性傳感器測(cè)量云臺(tái)姿態(tài)，再根據(jù)云臺(tái)姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送控制指令調(diào)平云臺(tái)。這時(shí)發(fā)射雷達(dá)脈沖測(cè)出雷達(dá)傳感器到水線面的距離，根據(jù)船型指標(biāo)推算船舶吃水。最后再將船舶吃水與云臺(tái)姿態(tài)發(fā)送到上位機(jī)，系統(tǒng)結(jié)束以上流程后，判斷是否結(jié)束系統(tǒng)測(cè)量，如收到結(jié)束命令，則測(cè)量吃水整個(gè)流程結(jié)束，否則就再次返回到慣性傳感器測(cè)量云臺(tái)姿態(tài)的步驟，然后繼續(xù)測(cè)量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 實(shí)驗(yàn)過程

本文先是做了一個(gè)預(yù)實(shí)驗(yàn)，考慮到經(jīng)費(fèi)問題，采用測(cè)距傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用慣性傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量測(cè)距傳感器的姿態(tài)，并通過云臺(tái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距傳感器姿態(tài)自動(dòng)調(diào)整，時(shí)刻保持測(cè)距傳感器與水面垂直，通過此過程得到水面到儀器的距離，本作品采用卡爾曼濾波方法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理。將無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)用于吃水測(cè)量終端與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，若測(cè)量終端與上位機(jī)之間距離較遠(yuǎn)，可通過其他終端進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)。

4.2 調(diào)平測(cè)距實(shí)驗(yàn)

如圖2 所示，通過實(shí)驗(yàn)我們可以發(fā)現(xiàn)測(cè)距傳感器始終平行于水面，無(wú)論船舶怎樣傾斜船體，慣性傳感器都可以自動(dòng)調(diào)平測(cè)距儀器。

圖2 實(shí)驗(yàn)與儀器圖

通過測(cè)距傳感器其（如圖2）來(lái)測(cè)量水線面到儀器的距離，遇水面后反射回來(lái)。

測(cè)距測(cè)量平均5ms 測(cè)一次距離，使得測(cè)量值更加的精確，結(jié)束測(cè)距后，我們可以得到水面距儀器的高度數(shù)據(jù)，通過卡爾曼濾波方法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，最后返回?cái)?shù)據(jù)到電腦端。

5 結(jié)論

本文提出的船舶吃水測(cè)量系統(tǒng)，主要是由上位機(jī)（船舶駕駛臺(tái)）和船舶吃水測(cè)量終端構(gòu)成，經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算，可以有效進(jìn)行船舶吃水的實(shí)時(shí)檢測(cè)，誤差范圍在有效的范圍之內(nèi)，確保了船舶吃水測(cè)量的精度。為船舶在營(yíng)運(yùn)過程中的吃水實(shí)時(shí)測(cè)量提供了實(shí)踐依據(jù)，有一個(gè)很好的發(fā)展前景。