系泊狀態(tài)下船舶基座水平度測量系統(tǒng)設(shè)計

葛亞明，于 鑫，呂淑平

(哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

船舶上有各種高精度的導航設(shè)備、電子設(shè)備以及武器設(shè)備等，這些設(shè)備的正常運行需要高精度的安裝平臺，這些安裝平臺就是基座。為了保證設(shè)備的測量精度，必須使基座的水平度在允許的范圍之內(nèi)，甚至要求與基準平臺相平行。水平度被定義為被測平臺和基準平臺之間的夾角。國內(nèi)外船舶水平度測量方法主要有水平儀和象限儀，這兩種測量方法大多還是人工操作，會因為人、時間、地點等的不同具有很大的誤差[1]。

本文針對系泊狀態(tài)下傳統(tǒng)基座水平度測量方法的缺點，結(jié)合大型船舶自身特性，提出一種新的檢測方法，并設(shè)計相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)。

1 水平度測量數(shù)學模型

假設(shè)被測平臺(基座)和基準平臺的中心重合。將被測平臺平移到基準平臺處，如圖1所示，在基準平臺上建立坐標系，原點放在基準平臺正中心處，基準平臺上船舶右舷正橫方向定位x軸，y軸在基準平臺上指向船艦首尾方向，z軸為垂直基準平臺。在任意舷角qw方向上分別用傾角傳感器測量被測平臺和基準平臺相對水平面的傾角θC和θJ，那么被測平臺相對于基準平臺的傾角θ=θC-θJ。

圖1 被測平臺與基準平臺

設(shè)基準平臺平面方程為

z=0

(1)

被測平臺的平面方程為

x+ay+bz=0

(2)

測量時通常測量正交舷角方向的2個角度值，所以在本系統(tǒng)測量時，我們選取在qw1=0和qw2=90°方向測量，通過求取被測平臺上距離所建立坐標系原點為R的A、B兩點的坐標，可以獲得平面方程中的各參數(shù)值如下：

(3)

式中φ為基準平臺與被測平臺之間的夾角。因此只要用傳感器分別測量出基準平臺和被測平臺兩個不同舷角方向上的傾角(θ1和θ2)[2-3]，就可以利用此模型求出基座和基準平臺之間的夾角φ，即基座水平度。

2 水平度測量系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)由數(shù)字式傾角傳感器、通信模塊和顯示模塊組成，系統(tǒng)原理框圖見圖2。由于基準平臺安裝精度在20′以內(nèi)，為了使測量更加精確，傳感器的精度必須在6′以內(nèi)[4]。由于船在系統(tǒng)狀態(tài)下的擺動周期大約是10～15 s，因此傳感器的響應(yīng)速度應(yīng)在1 s以下，故選擇了一種基于RS232接口的數(shù)字式傾角傳感器，即CXTILT系列雙軸數(shù)字式傾角傳感器。

圖2 水平度測量系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。采集過程如下：

(1) 被測平臺和基準平臺上的4個傾角傳感器對傾角數(shù)據(jù)進行采集[5-6]，把測量得到的數(shù)據(jù)通過RS232有線通信傳輸?shù)接嬎銠C。

(2) 傳感器軟件把采集到的傾角數(shù)據(jù)通過建立的虛擬RS232串口即COM3和COM4傳送到數(shù)據(jù)處理軟件中進行數(shù)據(jù)處理[7]。

(3) 經(jīng)過程序處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過RS232和數(shù)傳電臺進行連接，通過數(shù)傳電臺進行船艙之間的傳輸[8]。數(shù)傳電臺首先要選擇合適的傳輸頻率，減少傳輸過程中的失真。

(4) 當船舶層數(shù)過高時會存在無線傳播大幅度衰減，為了保證各個測量點能夠正確地連接，增強無線通道的可靠性，需要架設(shè)無線電臺中繼[9]。

3 無線數(shù)據(jù)通信頻率的選擇

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要用于傳輸傾角的測量值，由于被測平臺和基準平臺大多不在同一個船艙內(nèi)，為了保證船艙之間的封閉性，考慮用無線傳輸進行船艙之間傾角數(shù)據(jù)的傳輸[10-11]。

船艙通道空間比較窄，通道有拐彎，拐彎使電磁波損耗增加。通過對矩形通道和彎曲通道電磁波傳播特性的分析[12]，得到矩形通道和彎曲通道總的衰減系數(shù)L為

L=LEh+LEv+Lq

(4)

式中,LEv為垂直極化波衰減系數(shù)，LEh水平極化波衰減系數(shù)，Lq為彎曲通道的衰減系數(shù)。

對船艙通道空間內(nèi)電磁波的傳播總的衰減系數(shù)進行仿真，結(jié)果如圖4示。表1給出了不同傳輸頻率下總的衰減系數(shù)測量數(shù)據(jù)(彎道半徑為50 m)。

圖3 數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)

圖4 總衰減系數(shù)與頻率關(guān)系

表1 不同頻率總衰減系數(shù)

從圖4和表1可以看出:在頻率1 000 MHz附近的衰減率最小，但綜合考慮傳輸衰減、多徑效應(yīng)、元器件的來源和器件的價格等多種因素，我們選用了910 MHz的數(shù)傳電臺。為了減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，降低信號的傳輸頻率，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，降低誤碼率，數(shù)據(jù)流碼率應(yīng)該小于等于128 Kbit/s。

4 實驗驗證與分析

在某艦船上測量了橫向和縱向兩個方向的水平度，分別放置4個傳感器，傳感器1和傳感器2在基準平臺上，分別對應(yīng)基準平臺橫向和縱向；傳感器3和傳感器4在被測平臺上，分別對應(yīng)被測平臺橫向和縱向。首先分別測得被測平臺和基準平臺相對于水平面的傾角值θ。30 min內(nèi)測量了4組數(shù)據(jù)，每組16 456個數(shù)據(jù)。圖5和圖6分別為傳感器1和傳感器2測得的基準平臺相對水平面的橫向傾角值和縱向傾角值(為節(jié)省篇幅，傳感器3和傳感4測得的被測平臺的傾角變化曲線略去)。

所測得的橫向水平度值和縱向水平度值如圖7和8所示。由圖可得到，在這30 min內(nèi)橫向水平度的平均值為31.953 1″，縱向水平度的平均值為32.134 6″，橫向和縱向水平值都存在大的誤差和周期性系統(tǒng)誤差，但是在30 min之內(nèi)不存在線性系統(tǒng)誤差，其中周期系統(tǒng)誤差是由于海浪的波動導致船舶搖擺造成的。

圖5 傳感器1測得的橫向傾角值變化曲線

圖6 傳感器2測得的縱向傾角值變化曲線

圖7 橫向水平度值變化曲線

圖8 縱向水平度變化曲線

根據(jù)以上各圖形的仿真結(jié)果可以得到結(jié)論：無論是縱向還是橫向傳感器的差分值都不是一個恒定值；縱向的差分值相對穩(wěn)定，變化范圍較?。粰M向差分值變化很大，說明船體結(jié)構(gòu)的橫向變形對測量有很大的影響。設(shè)計的系統(tǒng)具有可行性，能夠?qū)崿F(xiàn)船舶系統(tǒng)傾角的測量及數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的船舶基座水平度自動測量系統(tǒng)，為現(xiàn)今船舶系統(tǒng)的測量提供了一種新的方法和途徑。通過在實際艦船系統(tǒng)上進行實驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)的實施具有一定的可行性，當然，今后還需進行大量的實驗驗證，不斷對系統(tǒng)的設(shè)計進行改進和完善。測量數(shù)據(jù)傳輸選擇了無線通信方式，并對通信頻率的選擇做了詳細的實驗驗證和分析，解決了封閉的船艙內(nèi)對講機通信噪聲大或收不到信號的問題。

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