基于慣性傳感技術(shù)的船舶吃水實時測量系統(tǒng)設(shè)計

魏 羽 楊興聰 王自浮 陳 丹

（重慶交通大學 航運與船舶工程學院，重慶400074）

船舶吃水是一個重要參數(shù)，可以利用它來計算船舶的排水量，目前幾乎完全依賴于人工目測的方法來確定船舶吃水。這種方法雖然簡便但存在諸多弊端，比如：（1）肉眼觀察的準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）工作量大且無法長時間在水中測量。（3）水波的干擾。（4）無法多點同步觀測。（5）個人經(jīng)驗的差異對測量結(jié)果有較顯著的影響。這些不利因素制約了目測法測量精度的提高。[1]

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

本文設(shè)計能夠自動為船舶駕駛?cè)藛T提供精確的船舶吃水，有利于降低船員在測量吃水時的安全風險。與現(xiàn)有的自動測量系統(tǒng)相比，本文采用慣性傳感器測量測距傳感器的姿態(tài)，并通過云臺實時調(diào)整測距傳感器姿態(tài)，使其始終于水面保持垂直，有利于提高船舶吃水測量的精確度。且采用無線自組織網(wǎng)絡(luò)進行測量終端與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，有利保證吃水測量的實時性。通過卡爾曼濾波方法對船舶吃水結(jié)果進行處理，有利于降低船舶吃水測量結(jié)果的誤差。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計

1.1 測量原理

基于慣性傳感技術(shù)的高精度船舶吃水實時測量系統(tǒng)，主要包括雷達測距儀終端和上位機兩個部分。雷達測距儀終端包括云臺、慣性傳感器、雷達測距傳感器、單片機、無線信號模塊和驅(qū)動裝置；上位機主要是船舶上的駕駛臺用于接收船舶實時的吃水數(shù)據(jù)。

并通過太陽能電池和可充電池進行供電，慣性傳感器和雷達測距傳感器均固定安裝在云臺上，同時慣性傳感器和雷達測距傳感器分別傳輸姿態(tài)數(shù)據(jù)和測距數(shù)據(jù)到單片機，單片機通過姿態(tài)數(shù)據(jù)反饋指令控制云臺的鏡頭轉(zhuǎn)向裝置進行修正調(diào)平云臺，雷達測距儀終端的數(shù)據(jù)通過無線信號模塊與無線自組織網(wǎng)絡(luò)上傳給上位機，上位機用于接收雷達測距終端的數(shù)據(jù)并進行數(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

雷達測距裝置：設(shè)有防水外罩，內(nèi)置雷達測距傳感器和無線信號發(fā)射模塊。雷達測距傳感器性能穩(wěn)定可靠，利用電磁波探測目標。其主要測量原理是從雷達傳感天線發(fā)射雷達脈沖，天線接收從水面反射回來的脈沖，并記錄時間T，由于電磁波的傳播速度C 是個常數(shù)，從而得出到水面的距離D。

圖1 基于慣性傳感技術(shù)的高精度船舶實時測量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖

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

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

慣性傳感裝置：通過檢測船舶的傾斜程度，來擺正雷達發(fā)射脈沖的位置。

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

驅(qū)動裝置：主要由控制精確，反應速度快的電池進行驅(qū)動，電池可進行手動充電，或者太陽能供電。

1.3 理論計算

慣性傳感器使用測量：

船體在航行過程中由于受到海浪的影響，船體會發(fā)生搖晃，所以陀螺儀的姿態(tài)會隨之發(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姿態(tài)，而陀螺儀只能測量三軸加速度，以及三軸角速度，無法直接得出船舶姿態(tài)，需要經(jīng)過坐標旋轉(zhuǎn)變換，以及積分關(guān)系得出相應的姿態(tài)，以此來調(diào)整雷達脈沖發(fā)射，使鏡頭可以始終平行于水面，減小誤差。

下面對陀螺儀三個自由度分別進行了討論和姿態(tài)計算公式。

（1）旋轉(zhuǎn)Z 軸：

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

計算矩陣：

（2）旋轉(zhuǎn)Y 軸：

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

計算矩陣：

（3）旋轉(zhuǎn)X 軸：

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

計算矩陣：

1.4 雷達測距傳感器（恩萊雷達液位計）

當調(diào)整好雷達測距傳感器姿態(tài)后，雷達測距傳感器從反射到接受的時間差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；

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

誤差計算

其中：

式中：Sg為統(tǒng)計值標準差；Xi為每次所觀測的雷達水位（m）；Xi為每次人工觀測水位值的平均值（m）。

1.5 誤差分析

船舶?？吭诟劭诳隙〞?jīng)受波浪而運動，其運動周期可能為幾秒到十幾秒不等。為消除波浪的影響，要求船舶吃水測量系統(tǒng)每次測量必須有相當數(shù)量的采集子樣（一般采集時間不少于2min）。根據(jù)顯示的所有測點數(shù)據(jù)的周期性變化曲線，選取相應的同步時間段數(shù)據(jù)（波浪周期的整數(shù)倍）進行平均計算，以此來消除波浪的影響。利用船舶吃水測量系統(tǒng)可以多次采集足夠數(shù)量的子樣進行同步測量，對各個測點的測量結(jié)果進行整合處理。由上述方法得到各測點的船舶吃水數(shù)據(jù)，通過軟件可以繪制船體吃水沿船長的分布曲線。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。若已精確測量了空船狀態(tài)下的船舶排水量，即可得船舶載重量。

2 測量方法簡介

本文擬采用慣性傳感器實時測量各傳感器的姿態(tài)，通過單片機對姿態(tài)數(shù)據(jù)進行處理分析，并向傳感器所在的云臺發(fā)送控制數(shù)據(jù)，實時調(diào)整傳感器的姿態(tài)，始終使傳感器與水線面垂直，提高船舶吃水測量的精度和實時性。同時，各個吃水測量終端的測量結(jié)果均通過無線自組織網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機，當吃水測量終端離上位機距離較遠時，可通過其他終端轉(zhuǎn)發(fā)吃水測量結(jié)果。上位機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 船舶吃水測量終端

結(jié)合船舶實際情況，每個船舶有固定的六面水尺標線，我們根據(jù)測量需求，在船體的吃水標志線處安裝船舶吃水測量系統(tǒng)，總共布置6 個測點，幾乎所有船舶的吃水測量標線都是在船艏、船中、船尾。船舶吃水測量終端同時連接無線自組織網(wǎng)絡(luò)，通過系統(tǒng)終端向各測量點的無線裝置發(fā)布指令，可以控制最多6 臺雷達測距儀實現(xiàn)同步測量。測量數(shù)據(jù)經(jīng)無線模塊傳輸至測量系統(tǒng)的終端采集器，由后臺處理中心完成數(shù)據(jù)計算、存儲和顯示，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)今{駛臺，雷達測距儀終端通過磁鐵與船舶連接。

2.2 船舶吃水測量終端結(jié)構(gòu)

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

3 船舶吃水測量流程

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

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 實驗過程

本文先是做了一個預實驗，考慮到經(jīng)費問題，采用測距傳感器進行實驗。利用慣性傳感器實時測量測距傳感器的姿態(tài)，并通過云臺實現(xiàn)測距傳感器姿態(tài)自動調(diào)整，時刻保持測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測量結(jié)果進行處理。將無線自組織網(wǎng)絡(luò)用于吃水測量終端與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，若測量終端與上位機之間距離較遠，可通過其他終端進行數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)。

4.2 調(diào)平測距實驗

如圖2 所示，通過實驗我們可以發(fā)現(xiàn)測距傳感器始終平行于水面，無論船舶怎樣傾斜船體，慣性傳感器都可以自動調(diào)平測距儀器。

圖2 實驗與儀器圖

通過測距傳感器其（如圖2）來測量水線面到儀器的距離，遇水面后反射回來。

測距測量平均5ms 測一次距離，使得測量值更加的精確，結(jié)束測距后，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測量結(jié)果進行處理，最后返回數(shù)據(jù)到電腦端。

5 結(jié)論

本文提出的船舶吃水測量系統(tǒng)，主要是由上位機（船舶駕駛臺）和船舶吃水測量終端構(gòu)成，經(jīng)過對系統(tǒng)設(shè)計與計算，可以有效進行船舶吃水的實時檢測，誤差范圍在有效的范圍之內(nèi)，確保了船舶吃水測量的精度。為船舶在營運過程中的吃水實時測量提供了實踐依據(jù)，有一個很好的發(fā)展前景。