基于IAP15的近距離船舶避碰系統(tǒng)設(shè)計

黃偉健 吳浩基 馮智銳 黃榮杰

（廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

隨著世界進出口貿(mào)易的增加以及船舶朝著大型化和高速化方向發(fā)展，船舶碰撞事故也隨之不斷增多[1]。我國作為全球貿(mào)易大國，約90%的國際貿(mào)易是通過海運完成的，因此海洋運輸對我國至關(guān)重要。然而，港口、碼頭等船舶密集區(qū)域中發(fā)生的碰撞事故數(shù)量持續(xù)增加，成為一個亟待解決的問題。盡管目前已有船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）、海圖儀等設(shè)備廣泛應(yīng)用于海上船舶，但在船舶密集的場景中，這些設(shè)備仍然面臨無法進行高精度測距以及避碰的問題。因此，研究船舶的近海域避碰技術(shù)對提高海上航運的經(jīng)濟性和安全性具有重要意義[2]。為了解決這一難題，本文針對港口碼頭等船舶密集場景，設(shè)計了一種船舶近距離激光測距系統(tǒng)，從而滿足了船舶避碰和預(yù)警的需求?；诖?，本文將介紹該系統(tǒng)的總體設(shè)計、硬件電路、工作原理和激光測距算法等。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)以IAP15F2K61S2 芯片為基礎(chǔ)，集成了8 位8 段共陽數(shù)碼管模塊、獨立按鍵模塊、激光測距模塊和LED 指示燈模塊。通過融入調(diào)頻算法，實現(xiàn)了多方位數(shù)據(jù)處理，從而設(shè)計出了一種船舶近距離避碰系統(tǒng)。該設(shè)計的核心目標是解決多方位高精度測距問題，并實現(xiàn)高精度測距及報警功能。該系統(tǒng)首先利用激光測距模塊完成高精度測距任務(wù)，其次采用調(diào)頻算法對多點數(shù)據(jù)進行融合處理。與傳統(tǒng)的相位式測距相比，調(diào)頻算法距離分辨率、測距精度更高。通過串口傳輸，使多個測量點的數(shù)據(jù)匯總。數(shù)碼管負責(zé)顯示測量數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)范圍將數(shù)據(jù)劃分為4 個部分：安全距離、遠距離、中距離和近距離。當(dāng)距離小于50 m 時，系統(tǒng)會自動計算距離的平均值。LED 燈、繼電器和蜂鳴器根據(jù)不同范圍的距離做出響應(yīng)，以實現(xiàn)報警功能。此外，用戶可以通過獨立按鍵操作數(shù)碼管和LED 燈的熄滅與開啟、打開實時時鐘界面以及進入障礙物距離平均值顯示界面。通過實際應(yīng)用收集到的數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)解決了船舶在短距離內(nèi)無法進行高精度測距及報警的問題。系統(tǒng)總體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

該系統(tǒng)以IAP15 芯片為核心，通過連接各外圍模塊，實現(xiàn)了系統(tǒng)的整體功能。其中，激光測距模塊為最重要的外圍模塊，為系統(tǒng)測提供了高精度的測距數(shù)據(jù)。數(shù)碼管模塊和獨立按鍵模塊共同組成了海上工作人員的交互界面，方便操作員進行系統(tǒng)設(shè)置和結(jié)果觀察。蜂鳴器模塊、繼電器模塊和LED 模塊則協(xié)同工作，構(gòu)成了系統(tǒng)的報警機制，能夠根據(jù)危險程度的不同選擇相應(yīng)的報警方式。

2 硬件電路設(shè)計

主控芯片選用的是STC15F2K61S2，其特點包括2 048 字節(jié)片內(nèi)RAM、高可靠復(fù)位電路（不用外部復(fù)位）、高速ADC以及8 通道10 位。

數(shù)碼管模塊利用芯片P0 端口控制二極管顯示及具體位置。所有數(shù)碼管均可顯示數(shù)字0～9 以及大、小寫的26 個字母。它具有耗電低、反應(yīng)速度快、使用溫度范圍廣以及構(gòu)造簡單等優(yōu)點。

獨立按鍵模塊由4 個按鍵組成，能夠直接讀取，檢測占用時間短、誤觸率低。該模塊還能區(qū)分長按和短按操作并且不受其他因素干擾。

激光測距模塊的測距精度為±0.5 cm，標準差＜5 mm（2 m范圍內(nèi)），盲區(qū)低至1.5 cm。它還具有強大的抗干擾能力。該模塊以激光測距傳感器為核心，通過精確計算發(fā)射和接收反射激光的時間差來測量距離，具有測距頻率高和響應(yīng)快速的特點，并配備了屏蔽罩，以有效保護外圍電路免受電磁干擾。此外，該模塊還集成了MCU 和專門的測距算法。在船舶上布置了8 個激光測距傳感器：左右船舷各3 個、船頭和船尾各1 個。這些傳感器與距離傳感器和GSM 模塊緊密相連，并通過RS-485 串行總線接口實現(xiàn)高效通信。該接口采用差分平衡方式傳輸信號，因此具有出色的抗共模干擾能力，非常適合復(fù)雜的海洋環(huán)境。

LED 指示燈模塊提供了一個靈活的軟件控制機制，允許調(diào)整二極管亮滅時間的占空比。這一功能使筆者能夠選擇理想的亮度設(shè)置，從而延長發(fā)光二極管的使用壽命。此外，該模塊還具有動態(tài)顯示效果和大量的實際可視像素點，增強了整體視覺效果。

繼電器模塊在增強系統(tǒng)報警功能多樣性方面發(fā)揮重要作用。為了防止在單片機復(fù)位過程中發(fā)生誤觸動作，在該系統(tǒng)中，選用了三極管（PNP）繼電器，并實施了低電平觸發(fā)的控制邏輯，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

蜂鳴器模塊的主要職責(zé)是警示海上作業(yè)人員。本文采用了有源蜂鳴器，其內(nèi)部集成了專門的發(fā)聲電路（源振蕩），從而構(gòu)成了1 個高效且可靠的發(fā)聲裝置。這種有源蜂鳴器能夠提供清晰響亮的聲音，保證在各種工作環(huán)境下都能有效地傳達警示信息。

3 工作原理

該系統(tǒng)是一個完整的船舶近距離避碰系統(tǒng)，基于STC15-F2K61S2 設(shè)計，并由很多功能模塊組成。

該系統(tǒng)首先通過數(shù)據(jù)采集機構(gòu)（激光測距模塊）收集距離數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)隨后被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理機構(gòu)（IAP15F2K61S2芯片），該芯片采用線性調(diào)頻激光測距算法對數(shù)據(jù)進行篩選，以剔除誤差較大的數(shù)據(jù)，從而獲得高精度的距離信息。在代碼中，本文預(yù)設(shè)了閾值，劃分了4 個不同的報警區(qū)域，每個報警區(qū)域都配置了不同的報警方式，以便通過用戶交互機構(gòu)及時警示海上作業(yè)人員并采取相應(yīng)操作。數(shù)碼管用于實時顯示當(dāng)前距離信息以及平均距離。按鍵功能包括切換當(dāng)前距離界面、平均距離界面、進入實時時鐘界面、關(guān)閉LED 燈、關(guān)閉繼電器以及關(guān)閉蜂鳴器等。LED 燈根據(jù)4 個不同的閾值區(qū)域，通過亮、滅和流水燈等操作來警示作業(yè)人員潛在的碰撞風(fēng)險。蜂鳴器和繼電器也會在不同的閾值區(qū)域中以不同的響應(yīng)頻率發(fā)出警報，警示作業(yè)人員注意避碰。

系統(tǒng)工作原理圖中的各模塊機構(gòu)如圖2所示。數(shù)據(jù)采集機構(gòu)主要依賴激光測距模塊進行數(shù)據(jù)采集。由于海上環(huán)境易受風(fēng)浪、天氣等外界因素影響，因此其他測距方式難以滿足高精度測距的需求。激光測距在穩(wěn)定性和精確性方面表現(xiàn)出色。結(jié)合線性調(diào)頻激光測距算法，能有效篩選并剔除誤差較大的數(shù)據(jù)，從而顯著提高測距數(shù)據(jù)的可靠性，與傳統(tǒng)的相位式激光測距方式相比是一大優(yōu)勢。數(shù)據(jù)處理機構(gòu)的核心是IAP15F2K61S2 芯片。該主控芯片不僅價格低，而且可靠性高。考慮到本系統(tǒng)中激光傳感器間復(fù)雜的數(shù)據(jù)交互需求，該芯片憑借強大的數(shù)據(jù)處理能力，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸與處理，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了保障。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

用戶交互機構(gòu)由數(shù)碼管、獨立按鍵、LED 燈、蜂鳴器以及繼電器組成，旨在實現(xiàn)以下功能。

數(shù)碼管主要用于顯示實時距離和實時時鐘。當(dāng)系統(tǒng)判斷為安全距離時，數(shù)碼管顯示實時時間。一旦探測到障礙物靠近，數(shù)碼管將迅速切換至距離顯示界面，展示當(dāng)前距離數(shù)據(jù)和障礙物的平均距離。

獨立按鍵具有多項實用功能，例如關(guān)閉LED 燈報警、打開實時時鐘界面以及進入障礙物距離平均值顯示界面等。

當(dāng)距離過近時，LED 燈發(fā)揮報警作用：當(dāng)處于安全距離（＞50 m）時，LED 燈保持熄滅；當(dāng)處于遠距離（40 m～50 m）時，L1和L2亮起；當(dāng)進入中距離（30 m～40 m）時，L1和L2呈現(xiàn)呼吸燈狀態(tài)；一旦進入近距離（＜30 m），L1和L2保持呼吸燈狀態(tài)，同時L3～L8啟動流水燈模式。LED 燈報警模式見表1。

表1 LED 燈報警模式

蜂鳴器報警設(shè)定如下：當(dāng)處于安全距離和遠距離時，蜂鳴器保持靜默。但處于中距離和近距離時，蜂鳴器會啟動報警功能。特別是在近距離，蜂鳴器的報警響應(yīng)間隔更短，警示更頻繁。

繼電器報警設(shè)定如下：與蜂鳴器相同，當(dāng)處于安全距離和遠距離時，繼電器不工作。但當(dāng)測距距離為30 m～40 m時，繼電器每300 ms 閉合1 次；當(dāng)距離為＜30m 時，繼電器的閉合頻率提高，每100 ms 閉合一次。這種設(shè)計通過調(diào)整繼電器吸合的時間間隔，提高了報警的緊迫性，使船員能更直觀地感知到距離的變化。

4 基于線性調(diào)頻激光測距算法設(shè)計

在海上，由于海浪、噪聲等干擾因素，激光測距傳感器的數(shù)據(jù)采集會受到一定影響，而數(shù)據(jù)采集的準確性直接關(guān)系到避碰方案的有效性。為了提高船舶測距的精確度，該設(shè)計采用了線性調(diào)頻激光測距算法對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，從而使采集到的數(shù)據(jù)更可靠和準確。

假設(shè)D為臨近船舶與自身船舶的距離，c為光速，N為光波信號在往返中得到的整周期數(shù)，而Δσ為調(diào)制信號頻率。那么在測量過程中，只需要獲取N和Δσ的數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)進行計算，以得出船舶之間的距離D，如公式（1）所示。

式中：t為測量時間。

線性調(diào)頻激光測距的原理與邁克爾遜干涉儀相似。在調(diào)頻激光信號產(chǎn)生模塊中，常用的驅(qū)動方式有鋸齒波或三角波2 種，用于驅(qū)動半導(dǎo)體激光器。雖然鋸齒波驅(qū)動的調(diào)頻激光信號抗干擾能力較強，但在系統(tǒng)靈敏度等方面卻不如三角波驅(qū)動的調(diào)頻激光信號[3]。綜合考慮海上環(huán)境的實際情況，筆者采用三角波信號的激光器進行測距驅(qū)動。

筆者采用線性調(diào)頻激光測距算法進行距離測量，如公式（2）所示。

式中：T為調(diào)制周期；B為調(diào)頻帶寬；fIF為差頻信號的頻率。

在相同的時間域中，通過對比發(fā)射信號與回波信號，發(fā)現(xiàn)差頻信號的頻率在特定時間范圍內(nèi)保持不變。如果調(diào)制周期和調(diào)頻帶寬都是已知的且保持不變，就能根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算距離D。該方法顯著提高了測量精度，且抗干擾能力較強。

線性調(diào)頻激光測距技術(shù)的固有分辨率如公式（3）所示。

式中：ΔR為三角波調(diào)制信號的帶寬；B為三角波調(diào)制信號的帶寬；Δτd為延時td后的回波信號瞬時頻率。

由公式（3）可知，線性調(diào)頻激光測距技術(shù)的固有分辨率與三角波調(diào)制信號的帶寬之間存在反比關(guān)系，因此，增加調(diào)頻激光信號的調(diào)頻帶寬，可以提高距離分辨率[4]。與傳統(tǒng)的相位式激光測距相比，基于線性調(diào)頻的激光測距算法在測距精度方面具有明顯優(yōu)勢。

數(shù)據(jù)處理核心代碼如下：

while(1)

{

Status=vl53l0x_start_single_test(&vl53l0x_dev,&vl53l0x_data,buf); //執(zhí)行一次測量

if(Status==VL53L0X_ERROR_NONE)

printf("d: %4imm ",Distance_data);//打印測量距離

else

printf("Measurement is Error!!! ");

//delay_ms(100);

i++;

if(i＞=10)

{

i=0;

LED0=!LED0;

}

}

5 應(yīng)用線性調(diào)頻激光測距算法的數(shù)值分析

本節(jié)將通過數(shù)值分析對比，進一步說明應(yīng)用線性調(diào)頻激光測距算法后的數(shù)據(jù)更具可靠性和穩(wěn)定性。運用線性調(diào)頻激光測距算法與運用相位式激光測距方式的數(shù)值分析對比見表2。

表2 應(yīng)用線性調(diào)頻激光測距算法的數(shù)值對比

經(jīng)過對上述數(shù)值的分析與對比，可以得出以下結(jié)論：在不采用線性調(diào)頻激光測距算法的情況下，測量距離越遠，測量數(shù)據(jù)的誤差越大。當(dāng)應(yīng)用線性調(diào)頻激光測距算法進行數(shù)據(jù)測量時，不僅數(shù)據(jù)波動幅度變小，而且其誤差也相對較小。由此可以推斷出，應(yīng)用線性調(diào)頻激光測距算法的數(shù)據(jù)測量的穩(wěn)定性與準確性更高。

6 結(jié)論

隨著海上交通流量的日益增多和復(fù)雜的會遇態(tài)勢的頻繁出現(xiàn)，航海技術(shù)的各方面都面臨著新的挑戰(zhàn)，對海上安全避碰技術(shù)提出了更高的要求[5]。為了解決海上近距離避碰的問題，本文設(shè)計了一種用于港口碼頭的船舶避碰系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行了整體性描述。其中，重點介紹了線性調(diào)頻激光測距算法測距部分的原理，該算法顯著提高了測距精度，以獲取準確的距離信息，并根據(jù)評估結(jié)果判斷是否需要生成避碰方案，當(dāng)距離過近時對海上作業(yè)人員進行報警提示。