CN103192958B

CN103192958B - 船舶姿态显示装置的控制方法

Info

Publication number: CN103192958B
Application number: CN201310041440.7A
Authority: CN
Inventors: 周海锋; 王若愚; 白植湖; 范振华; 韩工; 倪旭辉
Original assignee: BEILUN SCIENCE AND ARTS EXPERIMENT CENTER INSTITUTE OF AUTOMATION CHINESE ACADEMY OF SCIENCES
Current assignee: BEILUN SCIENCE AND ARTS EXPERIMENT CENTER INSTITUTE OF AUTOMATION CHINESE ACADEMY OF SCIENCES
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: CN103192958A

Abstract

本发明公开了一种船舶姿态显示装置的控制方法，包括数据采集终端和与数据采集终端电连接的显示终端，所述数据采集终端包括第一微处理器和分别与第一微处理器相连接的卫星定位仪、三轴地磁传感器、三轴陀螺仪和三轴加速度传感器；所述接收终端包括计算机和与计算机电连接的显示屏。数据采集终端和显示终端采用有线方式电连接。本发明具有测量的数据更准确；测量的数据更全面；可实时显示船舶姿态，为船舶航行、装卸货物和进港等提供安全支持；电子罗盘可用于航向显示，当装置发生倾斜时也可正常工作，进一步提高了船舶航行的安全性和可靠性的特点。

Description

船舶姿态显示装置的控制方法

技术领域

本发明涉及船舶安全航行技术领域，尤其是涉及一种可以实时显示船舶姿态以确保船舶安全的船舶姿态显示装置的控制方法。

背景技术

近年来，由于我国改革开放的不断深入和对外经济交流的加强，船舶运输业作为国际贸易货物流通的主要渠道，得到了迅猛的发展。由于船舶运输业对大型船舰的需求，伴随着造船技术的不断进步，船舶大型化已经成为船舶发展的趋势。

大型船舶载重大、吃水深、尺度长、冲程大、惯性大，受海风、海浪等因素干扰较大，其干扰反应较小型船舶来的更为强烈。受海风、海浪等环境因素干扰，大型船舶的操纵性能下降，航行姿态发生变化，稳定性变差，不可避免地产生摇摆，尤其在恶劣的海况条件下，对船舶的海上作业造成很大的安全隐患。

大量的海损事故显示，大型船舶在波浪水域航行，船舶摇摆是发生事故的主要原因。

最近几年，我国发生多起大型船舶在大风浪中船沉人亡的恶性事故。发生沉船事故不仅使国家财产遭受到损失，而且，造成大量人员伤亡；另一方面，大型船舶在海面上受到大风浪影响产生各种摇荡运动，会对船上设备的使用、适居性、适航性及安全性等带来不利影响。

为了保证大型船舶的航行安全，了解当前船舶的姿态，目前国内常用一种倾斜仪设备来显示船舶横摇姿态，而纵摇姿态则没有专门显示设备。

倾斜仪结构简单，精度较低，特别是在恶劣海况下作业时，倾斜仪无法为用户提供精准的摇摆信息，难以用于人员作业指导，甚至会让航海人员产生误判。

因此，目前迫切需要一款能够对船舶当前姿态进行快速、全面、准确的测量的姿态测量装置。

中国专利授权公开号CN202511787U，授权公开日2012年10月31日公开了一种船舶水平姿态仪，包括单片机、液晶显示器、按键、通信电平转换模块、重力加速度传感器、蜂鸣器和稳压电源模块，单片机引脚上的信号线分别与液晶显示器、按键、通信电平转换模块、重力加速度传感器、蜂鸣器相连接；稳压电源模块通过导线与单片机、液晶显示器、通信电平转换模块、重力加速度传感器、蜂鸣器相连接，并对其供电。该实用新型只用加速度传感器采集数据，具有采集的数据参数单一，显示的船舶水平姿态精度低、可靠性差的缺点。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的倾斜仪精度低，特别是在恶劣海况下作业时，倾斜仪无法为用户提供精准的摇摆信息，难以用于人员作业指导，甚至会让航海人员产生误判的不足，提供了一种可以实时显示船舶姿态以确保船舶安全的船舶姿态显示装置的控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种船舶姿态显示装置，包括数据采集终端和与数据采集终端电连接的显示终端，所述数据采集终端包括第一微处理器和分别与第一微处理器相连接的卫星定位仪、三轴地磁传感器、三轴陀螺仪和三轴加速度传感器；所述接收终端包括计算机和与计算机电连接的显示屏。

本发明的船舶姿态显示装置不仅要测量船舶横摇姿态，还要对当前船舶的纵摇、航向等船舶姿态数据进行测量，并能根据测得的姿态数据将船舶姿态直观显示出来，为船舶姿态的控制操作提供参考，保证船舶航行的安全性。

作为优选，所述数据采集终端和显示终端采用有线方式电连接。

作为优选，所述数据采集终端和显示终端采用无线方式电连接。

作为优选，三轴地磁传感器设于船体的甲板中部。

一种船舶姿态显示装置的控制方法，包括如下步骤：

（5-1）根据船舶体积，预先在计算机中构建多个三维船舶图像，每一张三维船舶图像中的船舶姿态对应一组由纵摇角及横摇角构成的查询参数；并将三维船舶图像及其所对应的查询参数存储至计算机的硬盘内；

（5-2）数据采集终端和显示终端开始工作；

（5-3）卫星定位仪获得当前位置的定位数据信息，并将定位数据信息传输到第一微处理器内，第一微处理器将接收到的定位数据信息存储至数据采集终端的第一微处理器的第一寄存器中；

（5-4）第一微处理器接收到定位数据信息后，第一微处理器开始处理三轴地磁传感器、三轴陀螺仪和三轴加速度传感器检测的地磁场强度、角速度和线加速度的数据，得到船体的航向角、纵摇角及横摇角数据；

（5-5）第一微处理器进行真北航向角的计算，第一微处理器将船体的真北航向角、纵摇角及横摇角数据传输至显示终端，数据传输结束后，数据采集终端重新开始新一次数据采集；

（5-6）计算机根据接收到的纵摇角及横摇角数据在硬盘中查询三维船舶图像，并将三维船舶图像显示在显示屏上；

（5-7）船舶位置变换后，计算机根据接收到的新纵摇角及横摇角数据查询相应的三维船舶图像。

本发明的船舶姿态显示装置可以对船舶的当前姿态（横摇姿态、纵摇姿态、航向等）信息进行实时监测，为船舶的安全行驶提供可靠数据支持。

并且，本发明的船舶姿态显示装置还可以在船舶进行货物装载时提供安全支持。大型货轮进行货物装载时，保证货轮的平衡对货轮的安全具有极大意义。大型货轮载重大，吃水深，货物装载量大，在货物装载过程中，需要保证货轮的平稳，若货物装载过程中未能保证船舶的平稳，易造成货轮失去平衡，发生事故。

本装置可实时监测船舶姿态，快速了解当前船舶姿态，便于船舶工作人员制定工作安排；利于工作人员展开作业；易于工作人员及时对作业过程做出调整，保证船舶的平稳，大大增加了作业的安全性。

作为优选，还包括如下步骤：

（6-1）预先在计算机中构建一个罗盘背景图像，将其存储至硬盘中；

（6-2）计算机读取三维船舶图像，根据显示屏的屏幕尺寸调整图像比例，将船舶图像中心与屏幕中心重合，将罗盘背景图像在屏幕中进行显示；

（6-3）以罗盘背景图像中心处为原点构建局部平面坐标系（X-Y），其中，沿屏幕从左到右方向为Y轴，沿屏幕从下往上方向为X轴；

（6-4）根据真北航向角，将三维船舶图像向Y轴旋转相应角度，同时在三维船舶图像上方显示真北航向角数据；

（6-5）接收到新的罗盘数据，根据新的罗盘数据，重新将三维船舶图像向Y轴旋转相应角度，同时在三维船舶图像上方显示真北航向角数据。

因此，本发明具有如下有益效果：（1）测量的数据更准确；（2）测量的数据更全面；（3）可实时显示船舶姿态，为船舶航行、装卸货物和进港等提供安全支持；（4）电子罗盘可用于航向显示，当装置发生倾斜时也可正常工作，进一步提高了船舶航行的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明的一种原理框图；

图2是本发明的实施例的一种流程图。

图中：第一微处理器1、卫星定位仪2、三轴地磁传感器3、三轴陀螺仪4、三轴加速度传感器5、计算机6、显示屏7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示的实施例是一种船舶姿态显示装置，包括数据采集终端和与数据采集终端电连接的显示终端，所述数据采集终端包括第一微处理器1和分别与第一微处理器相连接的卫星定位仪2、三轴地磁传感器3、三轴陀螺仪4和三轴加速度传感器5；接收终端包括计算机6和与计算机电连接的显示屏7。数据采集终端和显示终端采用有线方式电连接。三轴地磁传感器设于船体的甲板中部。

如图2所示是一种船舶姿态显示装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤100，根据船舶体积，预先在计算机中构建多个三维船舶图像，每一张三维船舶图像中的船舶姿态对应一组由纵摇角及横摇角构成的查询参数，纵摇角及横摇角以1度为间隔进行排列组合，构建三维船舶图像；并将三维船舶图像及其所对应的查询参数存储至计算机的硬盘内；预先在计算机中构建一个罗盘背景图像，将其存储至硬盘内；

步骤200，数据采集终端和显示终端开始工作；

步骤300，假设卫星定位仪获得当前位置A的定位信息数据为经度：120.1997，纬度：30.2176。将定位数据信息传输到第一微处理器内，第一微处理器将接收到的定位数据信息存储至数据采集终端的第一微处理器的第一寄存器中；

步骤400，第一微处理器接收到定位数据信息后，第一微处理器开始处理三轴地磁传感器、三轴陀螺仪和三轴加速度传感器检测的地磁场强度（H_x、H_y、H_z），角速度（g_x、g_y、g_z），加速度（a_x、a_y、a_z）数据，得到船体的航向角、纵摇角及横摇角数据；

此处使用三轴陀螺仪和三轴加速度传感器测量数据时，加速度计测量三维坐标中三轴的加速度值；陀螺仪测量沿三轴旋转的角速度值。

在测量船舶姿态角度过程中，准确而实时地获得船舶的姿态角度，是整个系统的关键。尽管单一的电系统传感器就可以单独进行姿态角度测量，但是其准确性主要取决于惯性器件的精度，单从改善硬件结构设计和工艺方面很难有大幅度的提高，并且系统误差会随时间积累，不适用于长时间载体姿态的确定。所以，使用单一传感器难以得到相对真实的姿态角度。出于对姿态角度测量准确性的考虑，采用对多传感器信号进行融合处理的方法，来获得最优姿态角度。

采用一阶互补滤波的方法进行信号融合处理，获得最优姿态角度。其优势在于计算量较小，可以运行在小型微处理器中，同时保证数据的实时性。

首先测得陀螺仪X轴的静态飘移值Gry_offset_X，测量方法是：将陀螺仪敏感轴水平放置静止时的读数，此处将零点偏移值是水平、垂直、倒置，分别取1024次，作平均值得到结果：

Gry_offset_X = 45。

同理，测得陀螺仪X轴的静态飘移值Gry_offset_Y：

Gry_offset_Y = 271。

通过查询数据手册计算陀螺仪比例值Gyr_Gain：

Gyr_Gain = 1/131 = 0.00763。

通过查询数据手册计算加速度计比例值ACC_Gain：

ACC_Gain = 1/16384 = 0.000061。

设定一阶互补滤波权重取值K_x = 0.715；K_y = 1.3。

读取六轴读数；角速度数据（陀螺仪数据）读数分别为：7、62、80；加速度数据读数分别为：8497、4554、13233；

根据加速度计读数，将Y轴的测量值转换为加速度(g)：

Y_Accelerometer = ay * ACC_Gain；

故Y_Accelerometer = 0.277794

根据加速度计读数，将Z轴的测量值转换为加速度(g) ：

Z_Accelerometer = az * ACC_Gain；

故Z_Accelerometer =0.807213

根据加速度计读数，将X轴的测量值转换为加速度(g)：

X_Accelerometer = ax * ACC_Gain；

故X_Accelerometer = 0.518317

通过加速度仪获得相对于Z-X面的角度值angleA_X：

angleA_X= arctan(Y_Accelerometer/ Z_Accelerometer)* (180)/ π；

故angleA_X = 1088.068°

通过加速度仪获得相对于Z-Y面的角度值angleA_Y：

angleA_Y= arctan(X_Accelerometer/ Z_Accelerometer)* (180)/ π；

故angleA_Y= 1873.848°

陀螺仪X轴通过静态误差修正后的角速度读数：

gx _revised = gx + Gry_offset_X；

故gx _revised = 52；

陀螺仪Y轴通过静态误差修正后的角速度读数：

gy _revised = gy + Gry_offset_Y；

故gy _revised = 333

陀螺仪X轴修正后的角速度读数转换为向前的角速度(°/s) ：

omega_X= Gyr_Gain* gx _revised；

故omega_X= 0.39676(°/s)

陀螺仪Y轴修正后的角速度读数转换为向前的角速度(°/s) ：

omega_Y= Gyr_Gain* gy _revised；

故omega_Y=2.54079(°/s)

计算时间的微分值dt：

dt = 当前时间 - 上一次采样时间；（单位：秒）

设置陀螺仪、加速度计的更新率为50hz，采样间隔dt为0.02s。

dt = 0.02s。

通过陀螺仪X轴算得的角速度计算角度angle_dt_X：

angle_dt_X = omega_X * dt；

故angle_dt_X = 0.0079352°

通过陀螺仪Y轴算得的角速度计算角度angle_dt_Y：

angle_dt_Y = omega_Y * dt；

故angle_dt_Y = 0.0508158°

开始进行融合滤波：

angle_Xn = angle_Xn-1 +(Gyr_Gain * (gx + Gry_offset_X)) * dt；

angle_Y n =angle_Y n-1 +(Gyr_Gain * (gy + Gry_offset_Y)) * dt；

由于初始angle_Xn-1、angle_Y n-1为0，此处angle_Xn、angle_Y n等于0.0079352°与0.0508158°。

计算陀螺仪的权值A_X：A_X= K_x/ (K_x+ dt)；

A_X=0.986

计算陀螺仪的权值A_Y：A_Y= K_y/ (K_y+ dt)；

A_Y=0.985

进行一阶互补滤波，输出值为角度(单位：°)：

相对于Z-X平面的纵摇角：angle_X = A_X* (angle_X+ angle_dt_X)+ (1-A_X)* angleA_X

相对于Z-Y平面的横摇角：

angle_Y =A_Y*(angle_Y+angle_dt_Y)+(1-A_Y)*angleA_Y；

angle_X = 15.24°， angle_Y = 28.16°。

地磁数据Hx、Hy、Hz读数分别为：30、-236、-447；

使用下式将磁阻传感器的测量值从载体投影至地平面，由，得航向角= 57.70°

至此，得到纵摇角、横摇角及航向角数据。

步骤500，第一微处理器进行真北航向角的计算，第一微处理器将船体的真北航向角、纵摇角及横摇角数据传输至接收终端，数据传输结束后，数据采集终端重新开始新一次数据采集；

真北航向角的计算过程如下：

根据公式：

C=sin(MLatA)*sin(MLatB)*cos(MLonA-MLonB)+cos(MLatA)*cos(MLatB)

Distance = R*Arccos(C)*Pi/180算出当前与某点之间的距离。

其中，B为一个固定的经纬度值，表示城市的中心值，此处经纬度数据为杭州：其经度：120.1260，纬度：30.2612。

A的经纬度为(LonA， LatA)，第二点B的经纬度为(LonB， LatB)，按照0度经线的基准，东经取经度的正值(Longitude)，西经取经度负值(-Longitude)，北纬取90-纬度值(90- Latitude)，南纬取90+纬度值(90+Latitude)，则经过上述处理过后的两点被计为(MLonA， MLatA)和(MLonB， MLatB)。

通过公式，可知两点间相距8.581km。

将A点的经纬度数据与其它点相比较，选择与A点相距最近的城市，并将该城市信息存储（例如：此处离杭州最近，则将代表杭州的数值存储至第一微处理器的存储模块中），在两小时后，再次根据卫星定位仪的定位数据进行计算与当前相距最近的城市。

接收装置采用查表方法获得存储在存储模块中的城市磁偏角数据，杭州：磁偏角4.4°（W），偏西。根据磁偏角数据，真北航向角为= +α，故其真北航向角为：

= 57.70°+ 4.4°= 62.1 °

步骤600，计算机根据接收到的数据在硬盘中查询三维船舶图像，并将船舶姿态显示在显示屏上；

步骤700，船舶位置变换后，计算机根据接收到的新纵摇角及横摇角数据查询相应的三维船舶图像。

步骤800，计算机读取三维船舶图像，根据显示屏的屏幕尺寸调整图像比例，将船舶图像中心与屏幕中心重合，将罗盘背景图像在屏幕中进行显示；

以罗盘背景图像中心处为原点构建局部平面坐标系（X-Y），其中，沿屏幕从左到右方向为Y轴，沿屏幕从下往上方向为X轴；

步骤900，根据真北航向角= 62.1°，将三维船舶图像沿向Y轴方向顺时针旋转62.1 °，同时在三维船舶图像上方显示当前航向角为62.1°；

在接收下一次罗盘数据前，保持当前显示状态；接收到新的罗盘数据，根据新的罗盘数据，重新将三维船舶图像向Y轴旋转相应角度，同时在三维船舶图像上方显示航向角数据。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种船舶姿态显示装置的控制方法，其特征是，所述船舶姿态显示装置包括数据采集终端和与数据采集终端电连接的显示终端，所述数据采集终端包括第一微处理器（1）和分别与第一微处理器相连接的卫星定位仪（2）、三轴地磁传感器（3）、三轴陀螺仪（4）和三轴加速度传感器（5）；所述显示终端包括计算机（6）和与计算机电连接的显示屏（7）；所述控制方法包括如下步骤：

（1-1）根据船舶体积，预先在计算机中构建多个三维船舶图像，每一张三维船舶图像中的船舶姿态对应一组由纵摇角及横摇角构成的查询参数；并将三维船舶图像及其所对应的查询参数存储至计算机的硬盘内；

（1-2）数据采集终端和显示终端开始工作；

（1-3）卫星定位仪获得当前位置的定位数据信息，并将定位数据信息传输到第一微处理器内，第一微处理器将接收到的定位数据信息存储至数据采集终端的第一微处理器的第一寄存器中；

（1-4）第一微处理器接收到定位数据信息后，第一微处理器开始处理三轴地磁传感器、三轴陀螺仪和三轴加速度传感器检测的地磁场强度、角速度和线加速度的数据，得到船体的航向角、纵摇角及横摇角数据；

（1-5）第一微处理器进行真北航向角的计算，第一微处理器将船体的真北航向角、纵摇角及横摇角数据传输至显示终端，数据传输结束后，数据采集终端重新开始新一次数据采集；

（1-6）计算机根据接收到的纵摇角及横摇角数据在硬盘中查询三维船舶图像，并将三维船舶图像显示在显示屏上；

（1-7）船舶位置变换后，计算机根据接收到的新纵摇角及横摇角数据查询相应的三维船舶图像；

其中，纵摇角及横摇角的计算过程如下：

测量陀螺仪并计算X轴的静态飘移值Gry_offset_X和Y轴的静态飘移值Gry_offset_Y；

通过查询数据手册计算陀螺仪比例值Gyr_Gain，通过查询数据手册计算加速度传感器比例值ACC_Gain；

设定一阶互补滤波权重取值K_x，K_y；

第一微处理器读取三轴陀螺仪的角速度数据gx、gy、gz，三轴加速度传感器的加速度数据ax、ay、az；

第一微处理器利用公式Y_Accelerometer=ay * ACC_Gain将Y轴的测量值ay转换为加速度Y_Accelerometer；

利用公式Z_Accelerometer=az* ACC_Gain将Z轴的测量值az转换为加速度Z_Accelerometer ：

利用公式X_Accelerometer=ax* ACC_Gain将X轴的测量值ax转换为加速度X_Accelerometer：

第一微处理器利用公式

angleA_X=arctan(Y_Accelerometer/Z_Accelerometer)* (180)/π计算角度值angleA_X；

利用公式

angleA_Y=arctan(X_Accelerometer/Z_Accelerometer)* (180)/π计算角度值angleA_Y；

第一微处理器利用公式gx _revised = gx + Gry_offset_X计算陀螺仪X轴通过静态误差修正后的角速度读数gx _revised；

第一微处理器利用公式gy _revised = gy + Gry_offset_Y计算陀螺仪Y轴通过静态误差修正后的角速度读数gy _revised；

第一微处理器利用公式omega_X= Gyr_Gain* gx _revised将陀螺仪X轴修正后的角速度读数转换为向前的角速度omega_X ：

第一微处理器利用公式omega_Y=Gyr_Gain* gy _revised将陀螺仪Y轴修正后的角速度读数转换为向前的角速度omega_Y ：

第一微处理器利用公式dt=当前时间-上一次采样时间计算时间的微分值dt：

第一微处理器利用公式angle_dt_X=omega_X *dt计算角度angle_dt_X：

第一微处理器利用公式angle_dt_Y=omega_Y*dt计算角度angle_dt_Y：

第一微处理器利用公式A_X=K_x/(K_x+dt)计算陀螺仪的权值A_X；

第一微处理器利用公式A_Y=K_y/(K_y+dt)计算陀螺仪的权值A_Y；

第一微处理器利用公式A_X* (angle_X+ angle_dt_X)+ (1-A_X)* angleA_X进行一阶互补滤波，计算得到纵摇角；

第一微处理器利用公式

A_Y*(angle_Y+angle_dt_Y)+(1-A_Y)*angleA_Y进行一阶互补滤波，计算得到横摇角。

2.根据权利要求1所述的船舶姿态显示装置的控制方法，其特征是，还包括如下步骤：

（2-1）预先在计算机中构建一个罗盘背景图像，将其存储至硬盘中；

（2-2）计算机读取三维船舶图像，根据显示屏的屏幕尺寸调整图像比例，将船舶图像中心与屏幕中心重合，将罗盘背景图像在屏幕中进行显示；

（2-3）以罗盘背景图像中心处为原点构建局部平面坐标系（X-Y），其中，沿屏幕从左到右方向为Y轴，沿屏幕从下往上方向为X轴；

（2-4）根据真北航向角，将三维船舶图像向Y轴旋转相应角度，同时在三维船舶图像上方显示真北航向角数据；

（2-5）接收到新的罗盘数据，根据新的罗盘数据，重新将三维船舶图像向Y轴旋转相应角度，同时在三维船舶图像上方显示真北航向角数据。