基千激光测量技术的船舶防撞预警系统设计研究
基千激光测量技术的船舶防撞预警系统设计研究
作者:邱铖铖
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,由千现有设备的昂贵,很难达到大范围的普及。因此对千中小船只,高性价比的防撞系统是必需的。目前市面上出现的激光测距仪预警系统还只能根据距离的大小非智能化预警,在可靠性、精确性也存在不足,没有很好的考虑船舶与船舶之间或者船舶与障碍物之间的相对速度;船舶之间相对的行驶方向;船舶前后左右不同方向预警距离要求不同这三种情况,而是机械的判断固定的相对距离而达到预警目的,现实应用局限性很大,比如靠码头、船舶并排行驶等正常情况也会发生预警。
2船舶防撞系统的整体设计过程
本系统是基千成熟的激光测距理论而研制的船舶防撞系统深船舶防撞报警系统框图如图1所示。主要包括:震动电路、激光调制器、激光发射器、激光接收器、计数器、双自由度云台、处理器、显示、声光报警装置等。
启动系统后,双自由度云台带动激光测距传感器对周围环境进行监控,把所测到的近海环境信息(周围船只和障碍物的距离)传递给处理器。当有障碍物时,激光束反射回来被接收器接受并转化为电信号,经放大后通过计数器计数获得N值,再经处理器的运算得到距离: S=KXN, 并在显示屏幕上显示。同时在处理器中还要将S值与设定的安全距离值SO进行比较。当S>SO时,安全状态;当 s ??so时,不安全状态,启动声光报警装置,提醒船舶操作人员做出相应的制动措施,从而减少船舶碰撞事故的发生。
激光测量技术船舶防撞预警系统各部分组成设计3.1 双自由度云台的设计系统选择了由水平方向0-355°和垂直方向-90°,...,+90°的两自由度云台,能有效满足大测量范围的需要。接线说明,电动云台电路原理图如图2所示。
(1)红、黑为水平控制线,红正黑负为水平电机向左运转,红负黑正为向右运转。
(2)棕、白为垂直控制线,棕正白负为垂直电机向上运转,棕负白正为向下运转。
系统选择了由水平方向0-35了和垂直方向-90°寸 90°的两自由度云台,能有效满足大测量范围的需要。图3是双自由度云台电源的逻辑控制示意图。AT89C52单片机Pl接口的Pl.4、Pl.5、Pl.6、Pl.7控制4路信号实现云台水平和垂直方向的往返运动; Pl.4、Pl.5实现水平电机的电源换相,Pl.6、Pl.7实现垂直电机的电源换相。为确保云台正常工作,同一 时刻,水平和垂直方向电机只能有一 个方向供电,74HC126中的4个缓冲(Al-A4)和74LS86中的3个异或门(Ml-M3)构成一 个封闭逻辑,实现二路信号的逻辑控制,以保证水平和垂直方向的唯一 选通。
3.2船舶周围障碍物的三维坐标定位
采用激光测距、定位、测速的原理分别测得测蜇目标船只与周围船只(障碍物)之间的相对距离S、方位角0、相对速度的大小V、相对速度与X轴正半轴的夹角 . 0 点为测量目标船舶电动云台激光测距传感器所在位置,A为周围船舶或者障碍物,B为周围船舶或障碍物距离测量目标船舶距离最小的位置,L为周围船舶或障碍物距离测量目标船舶最小距离,确定测量目标船舶周围障碍物。
3.3 控制系统软件实现流程图
以测量目标船舶的船头为Y轴建立空间坐标系船舶发生碰撞与a、p、L、0、a有关。周围船舶或障碍物在不同象限p要求不同,例如,如果周围船舶A在第一 象限,那么只有 p 角在亢-3兀/2 之间才有可能发生碰撞,其他角度没有必要预警。预警的时机与碰撞距离和周围船舶从A到B行驶的时间t有关。
上式中T表示从监测位置到距离可能发生碰撞位置船舶驾驶员的反应时间,只有L和T同时符合设定值LO和TO预警才是科学的,周围船舶所在的象限和P角大小有关。因为是不间断监测,即使在此期间船舶走曲线也没有关系,一样可以做出科学预警。
4结语
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,其使得船舶导航,防撞甚至停靠的自动化和自适应成为可能。激光测量具有高方向性、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、激光定位、激光测速来及时连续的测量目标船只与周围船只的距离、测量目标船只与周围船只的相对运动方向、测量目标船只与周围船只的相对运动速度。为提高船舶自身保护能力,研制一 种高效的防撞系统势在必行。
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