唐原廣，王志光

(中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100)

船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

唐原廣，王志光

(中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100)

為了獲取海上航行船舶及自航模試驗中船模的姿態(tài)參數(shù)，設(shè)計一種基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)的波高傾斜一體化傳感器的船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過MEMS波高傳感器對船舶升沉信息進(jìn)行采集，利用傾角傳感器對船舶的縱搖和橫搖姿態(tài)信息進(jìn)行采集，采集到的信息經(jīng)多路A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，實時得出船舶運動的升沉、縱搖及橫搖變化。經(jīng)處理后的三組數(shù)據(jù)由船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)通過RS-485串口送到數(shù)據(jù)接收處理機(jī)存儲、分析并實時顯示船舶運動的姿態(tài)變化曲線，該數(shù)據(jù)接收處理軟件采用VC++編寫。經(jīng)過大量試驗及海上測試，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量精度高，具有較大的實用價值。

升沉運動；波高傾斜一體化傳感器；縱搖橫搖；VC++

0 引 言

現(xiàn)代船舶發(fā)展越來越趨向于大型化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各種新型大型船舶，如超大型油船、集裝箱船等。隨著船舶尺寸的增大，船舶營運條件的復(fù)雜化，船舶的安全營運問題尤顯突出[1]。為對海上航行船舶的安全狀態(tài)進(jìn)行更加準(zhǔn)確的評估需要獲取船舶的運動姿態(tài)參數(shù)。此外自航模試驗中需要獲取船模航行過程中的縱搖和升沉位移等姿態(tài)參數(shù)。因此，人們對船舶運動測量系統(tǒng)的研究愈加重視，并且有更多的研究成果和產(chǎn)品不斷呈現(xiàn)。

國內(nèi)外學(xué)者們分別基于機(jī)械式、磁測式、GPS式和慣性測量等方面對船舶運動測量系統(tǒng)進(jìn)行初步研究[2]。本文設(shè)計與實現(xiàn)了基于MEMS技術(shù)的波高傾斜一體化傳感器的船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)[3-6]。該系統(tǒng)不但結(jié)構(gòu)緊湊、小型化、集成化、易裝卸，而且具有量程大、分辨率高、實時性強等特點，有著理想的應(yīng)用前景。

1 基本原理

慣性測量以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，利用慣性測量元件（加速度傳感器）測量載體相對于慣性空間的運動參數(shù)[7]。將內(nèi)部含有重力加速度傳感器的船舶運動姿態(tài)測量硬件系統(tǒng)固定在船體上，當(dāng)船體的升沉運動狀態(tài)發(fā)生改變時，所對應(yīng)的垂直加速度也隨之變化，重力加速度傳感器檢測到垂直加速度的變化，并輸出相應(yīng)的信號量。最后，再對加速度傳感器輸出的信號量進(jìn)行2次積分即可得到船體的升沉數(shù)據(jù)信息。

同時，在將船舶運動姿態(tài)測量硬件系統(tǒng)固定在船體上時，必須保證波高傾斜一體化傳感器的Y軸與船舶的首尾線方向一致，這樣它的X軸就與船舶的左右舷方向一致。當(dāng)船體運動的傾斜姿態(tài)發(fā)生變化時，波高傾斜一體化傳感器中內(nèi)含的雙軸傾角傳感器能輸出分別反映船舶縱搖和橫搖的姿態(tài)信息信號量，經(jīng)過姿態(tài)解算便可得到船舶的縱搖和橫搖的數(shù)據(jù)信息。

2 技術(shù)指標(biāo)

表1所示為船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。

表 1 技術(shù)指標(biāo)Tab. 1 Technical specifications

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)框架

船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)基于MEMS的波高傾斜一體化傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)和C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計技術(shù)等來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。如圖1所示，主要由波高傾斜一體化傳感器模塊、信息采集模塊、微控制器模塊、存儲顯示模塊等組成。其中，波高傾斜一體化傳感器模塊由基于MEMS技術(shù)的加速度傳感器和雙軸傾角傳感器等組成，信息采集模塊由放大電路、濾波電路、二次積分電路和A/D轉(zhuǎn)換電路等組成，微控制器模塊由微控制器及其外圍硬件設(shè)備等組成，存儲顯示模塊由PC機(jī)數(shù)據(jù)接收處理軟件等組成。

3.2 加速度傳感

采用定制加速度傳感器，它是基于MEMS技術(shù)的加速度傳感器，具有信號處理與溫度補償功能，性能優(yōu)異。其供電電源為8～32 V，輸出為0.5～4.5 V，精確度為0.5%，工作溫度范圍為–40 ℃～+125 ℃。該傳感器適用于物體低頻運動監(jiān)控，是船舶升沉運動測量的極佳選擇。

3.3 雙軸傾角傳感器

雙軸傾角傳感器選用定制型雙軸傾角傳感器，該傳感器設(shè)計以高穩(wěn)定硅MEMS電容式傾斜傳感器元件為中心平臺，能提供適宜的分辨率，較高的精度和較快的響應(yīng)速度，并且信號完全由較高的模擬電平輸出。其供電電源為6～30 V，測量角度范圍為–75 ℃～+75°，角分辨率0.05° rms，工作溫度范圍為–40 ℃～+105 ℃。因此使用定制型雙軸傾角傳感器來測量船舶的縱搖、橫搖非常簡便實用。

3.4 系統(tǒng)工作流程圖

船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

1）首先船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)進(jìn)行初始化。

2）將采集到的縱搖橫搖信號量進(jìn)行硬件放大和濾波，同時將采集到的升沉信息進(jìn)行放大、二次積分和濾波處理。

3）由單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換器的采樣間隔，將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

4）將縱搖、橫搖和升沉位移的數(shù)字量信息分別進(jìn)行數(shù)字濾波和相應(yīng)計算。

5）將計算后得到的縱搖橫搖和升沉位移數(shù)據(jù)由串口發(fā)送到PC機(jī)數(shù)據(jù)接收處理軟件。

3.5 系統(tǒng)硬件實物圖

如圖3所示，整個船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)放置在一個高230 mm、直徑190 mm的鋼質(zhì)圓柱體中，儀器總重量為8 kg。鋼質(zhì)圓柱體的下方有安裝孔方便安裝固定在船體上，圓柱體上面有提手方便攜帶，同時配有一根帶水密插頭的四芯屏蔽電纜，經(jīng)鋼質(zhì)圓柱體上方引出將得到的數(shù)據(jù)送入PC機(jī)數(shù)據(jù)接收處理軟件中進(jìn)行實時顯示、存儲與分析。

4 數(shù)據(jù)接收處理軟件設(shè)計

船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收處理軟件采用Visual C++2010開發(fā)，Visual C++2010的界面設(shè)計優(yōu)秀、數(shù)據(jù)處理功能強大可以高效的進(jìn)行Windows應(yīng)用程序開發(fā)。數(shù)據(jù)接收處理軟件主要負(fù)責(zé)將系統(tǒng)采集的船舶升沉數(shù)據(jù)、船舶縱搖數(shù)據(jù)和船舶橫搖數(shù)據(jù)實時顯示、存儲與分析等。具體的軟件流程如圖4所示。

數(shù)據(jù)接收處理軟件開發(fā)時，首先基于VC++創(chuàng)建一個對話框的工程，使用Visual C++2010提供的MSComm控件來實現(xiàn)串行通信功能，這樣就不用花費大量時間去學(xué)習(xí)復(fù)雜的API函數(shù)，自己編寫串口通信程序。因此使用MSComm控件來實現(xiàn)串行通信，在編程時非常方便和高效[8-10]。

如圖5所示，數(shù)據(jù)接收處理軟件采用圖形化界面設(shè)計便于用戶對船舶運動數(shù)據(jù)的觀察與分析。通過自定義繪圖類實現(xiàn)船舶升沉數(shù)據(jù)曲線、船舶縱搖數(shù)據(jù)曲線和船舶橫搖數(shù)據(jù)曲線的繪制。使用自定義繪圖類實現(xiàn)數(shù)據(jù)曲線的繪制相比使用諸如TeeChart 、ProEssentials等繪圖控件繪制更加的靈活與方便。需要注意的是由于使用自定義繪圖類實現(xiàn)數(shù)據(jù)曲線的繪制和MSComm控件的事件驅(qū)動方式實現(xiàn)串口通信，每當(dāng)串口發(fā)生事件時，MSComm控件將激發(fā)OnComm事件，由應(yīng)用程序響應(yīng)OnComm事件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與繪圖曲線數(shù)據(jù)的送顯，繪圖曲線數(shù)據(jù)送顯時一定要及時將串口接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)處理后全部送顯，不然會出現(xiàn)明顯的數(shù)據(jù)曲線延遲現(xiàn)象。

當(dāng)用戶選擇存儲數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)接收處理軟件就會將數(shù)據(jù)存儲到以存儲起始時刻命名的txt文本文件中。這樣用戶就可以使用數(shù)據(jù)接收處理軟件對得到的船舶升沉數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析[11]，并且還可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回放顯示等。

5 系統(tǒng)測試

5.1 升沉運動測試

在實驗室的船舶升沉運動模擬旋轉(zhuǎn)測試平臺上對該系統(tǒng)的相對升沉位移數(shù)據(jù)進(jìn)行了一系列的對比測試。如圖6所示，是船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)在0.8 m相對升沉位移測試時，由上位機(jī)軟件所繪制的圖像。經(jīng)過一系列的測試，得到的測試結(jié)果表明：船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)滿足相對升沉測量范圍和相對升沉測量精度等系統(tǒng)測量指標(biāo)，從而完成船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)的升沉運動測試。

5.2 縱傾傾角與橫傾傾角測試

在實驗室的傾斜測試臺上分別對船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)的縱傾傾角（縱搖）和橫傾傾角（橫搖）進(jìn)行一系列的對比測試。如圖7所示，是船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)在5°橫傾傾角（橫搖）測試時，由上位機(jī)軟件所繪制的圖像。在測試時，首先將船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)放置在水平測試臺上，并使波高傾斜一體化傳感器的一個軸與測試臺的傾斜測試方向一致，規(guī)定這個軸為X軸即測試時輸出的角度為橫傾傾角（橫搖）。然后，測試臺每傾斜1°記錄此時系統(tǒng)輸出的橫搖數(shù)據(jù)，每次測試測試臺分別從0°傾斜到20°和從0°傾斜到–20°，記錄下40個數(shù)據(jù)。這樣的測試共進(jìn)行5次，將5次的測試結(jié)果取平均值作為最后的測試結(jié)果。同樣的完成對波高傾斜一體化傳感器的Y軸即測試時輸出的角度為縱傾傾角（縱搖）的測試。

表1和表2分別為橫傾傾角（橫搖）和縱傾傾角（縱搖）的部分測試結(jié)果?？梢钥闯觯褂么斑\動姿態(tài)測量系統(tǒng)測出來的斜面傾角與測試臺的標(biāo)準(zhǔn)斜面傾角基本吻合，滿足橫傾傾角（橫搖）和縱傾傾角（縱搖）測量范圍及橫傾傾角（橫搖）和縱傾傾角（縱搖）測量精度等系統(tǒng)測量指標(biāo)。從而完成船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)的橫傾傾角（橫搖）與縱傾傾角（縱搖）測試。

5.3 海上試驗

圖8所示為船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)在海上某試驗裝置實測的部分?jǐn)?shù)據(jù)。該試驗為期3個月，對船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)不間斷測試。經(jīng)海上試驗測試船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)性能穩(wěn)定，各項技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

表 2 橫傾傾角（橫搖）Tab. 2 Horizontal dip（roll）

表 3 縱傾傾角（縱搖）Tab. 3 Pitch angle（pitching）

6 結(jié) 語

基于MEMS技術(shù)的波高傾斜一體化傳感器的船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)具有小型化、集成化、易裝卸等特點，而且其還具有生產(chǎn)成本低、適用范圍廣等特點。由于對波高傾斜一體化傳感器中內(nèi)含的加速度傳感器和雙軸傾角傳感器采集的信號進(jìn)行了有效的硬件濾波和軟件濾波，使系統(tǒng)的抗干擾性大大提高。船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收處理軟件采用圖形化的操控顯示界面，使操作變得簡便，同時采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷耄忍岣吡司幊绦?，又極大地方便軟件的升級與維護(hù)。

船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)的測試結(jié)果顯示：系統(tǒng)具有較好的實時性與準(zhǔn)確性，并具有較強的抗干擾性，具有理想的應(yīng)用前景。

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Design and realization of motion attitude measurement system for ships

TANG Yuan-guang, WANG Zhi-guang
(College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

In order to obtain the sea of ship and self propulsion test of ships mode attitude parameters, designed of a ship motion attitude measurement system based on MEMS technology for wave height and tilt integrated sensor. This system collects the information of ship heave through the MEMS wave height sensor, collects the pitch and roll attitude information of the ship by using the tilt sensor, the collected information is sent to the single chip microcomputer through the multichannel A/D conversion, real-time to give the heave motion, pitch and roll changes of the ship. The data of the three groups after the treatment by motion attitude measurement system for ships through the RS-485 serial port to the data receiving processor storage, analysis and real-time display motion attitude curve of the ship, and the data reception processing software is written in VC++.After a lot of tests and sea trials, the system is stable performance, high accuracy, has great practical value.

heave motion；wave height and tilt integrated sensor；pitch and roll；VC++

TP273

A

1672 – 7649(2017)07 – 0108 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.07.022

2016 – 08 – 25；

2016 – 09 – 22

海洋公益性行業(yè)科研專項資助項目(201005001)

唐原廣(1963 – )，男，教授，研究方向為海洋監(jiān)測技術(shù)、海洋儀器設(shè)備的研制與開發(fā)。