李美菊

(德州職業(yè)技術學院，山東 德州 253034)

基于單片機的船舶主動避碰系統(tǒng)設計

李美菊

(德州職業(yè)技術學院，山東 德州 253034)

摘要：船舶作為一種重要的交通運輸工具，具有載貨量多，運輸成本低，污染小等優(yōu)點。但船舶航行條件比較復雜，其體積和重量比較大，導致慣性大、靈活性差、機動性不好，稍有操作不慎，就有可能發(fā)生碰撞事故。船舶不像其他陸上交通工具，具有較好的視野和靈活性，可及時發(fā)現(xiàn)故障和采取躲避措施。所以對于船舶而言，需要實現(xiàn)其主動避碰功能。本文基于單片機，設計一種船舶的主動避碰系統(tǒng)，采用超聲波測距的方式測量與其他船舶或障礙物的距離，實現(xiàn)船舶的主動避碰。

關鍵詞：主動避碰；單片機；超聲波

0引言

船舶作為一種重要的交通運輸工具，具有載貨量多，運輸成本低，安全經濟，污染小等諸多優(yōu)點。但是船舶體積和重量比較大，慣性較大，不像汽車等交通工具一樣機動性比較好，可以及時發(fā)現(xiàn)故障，并采取有效的躲避措施。船舶航行時人員稍有操作不慎，就可能發(fā)生碰撞事故，而一旦發(fā)生碰撞事故，會給船舶和人員帶來極大的危害。所以船舶航行過程中要盡量避免發(fā)生碰撞事故，實現(xiàn)船舶避碰的主動化、智能化和可預警化[3]。

設計應用于船舶的主動避碰系統(tǒng)具有很重要的意義，系統(tǒng)要能準確地測量船舶與航行線路上的各種障礙物的距離，當探測到前方存在危險障礙物時能及時發(fā)出報警信號，警告船員采取應急應對措施，躲避障礙物，實現(xiàn)船舶的主動避碰功能，為船舶的順利航行保駕護航[1]。

1船舶主動避碰技術發(fā)展

國內外從20世紀就開始了對避碰領域的研究，積累了豐碩的成果和經驗。目前國內外使用最普遍的避碰系統(tǒng)主要有自動雷達標繪儀(ARPA)和全球船載自動識別系統(tǒng)(AIS)2種[1-2]。

ARPA作為現(xiàn)代大型船舶上用于防撞避碰的主要儀器設備,可以較好地實現(xiàn)避碰功能，但也有一些自身的缺點：工作情況容易受到天氣和海況等因素的影響，尤其在大風、暴風雨雪等惡劣的狀況下難以保證檢測結果的可信性；另外，ARPA不能標示目標船只，會產生精度低和丟失率高等現(xiàn)象。

AIS是一種新型自動識別系統(tǒng)，可以將船舶的航行信息向外播發(fā)，周圍同樣裝載了AIS設備的船舶可以接收到信息，并將信息實時顯在屏幕上。AIS的快速發(fā)展，使得其在船舶避碰領域得到了廣泛的應用。但AIS也存在以下問題：AIS 的液晶顯示屏顯示有限，只能顯示若干艘船舶或障礙物；AIS性價比不高，在中小型船難以普及；AIS 不能取代雷達，與雷達系統(tǒng)在實際應用中必須相互補充[3]。

大型船舶一般都有經濟能力安裝較為完備的避碰監(jiān)測系統(tǒng)，可以較好地實現(xiàn)船舶的避碰。但中小型船舶尤其是漁船往往由于經濟能力不足，船員安全意識相對淡薄，很少裝有避碰監(jiān)測系統(tǒng)，導致碰撞事故頻發(fā)。盡管現(xiàn)階段 AIS 等設備成本逐漸減少，性價比也逐漸提升，但還是很難在這些船舶中得到應用。因此開發(fā)一種適用于中小型船舶精度高、性價比高的主動避碰系統(tǒng)具有非常重要的意義。

2船舶主動避碰系統(tǒng)設計

本文基于安全性與性價比等各方面因素綜合考慮，設計一種成本低、體積小、不影響船舶安全性、安裝于船舶上的主動避碰系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠檢測到前方的障礙物，不受天氣情況和航行狀況的限制，并計算出船舶與障礙物的實時距離，快速精準得出各類參數，若檢測到的數據低于設定的門限閾值，則系統(tǒng)及時發(fā)出聲光警報信號，讓船舶工作人員及時發(fā)現(xiàn)危險采取應對措施，順利避開前方的障礙物，從而避免碰撞事故的發(fā)生。

船舶主動避碰系統(tǒng)的主要功能包括障礙物信息的自動采集、障礙物信息的處理、對危險的判斷、產生報警信號、產生避碰決策方案和實施避碰決策方案等[4-5]，如圖1所示。

圖1　船舶主動避碰基本過程Fig.1　The basic process of ship collision avoidance

基于以上基本功能，本系統(tǒng)選用低功耗、高性能AT89C51型號的單片機作為主控芯片。該芯片擁有基于復雜指令集(CISC)的單片機內核，端口為準雙向并行口結構，具有很強大的擴展性能。以該芯片為基礎擴展的外圍硬件可以為系統(tǒng)提供人機交互界面，實現(xiàn)對測得數據的顯示，對工作模式的反映。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　船舶主動避碰系統(tǒng)框圖Fig.2　The block diagram of ship collision avoidance system

避碰系統(tǒng)主要由以下5個部分組成：

1)核心控制部分。由單片機AT89C51作為控制芯片，通過距離傳感器感知到的距離信息傳到單片機，單片機對這些信息進行判斷、篩選、處理、預測等步驟，再形成相應的指令傳輸給執(zhí)行機構，在程序控制和外圍簡單組合電路作用下運行，為主控制系統(tǒng)實現(xiàn)顯示、報警、執(zhí)行等功能；

2)距離信息測量部分。主要由距離探測傳感器組成，主要功能是收集船舶周圍障礙物的距離和位置信息，將信息傳送給單片機；

3)顯示部分。主要由LED顯示屏組成，它能夠將單片機處理后的信息反映在屏幕上，如障礙物距離、系統(tǒng)工作狀態(tài)等，讓用戶能夠直觀的讀取、記錄測距儀感知的信息，用戶在轉換工作模式的時候也需要從LED顯示器上獲得重要的信息。

4)按鍵控制部分。由按鍵控制調節(jié)，用來控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)和工作模式，以及設定報警門限和解除警報等；

5)聲光報警電路。由不同色的發(fā)光二極管和警報蜂鳴器共同組成聲光雙重報警電路，當檢測信號低于設定的門限值時，通過聲光信號來顯示報警，讓船員可以在第一時間了解到危險。

3超聲波測距電路設計

船舶主動避碰系統(tǒng)中最核心的是測距部分，對船舶周圍障礙物的距離進行準確無誤的測量是系統(tǒng)實現(xiàn)主動避碰的關鍵所在。

根據船舶水上航行實際情況，非接觸式的測量方式對于時刻處于運動狀態(tài)的船舶具有很好的捕捉和檢測能力，目前應用于避碰領域的非接觸測距方法有超聲波測量方法、激光測量方法、紅外線測量方法、雷達測量方法等。這幾種常見測距方式都是基于聲波或電磁波探測的方式來判斷與障礙物之間的相對距離。

考慮到激光和雷達測距儀器價格偏貴、性價比不高，紅外測量容易受到測量距離限制等因素，本系統(tǒng)采用超聲波測量方式，具有以下優(yōu)點：

1)超聲波在傳播時，方向性強，能量易于集中；

2)超聲波能傳播較強的能量，而且能量不容易被干擾和衰減，可以傳播很遠的距離；

3)超聲波收發(fā)電路結構簡單，性價比高，易于小型化與集成化。

超聲波進行船舶障礙物距離測量工作原理是：單片機發(fā)出的脈沖信號經過超聲波發(fā)射電路后向外界發(fā)送，聲波遇到障礙物后就會原路返回，返回的超聲波會被超聲波接受電路測到。通過傳播時間、聲波速度與傳輸距離的關系，可以很方便地計算船舶與障礙物之間的距離，這就是時間差測距法。由于超聲波傳播速度極快，其傳輸時間與船舶應對時間相比可以忽略不計，幾乎可以做到瞬時測距，因此采用超聲波幾乎可以實時測量船舶周圍障礙物的位置和距離信息。

采用超聲波測距方法的船舶主動避碰系統(tǒng)如圖3所示。其中電路的控制核心為單片機AT89C51。

整體結構主要分為以下3個部分：

1)核心控制部分。主要是單片機控制芯片AT89C51及其周圍電路；

2)信號采集與處理部分。主要包括超聲波發(fā)射電路部分和超聲波接收電路部分，其中超聲波發(fā)射部分包括振蕩電路、放大電超聲波發(fā)射電路和超聲波傳感器。超聲波接收電路包括超聲波傳感器、超聲波接收電路、放大電路和比較電路；

3)顯示電路部分。主要包括LED液晶顯示電路、聲光報警電路、鍵盤按鈕電路等附屬控制電路。

圖3　采用超聲波測距的船舶主動避碰系統(tǒng)功能框圖Fig.3　The block diagram of ship collision avoidance system　using ultrasonic distance measurement

采用超聲波測距方式主動避碰系統(tǒng)的工作原理是：單片機發(fā)出固定頻率的脈沖信號，因為單片機發(fā)出的信號比較微弱，為防止其在傳播過程中受到干擾和衰減，需要經過放大器進行放大，然后再通過超聲波發(fā)射器向周圍發(fā)出。前方如果沒有障礙物阻擋超聲波的傳播，超聲波信號發(fā)出后不會再返回。當超聲波信號遇到障礙物時就會原路返回，返回的超聲波被接收器接收，接收器將接收到的超聲波信號送到放大器，放大器對超聲波信號進行放大，然后進行比較處理，最后把數據送到單片機，再由單片機進行分析和計算，將距離和位置信息送至LED進行顯示。

圖4　超聲波發(fā)射電路原理圖Fig.4　The circuit diagram of ultrasonic transmitting circuit

圖4是超聲波發(fā)射電路圖。超聲波發(fā)射電路主要由超聲波發(fā)射換能器和放大器兩部分構成。超聲波換能器T的功能是將接收到的電信號轉換成超聲波信號，然后將超聲波信號發(fā)射出去。單片機輸出的固定頻率的方波信號經過反相器組成的放大電路進行放大。

圖5　超聲波接收電路原理圖Fig.5　The circuit diagram of ultrasonic receiving circuit

圖5是超聲波接收電路圖。超聲波接收電路由檢波接受電路和放大電路兩部分組成。其中超聲波檢波接受電路采用集成芯片CX20106將接受到的電磁波信號轉換為電信號，并在接收到與單片機發(fā)出信號頻率相同的信號后，向單片機發(fā)出中斷請求。三極管Q2和Q3組成的兩級放大電路對返回來被超聲波傳感器接收到的非常微弱的反射波信號進行放大。

基本工作原理是，當超聲波傳感器接收到遇到障礙物返回的超聲波信號后，將超聲波信號轉化為電路可以識別和處理的電信號，然后送入放大器，放大器對信號進行放大，放大后的信號送入鎖相環(huán)，鎖相環(huán)判斷信號頻率，如果發(fā)現(xiàn)頻率與單片機發(fā)出的信號頻率相匹配，則發(fā)出中斷請求信號送至單片機，單片機接受到請求，立刻停止定時，然后對收到的信號進行分析和計算，得到距離和位置等結果。

4其他電路設計

除了核心的超聲波測距部分，還有一些擴展的外圍系統(tǒng)，主要由LED顯示部分、聲光報警電路、鍵盤電路等部分組成。

LED顯示部分：主要由LED顯示屏組成，可以顯示漢字與數值，主要功能是將單片機處理后的信息反映在屏幕上，如障礙物距離、系統(tǒng)工作狀態(tài)等等，讓用戶能夠直觀的讀取、記錄測距儀感知的信息，了解船舶當前的航線狀態(tài)。用戶在轉換工作模式的時候也需要從LED顯示器上獲得重要的信息。

聲光報警電路部分：采用發(fā)光二極管和蜂鳴器搭配的聲光雙重警報，當系統(tǒng)測量到的障礙物距離超過門限設定值時，報警電路中的二極管發(fā)出不同顏色的光，蜂鳴器發(fā)出響聲，提供光源警報和聲音警報，警示船員。

鍵盤電路部分：采用普通的按鍵開關，主要功能是控制系統(tǒng)的開關與工作模式，以及聲光警報部分的模式選擇以及警報解除。

基本電路可以參考所選的LED顯示屏、發(fā)光二極管和按鍵的型號對應的說明書進行電路設計。其電路有一定的通用性。

5結語

本文介紹了幾種當前使用最普遍的避碰方式，在此基礎上設計了一種適用于中小型船舶的成本低、體積小、不影響船舶安全性的船舶主動避碰系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單片機AT89C51作為整體電路的控制核心，采用超聲波測距方法實現(xiàn)障礙物的測量，同時系統(tǒng)還配備了LED顯示和聲光電報警燈等功能。重點對系統(tǒng)中的核心部分超聲波測距部分進行了設計與分析，給出了關鍵電路的設計，下一步需要搭建實際的實驗平臺進行驗證。

參考文獻：

[1]徐務農,邊少鋒,陳永冰.艦船避碰系統(tǒng)研究綜述[J].艦船科學技術,2008,30(3)：42-46.

XU Wu-nong,BIAN Shao-feng,CHEN Yong-bing.Survey of research on ships collision avoidance system[J].Ship Science and Technology,2008,30(3)：42-46.

[2]王曉飛,李柏年,崔淵,等.基于DSP技術的毫米波船舶避碰雷達的設計[J].微計算機信息,2010(20):138-139.

[3]劉云來.單片機船舶內河避碰信號設備控制器[J].工控天地,1995(6).

[4]劉科,陳紅衛(wèi),陳建華.船舶避碰輔助決策系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].艦船科學技術,2008,30(3)：107-110.

LIU Ke,CHEN Hong-wei,CHEN Jian-hua.A decision support system design and implementation for ship collision avoidance [J].Ship Science and Technology,2008,30(3)：107-110.

[5]李麗娜.船舶自動避碰研究中安全會遇距離等要素的確定[J].大連海事大學學報，2002(3):23-26.

Design of ship collision avoidance system based on micro controller unit

LI Mei-ju

(Dezhou Vocational and Technical Collede,Dezhou 253034,China)

Abstract：The ship is a kind of important traffic tool，have lots of advantages, compared with other traffic tools, ships have large carrying capacity, low transport cost, long life time low pollution etc. But the navigation conditions of ships are complex, the size and weight of the ship is relatively large, causing the large inertia, poor flexibility and bad mobility, any careless operation may cause a collision accident. Unlike other vehicles which have good vision and flexibility, fault can be found timely, and then take evasive action. So the realization of the active and automatic collision avoidance of the ship is needed. This paper designs a kind of active collision avoidance system based on Micro Controller Unit for the ship, use ultrasonic ranging application to measure the distance with other ships or obstacles, realizing the active collision avoidance of the ship.

Key words：active avoidance;MCU;ultrasonic

作者簡介：李美菊( 1980 - ) ，女，本科，講師，研究方向為電氣自動化技術。

收稿日期：2014-11-06； 修回日期： 2014-11-20

文章編號：1672-7649(2015)02-0160-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.035

中圖分類號：U675

文獻標識碼：A