船舶自適應(yīng)避碰系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

時(shí)繼潮 郝卓然 徐 娜 金文祥

（大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院 大連 116028）

1 引言

在全球經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng)的今天，經(jīng)濟(jì)帶動(dòng)著中外貿(mào)易大幅增長(zhǎng)。作為貿(mào)易開(kāi)展的重要途徑，航運(yùn)貿(mào)易所占的份額也在逐年呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)［1］。船舶是海面運(yùn)輸?shù)闹匾d體，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使其需求量也日益增多。在海面運(yùn)輸不斷流行的今天，由于海上碰撞事故的頻發(fā)，廣大人民群眾聚焦的焦點(diǎn)也更多的集中在了安全問(wèn)題上。在所承載噸位的不斷增加后，人們開(kāi)始追求船舶的運(yùn)行速度，船舶的種類也在不斷的多元化［2］。而海面的運(yùn)輸業(yè)務(wù)量逐日逐月遞增，從而對(duì)于整體的船舶行業(yè)的需求量也是應(yīng)接不暇，因此海上船舶航行的密度的增大，航路擁擠程度也造成航海事故的經(jīng)常發(fā)生。水運(yùn)安全也成為大家越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題［3］。

為了避免船舶在行駛過(guò)程中發(fā)生碰撞，減少不必要的損失，本文特地設(shè)計(jì)了船舶主動(dòng)避碰系統(tǒng)，該系統(tǒng)以CC2530芯片作為控制核心，主要包括測(cè)距模塊、聲光報(bào)警裝置、液晶顯示以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊共五大部分組成。

其中測(cè)距模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海面以上及海面以下障礙物的測(cè)距。激光距離傳感器為了測(cè)量海平面以上的障礙物，電容式液位傳感器為了測(cè)量隱藏在海面之下的礁石等物體的距離。在測(cè)量的數(shù)據(jù)小于安全距離時(shí)，聲光報(bào)警器中的小燈閃爍以及蜂鳴器響鈴，液晶顯示模塊可以實(shí)時(shí)顯示測(cè)量距離，供船員們進(jìn)行參考，據(jù)此來(lái)做出相應(yīng)調(diào)整以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)［4］。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊則會(huì)在系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)同時(shí)做出運(yùn)行方向的改變。

2 測(cè)距方式的選擇

對(duì)海面上正在不斷移動(dòng)的船只來(lái)說(shuō)，無(wú)法準(zhǔn)確接觸到障礙物。故應(yīng)當(dāng)采用非接觸式的方法來(lái)測(cè)量距離。在現(xiàn)有的科技領(lǐng)域上進(jìn)行測(cè)量距離的方式多種多樣，應(yīng)用廣泛的是超聲波測(cè)距、紅外線測(cè)距、毫米波測(cè)距、雷達(dá)測(cè)距及激光測(cè)距方法進(jìn)行日常生產(chǎn)生活的距離測(cè)量［5］。這五種不同的測(cè)量方法其工作過(guò)程和原理都不相同，但是它們都是被用來(lái)判斷前方船只與本船間的相對(duì)距離，以此來(lái)采取相應(yīng)的措施。

綜合在海面上使用儀器進(jìn)行測(cè)量距離，需要測(cè)量范圍大、抗干擾信號(hào)能力強(qiáng)，同時(shí)仍然需要考慮到其經(jīng)濟(jì)性等綜合方面進(jìn)行考慮，本設(shè)計(jì)中選用激光測(cè)距傳感器進(jìn)行測(cè)量海平面以上航行船只與障礙物之間的距離。該方法在同等條件下的穩(wěn)定性強(qiáng)，可靠性高，精準(zhǔn)率也在相比較情況下要高［6］。

3 激光測(cè)距原理

激光測(cè)距儀是一種利用發(fā)射出的激光對(duì)船體與障礙目標(biāo)之間的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定距離的儀器［7］。該測(cè)量方法是利用激光測(cè)距儀在工作時(shí)，在船體上向前發(fā)射出的一束非常細(xì)小的激光，由光電元件接收到既定目標(biāo)反射的激光束，內(nèi)部的計(jì)時(shí)器將會(huì)測(cè)定激光束從發(fā)射端口發(fā)出到接收端口接收的時(shí)間，根據(jù)測(cè)定出的時(shí)間從而計(jì)算出觀測(cè)的船只到障礙物之間的距離長(zhǎng)短［8］。如果激光是連續(xù)性發(fā)射，測(cè)程可以達(dá)到約40km，并且可以晝夜進(jìn)行工作。它主要采用兩種方法來(lái)對(duì)所要測(cè)量的障礙物與發(fā)出信號(hào)的船舶之間的距離：脈沖法以及相位法。

3.1 脈沖測(cè)距工作原理

利用脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量首先是利用瞄準(zhǔn)鏡來(lái)對(duì)前方可控范圍進(jìn)行瞄準(zhǔn)，與此同時(shí)還要將復(fù)位開(kāi)關(guān)打開(kāi)。當(dāng)所有部分進(jìn)行初始化之后，即可準(zhǔn)備開(kāi)始進(jìn)行距離的測(cè)量。發(fā)射裝置發(fā)射出的激光脈沖具備峰值功率高的特點(diǎn)，這樣的光源聚焦能力非常強(qiáng)，投射到非常遠(yuǎn)的距離之外，它的光斑也才只有幾米的直徑。光源發(fā)射系統(tǒng)、回波接收系統(tǒng)時(shí)間范圍測(cè)量系統(tǒng)、收回信號(hào)的處理系統(tǒng)以及處理的控制單元，這五部分共同組成了脈沖激光測(cè)距電路［9］，其測(cè)距原理圖如圖1所示。

3.2 相位測(cè)距工作原理

利用相位法進(jìn)行測(cè)距所測(cè)量到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度要比脈沖激光測(cè)量方法的高，但是計(jì)算的整體過(guò)程較為麻煩，通常狀況下會(huì)產(chǎn)生多個(gè)未知數(shù)的解，這時(shí)就需要由多個(gè)發(fā)射端口發(fā)射出具備不同相位值的激光信號(hào)。應(yīng)用相位激光測(cè)量距離的實(shí)質(zhì)是在整體的調(diào)節(jié)過(guò)程中，發(fā)出的激光束在船舶過(guò)程中所形成相位偏移量，偏移量之間的夾角可以測(cè)量出中間的時(shí)間間隔。在規(guī)定下已知激光信號(hào)的傳播速度，即可求出所間隔的距離D［10］。

圖1 脈沖激光測(cè)距原理

在理論方面可以影響到測(cè)量精度的因素包含相位測(cè)量過(guò)程中本身所帶的誤差、調(diào)節(jié)頻率的過(guò)程中的光速以及頻率誤差。在整個(gè)的相位激光測(cè)距的過(guò)程中頻率產(chǎn)生的電路將會(huì)直接影響所測(cè)量的實(shí)際參數(shù)。相位法激光測(cè)距儀器由激光的發(fā)射系統(tǒng)、角度反射系統(tǒng)、光源接收系統(tǒng)、綜合頻率系統(tǒng)、以及混頻系統(tǒng)和數(shù)字顯示系統(tǒng)等部分組成［11］。角度反向裝置是由三個(gè)互為90°的光學(xué)鏡面當(dāng)成反射面，這樣特殊的結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑼渡鋪?lái)的光束按照投射來(lái)的原方向反向折回到裝置中來(lái)。該裝置最好的特點(diǎn)是不用考慮入射的角度，在經(jīng)過(guò)反射棱鏡之后的光線是與入射光線水平呈現(xiàn)180°角。

激光相位測(cè)距是以高數(shù)值的頻率作為信號(hào)，同時(shí)兼顧其固有頻率，可以多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)針對(duì)光束信號(hào)所發(fā)出的強(qiáng)度值進(jìn)行調(diào)節(jié)。與此同時(shí)，測(cè)定發(fā)射出的光線來(lái)回一次所產(chǎn)生的延遲信號(hào)長(zhǎng)短及內(nèi)部所產(chǎn)生相頻延緩。相位激光測(cè)量距離以所發(fā)射出的整型頻率波段的波體長(zhǎng)度為基準(zhǔn)的測(cè)定值。在現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)，相位法激光測(cè)距的主要方法有調(diào)頻連續(xù)法、類調(diào)頻連續(xù)法以及條幅連續(xù)法［12］。

4 船舶主動(dòng)避碰系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

船舶主動(dòng)避碰系統(tǒng)設(shè)計(jì)是由控制與數(shù)據(jù)處理模塊、測(cè)距模塊、鍵盤(pán)、GPS模塊、液晶顯示模塊、報(bào)警裝置、電機(jī)控制模塊、通信模塊以及電源模塊共九部分組成，其系統(tǒng)方框圖如圖2所示［13］。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

5 船舶主動(dòng)避碰系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備程序首先對(duì)整體單元進(jìn)行初始化，初始化則是對(duì)于串口、12864液晶顯示、直流電機(jī)等初始化。在對(duì)CC2530芯片中的51單片機(jī)進(jìn)行初始化以后，會(huì)使得其進(jìn)入到待機(jī)的一種形式。在整體系統(tǒng)工作的時(shí)候，主控制器會(huì)連續(xù)不斷地接收到來(lái)自于串口的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)運(yùn)行來(lái)分析該項(xiàng)數(shù)據(jù)，與此同時(shí)會(huì)通過(guò)接下來(lái)的功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)固定顯示功能。運(yùn)行后的結(jié)果可以實(shí)時(shí)的將所測(cè)定距障礙物距離的相關(guān)參數(shù)顯示在12864液晶上。在這之外，內(nèi)置的單片機(jī)還會(huì)對(duì)于聲光報(bào)警裝置與L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制［14］。系統(tǒng)主流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件主流程圖

5.2 激光測(cè)距模塊子程序設(shè)計(jì)

在整體系統(tǒng)中需要用到激光測(cè)距傳感器用來(lái)測(cè)量海面以上兩船之間的距離。激光測(cè)距模塊子程序流程如圖4所示。

圖4 激光測(cè)距模塊子程序流程圖

程序開(kāi)始后，發(fā)射端將會(huì)發(fā)出多個(gè)激光束。遇到障礙物以后激光束則會(huì)返回，船體上的接收端接收到返回信號(hào)后，數(shù)據(jù)將會(huì)由單片機(jī)進(jìn)行處理。在處理之后會(huì)得到測(cè)量距離，將測(cè)量距離與安全距離進(jìn)行對(duì)比，若安全距離大于顯示的數(shù)據(jù)，則聲光報(bào)警器中的小燈進(jìn)行閃爍同時(shí)蜂鳴器響鈴。若安全距離小于顯示的距離，則此時(shí)聲光報(bào)警器模塊不工作，船體正常向前航行［15］。同時(shí)電機(jī)控制模塊進(jìn)行工作，從而改變船體的運(yùn)行航向。當(dāng)測(cè)量距離大于安全距離時(shí)，返回到初始，發(fā)射端繼續(xù)發(fā)出激光束重復(fù)流程。

6 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)將CC2530芯片、激光測(cè)距傳感器、電容式液位傳感器、聲光報(bào)警器、鍵盤(pán)、液晶顯示及電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)合在一起，來(lái)解決船舶在海面航行時(shí)會(huì)遇到撞擊事故等事故的。在整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，先確定整體系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)處理模塊是以CC2530芯片為整體控制核心。根據(jù)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了總體思路構(gòu)成，確定了控制核心及各模塊的系統(tǒng)組成，其次是對(duì)于系統(tǒng)做出硬件與軟件的設(shè)計(jì)方案。

本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)清楚明白，經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性好，非常適用于小型船只的操作運(yùn)營(yíng)狀況，可以有效地避免碰撞事故的發(fā)生。