激光測(cè)距傳感器在船舶避碰預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘? 要：本文設(shè)計(jì)了一種適用于中小型船只、成本較低的船舶避碰預(yù)警系統(tǒng)，其是以激光測(cè)距傳感器和單片機(jī)控制下的雙自由度云臺(tái)系統(tǒng)為主要組成部分，從水平方向和垂直方向?qū)Υ芭c周圍船只的距離進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)能夠?qū)Υ昂叫性斐筛蓴_的“可疑物”并發(fā)送警報(bào)，提醒船舶駕駛員根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)采取相應(yīng)的避讓措施。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用為中小型船舶實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)避碰提供了有力的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：激光測(cè)距傳感器;雙自由度云臺(tái)系統(tǒng);船舶避碰預(yù)警系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U665? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? 文章編號(hào)：2096-6903（2020）06-0000-00

0引言

目前，雖然國(guó)家加強(qiáng)了對(duì)船舶行船安全的管制，但船舶碰撞事故依舊時(shí)有發(fā)生。通過(guò)事故致因分析可以發(fā)現(xiàn)，中小型船舶堪稱碰撞事故的“重災(zāi)區(qū)”。當(dāng)前很多大型船舶都配備有高精度的自動(dòng)測(cè)距預(yù)警系統(tǒng)，但安裝成本過(guò)高，未能在中小型船舶上得到普及。而且也存在一些缺陷，只是單純地設(shè)定了固定預(yù)警距離作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，而沒(méi)有考慮船舶間的相對(duì)速度和相對(duì)行駛方向。

1 激光測(cè)距傳感器

1.1 激光測(cè)距方法

飛行時(shí)間法和三角法是目前激光測(cè)距技術(shù)所主要采用的方法，但基于復(fù)雜程度和成本方面的考慮，本文選擇飛行時(shí)間法作為系統(tǒng)中激光測(cè)距的基本方法。飛行時(shí)間法中的常用方法包括脈沖式和相位式。下文將對(duì)這兩種測(cè)距法的測(cè)試原理與測(cè)距過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并從中選出適用于船舶避碰預(yù)警系統(tǒng)的測(cè)距方法。（1）脈沖式激光測(cè)距法。脈沖式激光測(cè)距的基本原理是由信號(hào)發(fā)射器向外部發(fā)射激光脈沖信號(hào)，信號(hào)在傳播過(guò)程中遇到目標(biāo)后反射，接收器接受反射的信號(hào)，并記錄下所需的傳播時(shí)間。（2）相位式激光測(cè)距法。與脈沖式激光測(cè)距法相比，相位式激光測(cè)距法采用的是一種間接的方式來(lái)測(cè)量發(fā)射信號(hào)與回收信號(hào)之間的間隔時(shí)間。該方法在發(fā)射信號(hào)之前會(huì)利用無(wú)線電波段的頻率對(duì)待發(fā)射激光進(jìn)行調(diào)制，完成調(diào)制后，再依據(jù)處理后的激光信號(hào)往返一次的相位延遲來(lái)計(jì)算間隔時(shí)間。

1.2激光測(cè)距傳感器的選擇

1.2.1 激光測(cè)距方法的選擇

相比相位式激光測(cè)距法，脈沖式激光測(cè)距法測(cè)量過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，發(fā)射一次信號(hào)就能測(cè)得與目標(biāo)間的距離，因此其具備功耗小、成本低的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)船舶避碰對(duì)距離測(cè)量精度的實(shí)際需求，綜合考慮測(cè)量速度和安裝成本，選用脈沖式激光測(cè)距法作為本系統(tǒng)的測(cè)量方法，其精度完全能夠滿足要求。

1.2.2 傳感器的選擇

船舶避碰預(yù)警系統(tǒng)主要應(yīng)用于江面、海面等水上作業(yè)環(huán)境，因此承擔(dān)主要測(cè)量功能的激光測(cè)距傳感器必須滿足船舶在能見(jiàn)度較低（如大霧天氣）和夜間的工作需求，因此其必須具備既有較長(zhǎng)的量程，又有一定的測(cè)量精度。鑒于以上考慮，本文選用瑞士Dimetix公司生產(chǎn)的DLS-BH15系列的T型產(chǎn)品。與經(jīng)典系列DLS-A相比，DLS-B系列產(chǎn)品進(jìn)一步提高了測(cè)量響應(yīng)速度，縮短了動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，最長(zhǎng)的測(cè)量距離延長(zhǎng)至500m，更能適應(yīng)復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境。

2 單片機(jī)控制下的雙自由度云臺(tái)系統(tǒng)

2.1 單片機(jī)的選擇

單片機(jī)是船舶避碰預(yù)警系統(tǒng)的信息處理核心。一方面，單片機(jī)會(huì)接收激光測(cè)距傳感器和電動(dòng)云臺(tái)等輸入設(shè)備從外界采集的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行高精度的計(jì)算，并做出防撞預(yù)測(cè);另一方面，單片機(jī)會(huì)將計(jì)算、預(yù)測(cè)和判斷結(jié)果傳輸至顯示器和報(bào)警器等輸出設(shè)備，由顯示器動(dòng)態(tài)顯示目標(biāo)的具體位置，由報(bào)警器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并執(zhí)行相應(yīng)的報(bào)警指令。綜合考慮器件的功耗和性能，本文選用的單片機(jī)型號(hào)為AT89C52（CMOS 8位）。由輸入設(shè)備采集的數(shù)據(jù)信息通過(guò)該型號(hào)單片機(jī)自帶的RS232接口與串行口（COM）相連，可形成完整的數(shù)據(jù)采集模塊。

2.2 雙自由度云臺(tái)設(shè)計(jì)

“雙自由度”的思想源于三維坐標(biāo)系中的球坐標(biāo)系。先考慮水平面方向，角度范圍為;再考慮垂直方向，角度范圍為。雙自由度云臺(tái)上安裝有激光測(cè)距傳感器，由單片機(jī)控制，以船舶本體為原點(diǎn)對(duì)船舶與周圍船只的距離進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3船舶避碰預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思路

整個(gè)系統(tǒng)主要由三大部分組成，包括數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊和輸出模塊，以單片機(jī)為硬件核心的控制模塊則起到了總攬全局的作用。

數(shù)據(jù)采集模塊和輸出模塊均服務(wù)于控制模塊，聽(tīng)其調(diào)配，受其制約。在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，單片機(jī)控制數(shù)據(jù)采集模塊從外部獲取數(shù)據(jù)信息，云臺(tái)系統(tǒng)負(fù)責(zé)從水平和垂直方向?qū)Υ暗男写h(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，安裝其上的激光測(cè)距傳感器則負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)測(cè)距（測(cè)量障礙物的物距和高度），完成測(cè)量后將數(shù)據(jù)通過(guò)固定接口傳輸至單片機(jī)。單片機(jī)的內(nèi)置微處理器會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理、分析和計(jì)算，進(jìn)而對(duì)障礙物的位置做出判斷，完成防撞預(yù)測(cè)。

3.2 預(yù)警系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.2.1 船舶周圍可疑目標(biāo)的定位方法

本文采用的目標(biāo)定位坐標(biāo)系如圖1所示。圖中，A代表可疑目標(biāo)，O代表船舶上安裝的激光測(cè)距傳感器所在位置，S表示船舶與可以目標(biāo)之間的相對(duì)距離，L表示可疑目標(biāo)與船舶的最小距離，B為可疑目標(biāo)與船舶距離最小的位置，以船舶的行駛方向設(shè)置Y軸，以與Y軸垂直的方向設(shè)置X軸，為OA連線與X軸正半軸的夾角，表示船舶與可疑目標(biāo)的相對(duì)速度v與X軸正半軸的夾角。

由圖1可知，OA距離小于初始安全距離S的情況下，可疑目標(biāo)A在向船舶O不斷靠近的時(shí)候才有報(bào)警的必要。另外，是否需要報(bào)警還與L的取值和可疑目標(biāo)以相對(duì)速度v從A行駛到B所需的時(shí)間T有關(guān)。

3.2.2 主程序設(shè)計(jì)

由上述定位方法可知，主程序的全過(guò)程分為船舶與可疑目標(biāo)兩點(diǎn)距離的驗(yàn)證、可疑目標(biāo)象限位置的確定、可疑目標(biāo)相對(duì)速度方向的驗(yàn)證、臨界設(shè)定值（最終安全距離L和安全反應(yīng)時(shí)間T）的驗(yàn)證、最終判斷決策等五個(gè)部分。

4 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用激光測(cè)距傳感器，設(shè)計(jì)了一種在單片機(jī)控制下的船舶避碰預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以激光測(cè)距傳感器為主要測(cè)量工具，以雙自由度云臺(tái)系統(tǒng)輔助掃描，以單片機(jī)進(jìn)行全盤控制，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船舶周圍的船只或障礙物，協(xié)助船舶駕駛員及時(shí)做出正確的判斷，有效減少船舶與船舶之間和船舶與固定構(gòu)造物之間碰撞事故的發(fā)生。該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)易，安裝成本也較低，適用于中小型船舶，為測(cè)距工具在行船過(guò)程中的應(yīng)用開(kāi)辟了新的途徑。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2020-04-05

作者簡(jiǎn)介：潘芳（1983—），女，河南開(kāi)封人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：公路工程新材料，公路工程新工藝，智慧工地建設(shè)。

Application of Laser Ranging Sensor in Ship Collision Avoidance Early Warning SystemPAN Fang（Jiangsu Dongjiao Intelligent Control Technology Group Co.， Ltd.， Jiangsu? Nanjing ?210002）

Abstract： This paper designs a low-cost ship collision avoidance early warning system suitable for small and medium-sized ships， which is mainly composed of a laser ranging sensor and a dual-degree-of-freedom pan/tilt system controlled by a single-chip microcomputer.The distance between the ship and surrounding ships is dynamically monitored in the vertical direction， and “suspicious objects” that can interfere with the navigation of the ship are detected in real time and an alarm is sent to remind the ship’s pilot to take appropriate avoidance measures in time according to the actual situation.The successful application of the system provides a powerful technical means for small and medium-sized ships to achieve precise collision avoidance.

Keywords： laser ranging sensor; dual-degree-of-freedom pan-tilt system; ship collision avoidance warning system