王 嶺，魏 威，于清超，陳 曦，董 峰，楊國文

(1.天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津300072;2.天津航海儀器研究所，天津300456)

0 引 言

海上橫向液貨補給是指通過補給船左右舷的門架對海上作業(yè)的船舶進行的液貨補給。海上補給通常在復(fù)雜的海洋環(huán)境情況下進行，補給作業(yè)期間要求補給船與接收船間保持同向、同速航行，而且兩船間錯位角要保持在一定的安全閾值內(nèi)。因此，在橫向液貨補給過程中，對兩船間錯位角的實時、準(zhǔn)確測量成為關(guān)系到補給作業(yè)是否能安全進行的重要環(huán)節(jié)之一。

目前，海上補給船通常利用六分儀全程手動測量，此人工測量方式很難適應(yīng)在惡劣的海況下長時間的實時精確測量［1，2］。因此，研發(fā)一種自動錯位角測量裝置成為迫在眉睫的需求。鑒于計算機和光電技術(shù)的迅猛發(fā)展，進行了常規(guī)的激光測距、圖像自動識別測量技術(shù)和激光掃描技術(shù)的方案論證工作。其中，帶有伺服跟蹤系統(tǒng)的激光測距技術(shù)需要在被補給船上放置一合作目標(biāo)，這使得海上補給受到很大的條件限制［3］;基于CCD 視頻成像的目標(biāo)自動識別技術(shù)，則受限于夜間補給作業(yè)時光場分布的不均勻性，很難達(dá)到理想的識別效果;而激光掃描法是通過激光掃描的方式形成被補給船的激光點陣［4，5］，由于數(shù)據(jù)量太大，時效性差，且性價比較低。

基于以上方式的論證分析，本文采用了結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠的機電測量方法。通過實驗表明:該裝置具有無需合作目標(biāo)、不受光場分布影響的特點，不僅結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠，而且測量過程全自動，精度較高，實時性強。

1 基本原理

兩船間橫向液貨補給的工作過程如圖1 所示。補給船與被補給船進入補給陣位后，補給船用手持式撇纜槍將引纜發(fā)射至被補給船，絞車通過引纜將承載索牽引至被補給船，并將輸液管線接頭上的環(huán)形纜掛接在被補給船液貨接收口的快速脫鉤上，實現(xiàn)補給船和被補給船上的油口對接，進行液貨補給。

圖1 兩船間補給工作過程示意圖Fig 1 Diagram of replenishment process between two ships

錯位角測量裝置安置在承載索動滑輪的正上方，通過劃線器和剛性連接桿與承載索實現(xiàn)連接。隨著測量船與補給船之間錯位角的變化，承載索通過剛性機構(gòu)將角度的變化轉(zhuǎn)換為測量裝置中彈簧的橫向位置變化，彈簧則將角度信息以壓力的形式傳遞給拉力傳感器，從而實現(xiàn)兩船錯位角的測量。

2 幾何模型

從功效來講，改裝置主要是避免因承載索與補給船縱向法矢量的角度過大，而引起的承載索繃斷，降低人身與設(shè)備的損傷。在此規(guī)定:兩船間錯位角為連接兩船的承載索與補給船縱向法矢量的角度在海平面上的投影角度。當(dāng)纜繩與補給船縱向法矢量平行時為初始0 值，并以此法矢量為初始方位，順時針角度值為正，逆時針角度值為負(fù)。

根據(jù)錯位角測量裝置的安裝位置建立幾何模型如圖2所示。O'為測量裝置的角點位置，O 為承載索的上方接觸點，OO'之間的距離為h。OD'為錯位角等于0 時的承載索位置;O'D'為錯位角測量裝置的剛性連接桿;其中，OD'在水平面內(nèi)的投影方向為OD 矢量方向。△OAB 所在平面為與海平面平行的水平面;△OA'B'所在平面為承載索的工作平面;△O'A'B'所在平面為剛性連接桿的工作平面。通過拉壓傳感器直接線性測得的角度值為∠A'O'B'，而待測錯位角為∠A'OB'在水平面內(nèi)的投影值為∠A'O″B'，其角度的標(biāo)識如圖3 所示。

在△O'A'B'中，∠A'O'B'=β'，A'O'=O'B'=l，則

在△O'OD'中，∠O'OD'=90°+θ，OO'=h，則

圖2 錯位角測量裝置幾何模型Fig 2 Geometry model for deviation angle measuring device

在△OA'B'中，結(jié)合式(2)和式(3)，可得承載索工作平面內(nèi)，承載索的轉(zhuǎn)動角度為

為求得水平面內(nèi)的水平錯位角，將△OA'B'向水平面內(nèi)做投影，可得原點O 的垂足為O″，由此在△O″A'B'所在平面內(nèi)可得

在△O″A'B'中，可求得兩船間錯位角為

圖3 水平面內(nèi)錯位角幾何量示意圖Fig 3 Diagram of horizontal plane geometrical deviation angle

3 系統(tǒng)設(shè)計

測量裝置的彈簧拉壓機構(gòu)采用對稱的注射器套筒工作模式。在剛性連接桿零值附近的移動過程中，首先要保證兩組彈簧受力主軸線的同軸性，以降低在工作過程中因摩擦力帶來的誤差。

3.1 傳感器的選擇

3.1.1 拉壓傳感器的選擇

拉壓傳感器是整個系統(tǒng)的信息轉(zhuǎn)換核心部件，其測量范圍、測量精度及其工作的穩(wěn)定性直接決定了系統(tǒng)的完善與否。本系統(tǒng)采用應(yīng)變式拉壓傳感器。

3.1.2 彈簧設(shè)計

彈簧是測量裝置拉壓傳感器與承載索的直接紐帶，將承載索的角度信息以線位移的形式轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的應(yīng)變力，從而通過拉壓傳感器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號輸出。因此，彈簧的選擇、設(shè)計直接關(guān)系著整個系統(tǒng)的測量精度。

基于虎克定律和錯位角測量裝置的幾何約束條件，彈簧在最大拉壓應(yīng)力為20 N 的條件下，產(chǎn)生的最大形變量應(yīng)控制在12 cm 以內(nèi)。為滿足測量系統(tǒng)在±30°的測量范圍要求，對彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸進行合理的計算、設(shè)計。

3.2 電路設(shè)計

為了將傳感器輸出的電信號轉(zhuǎn)換為可以顯示的角度數(shù)字信息，設(shè)計其后續(xù)的處理電路框圖如圖4 所示。

圖4 后續(xù)電路處理框圖Fig 4 Processing block diagram of subsequent circuit

該系統(tǒng)工作溫度為－25 ～+65 ℃，為消除溫差變化給系統(tǒng)帶來的影響，同時提高測量系統(tǒng)的靈敏度的考慮，本裝置采用全橋電路對電阻的相對變化進行測量，此外，該機構(gòu)還具有溫度補償作用和非線性校正作用。在拉壓傳感器滿量程壓力20 N 的作用下，假定設(shè)備在測量時其位置與角度為線性關(guān)系，在滿足系統(tǒng)的測量精度下設(shè)計其輸出的電壓值為6 μV。為了實現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換的最低電壓輸入要求，選用AD620AR 和AD823AN 對直流電橋輸出的原始信號進行了兩級放大，使輸出的電平信號在［－4，+4］V 之間。

在測量過程中，承載鎖會受電機振動、波浪高頻分量和風(fēng)外載荷的影響出現(xiàn)干擾信號。因此，需要對信號進行必要的低頻濾波處理［6，7］，為此，基于AD823AN構(gòu)建低通濾波器對放大后的輸出信號進行上限截止頻率為10 Hz 的信號濾波，以消除以上外界因素的影響。

本A/D 轉(zhuǎn)換采用的外置高電平的處理模式，在A/D轉(zhuǎn)換方面，基于測量量程和測量精度的綜合考慮，通過中央處理單元根據(jù)測量原型對實際的兩船間錯位角信息進行解算。為此，基于AD823AN 對輸出信號進行了［－4，+4］V與［1.5，3.5］V 之間的對應(yīng)電平轉(zhuǎn)換，然后基于第一節(jié)的測量原理通過PIC16F877T 直接對輸出信號進行A/D 的轉(zhuǎn)換和角度解析，最后通過數(shù)碼管對測量角度進行數(shù)字顯示。

4 測試結(jié)果

該錯位角測量裝置如圖5 所示。為了驗證本測量裝置的測量精度，在實驗室環(huán)境下通本測量裝置與配套的滑輪、纜繩機構(gòu)進行了大量的模擬仿真實驗。

圖5 兩船間錯位角測量裝置Fig 5 Device for deviation angle measuring between two ships

以角度校正后的水平放置的測量筒為基準(zhǔn)，對模擬環(huán)境下穿過劃線器的纜繩進行角度的測量。為了評價該裝置的測量精度，對±30°的測量范圍內(nèi)，對兩船間錯位角進行了10 次的模擬仿真測量，并對其最大誤差、最小誤差、平均誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差進行了統(tǒng)計，具體結(jié)果如表1 所示。

表1 兩船間錯位角測量的誤差統(tǒng)計表Tab 1 Error statistical table of deviation angle measurement between two ships

從表1 中可以看出:兩船間的錯位角測量精度的最大誤差為0.08°，最大的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.05°，0.06°，且最大誤差值出現(xiàn)在零值和邊界值。實驗表明:此裝置可滿足兩船間的錯位角測量精度的要求。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種海上兩船補給作業(yè)時的錯位角測量裝置。本研究在幾何建模的基礎(chǔ)上，通過傳感器的選擇，結(jié)構(gòu)和電路方面的設(shè)計，實現(xiàn)了兩船間錯位角信息的測量。通過實驗表明:本裝置穩(wěn)定、可靠，具有較高的測量精度。

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