系泊狀態(tài)下船舶基座水平度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葛亞明，于 鑫，呂淑平

(哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

船舶上有各種高精度的導(dǎo)航設(shè)備、電子設(shè)備以及武器設(shè)備等，這些設(shè)備的正常運(yùn)行需要高精度的安裝平臺(tái)，這些安裝平臺(tái)就是基座。為了保證設(shè)備的測(cè)量精度，必須使基座的水平度在允許的范圍之內(nèi)，甚至要求與基準(zhǔn)平臺(tái)相平行。水平度被定義為被測(cè)平臺(tái)和基準(zhǔn)平臺(tái)之間的夾角。國(guó)內(nèi)外船舶水平度測(cè)量方法主要有水平儀和象限儀，這兩種測(cè)量方法大多還是人工操作，會(huì)因?yàn)槿恕r(shí)間、地點(diǎn)等的不同具有很大的誤差[1]。

本文針對(duì)系泊狀態(tài)下傳統(tǒng)基座水平度測(cè)量方法的缺點(diǎn)，結(jié)合大型船舶自身特性，提出一種新的檢測(cè)方法，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)。

1 水平度測(cè)量數(shù)學(xué)模型

假設(shè)被測(cè)平臺(tái)(基座)和基準(zhǔn)平臺(tái)的中心重合。將被測(cè)平臺(tái)平移到基準(zhǔn)平臺(tái)處，如圖1所示，在基準(zhǔn)平臺(tái)上建立坐標(biāo)系，原點(diǎn)放在基準(zhǔn)平臺(tái)正中心處，基準(zhǔn)平臺(tái)上船舶右舷正橫方向定位x軸，y軸在基準(zhǔn)平臺(tái)上指向船艦首尾方向，z軸為垂直基準(zhǔn)平臺(tái)。在任意舷角qw方向上分別用傾角傳感器測(cè)量被測(cè)平臺(tái)和基準(zhǔn)平臺(tái)相對(duì)水平面的傾角θC和θJ，那么被測(cè)平臺(tái)相對(duì)于基準(zhǔn)平臺(tái)的傾角θ=θC-θJ。

圖1 被測(cè)平臺(tái)與基準(zhǔn)平臺(tái)

設(shè)基準(zhǔn)平臺(tái)平面方程為

z=0

(1)

被測(cè)平臺(tái)的平面方程為

x+ay+bz=0

(2)

測(cè)量時(shí)通常測(cè)量正交舷角方向的2個(gè)角度值，所以在本系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，我們選取在qw1=0和qw2=90°方向測(cè)量，通過求取被測(cè)平臺(tái)上距離所建立坐標(biāo)系原點(diǎn)為R的A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo)，可以獲得平面方程中的各參數(shù)值如下：

(3)

式中φ為基準(zhǔn)平臺(tái)與被測(cè)平臺(tái)之間的夾角。因此只要用傳感器分別測(cè)量出基準(zhǔn)平臺(tái)和被測(cè)平臺(tái)兩個(gè)不同舷角方向上的傾角(θ1和θ2)[2-3]，就可以利用此模型求出基座和基準(zhǔn)平臺(tái)之間的夾角φ，即基座水平度。

2 水平度測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由數(shù)字式傾角傳感器、通信模塊和顯示模塊組成，系統(tǒng)原理框圖見圖2。由于基準(zhǔn)平臺(tái)安裝精度在20′以內(nèi)，為了使測(cè)量更加精確，傳感器的精度必須在6′以內(nèi)[4]。由于船在系統(tǒng)狀態(tài)下的擺動(dòng)周期大約是10～15 s，因此傳感器的響應(yīng)速度應(yīng)在1 s以下，故選擇了一種基于RS232接口的數(shù)字式傾角傳感器，即CXTILT系列雙軸數(shù)字式傾角傳感器。

圖2 水平度測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。采集過程如下：

(1) 被測(cè)平臺(tái)和基準(zhǔn)平臺(tái)上的4個(gè)傾角傳感器對(duì)傾角數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[5-6]，把測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過RS232有線通信傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

(2) 傳感器軟件把采集到的傾角數(shù)據(jù)通過建立的虛擬RS232串口即COM3和COM4傳送到數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[7]。

(3) 經(jīng)過程序處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過RS232和數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行連接，通過數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行船艙之間的傳輸[8]。數(shù)傳電臺(tái)首先要選擇合適的傳輸頻率，減少傳輸過程中的失真。

(4) 當(dāng)船舶層數(shù)過高時(shí)會(huì)存在無線傳播大幅度衰減，為了保證各個(gè)測(cè)量點(diǎn)能夠正確地連接，增強(qiáng)無線通道的可靠性，需要架設(shè)無線電臺(tái)中繼[9]。

3 無線數(shù)據(jù)通信頻率的選擇

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要用于傳輸傾角的測(cè)量值，由于被測(cè)平臺(tái)和基準(zhǔn)平臺(tái)大多不在同一個(gè)船艙內(nèi)，為了保證船艙之間的封閉性，考慮用無線傳輸進(jìn)行船艙之間傾角數(shù)據(jù)的傳輸[10-11]。

船艙通道空間比較窄，通道有拐彎，拐彎使電磁波損耗增加。通過對(duì)矩形通道和彎曲通道電磁波傳播特性的分析[12]，得到矩形通道和彎曲通道總的衰減系數(shù)L為

L=LEh+LEv+Lq

(4)

式中,LEv為垂直極化波衰減系數(shù)，LEh水平極化波衰減系數(shù)，Lq為彎曲通道的衰減系數(shù)。

對(duì)船艙通道空間內(nèi)電磁波的傳播總的衰減系數(shù)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4示。表1給出了不同傳輸頻率下總的衰減系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)(彎道半徑為50 m)。

圖3 數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)

圖4 總衰減系數(shù)與頻率關(guān)系

表1 不同頻率總衰減系數(shù)

從圖4和表1可以看出:在頻率1 000 MHz附近的衰減率最小，但綜合考慮傳輸衰減、多徑效應(yīng)、元器件的來源和器件的價(jià)格等多種因素，我們選用了910 MHz的數(shù)傳電臺(tái)。為了減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，降低信號(hào)的傳輸頻率，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕档驼`碼率，數(shù)據(jù)流碼率應(yīng)該小于等于128 Kbit/s。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

在某艦船上測(cè)量了橫向和縱向兩個(gè)方向的水平度，分別放置4個(gè)傳感器，傳感器1和傳感器2在基準(zhǔn)平臺(tái)上，分別對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)平臺(tái)橫向和縱向；傳感器3和傳感器4在被測(cè)平臺(tái)上，分別對(duì)應(yīng)被測(cè)平臺(tái)橫向和縱向。首先分別測(cè)得被測(cè)平臺(tái)和基準(zhǔn)平臺(tái)相對(duì)于水平面的傾角值θ。30 min內(nèi)測(cè)量了4組數(shù)據(jù)，每組16 456個(gè)數(shù)據(jù)。圖5和圖6分別為傳感器1和傳感器2測(cè)得的基準(zhǔn)平臺(tái)相對(duì)水平面的橫向傾角值和縱向傾角值(為節(jié)省篇幅，傳感器3和傳感4測(cè)得的被測(cè)平臺(tái)的傾角變化曲線略去)。

所測(cè)得的橫向水平度值和縱向水平度值如圖7和8所示。由圖可得到，在這30 min內(nèi)橫向水平度的平均值為31.953 1″，縱向水平度的平均值為32.134 6″，橫向和縱向水平值都存在大的誤差和周期性系統(tǒng)誤差，但是在30 min之內(nèi)不存在線性系統(tǒng)誤差，其中周期系統(tǒng)誤差是由于海浪的波動(dòng)導(dǎo)致船舶搖擺造成的。

圖5 傳感器1測(cè)得的橫向傾角值變化曲線

圖6 傳感器2測(cè)得的縱向傾角值變化曲線

圖7 橫向水平度值變化曲線

圖8 縱向水平度變化曲線

根據(jù)以上各圖形的仿真結(jié)果可以得到結(jié)論：無論是縱向還是橫向傳感器的差分值都不是一個(gè)恒定值；縱向的差分值相對(duì)穩(wěn)定，變化范圍較小；橫向差分值變化很大，說明船體結(jié)構(gòu)的橫向變形對(duì)測(cè)量有很大的影響。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有可行性，能夠?qū)崿F(xiàn)船舶系統(tǒng)傾角的測(cè)量及數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的船舶基座水平度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，為現(xiàn)今船舶系統(tǒng)的測(cè)量提供了一種新的方法和途徑。通過在實(shí)際艦船系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)的實(shí)施具有一定的可行性，當(dāng)然，今后還需進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不斷對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和完善。測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸選擇了無線通信方式，并對(duì)通信頻率的選擇做了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分析，解決了封閉的船艙內(nèi)對(duì)講機(jī)通信噪聲大或收不到信號(hào)的問題。

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