基于激光傳感器的船舶避碰預警系統(tǒng)

武漢理工大學能源與動力工程學院 屈驍 武漢理工大學工程訓練中心 鄭衛(wèi)剛

為了實現(xiàn)船舶的安全航行，航運技術(shù)主要采取兩種措施，一種是船靠港時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。雷達一直是這兩種措施的主要觀測設(shè)備，用來檢測和識別船只。作為普通雷達的發(fā)展，自動雷達標繪儀(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，對減少船舶碰撞發(fā)揮了重要的作用。隨著計算機和通信技術(shù)以及自動化技術(shù)的發(fā)展，船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System)作為未來海上識別、檢測和通信系統(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、ARPA 技術(shù)，還是自動識別系統(tǒng)AIS，都是確保海上安全航行、防止碰撞的有力手段。但是從中國目前的實際情況來看，大型商船均配備較為完善的檢測系統(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。因此對于中小船只來說，高性價比的防撞系統(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速度、船舶之間相對的行駛方向、船舶前后左右不同方向預警距離要求不同這三種情況，而是機械地判斷固定的相對距離而達到預警目的，現(xiàn)實應(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發(fā)生預警。

激光器件及測量技術(shù)的發(fā)展為解決海上船舶防撞提供了一個新的途徑，它使得船舶導航、避撞甚至?？康淖詣踊妥赃m應(yīng)成為可能。激光測量具有高方向性、高單色性、高亮度、測量速度快等優(yōu)點，尤其是對雨霧有一定的穿透能力，大氣抗干擾能力強。結(jié)合海上船舶間測距的特點，可以采用脈沖激光測距、激光定位、激光測速來及時連續(xù)的測量目標船只與周圍船只的距離、測量目標船只與周圍船只的相對運動方向、測量目標船只與周圍船只的相對運動速度。

一、激光測距的基本原理

激光測距分為連續(xù)波相位測距和脈沖測距兩種。連續(xù)波測距是用無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返測線一次所產(chǎn)生的相位延遲[2]，再根據(jù)調(diào)制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離。連續(xù)波相位測距的精度極高，一般可達毫米級，但連續(xù)波相位測距較激光脈沖測距電路復雜，成本高。考慮到在船舶防撞系統(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]。

激光脈沖測距是利用測量往返脈沖間隔時間獲知距離，測量方法是在確定時間起止間用時鐘脈沖計數(shù)。這種方法可以得到10-10s以上的測量精度[3]。激光脈沖測距部分原理圖如圖1所示。由激光發(fā)射器產(chǎn)生作用時間為幾納秒、發(fā)射角為幾豪弧度的激光脈沖經(jīng)光學系統(tǒng)射向被測目標，經(jīng)目標反射后返回到接收系統(tǒng)。通過主波脈沖和回波脈沖的時間差即可測出被測距離。設(shè)目標距離為S，安全距離為S0，光脈沖往返時間為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時間內(nèi)，有N個時鐘脈沖進入計數(shù)器，時鐘脈沖的震動頻率為?0，則：

圖1 激光脈沖測距部分原理圖

上述公式中，K=c/2?0，表示每一個時鐘所代表的距離增量；如果計數(shù)器計數(shù)N個時鐘脈沖，則由式（4）可得目標距離S，K的大小決定了脈沖測距的測量計數(shù)精度。

二、船舶防撞系統(tǒng)的設(shè)計

1.雙自由度云臺的設(shè)計

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，能有效滿足大測量范圍的需要。接線說明見圖2[4]：

圖2 電動云臺電路原理圖

紅、黑為水平控制線，紅正黑負為水平電機向左運轉(zhuǎn)，紅負黑正為向右運轉(zhuǎn)。

棕、白為垂直控制線，棕正白負為垂直電機向上運轉(zhuǎn)，棕負白正為向下運轉(zhuǎn)。

圖3是雙自由度云臺電源的邏輯控制示意圖。89C52單片機P1接口的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7控制4路信號實現(xiàn)云臺水平和垂直方向的往返運動；P1.4、P1.5實現(xiàn)水平電機的電源換相，P1.6、P1.7實現(xiàn)垂直電機的電源換相。為確保云臺正常工作，在同一時刻，水平和垂直方向電機只能有一個方向供電，74HC126中的4個緩沖（A1～A4）和74LS86中的3個異或門（M1～M3）構(gòu)成一個封閉邏輯，實現(xiàn)4路信號的邏輯控制，以保證水平和垂直方向的唯一選通

圖3 云臺電源的邏輯控制

2.船舶周圍障礙物的三維坐標定位

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

圖4 測量目標船舶周圍障礙物的定位

3.控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)流程圖

以測量目標船舶的船頭為Y軸建立空間坐標系（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警。預警的時機與碰撞距離L和周圍船舶從A到B行駛的時間t有關(guān)，即

其中，T表示從監(jiān)測位置到距離可能發(fā)生碰撞位置船舶駕駛員的反應(yīng)時間，只有L和T同時符合設(shè)定值L0和T0預警才是科學的，周圍船舶所在的象限和β角大小有關(guān)。由于本系統(tǒng)是實時監(jiān)測，因此即使在檢測期間船舶走曲線也沒有關(guān)系，一樣可以做出科學預警?？刂葡到y(tǒng)軟件實現(xiàn)流程如圖5所示。

三、結(jié)語

本系統(tǒng)采用激光測距傳感器，對行船過程中船舶周圍500m的障礙物進行實時監(jiān)控。在設(shè)計中利用多塊激光傳感器和電動雙自由度云臺結(jié)合，實現(xiàn)水平和垂直兩方向大范圍偵測；能夠不間斷的監(jiān)測目標船舶與周圍障礙物的相對速度、距離和角度，并根據(jù)不同的復雜情況自主判定恰當?shù)念A警時機進行預警，有效克服了設(shè)定固定預警距離而忽略船舶間的相對速度、行駛方向的傳統(tǒng)防撞預警系統(tǒng)預警時機的不恰當性。本系統(tǒng)具有良好的實用價值和應(yīng)用前景，相信隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，激光測距技術(shù)在船舶防撞報警過程中能夠得到完美應(yīng)用。

圖5 控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)流程

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

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

[3]丁洪影.基于激光測距技術(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.