船舶自適應避碰系統設計?

時繼潮 郝卓然 徐 娜 金文祥

（大連交通大學電氣信息學院 大連 116028）

1 引言

在全球經濟不斷增長的今天，經濟帶動著中外貿易大幅增長。作為貿易開展的重要途徑，航運貿易所占的份額也在逐年呈現增長趨勢［1］。船舶是海面運輸的重要載體，經濟的發展促使其需求量也日益增多。在海面運輸不斷流行的今天，由于海上碰撞事故的頻發，廣大人民群眾聚焦的焦點也更多的集中在了安全問題上。在所承載噸位的不斷增加后，人們開始追求船舶的運行速度，船舶的種類也在不斷的多元化［2］。而海面的運輸業務量逐日逐月遞增，從而對于整體的船舶行業的需求量也是應接不暇，因此海上船舶航行的密度的增大，航路擁擠程度也造成航海事故的經常發生。水運安全也成為大家越來越關注的問題［3］。

為了避免船舶在行駛過程中發生碰撞，減少不必要的損失，本文特地設計了船舶主動避碰系統，該系統以CC2530芯片作為控制核心，主要包括測距模塊、聲光報警裝置、液晶顯示以及電機驅動模塊共五大部分組成。

其中測距模塊可以實現對海面以上及海面以下障礙物的測距。激光距離傳感器為了測量海平面以上的障礙物，電容式液位傳感器為了測量隱藏在海面之下的礁石等物體的距離。在測量的數據小于安全距離時，聲光報警器中的小燈閃爍以及蜂鳴器響鈴，液晶顯示模塊可以實時顯示測量距離，供船員們進行參考，據此來做出相應調整以規避風險［4］。電機驅動模塊則會在系統發出警報同時做出運行方向的改變。

2 測距方式的選擇

對海面上正在不斷移動的船只來說，無法準確接觸到障礙物。故應當采用非接觸式的方法來測量距離。在現有的科技領域上進行測量距離的方式多種多樣，應用廣泛的是超聲波測距、紅外線測距、毫米波測距、雷達測距及激光測距方法進行日常生產生活的距離測量［5］。這五種不同的測量方法其工作過程和原理都不相同，但是它們都是被用來判斷前方船只與本船間的相對距離，以此來采取相應的措施。

綜合在海面上使用儀器進行測量距離，需要測量范圍大、抗干擾信號能力強，同時仍然需要考慮到其經濟性等綜合方面進行考慮，本設計中選用激光測距傳感器進行測量海平面以上航行船只與障礙物之間的距離。該方法在同等條件下的穩定性強，可靠性高，精準率也在相比較情況下要高［6］。

3 激光測距原理

激光測距儀是一種利用發射出的激光對船體與障礙目標之間的距離進行準確測定距離的儀器［7］。該測量方法是利用激光測距儀在工作時，在船體上向前發射出的一束非常細小的激光，由光電元件接收到既定目標反射的激光束，內部的計時器將會測定激光束從發射端口發出到接收端口接收的時間，根據測定出的時間從而計算出觀測的船只到障礙物之間的距離長短［8］。如果激光是連續性發射，測程可以達到約40km，并且可以晝夜進行工作。它主要采用兩種方法來對所要測量的障礙物與發出信號的船舶之間的距離：脈沖法以及相位法。

3.1 脈沖測距工作原理

利用脈沖信號進行測量首先是利用瞄準鏡來對前方可控范圍進行瞄準，與此同時還要將復位開關打開。當所有部分進行初始化之后，即可準備開始進行距離的測量。發射裝置發射出的激光脈沖具備峰值功率高的特點，這樣的光源聚焦能力非常強，投射到非常遠的距離之外，它的光斑也才只有幾米的直徑。光源發射系統、回波接收系統時間范圍測量系統、收回信號的處理系統以及處理的控制單元，這五部分共同組成了脈沖激光測距電路［9］，其測距原理圖如圖1所示。

3.2 相位測距工作原理

利用相位法進行測距所測量到的實驗數據精準度要比脈沖激光測量方法的高，但是計算的整體過程較為麻煩，通常狀況下會產生多個未知數的解，這時就需要由多個發射端口發射出具備不同相位值的激光信號。應用相位激光測量距離的實質是在整體的調節過程中，發出的激光束在船舶過程中所形成相位偏移量，偏移量之間的夾角可以測量出中間的時間間隔。在規定下已知激光信號的傳播速度，即可求出所間隔的距離D［10］。

圖1 脈沖激光測距原理

在理論方面可以影響到測量精度的因素包含相位測量過程中本身所帶的誤差、調節頻率的過程中的光速以及頻率誤差。在整個的相位激光測距的過程中頻率產生的電路將會直接影響所測量的實際參數。相位法激光測距儀器由激光的發射系統、角度反射系統、光源接收系統、綜合頻率系統、以及混頻系統和數字顯示系統等部分組成［11］。角度反向裝置是由三個互為90°的光學鏡面當成反射面，這樣特殊的結構能夠將投射來的光束按照投射來的原方向反向折回到裝置中來。該裝置最好的特點是不用考慮入射的角度，在經過反射棱鏡之后的光線是與入射光線水平呈現180°角。

激光相位測距是以高數值的頻率作為信號，同時兼顧其固有頻率，可以多次進行實驗針對光束信號所發出的強度值進行調節。與此同時，測定發射出的光線來回一次所產生的延遲信號長短及內部所產生相頻延緩。相位激光測量距離以所發射出的整型頻率波段的波體長度為基準的測定值。在現階段來說，相位法激光測距的主要方法有調頻連續法、類調頻連續法以及條幅連續法［12］。

4 船舶主動避碰系統方案設計

船舶主動避碰系統設計是由控制與數據處理模塊、測距模塊、鍵盤、GPS模塊、液晶顯示模塊、報警裝置、電機控制模塊、通信模塊以及電源模塊共九部分組成，其系統方框圖如圖2所示［13］。

圖2 系統總體框圖

5 船舶主動避碰系統軟件設計

5.1 軟件結構設計

設備程序首先對整體單元進行初始化，初始化則是對于串口、12864液晶顯示、直流電機等初始化。在對CC2530芯片中的51單片機進行初始化以后，會使得其進入到待機的一種形式。在整體系統工作的時候，主控制器會連續不斷地接收到來自于串口的數據，經過運行來分析該項數據，與此同時會通過接下來的功能模塊來實現固定顯示功能。運行后的結果可以實時的將所測定距障礙物距離的相關參數顯示在12864液晶上。在這之外，內置的單片機還會對于聲光報警裝置與L298N電機驅動模塊進行控制［14］。系統主流程如圖3所示。

圖3 系統軟件主流程圖

5.2 激光測距模塊子程序設計

在整體系統中需要用到激光測距傳感器用來測量海面以上兩船之間的距離。激光測距模塊子程序流程如圖4所示。

圖4 激光測距模塊子程序流程圖

程序開始后，發射端將會發出多個激光束。遇到障礙物以后激光束則會返回，船體上的接收端接收到返回信號后，數據將會由單片機進行處理。在處理之后會得到測量距離，將測量距離與安全距離進行對比，若安全距離大于顯示的數據，則聲光報警器中的小燈進行閃爍同時蜂鳴器響鈴。若安全距離小于顯示的距離，則此時聲光報警器模塊不工作，船體正常向前航行［15］。同時電機控制模塊進行工作，從而改變船體的運行航向。當測量距離大于安全距離時，返回到初始，發射端繼續發出激光束重復流程。

6 結語

本設計將CC2530芯片、激光測距傳感器、電容式液位傳感器、聲光報警器、鍵盤、液晶顯示及電機驅動結合在一起，來解決船舶在海面航行時會遇到撞擊事故等事故的。在整體系統的設計中，先確定整體系統的控制與數據處理模塊是以CC2530芯片為整體控制核心。根據芯片的內部結構特點的基礎上提出了總體思路構成，確定了控制核心及各模塊的系統組成，其次是對于系統做出硬件與軟件的設計方案。

本設計結構清楚明白，經濟性與實用性好，非常適用于小型船只的操作運營狀況，可以有效地避免碰撞事故的發生。