基于IAP15的近距離船舶避碰系統設計

黃偉健 吳浩基 馮智銳 黃榮杰

（廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088）

隨著世界進出口貿易的增加以及船舶朝著大型化和高速化方向發展，船舶碰撞事故也隨之不斷增多[1]。我國作為全球貿易大國，約90%的國際貿易是通過海運完成的，因此海洋運輸對我國至關重要。然而，港口、碼頭等船舶密集區域中發生的碰撞事故數量持續增加，成為一個亟待解決的問題。盡管目前已有船舶自動識別系統（Automatic Identification System，AIS）、海圖儀等設備廣泛應用于海上船舶，但在船舶密集的場景中，這些設備仍然面臨無法進行高精度測距以及避碰的問題。因此，研究船舶的近海域避碰技術對提高海上航運的經濟性和安全性具有重要意義[2]。為了解決這一難題，本文針對港口碼頭等船舶密集場景，設計了一種船舶近距離激光測距系統，從而滿足了船舶避碰和預警的需求。基于此，本文將介紹該系統的總體設計、硬件電路、工作原理和激光測距算法等。

1 系統總體設計

該系統以IAP15F2K61S2 芯片為基礎，集成了8 位8 段共陽數碼管模塊、獨立按鍵模塊、激光測距模塊和LED 指示燈模塊。通過融入調頻算法，實現了多方位數據處理，從而設計出了一種船舶近距離避碰系統。該設計的核心目標是解決多方位高精度測距問題，并實現高精度測距及報警功能。該系統首先利用激光測距模塊完成高精度測距任務，其次采用調頻算法對多點數據進行融合處理。與傳統的相位式測距相比，調頻算法距離分辨率、測距精度更高。通過串口傳輸，使多個測量點的數據匯總。數碼管負責顯示測量數據，并根據預設范圍將數據劃分為4 個部分：安全距離、遠距離、中距離和近距離。當距離小于50 m 時，系統會自動計算距離的平均值。LED 燈、繼電器和蜂鳴器根據不同范圍的距離做出響應，以實現報警功能。此外，用戶可以通過獨立按鍵操作數碼管和LED 燈的熄滅與開啟、打開實時時鐘界面以及進入障礙物距離平均值顯示界面。通過實際應用收集到的數據表明，該系統解決了船舶在短距離內無法進行高精度測距及報警的問題。系統總體如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

該系統以IAP15 芯片為核心，通過連接各外圍模塊，實現了系統的整體功能。其中，激光測距模塊為最重要的外圍模塊，為系統測提供了高精度的測距數據。數碼管模塊和獨立按鍵模塊共同組成了海上工作人員的交互界面，方便操作員進行系統設置和結果觀察。蜂鳴器模塊、繼電器模塊和LED 模塊則協同工作，構成了系統的報警機制，能夠根據危險程度的不同選擇相應的報警方式。

2 硬件電路設計

主控芯片選用的是STC15F2K61S2，其特點包括2 048 字節片內RAM、高可靠復位電路（不用外部復位）、高速ADC以及8 通道10 位。

數碼管模塊利用芯片P0 端口控制二極管顯示及具體位置。所有數碼管均可顯示數字0～9 以及大、小寫的26 個字母。它具有耗電低、反應速度快、使用溫度范圍廣以及構造簡單等優點。

獨立按鍵模塊由4 個按鍵組成，能夠直接讀取，檢測占用時間短、誤觸率低。該模塊還能區分長按和短按操作并且不受其他因素干擾。

激光測距模塊的測距精度為±0.5 cm，標準差＜5 mm（2 m范圍內），盲區低至1.5 cm。它還具有強大的抗干擾能力。該模塊以激光測距傳感器為核心，通過精確計算發射和接收反射激光的時間差來測量距離，具有測距頻率高和響應快速的特點，并配備了屏蔽罩，以有效保護外圍電路免受電磁干擾。此外，該模塊還集成了MCU 和專門的測距算法。在船舶上布置了8 個激光測距傳感器：左右船舷各3 個、船頭和船尾各1 個。這些傳感器與距離傳感器和GSM 模塊緊密相連，并通過RS-485 串行總線接口實現高效通信。該接口采用差分平衡方式傳輸信號，因此具有出色的抗共模干擾能力，非常適合復雜的海洋環境。

LED 指示燈模塊提供了一個靈活的軟件控制機制，允許調整二極管亮滅時間的占空比。這一功能使筆者能夠選擇理想的亮度設置，從而延長發光二極管的使用壽命。此外，該模塊還具有動態顯示效果和大量的實際可視像素點，增強了整體視覺效果。

繼電器模塊在增強系統報警功能多樣性方面發揮重要作用。為了防止在單片機復位過程中發生誤觸動作，在該系統中，選用了三極管（PNP）繼電器，并實施了低電平觸發的控制邏輯，從而提高了系統的穩定性和可靠性。

蜂鳴器模塊的主要職責是警示海上作業人員。本文采用了有源蜂鳴器，其內部集成了專門的發聲電路（源振蕩），從而構成了1 個高效且可靠的發聲裝置。這種有源蜂鳴器能夠提供清晰響亮的聲音，保證在各種工作環境下都能有效地傳達警示信息。

3 工作原理

該系統是一個完整的船舶近距離避碰系統，基于STC15-F2K61S2 設計，并由很多功能模塊組成。

該系統首先通過數據采集機構（激光測距模塊）收集距離數據，這些數據隨后被傳輸到數據處理機構（IAP15F2K61S2芯片），該芯片采用線性調頻激光測距算法對數據進行篩選，以剔除誤差較大的數據，從而獲得高精度的距離信息。在代碼中，本文預設了閾值，劃分了4 個不同的報警區域，每個報警區域都配置了不同的報警方式，以便通過用戶交互機構及時警示海上作業人員并采取相應操作。數碼管用于實時顯示當前距離信息以及平均距離。按鍵功能包括切換當前距離界面、平均距離界面、進入實時時鐘界面、關閉LED 燈、關閉繼電器以及關閉蜂鳴器等。LED 燈根據4 個不同的閾值區域，通過亮、滅和流水燈等操作來警示作業人員潛在的碰撞風險。蜂鳴器和繼電器也會在不同的閾值區域中以不同的響應頻率發出警報，警示作業人員注意避碰。

系統工作原理圖中的各模塊機構如圖2所示。數據采集機構主要依賴激光測距模塊進行數據采集。由于海上環境易受風浪、天氣等外界因素影響，因此其他測距方式難以滿足高精度測距的需求。激光測距在穩定性和精確性方面表現出色。結合線性調頻激光測距算法，能有效篩選并剔除誤差較大的數據，從而顯著提高測距數據的可靠性，與傳統的相位式激光測距方式相比是一大優勢。數據處理機構的核心是IAP15F2K61S2 芯片。該主控芯片不僅價格低，而且可靠性高。考慮到本系統中激光傳感器間復雜的數據交互需求，該芯片憑借強大的數據處理能力，保證了數據的穩定傳輸與處理，為系統的穩定運行提供了保障。

圖2 系統工作原理圖

用戶交互機構由數碼管、獨立按鍵、LED 燈、蜂鳴器以及繼電器組成，旨在實現以下功能。

數碼管主要用于顯示實時距離和實時時鐘。當系統判斷為安全距離時，數碼管顯示實時時間。一旦探測到障礙物靠近，數碼管將迅速切換至距離顯示界面，展示當前距離數據和障礙物的平均距離。

獨立按鍵具有多項實用功能，例如關閉LED 燈報警、打開實時時鐘界面以及進入障礙物距離平均值顯示界面等。

當距離過近時，LED 燈發揮報警作用：當處于安全距離（＞50 m）時，LED 燈保持熄滅；當處于遠距離（40 m～50 m）時，L1和L2亮起；當進入中距離（30 m～40 m）時，L1和L2呈現呼吸燈狀態；一旦進入近距離（＜30 m），L1和L2保持呼吸燈狀態，同時L3～L8啟動流水燈模式。LED 燈報警模式見表1。

表1 LED 燈報警模式

蜂鳴器報警設定如下：當處于安全距離和遠距離時，蜂鳴器保持靜默。但處于中距離和近距離時，蜂鳴器會啟動報警功能。特別是在近距離，蜂鳴器的報警響應間隔更短，警示更頻繁。

繼電器報警設定如下：與蜂鳴器相同，當處于安全距離和遠距離時，繼電器不工作。但當測距距離為30 m～40 m時，繼電器每300 ms 閉合1 次；當距離為＜30m 時，繼電器的閉合頻率提高，每100 ms 閉合一次。這種設計通過調整繼電器吸合的時間間隔，提高了報警的緊迫性，使船員能更直觀地感知到距離的變化。

4 基于線性調頻激光測距算法設計

在海上，由于海浪、噪聲等干擾因素，激光測距傳感器的數據采集會受到一定影響，而數據采集的準確性直接關系到避碰方案的有效性。為了提高船舶測距的精確度，該設計采用了線性調頻激光測距算法對數據進行優化處理，從而使采集到的數據更可靠和準確。

假設D為臨近船舶與自身船舶的距離，c為光速，N為光波信號在往返中得到的整周期數，而Δσ為調制信號頻率。那么在測量過程中，只需要獲取N和Δσ的數據，利用這些數據進行計算，以得出船舶之間的距離D，如公式（1）所示。

式中：t為測量時間。

線性調頻激光測距的原理與邁克爾遜干涉儀相似。在調頻激光信號產生模塊中，常用的驅動方式有鋸齒波或三角波2 種，用于驅動半導體激光器。雖然鋸齒波驅動的調頻激光信號抗干擾能力較強，但在系統靈敏度等方面卻不如三角波驅動的調頻激光信號[3]。綜合考慮海上環境的實際情況，筆者采用三角波信號的激光器進行測距驅動。

筆者采用線性調頻激光測距算法進行距離測量，如公式（2）所示。

式中：T為調制周期；B為調頻帶寬；fIF為差頻信號的頻率。

在相同的時間域中，通過對比發射信號與回波信號，發現差頻信號的頻率在特定時間范圍內保持不變。如果調制周期和調頻帶寬都是已知的且保持不變，就能根據這些數據計算距離D。該方法顯著提高了測量精度，且抗干擾能力較強。

線性調頻激光測距技術的固有分辨率如公式（3）所示。

式中：ΔR為三角波調制信號的帶寬；B為三角波調制信號的帶寬；Δτd為延時td后的回波信號瞬時頻率。

由公式（3）可知，線性調頻激光測距技術的固有分辨率與三角波調制信號的帶寬之間存在反比關系，因此，增加調頻激光信號的調頻帶寬，可以提高距離分辨率[4]。與傳統的相位式激光測距相比，基于線性調頻的激光測距算法在測距精度方面具有明顯優勢。

數據處理核心代碼如下：

while(1)

{

Status=vl53l0x_start_single_test(&vl53l0x_dev,&vl53l0x_data,buf); //執行一次測量

if(Status==VL53L0X_ERROR_NONE)

printf("d: %4imm ",Distance_data);//打印測量距離

else

printf("Measurement is Error!!! ");

//delay_ms(100);

i++;

if(i＞=10)

{

i=0;

LED0=!LED0;

}

}

5 應用線性調頻激光測距算法的數值分析

本節將通過數值分析對比，進一步說明應用線性調頻激光測距算法后的數據更具可靠性和穩定性。運用線性調頻激光測距算法與運用相位式激光測距方式的數值分析對比見表2。

表2 應用線性調頻激光測距算法的數值對比

經過對上述數值的分析與對比，可以得出以下結論：在不采用線性調頻激光測距算法的情況下，測量距離越遠，測量數據的誤差越大。當應用線性調頻激光測距算法進行數據測量時，不僅數據波動幅度變小，而且其誤差也相對較小。由此可以推斷出，應用線性調頻激光測距算法的數據測量的穩定性與準確性更高。

6 結論

隨著海上交通流量的日益增多和復雜的會遇態勢的頻繁出現，航海技術的各方面都面臨著新的挑戰，對海上安全避碰技術提出了更高的要求[5]。為了解決海上近距離避碰的問題，本文設計了一種用于港口碼頭的船舶避碰系統，并對該系統進行了整體性描述。其中，重點介紹了線性調頻激光測距算法測距部分的原理，該算法顯著提高了測距精度，以獲取準確的距離信息，并根據評估結果判斷是否需要生成避碰方案，當距離過近時對海上作業人員進行報警提示。