CN103274017B - 一种船舶气囊下水过程中船体姿态检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶气囊下水过程中船体姿态检测装置及方法，该装置主要由上位机和下位机两部分组成，其中上位机部分主要由微型控制器STC89C58RD+、无线收发模块、USB控制器、USB接口和上位PC机组成。微型控制器控制USB接收模块与PC机的通信和上位机无线收发模块与下位机无线收发模块的通信；无线收发模块接收下位机的倾角数据信息并向下位机发送PC机命令；USB控制器实现微型控制器与PC机的接口匹配。下位机部分主要由内置A/D转换器的微型控制器C8051F340，倾角传感器模块，降压电路和无线收发模块组成。使用本发明的技术方案，船舶气囊下水过程中船体姿态能够实现实时检测和姿态数据可以无线传输。

Description

一种船舶气囊下水过程中船体姿态检测装置

技术领域

本发明属于运输工具技术领域，涉及一种船舶气囊下水过程中船体姿态检测装置及方法。

背景技术

船舶下水是船舶制造过程中非常重要的工序之一，如果操作不当会给船体及其内部装置乃至水域范围内的其它设施造成不必要的破坏。目前的船舶下水多采用滑道下水和造船坞下水两种方法，投资费用较大且存在着位置和技术等多方面的局限性。船舶气囊下水是一项新型的船舶下水技术，它无需固定滑道和规整的场地，也无需延伸到水下的基础设置，简化了船舶的下水过程。船舶在船台上制造完成后，利用气囊的抬力将船体举起，拆除船底的墩木，船体下坐到气囊上，通过重力和牵引力的合力使船舶在气囊的滚动下滑入水面。

在船舶气囊下水过程中，由于气囊在实际运作当中存在诸多不确定因素，可能导致船舶下水存在安全隐患，本发明设计智能化的气囊控制装置来实时检测船体下水过程中的倾角和方位角变化，以便对通过及时调整气囊的姿态来修正船舶下水轨迹，确保船舶下水安全。

目前关于船舶气囊下水过程中船体的姿态检测报道非常少，利用倾角传感器进行船姿态实时检测的内容少之又少。仅2008年12月钱少明发表的论文中提到采用工业控制机的数据采集系统对船舶倾角进行检测，将船舶倾斜角通过RS232总线上传至上位机。但是并未给出详细的检测原理，也没有摆脱检测过程有线的束缚。船舶气囊下水的多支点特性和气囊下水时船舶的运动与受力状况比较复杂，在气囊下水船舶趋于大型化时存在很大风险，随着船舶吨位和长度的增加，容易产生“跌落”或“尾上浮”等现象，造成船底结构由于少数气囊支撑而局部受损。为了避免上述情况湖北的浠水船厂、济南昌林气囊容器厂和浙江工业大学船舶与海洋研究所提出了自己的理论和方法，但并未解决船舶气囊下水过程中船体姿态实时检测和姿态数据便捷传输的问题。

总之，现有技术中在智能气囊控制装置方面还没有一套可靠完整的设计体系，本发明的产生将填补这一领域上的空白。

发明内容

本发明的目的是弥补现有技术的空白，提供一种船舶气囊下水过程中船体姿态检测装置及方法，首先通过倾角传感器实时检测船舶相对于地面的倾角和相对于地面轴向的方位角，将倾角数据利用无线收发模块发送至上位PC机，上位机需要配有无线收发模块，上位机通过经验数据库测定和人为参数调整向气囊控制装置发送命令来调整船舶下水轨迹和姿态。

其技术方案为：

一种船舶气囊下水过程中船体姿态检测装置，主要由上位机和下位机两部分组成，其中：上位机部分主要由微型控制器、无线收发模块、USB控制器、USB接口和上位PC机组成。微型控制器控制USB接收模块与PC机的通信和上位机无线收发模块与下位机无线收发模块的通信；无线收发模块接收下位机的倾角数据信息并向下位机发送PC机命令；USB控制器实现微型控制器与PC机的接口匹配。

下位机部分主要由内置A/D转换器的微型控制器，倾角传感器模块，降压电路和无线收发模块组成。倾角传感器模块是瑞芬公司SCA1800双轴电压型倾角传感器模块，采用5V模拟电压输出技术，分辨率为0.0025度 ，精度为0.03，量程为-85°～+85°，工作温度为-40℃～+85℃，体积为30mm×30mm×7mm，其特点是精度高、体积小、抗震性极高，用来检测船舶下水时船体相对水平面和相对于轴向的倾斜角度(即方位角)；降压电路用来将倾角传感模块输出的角度数据等比例降为微型控制器可以接收的范围；微型控制器将接收到的倾角数据通过无线收发模块nRF24L01上传到上位机并从上位机接收命令并执行。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明在倾角数据传输方面采用了无线传输技术，摆脱了传统船舶姿态检测的有线束缚，使得系统更加灵活；

本发明采用低功耗和内置A/D的微型控制器，使得下位机体积减小、整体功耗降低；

本发明上位机利用USB控制器实现微型控制器和PC机的无缝连接；同时可借助PC机为上位机提供电源，提高了上位机的通用性和灵活性。

本发明可以完整掌握下水过程中的船舶姿态，利用几何倾角计算模型既可得到船体相对于水平面的倾角，又可以得到斜面方位角。

附图说明

图1是本发明船舶气囊下水过程中船体姿态检测装置的上位机部分结构示意图；

图2是本发明船舶气囊下水过程中船体姿态检测装置的下位机部分结构示意图；

图3是降压电路图；

图4是倾角计算模型；

图5是本发明船舶气囊下水过程中船体姿态检测方法下位机的流程图；

图6是本发明船舶气囊下水过程中船体姿态检测方法上位机的流程图。

具体实施方式

下面结合附图具体实施例来详细描述本发明的技术方案。

参照图1，一种船舶气囊下水过程中船体姿态检测装置，主要由内置A/D转换器的微型控制器，倾角传感器模块，降压电路和无线收发模块组成，图1为本发明的上位机结构图主要由微型控制器、无线收发模块、USB控制器、USB接口和上位PC机组成。微型控制器控制USB接收模块与PC机的通信和上位机无线收发模块与下位机无线收发模块的通信；无线收发模块接收下位机的倾角数据信息并向下位机发送PC机命令；USB控制器实现微型控制器与PC机的接口匹配。图2为本发明的下位机结构图，主要由内置A/D转换器的微型控制器，倾角传感器模块，降压电路和无线收发模块组成。倾角传感器模块是瑞芬公司SCA1800双轴电压型倾角传感器模块，采用5V模拟电压输出技术，分辨率为0.0025度 ，精度为0.03，量程为-85°～+85°，工作温度为-40℃～+85℃，体积为30mm×30mm×7mm，其特点是精度高、体积小、抗震性极高，用来检测船舶下水时船体相对水平面和相对于轴向的倾斜角度；降压电路用来将倾角传感模块输出的角度数据等比例降为微型控制器可以接收的范围；微型控制器将接收到的倾角数据通过无线收发模块nRF24L01上传到上位机并从上位机接收命令并执行。

本发明采用芬兰VTI公司生产的SCA1800高精度双轴倾角传感器，其核心是一个采用MEMS技术加工的加速度感应元件，传感器内部包含硅敏感微电容传感器、专用集成电路等。SCA1800双轴电压型倾角传感器模块是瑞芬公司采用SCA100T-D02生产的小体积倾角电路板，采用5V模拟电压输出技术，分辨率为0.0025度 ，精度为0.03，量程为-85°～+85°，工作温度为-40℃～+85℃，体积为30mm×30mm×7mm。其特点是精度高，体积小，抗震性极高。

在倾角数据传输方面采用了无线传输技术，摆脱了传统船舶姿态检测的有线耗和内置A/D的束缚，使得系统更加灵活；下位机微型控制器采用低功C8051F340型芯片，使得下位机体积减小、整体功耗降低；上位机利用USB控制器实现微型控制器和PC机的无缝连接，同时可借助PC机为上位机提供电源，提高了上位机的通用性和灵活性。

如图3所示，由于C8051F340型单片机引脚输入电压最高为3V，而倾角传感器电压输出最大为5V，所以需要对传感器输入电压按比例降压，即将最大5V降低到最大3V，图3所示电路完成电压的等比例转换。

如图4所示，加速度倾角传感器的测量原理是通过测量重力加速度在传感器两个轴向上分量的大小，利用三角函数计算出倾角值，即分别得到两个轴向与垂直方向的夹角。如何根据传感器测出来的数据得出整个斜面的倾角和倾角方位，本发明采用立体几何建模的方法来计算。图4中x、y分别为双轴加速度倾角传感器的两个垂直轴向，将其延长与水平面交于A、C两点。过两轴交点B作水平面的垂线，在水平面的交点为D，连接AD、CD、AC。过B点作AC垂线，交于E点，连接DE。那么传感器两个轴向上测出来的角度分别为：∠BCD=θ₁，∠BAD=θ₂，斜面的夹角为∠BED=θ，斜面夹角相对于x的方位角为∠CBE，相对于y轴的方位角为∠ABE。

在三角椎体ABCD中，已知BD⊥DC，BD⊥AD，CB⊥AB，BE⊥AC。设BD=d，则由三角关系可以得出：

$\mathrm{AB}=\frac{d}{\sin {\mathrm{\θ}}_2},$ $\mathrm{BC}=\frac{d}{\sin {\mathrm{\θ}}_1}$

所以有：

$\mathrm{AC}=\sqrt{{\mathrm{AB}}^2+{\mathrm{BC}}^2}=\frac{d\sqrt{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}}{\sin {\mathrm{\θ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_2}---\left(1\right)$

在直角三角形ABC中，BE×AC=AB×BC，所以有：

$\mathrm{BE}=\frac{\mathrm{AB}\×\mathrm{BC}}{\mathrm{AC}}=\frac{d}{\sqrt{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}}---\left(2\right)$

在直角三角形BDE中，

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{BD}}{\mathrm{BE}}=\sqrt{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}$

即，sin²θ=sin²θ₁+sin²θ₂

所以，整个斜面的倾角与倾角传感器两个轴向的测量角度之间的关系为：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \sqrt{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}---\left(3\right)$

斜面倾角相对于倾角传感器x轴的方位角为：

$\∠\mathrm{CBE}=\arccos \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{\sqrt{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}}---\left(4\right)$

斜面倾角相对于倾角传感器y轴的方位角为：

$\∠\mathrm{ABE}=\arccos \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_2}{\sqrt{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}}---\left(5\right)$

倾角传感器测量相对于水平面的两个轴向的倾斜角，经过降压电路将电压信号送给单片机的ADC转换单元，由单片机对数据进行处理校正，再根据计算公式得出整个斜面的倾角和倾角的相对方向，最后通过液晶显示器显示出来。

如图5、图6所示，一种船舶气囊下水过程中船体姿态检测方法，首先如图5所示，下位机对微型控制器C8051F340初始化，使用内部A/D转换器采集倾角传感器模块输出的电压信号，并对采集信号进行数据校正，再计算出斜面所对应的倾角值和相对于传感器模块轴向的相对方向，将倾角值和相对方向值通过无线收发模块发送至上位机，发送完后检测是否有上位机的PC命令，如果有则执行命令，否则就返回继续接收倾角数据。如图6所示，上位机中通过初始化微型控制器STC89C58RD+,接收下位机数据后发送至PC机,PC机中通过人为设置和经验数据库确定是否向下位机发送命令，若发送命令则启动无线收发模块发送至下位机，否则继续接收下位机数据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种船舶气囊下水过程中船体姿态检测装置，其特征在于，主要由上位机和下位机两部分组成：其中上位机部分主要由微型控制器STC89C58RD+、无线收发模块、USB控制器、USB接口和上位PC机组成；微型控制器控制USB接收模块与PC机的通信和上位机无线收发模块与下位机无线收发模块的通信；无线收发模块接收下位机的倾角数据信息并向下位机发送PC机命令；USB控制器实现微型控制器与PC机的接口匹配；下位机部分主要由内置A/D转换器的微型控制器C8051F340，倾角传感器模块，降压电路和无线收发模块组成，倾角传感器模块用来检测船舶下水时船体相对水平面和相对于轴向的倾斜角度；降压电路用来将倾角传感模块输出的角度数据等比例降为微型控制器可以接收的范围；微型控制器将接收到的倾角数据通过无线收发模块nRF24L01上传到上位机并从上位机接收命令并执行；下位机对微型控制器C8051F340初始化，使用内部A/D转换器采集倾角传感器模块输出的电压信号，并对采集信号进行数据校正，再计算出斜面所对应的倾角值和相对于传感器模块轴向的相对方向，将倾角值和相对方向值通过无线收发模块发送至上位机，发送完后检测是否有上位机的PC命令，如果有则执行命令，否则就返回继续接收倾角数据；上位机中通过初始化微型控制器STC89C58RD+，接收下位机数据后发送至PC机，PC机中通过人为设置和经验数据库确定是否向下位机发送命令，若发送命令则启动无线收发模块发送至下位机，否则继续接收下位机数据。