基于激光测距的船舶防撞定位系统设计
基于激光测距的船舶防撞定位系统设计
作者:章坚武;张数明
介绍一种基于激光测距传感器的船舶防撞定位报警系统的设计原理,给出了系统的硬件设计和程序设计方法。在船舶上合理布置激光测距传感器,利用反射激光测量待测距离。实时自主的监测目标船舶与周围船舶的距离和方位,当进入待测领域的船只与目标船舶达到设定的安全距离时,实现声光报警,避免船舶相撞。由于整个系统的经济性和准确性,适合中小船舶
的需求。
1 引言
为了实现船舶安全航行,航运技术主要采取两种主要的措施,一方面是船靠港时依赖于船舶交通管理系统(Vessel Traffic Service ,V TS) ,另一方面是船与船航行时依赖于船舶逼撞规则。而雷达一直是这两个方面的主要观测设备,用来检测和识别船只。作为普通雷达的发展,自动雷达标绘仪(Automatic Radar Plotting Aids ,ARPA) 早已作为现代大型船舶上用于避免碰撞的主要仪器得到普遍使用,对减少船舶碰撞发挥了重要的作用。随着计算机和通信技术以及自动化技术的发展,国际海事组织和国际电联确定了船舶自动识别系统(Automatic Identification System ,AIS) 作为未来海上识别,检测和通信系统。AIS 系统加强了“船- 岸”通信和“船- 船”通信,提高了船舶航行安全,避免了海上碰撞。
无论是传统的雷达和ARPA 技术,还是自动识别系统AIS ,都是确保海上安全运行,防止碰撞的有力手段,但是从我国目前的实际情况来看,大型的商船具备条件配备较为完备的检测系统,而中等船只和一般轻型吨位的渔船,由于现有设备的昂贵,很难达到大范围的普及。激光器件及测量技术的发展为解决海上船舶防撞提供了一个新的途径,它使得船舶导航,逼撞甚至停靠的自动化和自适应成为可能。激光测距具有高方向性,高单色性,高亮度,测量速度快等优点,尤其是对雨雾有一定的穿透能力,大气抗干扰能力强。结合海上船舶间测距的特点,可以采用脉冲激光测距来及时连续的测量目标船只与周围船只的距离。
2 船舶防撞定位系统组成
本系统是基于成熟的激光测距理论而研制的具有自主性的船舶防撞系统。主要由感测待测量信号的激光传感器、以单片机为核心的控制单元和实现预警功能的执行器三部分组成。本系统具有自主监测周围环境的能力,可对船体周围实时定点和全方位扫描。其系统结构框图,激光测距传感器和电动旋转台构成行船环境实时监控系统,激光测距传感器是系统中的信息输入部分,测量船舶与未知障碍物的距离。由于单束激光作用的面积很小,只能做定点的测量,为此需设计电动旋转台,以实现水平和垂直两方向大范围的测量。系统开始工作时,电动旋转台带动激光测距传感器对周围环境进行实时监控,把所测到的近海环境信息(前方船只或障碍物的距离) 传递给控制单元。控制单元是控制系统的中枢,是系统中的信息处理部分。通过处理、分析和计算输入信息形成控制指令,并将形成的控制指令传输给声光报警单元。本系统中的控制单元完成防碰撞预测和判断功能,危险时发出信息给报警单元,实现报警。提示驾驶员根据显示界面提供的实时参数及时调整航向和航速,从而有效避免碰撞发生。
2. 1 控制单元设计
控制单元由MSP430F449 单片机实现,MSP430 系列单片机具有低工作电压、超低功耗、强大的处理能力、系统工作稳定,集成了大量的外围器件,具有丰富的片内外设和方便开发环境等特点,在电池供电的微型化低功耗设备和仪器中有着广泛的应用。本系统中使用的MSP430F449是MSP430 系列产品中的高档型号,能够在1. 6V -3. 5V低电压下工作, 片内FLASH 存储器多大60 KB ,可以满足保存程序或重要的数据、信息等一些掉电后不丢失的数据。本系统主要使用MSP430F449 中的时钟模块, Timer_A 模块, Timer_B 模块, 串行通信模块USART0/ 1 , LCD 驱动模块。
2. 2 激光测距传感器设计
激光测距传感器主要由脉冲激光发射模块、光信号接收与放大模块、脉冲时刻鉴别模块、高精度计时模块组成,激光测距传感器系统框图。本系统采用的半导体激光器是OSRAM 的SPLPL90 ,波长905nm ,峰值功率25W ,接收模块选用了PerkinElmer C30737 型APD 作为接收的光电转换传感器,后续放大电路主要是由NPN + NPN 组合的跨阻低噪声放大电路和PNP + PNP 组合的高增益主放大电路构成。MAX913 高速比较器构成恒定比例脉冲鉴别模块。高精度计时模块采用德国ACAM 公司的高精度时间测量芯片TDC2GP2 ,它是ACAM 公司通用TDC 系列的新一代产品。在脉冲激光测距中精度可以达到1cm 内,功能也比TDC2 GP1 多, 但价格却低。因此在应用中有无可比拟的优势。TDC2GP2 是基于内部的模拟电路测量“传输延时”来进行的,数字TDC 是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的。在进行障碍物探测时,MSP430F449 芯片内部的Timer_A 单元发出频率和占空比可调的PWM波实现对激光发射驱动模块的控制,驱动电路产生电流约为30A ,上升沿约为7 - 8ns 的短脉冲驱动OSRAM SPL PL90 激光器发出905nm 的激光,经障碍物漫反射的光信号被接收模块接收并转换成电信号,经过两级放大和滤波后送入恒定比例鉴时单元确定脉冲停止时刻,通过单片机的控制由TDC2GP2 采样脉冲激光的发射和接收, 通过内部ALU单元计算出时间间隔, 并将结果送入结果寄器保存起来,单片机通过SPI 口读取结果寄存器中的数据取平均值, 以减小误差。
2. 3 电动旋转台设计
电动旋转台是系统的一个重要组成部分,扩展了系统的测距视野,同时也解决了传感器角度定位问题。电动旋转台的水平电机和垂直电机都是恒定转速直流电机,通过时间分度,即通过恒定的转速计算电机每转一度所需的时间。通过Timer_B 定时模块准确定时,当到达运转一度所需的时间时,即向单片机申请中断,在中断服务程序中判断当前传感器的扫描方向,实现度数的加一或减一。主要考虑水平方向,与船舶头部平行的方向是零度,判断向左旋转为负方向,计数减一,向右旋转为正反向,计数加一。电机本身具有限位装置,水平扫描范围可以预先调整,到达两边极限时,通过改变电机旋转方向,重新判断角度的加减,实现角度的定位。系统工作时,用户发出测距指令,此时激光测距传感器工作,返回测量距离. 系统根据测量的舰船与障碍物的距离、电动旋转台输出的角度信息,计算出障碍物与系统自身位置之间的平面直角坐标差值.通过几何解算的方法推算出障碍物在直角坐标系中的位置信息。
3 通信电路设计
通信电路主要完成电平转换和信息传递。本系统中通信电路主要是单片机与TDC2GP2 、单片机与计算机之间的通信,单片机与TDC2GP2 芯片之间的通信由SPI 接口实现,而单片机与计算机之间的通信主要依靠单片机的串行通信功能实现。MSP430F449 有两个串行通信模块USART0/ 1 ,可通过软件选择为UART/ SPI 模式。为MSP430F449 单片机与计算机和TDC2GP2 的通信连接图。
本系统中USART0 选择为SPI 模式,实现与高精度时间测量芯片TDC2GP2 的通信,主要通过SPI接口实现对TDC2GP2 的寄存器配置和结果寄存器的读取。TDC2GP2 芯片SPI 接口默认时钟相位为1 ,时钟极性为0 。因此,通信调试时,需要对单片机U0 TCTL 寄存器的CKPH 和CKPL 位进行配置,以满足SPI 接口相位和极性的要求。SPI 一次传输一个字节,对TDC2GP2 寄存器配置时,先发一个字节的操作码( 10000xxx) ,再连续发三个字节的指令,实现对不同寄存器的配置。读寄存器时,也要发一个字节的操作码(10110xxx) ,才能读取不同寄存器的值。在测量时间脉冲之前,先测试单片机和TDC2GP2 的通信是否正常,具体测试时,首先写入寄存器1 ,然后从结果寄存器5 (8 位寄存器,用于通信测试) 里面读取写寄存器的高8 位。如果SPI 通信正常,那么结果寄存器5 应该可以实时反应结果寄存器1 的高八位。这样就可以保证MSP430F449与TDC2GP2 已经建立通信。
USART1 选择为UART 模式,通过MAX3221电平转换芯片实现串口通信功能,实现本系统与外部计算机通信。计算机通过串口发送命令实现对传感器的远程触发,读取并保存每次测量结果。测距传感器的串行端口引脚,远程触发信号与计算机串口的“RTS”输出信号连接。计算机只需对串行连接器上的“触发”引脚提供一个RS2232 低电平信号,就可以实现远程触发。触发,单片机首先完成TDC2GP2 芯片寄存器的配置和初始化工作,使该芯片进入待测量状态, 50ms后通过中断方式使Timer _ A 模块发出频率1000 HZ ,占空比< 0. 01的PWM 波触发驱动模块产生大电流短脉冲,驱动半导体激光器发出脉冲激光。单片机从TDC2GP2 读取时差值,通过算法计算出距离值并通过串口发送给计算机保存。MSP430 F449 的UART 发送和接收都有自己独立的发送和接收缓冲器(UxTXBUF 和UxRXBUF) ,
接收控制部分和发送控制部分主要由两个移位寄存器(URXIFG0 和U TXIFG0) 构成,串口接收采用中断方式,而串口发送采用查询方式。本系统中波特率是4800 ,数据格式为8 位数据位,无奇偶校验,1 位停止位。
4 测距程序设计
测距程序主要由MSP430F449 通过SPI 接口完成对TDC2GP2 的寄存器配置和初始化工作,完成测距功能,并把所测的距离值通过LCD 显示出来。数据采集子程序中,首先将测量出来的数值与设定的阈值进行比较,如果小于时,表明此时测量出来的距离已经超出了规定的范围,系统将自动产生报警信号。声光报警系统采用发光二极管和扬声器来对所设定的报警距离实施报警,以向船舶驾驶人员发出警示。
5 结论
本系统利用激光测距传感器,对行船过程中船舶周围1000 米的障碍物进行监测。在设计中利用激光测距传感器和电动旋转台实现水平和垂直两反向大范围侦测,单片机可直接将测得的实际距离和方位通过LCD 显示,也可通过RS232 串口传给计算机。此外,计算机可以通过串口远程触发传感器工作,工作人员也可以通过按键控制传感器的多种工作状态。整个系统操作简单,测距准确,由于整个系统的经济性,适合中小船舶的需求。
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