黃偉健 吳浩基 馮智銳 黃榮杰

（廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

隨著世界進(jìn)出口貿(mào)易的增加以及船舶朝著大型化和高速化方向發(fā)展，船舶碰撞事故也隨之不斷增多[1]。我國(guó)作為全球貿(mào)易大國(guó)，約90%的國(guó)際貿(mào)易是通過(guò)海運(yùn)完成的，因此海洋運(yùn)輸對(duì)我國(guó)至關(guān)重要。然而，港口、碼頭等船舶密集區(qū)域中發(fā)生的碰撞事故數(shù)量持續(xù)增加，成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。盡管目前已有船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）、海圖儀等設(shè)備廣泛應(yīng)用于海上船舶，但在船舶密集的場(chǎng)景中，這些設(shè)備仍然面臨無(wú)法進(jìn)行高精度測(cè)距以及避碰的問(wèn)題。因此，研究船舶的近海域避碰技術(shù)對(duì)提高海上航運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性和安全性具有重要意義[2]。為了解決這一難題，本文針對(duì)港口碼頭等船舶密集場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一種船舶近距離激光測(cè)距系統(tǒng)，從而滿足了船舶避碰和預(yù)警的需求。基于此，本文將介紹該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、硬件電路、工作原理和激光測(cè)距算法等。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以IAP15F2K61S2 芯片為基礎(chǔ)，集成了8 位8 段共陽(yáng)數(shù)碼管模塊、獨(dú)立按鍵模塊、激光測(cè)距模塊和LED 指示燈模塊。通過(guò)融入調(diào)頻算法，實(shí)現(xiàn)了多方位數(shù)據(jù)處理，從而設(shè)計(jì)出了一種船舶近距離避碰系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)是解決多方位高精度測(cè)距問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距及報(bào)警功能。該系統(tǒng)首先利用激光測(cè)距模塊完成高精度測(cè)距任務(wù)，其次采用調(diào)頻算法對(duì)多點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。與傳統(tǒng)的相位式測(cè)距相比，調(diào)頻算法距離分辨率、測(cè)距精度更高。通過(guò)串口傳輸，使多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總。數(shù)碼管負(fù)責(zé)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)范圍將數(shù)據(jù)劃分為4 個(gè)部分：安全距離、遠(yuǎn)距離、中距離和近距離。當(dāng)距離小于50 m 時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算距離的平均值。LED 燈、繼電器和蜂鳴器根據(jù)不同范圍的距離做出響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。此外，用戶可以通過(guò)獨(dú)立按鍵操作數(shù)碼管和LED 燈的熄滅與開(kāi)啟、打開(kāi)實(shí)時(shí)時(shí)鐘界面以及進(jìn)入障礙物距離平均值顯示界面。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用收集到的數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)解決了船舶在短距離內(nèi)無(wú)法進(jìn)行高精度測(cè)距及報(bào)警的問(wèn)題。系統(tǒng)總體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

該系統(tǒng)以IAP15 芯片為核心，通過(guò)連接各外圍模塊，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的整體功能。其中，激光測(cè)距模塊為最重要的外圍模塊，為系統(tǒng)測(cè)提供了高精度的測(cè)距數(shù)據(jù)。數(shù)碼管模塊和獨(dú)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(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置和結(jié)果觀察。蜂鳴器模塊、繼電器模塊和LED 模塊則協(xié)同工作，構(gòu)成了系統(tǒng)的報(bào)警機(jī)制，能夠根據(jù)危險(xiǎn)程度的不同選擇相應(yīng)的報(bào)警方式。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

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

數(shù)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(shù)碼管均可顯示數(shù)字0～9 以及大、小寫(xiě)的26 個(gè)字母。它具有耗電低、反應(yīng)速度快、使用溫度范圍廣以及構(gòu)造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

獨(dú)立按鍵模塊由4 個(gè)按鍵組成，能夠直接讀取，檢測(cè)占用時(shí)間短、誤觸率低。該模塊還能區(qū)分長(zhǎng)按和短按操作并且不受其他因素干擾。

激光測(cè)距模塊的測(cè)距精度為±0.5 cm，標(biāo)準(zhǔn)差＜5 mm（2 m范圍內(nèi)），盲區(qū)低至1.5 cm。它還具有強(qiáng)大的抗干擾能力。該模塊以激光測(cè)距傳感器為核心，通過(guò)精確計(jì)算發(fā)射和接收反射激光的時(shí)間差來(lái)測(cè)量距離，具有測(cè)距頻率高和響應(yīng)快速的特點(diǎn)，并配備了屏蔽罩，以有效保護(hù)外圍電路免受電磁干擾。此外，該模塊還集成了MCU 和專門(mén)的測(cè)距算法。在船舶上布置了8 個(gè)激光測(cè)距傳感器：左右船舷各3 個(gè)、船頭和船尾各1 個(gè)。這些傳感器與距離傳感器和GSM 模塊緊密相連，并通過(guò)RS-485 串行總線接口實(shí)現(xiàn)高效通信。該接口采用差分平衡方式傳輸信號(hào)，因此具有出色的抗共模干擾能力，非常適合復(fù)雜的海洋環(huán)境。

LED 指示燈模塊提供了一個(gè)靈活的軟件控制機(jī)制，允許調(diào)整二極管亮滅時(shí)間的占空比。這一功能使筆者能夠選擇理想的亮度設(shè)置，從而延長(zhǎng)發(fā)光二極管的使用壽命。此外，該模塊還具有動(dòng)態(tài)顯示效果和大量的實(shí)際可視像素點(diǎn)，增強(qiáng)了整體視覺(jué)效果。

繼電器模塊在增強(qiáng)系統(tǒng)報(bào)警功能多樣性方面發(fā)揮重要作用。為了防止在單片機(jī)復(fù)位過(guò)程中發(fā)生誤觸動(dòng)作，在該系統(tǒng)中，選用了三極管（PNP）繼電器，并實(shí)施了低電平觸發(fā)的控制邏輯，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

蜂鳴器模塊的主要職責(zé)是警示海上作業(yè)人員。本文采用了有源蜂鳴器，其內(nèi)部集成了專門(mén)的發(fā)聲電路（源振蕩），從而構(gòu)成了1 個(gè)高效且可靠的發(fā)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(huán)境下都能有效地傳達(dá)警示信息。

3 工作原理

該系統(tǒng)是一個(gè)完整的船舶近距離避碰系統(tǒng)，基于STC15-F2K61S2 設(shè)計(jì)，并由很多功能模塊組成。

該系統(tǒng)首先通過(guò)數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)（激光測(cè)距模塊）收集距離數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)隨后被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理機(jī)構(gòu)（IAP15F2K61S2芯片），該芯片采用線性調(diào)頻激光測(cè)距算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，以剔除誤差較大的數(shù)據(jù)，從而獲得高精度的距離信息。在代碼中，本文預(yù)設(shè)了閾值，劃分了4 個(gè)不同的報(bào)警區(qū)域，每個(gè)報(bào)警區(qū)域都配置了不同的報(bào)警方式，以便通過(guò)用戶交互機(jī)構(gòu)及時(shí)警示海上作業(yè)人員并采取相應(yīng)操作。數(shù)碼管用于實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前距離信息以及平均距離。按鍵功能包括切換當(dāng)前距離界面、平均距離界面、進(jìn)入實(shí)時(shí)時(shí)鐘界面、關(guān)閉LED 燈、關(guān)閉繼電器以及關(guān)閉蜂鳴器等。LED 燈根據(jù)4 個(gè)不同的閾值區(qū)域，通過(guò)亮、滅和流水燈等操作來(lái)警示作業(yè)人員潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。蜂鳴器和繼電器也會(huì)在不同的閾值區(qū)域中以不同的響應(yīng)頻率發(fā)出警報(bào)，警示作業(yè)人員注意避碰。

系統(tǒng)工作原理圖中的各模塊機(jī)構(gòu)如圖2所示。數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)主要依賴激光測(cè)距模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于海上環(huán)境易受風(fēng)浪、天氣等外界因素影響，因此其他測(cè)距方式難以滿足高精度測(cè)距的需求。激光測(cè)距在穩(wěn)定性和精確性方面表現(xiàn)出色。結(jié)合線性調(diào)頻激光測(cè)距算法，能有效篩選并剔除誤差較大的數(shù)據(jù)，從而顯著提高測(cè)距數(shù)據(jù)的可靠性，與傳統(tǒng)的相位式激光測(cè)距方式相比是一大優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)處理機(jī)構(gòu)的核心是IAP15F2K61S2 芯片。該主控芯片不僅價(jià)格低，而且可靠性高?？紤]到本系統(tǒng)中激光傳感器間復(fù)雜的數(shù)據(jù)交互需求，該芯片憑借強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸與處理，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

用戶交互機(jī)構(gòu)由數(shù)碼管、獨(dú)立按鍵、LED 燈、蜂鳴器以及繼電器組成，旨在實(shí)現(xiàn)以下功能。

數(shù)碼管主要用于顯示實(shí)時(shí)距離和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。當(dāng)系統(tǒng)判斷為安全距離時(shí)，數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)時(shí)間。一旦探測(cè)到障礙物靠近，數(shù)碼管將迅速切換至距離顯示界面，展示當(dāng)前距離數(shù)據(jù)和障礙物的平均距離。

獨(dú)立按鍵具有多項(xiàng)實(shí)用功能，例如關(guān)閉LED 燈報(bào)警、打開(kāi)實(shí)時(shí)時(shí)鐘界面以及進(jìn)入障礙物距離平均值顯示界面等。

當(dāng)距離過(guò)近時(shí)，LED 燈發(fā)揮報(bào)警作用：當(dāng)處于安全距離（＞50 m）時(shí)，LED 燈保持熄滅；當(dāng)處于遠(yuǎn)距離（40 m～50 m）時(shí)，L1和L2亮起；當(dāng)進(jìn)入中距離（30 m～40 m）時(shí)，L1和L2呈現(xiàn)呼吸燈狀態(tài)；一旦進(jìn)入近距離（＜30 m），L1和L2保持呼吸燈狀態(tài)，同時(shí)L3～L8啟動(dòng)流水燈模式。LED 燈報(bào)警模式見(jiàn)表1。

表1 LED 燈報(bào)警模式

蜂鳴器報(bào)警設(shè)定如下：當(dāng)處于安全距離和遠(yuǎn)距離時(shí)，蜂鳴器保持靜默。但處于中距離和近距離時(shí)，蜂鳴器會(huì)啟動(dòng)報(bào)警功能。特別是在近距離，蜂鳴器的報(bào)警響應(yīng)間隔更短，警示更頻繁。

繼電器報(bào)警設(shè)定如下：與蜂鳴器相同，當(dāng)處于安全距離和遠(yuǎn)距離時(shí)，繼電器不工作。但當(dāng)測(cè)距距離為30 m～40 m時(shí)，繼電器每300 ms 閉合1 次；當(dāng)距離為＜30m 時(shí)，繼電器的閉合頻率提高，每100 ms 閉合一次。這種設(shè)計(jì)通過(guò)調(diào)整繼電器吸合的時(shí)間間隔，提高了報(bào)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(diào)頻激光測(cè)距算法設(shè)計(jì)

在海上，由于海浪、噪聲等干擾因素，激光測(cè)距傳感器的數(shù)據(jù)采集會(huì)受到一定影響，而數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到避碰方案的有效性。為了提高船舶測(cè)距的精確度，該設(shè)計(jì)采用了線性調(diào)頻激光測(cè)距算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，從而使采集到的數(shù)據(jù)更可靠和準(zhǔn)確。

假設(shè)D為臨近船舶與自身船舶的距離，c為光速，N為光波信號(hào)在往返中得到的整周期數(shù)，而Δσ為調(diào)制信號(hào)頻率。那么在測(cè)量過(guò)程中，只需要獲取N和Δσ的數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，以得出船舶之間的距離D，如公式（1）所示。

式中：t為測(cè)量時(shí)間。

線性調(diào)頻激光測(cè)距的原理與邁克爾遜干涉儀相似。在調(diào)頻激光信號(hào)產(chǎn)生模塊中，常用的驅(qū)動(dòng)方式有鋸齒波或三角波2 種，用于驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器。雖然鋸齒波驅(qū)動(dòng)的調(diào)頻激光信號(hào)抗干擾能力較強(qiáng)，但在系統(tǒng)靈敏度等方面卻不如三角波驅(qū)動(dòng)的調(diào)頻激光信號(hào)[3]。綜合考慮海上環(huán)境的實(shí)際情況，筆者采用三角波信號(hào)的激光器進(jìn)行測(cè)距驅(qū)動(dòng)。

筆者采用線性調(diào)頻激光測(cè)距算法進(jìn)行距離測(cè)量，如公式（2）所示。

式中：T為調(diào)制周期；B為調(diào)頻帶寬；fIF為差頻信號(hào)的頻率。

在相同的時(shí)間域中，通過(guò)對(duì)比發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)，發(fā)現(xiàn)差頻信號(hào)的頻率在特定時(shí)間范圍內(nèi)保持不變。如果調(diào)制周期和調(diào)頻帶寬都是已知的且保持不變，就能根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算距離D。該方法顯著提高了測(cè)量精度，且抗干擾能力較強(qiáng)。

線性調(diào)頻激光測(cè)距技術(shù)的固有分辨率如公式（3）所示。

式中：ΔR為三角波調(diào)制信號(hào)的帶寬；B為三角波調(diào)制信號(hào)的帶寬；Δτd為延時(shí)td后的回波信號(hào)瞬時(shí)頻率。

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

數(shù)據(jù)處理核心代碼如下：

while(1)

{

Status=vl53l0x_start_single_test(&vl53l0x_dev,&vl53l0x_data,buf); //執(zhí)行一次測(cè)量

if(Status==VL53L0X_ERROR_NONE)

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

else

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

//delay_ms(100);

i++;

if(i＞=10)

{

i=0;

LED0=!LED0;

}

}

5 應(yīng)用線性調(diào)頻激光測(cè)距算法的數(shù)值分析

本節(jié)將通過(guò)數(shù)值分析對(duì)比，進(jìn)一步說(shuō)明應(yīng)用線性調(diào)頻激光測(cè)距算法后的數(shù)據(jù)更具可靠性和穩(wěn)定性。運(yùn)用線性調(diào)頻激光測(cè)距算法與運(yùn)用相位式激光測(cè)距方式的數(shù)值分析對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 應(yīng)用線性調(diào)頻激光測(cè)距算法的數(shù)值對(duì)比

經(jīng)過(guò)對(duì)上述數(shù)值的分析與對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：在不采用線性調(diào)頻激光測(cè)距算法的情況下，測(cè)量距離越遠(yuǎn)，測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差越大。當(dāng)應(yīng)用線性調(diào)頻激光測(cè)距算法進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，不僅數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度變小，而且其誤差也相對(duì)較小。由此可以推斷出，應(yīng)用線性調(diào)頻激光測(cè)距算法的數(shù)據(jù)測(cè)量的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性更高。

6 結(jié)論

隨著海上交通流量的日益增多和復(fù)雜的會(huì)遇態(tài)勢(shì)的頻繁出現(xiàn)，航海技術(shù)的各方面都面臨著新的挑戰(zhàn)，對(duì)海上安全避碰技術(shù)提出了更高的要求[5]。為了解決海上近距離避碰的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種用于港口碼頭的船舶避碰系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了整體性描述。其中，重點(diǎn)介紹了線性調(diào)頻激光測(cè)距算法測(cè)距部分的原理，該算法顯著提高了測(cè)距精度，以獲取準(zhǔn)確的距離信息，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果判斷是否需要生成避碰方案，當(dāng)距離過(guò)近時(shí)對(duì)海上作業(yè)人員進(jìn)行報(bào)警提示。