李光磊

應(yīng)用研究

一種激光測(cè)距裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李光磊

（海裝駐九江地區(qū)軍事代表室，江西九江 332007）

針對(duì)目前艦船橫向航行補(bǔ)給時(shí)兩艦距離測(cè)量方法，通過激光測(cè)距技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了一種船用激光測(cè)距裝置。詳細(xì)介紹了其工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)其傳感器信號(hào)融合處理關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)與驗(yàn)證，解決了距離索測(cè)量時(shí)無(wú)法連續(xù)自動(dòng)提供距離及其變化速率信息的問題，為艦船航行補(bǔ)給和靠離碼頭安全操縱提供保障。

激光測(cè)距 航行補(bǔ)給 設(shè)計(jì)

0 引言

本研究之激光測(cè)距裝置[1～3]主要用于艦船補(bǔ)給和靠泊任務(wù)狀態(tài)下，在橫向航行補(bǔ)給過程中提供本艦與補(bǔ)給艦之間的距離、距離變化速度信息，在靠泊過程中提供本艦與碼頭之間的距離、距離變化速度、入泊角信息，為艦船航行補(bǔ)給和靠離碼頭安全操縱提供保障。該設(shè)備充分借鑒激光測(cè)距傳感器技術(shù)，結(jié)合航空系統(tǒng)光電吊艙[4]和安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)[5]的設(shè)計(jì)理念，具備一體化、模塊化、先進(jìn)性、高安全性、高可靠性和高度自動(dòng)化等特點(diǎn)。

1 工作原理

1.1 脈沖激光水平測(cè)距原理

1.2 水平距離測(cè)量原理

1.3 自動(dòng)測(cè)距原理

兩艦橫向航行補(bǔ)給作業(yè)一般時(shí)間較長(zhǎng)，且兩艦的相對(duì)位置變化較小，因此該過程可由測(cè)距裝置持續(xù)自動(dòng)測(cè)距。

橫向航行補(bǔ)給持續(xù)測(cè)距過程中，本艦的橫搖是造成測(cè)量目標(biāo)丟失的最主要原因[6～8]。激光束在隨艦船橫搖上下最大幅值時(shí)到達(dá)被測(cè)船舶的高度差的最大值，在一個(gè)橫搖周期內(nèi)，測(cè)量目標(biāo)丟失概率較大。將激光測(cè)距傳感器安裝于具有艦船橫搖穩(wěn)定功能的穩(wěn)定云臺(tái)上，穩(wěn)定云臺(tái)始終保持傳感器的俯仰角穩(wěn)定，隔離艦船橫搖，確保激光束俯仰角保持不變。此時(shí)，激光束在艦船橫搖最大幅值時(shí)被測(cè)船舶的高度差有效減少，降低了測(cè)量目標(biāo)的丟失概率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)距的目的。

1.4 云臺(tái)穩(wěn)定原理

穩(wěn)定云臺(tái)具有兩自由度旋轉(zhuǎn)軸，分別實(shí)現(xiàn)負(fù)載方位旋轉(zhuǎn)和俯仰旋轉(zhuǎn)。在手動(dòng)模式下，可通過手柄控制方位軸和俯仰軸的旋轉(zhuǎn)。在自動(dòng)模式下，由計(jì)算機(jī)根據(jù)陀螺儀及旋轉(zhuǎn)變壓器的反饋角度解算出方位軸和俯仰軸的指令轉(zhuǎn)角，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)陀螺穩(wěn)定的功能。

微處理器根據(jù)操作人員的設(shè)定角度和陀螺儀角度實(shí)時(shí)解算方位軸和俯仰軸的指令轉(zhuǎn)角，指令轉(zhuǎn)角通過比較、放大、驅(qū)動(dòng)等環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)控制部分采用位置、速度和電流三閉環(huán)的伺服控制方式，位置和速度控制器采用數(shù)字PID的控制方法，在傳統(tǒng)的PID控制基礎(chǔ)上采用零相差前饋控制，非線性積分分離控制，不完全微分控制等控制策略，有效地提高控制系統(tǒng)的伺服精度。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)距云臺(tái)

測(cè)距云臺(tái)由穩(wěn)定云臺(tái)、激光測(cè)距傳感器和目標(biāo)影像傳感器組成，集激光測(cè)距、影像采集、信號(hào)編解碼、云臺(tái)伺服控制功能為一體。穩(wěn)定云臺(tái)具有方位和俯仰兩自由度旋轉(zhuǎn)軸，由殼體、方位軸伺服機(jī)構(gòu)、俯仰軸伺服機(jī)構(gòu)（執(zhí)行電機(jī)和測(cè)角元件）、陀螺儀、限位機(jī)構(gòu)、支撐件、軸承及密封件等組成，用于承載激光測(cè)距傳感器和目標(biāo)影像傳感器，在伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)方位、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)周圍目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距。其中，測(cè)距傳感器用于測(cè)距的激光是不可見的，可利用測(cè)距傳感器附帶的輔助激光瞄準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo)。測(cè)距傳感器上配置望眼鏡，用于瞄準(zhǔn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)。

測(cè)距云臺(tái)的設(shè)計(jì)充分考慮了海洋工作環(huán)境和艙外防護(hù)要求。殼體采用全鋁合金鑄造，殼體表面采用艦船設(shè)備通用的涂覆技術(shù)，各轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用水密設(shè)計(jì)，具有防雨水和耐鹽霧腐蝕能力；云臺(tái)的轉(zhuǎn)體采用球形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的抗風(fēng)能力；傳感器及各電路板集中密封安裝于云臺(tái)內(nèi)部，不會(huì)遭受灰塵、雨水、鹽霧等侵?jǐn)_；測(cè)距云臺(tái)的信號(hào)線與電源線從底部集中引出，安裝后表面無(wú)任何電纜電線，使得設(shè)備外觀整潔美觀。

2.2 控制箱

控制箱安裝在測(cè)距云臺(tái)附件的艙室內(nèi)?？赏ㄟ^控制箱上顯示終端觀察云臺(tái)的瞄準(zhǔn)目標(biāo)，通過手柄模塊改變?cè)婆_(tái)的指向，需要將信息呈現(xiàn)給對(duì)方人員時(shí)將大型告示器電源按鈕打開。

2.3 采集發(fā)送箱

采集發(fā)送箱安裝在駕駛室，采集發(fā)送箱主要包括記錄模塊、通訊模塊和接口模塊等。具有控制穩(wěn)定云臺(tái)、與各測(cè)量點(diǎn)控制箱信息交互、提供互聯(lián)系統(tǒng)的對(duì)外接口、綜合信息融合處理和顯示等功能。

2.4 告示器

大型告示器用于將單監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平距離告知給對(duì)方工作人員，由四個(gè)獨(dú)立數(shù)碼模塊組成，分別進(jìn)行加固，內(nèi)部通過高亮紅色LED指示燈顯示數(shù)字，采用全密閉結(jié)構(gòu)形式，具有自屏蔽、自密封、自散熱功能。告示器字體大小和亮度確?？梢暰嚯x大于100 m，該組件根據(jù)實(shí)際需求作為備選。

2.5 手柄模塊

手柄模塊安裝于各控制箱和操舵儀駕駛室操縱臺(tái)，用于測(cè)距云臺(tái)的指向控制。操舵儀駕駛室操縱臺(tái)上的手柄模塊可通過模塊上的選擇按鍵選擇需要控制的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 概述

激光測(cè)距裝置軟件以單片機(jī)或?qū)崟r(shí)嵌入式系統(tǒng)為運(yùn)行平臺(tái)，包括信號(hào)處理軟件、伺服控制軟件、顯示軟件、告示軟件、編碼軟件、存儲(chǔ)軟件、通訊接口軟件，各設(shè)備軟件分配如表1所示。

表1 激光測(cè)距裝置軟件分配表

3.2 信號(hào)處理軟件

運(yùn)行于測(cè)距云臺(tái)信號(hào)處理板，主要功能有：

a）激光測(cè)距傳感器和目標(biāo)影像傳感器信號(hào)的采集以及信號(hào)疊加處理；

b）穩(wěn)定云臺(tái)控制信號(hào)的指令解碼；

c）完成與運(yùn)動(dòng)控制板及內(nèi)部以太網(wǎng)通信。

3.3 伺服控制軟件

運(yùn)行于測(cè)距云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制板，接收信號(hào)處理板的指令信號(hào)，采集方位軸和俯仰軸角度信號(hào)，運(yùn)行穩(wěn)定云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制算法。

3.4 顯示軟件

顯示軟件運(yùn)行于控制箱，顯示內(nèi)容主要有：該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)畫面、距離、云臺(tái)俯仰角、云臺(tái)方位角、距離變化曲線、速度變化曲線、監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備工作狀態(tài)、報(bào)警等信息。

操舵儀駕駛室操縱臺(tái)集成了激光測(cè)距裝置監(jiān)測(cè)畫面，在補(bǔ)給或靠泊過程中供指揮和操作人員參考，主要顯示內(nèi)容有：各點(diǎn)的監(jiān)測(cè)畫面、距離、云臺(tái)俯仰角、云臺(tái)方位角、艦艦或艦岸相對(duì)距離、距離變化速度、報(bào)警信息等。

3.5 編碼軟件

運(yùn)行于手柄模塊，采集各控制按鍵及操縱手柄的輸入指令，將指令進(jìn)行數(shù)字編碼，通過以太網(wǎng)發(fā)送給各監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.6 存儲(chǔ)軟件

運(yùn)行于記錄模塊，完成對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄。

3.7 通信接口軟件

運(yùn)行于接口模塊，負(fù)責(zé)激光測(cè)距裝置與外部其他設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊連接，實(shí)現(xiàn)不同形式接口之間的數(shù)據(jù)交互，并起到信息隔離的作用。

3.8 告示軟件

運(yùn)行于大型告示器，接收控制箱顯示終端的單點(diǎn)水平距離。

4 關(guān)鍵技術(shù)及解決措施

傳感器信號(hào)融合處理技術(shù)[9～10]是把分布在不同監(jiān)測(cè)位置的多個(gè)傳感器所提供的局部數(shù)據(jù)資源加于綜合，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析，加于互補(bǔ)，獲得被測(cè)對(duì)象的一致性描述，提高對(duì)測(cè)量目標(biāo)的感知能力，增加獲得信息的可信度。

測(cè)距云臺(tái)進(jìn)行激光測(cè)距傳感器及目標(biāo)影像傳感器的信號(hào)采集和處理，將激光測(cè)距反射點(diǎn)及距離與影像畫面疊加，形成獨(dú)立的監(jiān)測(cè)畫面；操舵儀駕駛室操縱臺(tái)顯示終端根據(jù)各測(cè)距云臺(tái)在艦上的坐標(biāo)位置及各傳感器數(shù)據(jù)，解算出艦艦或艦岸的相對(duì)位置，并以直觀的方式顯示。

將激光測(cè)距傳感器、目標(biāo)影像傳感器、信號(hào)采集板、計(jì)算機(jī)按圖2連接，計(jì)算機(jī)按照設(shè)計(jì)信號(hào)融合處理算法運(yùn)行，根據(jù)傳感器各種數(shù)據(jù)，顯示相應(yīng)的動(dòng)態(tài)畫面及參數(shù)，效果與設(shè)計(jì)要求相符。

圖2 多傳感器信號(hào)融合處理驗(yàn)證連接圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文從激光測(cè)距裝置的功能對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行了描述，然后對(duì)裝置的工作原理、架構(gòu)組成和軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了分析，結(jié)構(gòu)美觀大方、面板布局合理，操作便利，較好地解決了艦船橫向航行補(bǔ)給過程中艦艦距離以及靠泊過程中艦岸距離的精確測(cè)量問題，為艦船航行補(bǔ)給操縱和靠泊操縱提供安全保障。對(duì)艦船裝備的創(chuàng)新發(fā)展具有一定的參考交流價(jià)值。

[1] 孫瑞熙. 基于NB-IoT的激光測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù), 2020(12): 17～19.

[2] 高勇, 黃飛波, 陳麗達(dá). 脈沖式激光測(cè)距機(jī)測(cè)距能力研究[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn), 2020(5): 44-47.

[3] 姜博, 黃民雙, 關(guān)在輝. 基于循環(huán)平穩(wěn)隨機(jī)序列的脈沖激光測(cè)距方法[J]. 中國(guó)激光, 2020(1): 54-60.

[4] 李杉格, 林靜, 李杰. 一種機(jī)載光電吊艙顯控軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件導(dǎo)刊, 2018(8): 153-156.

[5] 林勁, 陳韶寬. 視頻監(jiān)控系統(tǒng)在航標(biāo)上的應(yīng)用探究[J]. 珠江水運(yùn), 2019(17): 36-37.

[6] 劉丹, 申凱. 補(bǔ)給船航行補(bǔ)給船位控制系統(tǒng)探討[J].內(nèi)燃機(jī)與配件, 2019(10): 210-212.

[7] 何遙. 海上航行補(bǔ)給中艦艇接近過程的自動(dòng)化控制問題研究[J]. 艦船電子工程, 2019(4): 45-49.

[8] 邢道奇, 張良欣, 王曉林, 等. 船舶航行橫向補(bǔ)給超越運(yùn)動(dòng)控制[J]. 船舶工程, 2012(2): 53-56.

[9] 陳英, 胡艷霞, 劉元寧, 等.多傳感器數(shù)據(jù)的處理及融合[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版), 2018(5): 1170-1178.

[10] 谷曉杰, 卜春光, 陳成,等.三維激光測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)與標(biāo)定方法研究[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2014(5): 10-14+47.

Design and Implementation of A Shipborne Laser Ranging Device

Li Guanglei

(Navy Military Representative Office in Jiujiang Aera, Jiujiang 332007, Jiangxi, China)

P225

A

1003-4862（2021）09-0050-04

2020-12-30

李光磊（1983-），男，碩士，工程師。研究方向：導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制。E-mail：526700059@qq.com