CN103754335A - 一种船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量系统，船舶吃水传感器、电源模块、信号调理模块、数据处理模块、液晶显示模块以及姿态传感器；所述电源模块分别与信号调理模块、数据处理模块、液晶显示模块相连；船舶吃水传感器与信号调理模块相连；姿态传感器与数据处理模块相连。本发明还公开了基于上述系统的测量方法。本发明提供的基于三位置船舶吃水传感器和姿态传感器船舶吃水及姿态鲁棒测量系统及其方法，能够在部分传感器失效的情况下仍然实现船舶吃水深度和船舶姿态的有效监测，防止相关传感器失效极有可能造成的船舶搁浅和船舶翻倾事故，具有重大的应用前景。

Description

一种船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量系统及其方法

技术领域

本发明属于一种电子监测方法及装置，具体涉及一种船舶吃水及姿态鲁棒测量系统及其方法。

背景技术

船舶吃水深度和船舶姿态为船舶航行中两类重要监测参数，相关传感器失效极有可能造成船舶搁浅和船舶翻倾事故。船东将蒙受巨大经济损失，船舶人员生命安全也会受到严重威胁。内河航运中，相关事故还会破坏航道、损坏船闸设施，致使船舶大量滞留和积压，产生恶劣社会影响。

为了保证船舶运输以及航道安全，本发明设计了一种船舶吃水及姿态测量方法及装置，其着重提高了船舶吃水和姿态监测的鲁棒性，即在部分传感器失效的情况下仍然实现船舶吃水深度和船舶姿态的有效监测。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于三位置船舶吃水传感器和姿态传感器的船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量系统。

本发明还提供了基于三位置船舶吃水传感器和姿态传感器的船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量的方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量系统，船舶吃水传感器、电源模块、信号调理模块、数据处理模块、液晶显示模块以及姿态传感器；所述电源模块分别与信号调理模块、数据处理模块、液晶显示模块相连；船舶吃水传感器与信号调理模块相连；姿态传感器与数据处理模块相连。

进一步地，所述船舶吃水传感器包括艏吃水传感器、左舷吃水传感器以及右舷吃水传感器；所述艏吃水传感器、左舷吃水传感器以及右舷吃水传感器分别与信号调理模块相连。

进一步地，艏吃水传感器、左舷吃水传感器以及右舷吃水传感器分别安装在船舶的船艏和船艉的左右舷三处。

进一步地，所述姿态传感器安装在船舶中心线上。

进一步地，电源模块、数据处理模块、信息调理模块、液晶显示模块分别安装于船舶控制箱内。

本发明中三个吃水传感器均嵌套于钢管内，并始终埋于水中，吃水传感器数据首先被送入信号调理模块，在信号调理模块内通过光电隔离将信号与现场干扰隔离开来，将信号调理模块内处理好的信号送入数据处理模块。数据处理模块同时通过RS485串口采集姿态传感器输出的姿态信息。在数据处理模块内通过自主开发的软件获得船舶的艏吃水、艉左舷吃水、艉右舷吃水和船舶横、纵倾角；最终在液晶显示模块上显示艏吃水深度、左舷吃水深度、右舷吃水深度和船舶横纵倾角等数据。

一种船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量方法，其步骤包括：

（1）在船艏和船艉的左右舷各三处安装吃水传感器，采集吃水传感器实时产生的吃水数据送入信号调理模块；

(2)在信号调理模块对吃水数据进行光电隔离处理，将其与现场干扰隔离开来；

（3）通过RS485串口采集姿态传感器输出的姿态数据信息，在数据处理模块内，对各组数据进行综合处理，最终获得船舶的艏吃水深度、左舷吃水深度、右舷吃水深度、船舶横、纵倾角一系列数据；

（4）当所有传感器有效的情况下，数据处理模块会进行输出信息的复核；而当部分传感器受到外部扰动而失效的情况下，而数据处理模块则会计算失效传感器的数据；

（5）数据处理模块处理过的数据通过RS485串口送入液晶显示模块，进行CRC校验，判断数据传输是否存在错误，没有错误后进行显示。

数据处理模块设有以下程序：当所有传感器有效的情况下，可以利用公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）完成传感器输出信息的复核；当部分传感器受到外部扰动而失效的情况下，可以利用公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）估计计算失效传感器的数据，公式分别为：

${\mathrm{\θ}}_1=\arcsin \left(\frac{l_2-l_1}{D}\right)---\left(1\right)$

${\mathrm{\θ}}_2=\arcsin \left(\frac{l_3-\frac{l_1+l_2}{2}}{L}\right)---\left(2\right)$

l₂＝Dsinθ₁+l₁    （3）

l₁＝l₂-Dsinθ₁    （4）

$l_3=\frac{l_1+l_2}{2}+L\sin {\mathrm{\θ}}_2---\left(5\right)$

（1）、（2）、（3）、（4）和（5）式中θ₁、θ₂分别为船舶横倾角和纵倾角，由姿态传感器测量，单位为弧度；l₁、l₂、l₃分别为船艉左右舷吃水深度和船艏吃水深度,由吃水传感器测量，单位为米；D为船体宽度，单位为米；L为船体长度，单位为米。

进一步地，所述传感器失效的数量为1～2个。

有益效果：本发明相对于现有技术而言具备以下优点：

本发明提供的基于三位置船舶吃水传感器和姿态传感器船舶吃水及姿态鲁棒测量系统及其方法，能够在部分传感器失效的情况下仍然实现船舶吃水深度和船舶姿态的有效监测，防止相关传感器失效极有可能造成的船舶搁浅和船舶翻倾事故，具有重大的应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量系统，船舶吃水传感器、电源模块、信号调理模块、数据处理模块、液晶显示模块以及姿态传感器；所述电源模块分别与信号调理模块、数据处理模块、液晶显示模块相连；船舶吃水传感器与信号调理模块相连；姿态传感器与数据处理模块相连；所述船舶吃水传感器包括艏吃水传感器、左舷吃水传感器以及右舷吃水传感器；所述艏吃水传感器、左舷吃水传感器以及右舷吃水传感器分别与信号调理模块相连；艏吃水传感器、左舷吃水传感器以及右舷吃水传感器分别安装在船舶的船艏和船艉的左右舷三处；所述姿态传感器安装在船舶中心线上；电源模块、数据处理模块、信息调理模块、液晶显示模块分别安装于船舶控制箱内。

一种船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量方法，其步骤包括：

（1）在船艏、船艉的左右舷三处安装吃水传感器，采集吃水传感器实时产生的吃水数据送入信号调理模块；

(2)在信号调理模块对吃水数据进行光电隔离处理，将其与现场干扰隔离开来；

（3）通过RS485串口采集姿态传感器输出的姿态数据信息，在数据处理模块内，对各组数据进行综合处理，最终获得船舶的艏吃水深度、左舷吃水深度、右舷吃水深度、船舶横、纵倾角一系列数据；

（4）当所有传感器有效的情况下，数据处理模块会进行输出信息的复核；而当部分传感器受到外部扰动而失效的情况下，而数据处理模块则会计算失效传感器的数据；

（5）数据处理模块处理过的数据通过RS485串口送入液晶显示模块，进行CRC校验，判断数据传输是否存在错误，没有错误后进行显示。

当所有传感器有效的情况下，可以利用公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）完成传感器输出信息的复核；当部分传感器受到外部扰动而失效的情况下，可以利用公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）估计计算失效传感器的数据，公式分别为：

${\mathrm{\θ}}_1=\arcsin \left(\frac{l_2-l_1}{D}\right)---\left(1\right)$

${\mathrm{\θ}}_2=\arcsin \left(\frac{l_3-\frac{l_1+l_2}{2}}{L}\right)---\left(2\right)$

l₂＝Dsinθ₁+l₁    （3）

l₁＝l₂-Dsinθ₁    （4）

$l_3=\frac{l_1+l_2}{2}+L\sin {\mathrm{\θ}}_2---\left(5\right)$

（1）、（2）、（3）、（4）和（5）式中θ₁、θ₂分别为船舶横倾角和纵倾角，单位为弧度；l₁、l₂、l₃分别为船艉左右舷吃水深度和船艏吃水深度,单位为米；D为船体宽度，单位为米；L为船体长度，单位为米。

作为本发明的具体实施例，某型货运船舶船体宽度D为5.30米，船体长度L为31.20米，某次满载工况下实际测量得船艉左舷吃水2.71米，船艉右舷吃水2.89米，船艏吃水2.48米，同时姿态传感器输出横倾角θ₁为2.16度，纵倾角θ₂为-0.70度。根据公式（1）、（2）估计出船舶横倾角为1.95度，纵倾角为-0.59度。在姿态传感器有效的情况下，比较姿态传感器的实际输出值和估计计算值，可以确定当前姿态传感器工作良好。反之，如果姿态传感器失效，则可以利用公式（1）、（2）的估计计算值作为船舶横、纵倾角。公式（3）、（4）、（5）的应用方法依此类推。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量系统，其特征在于：船舶吃水传感器、电源模块、信号调理模块、数据处理模块、液晶显示模块以及姿态传感器；所述电源模块分别与信号调理模块、数据处理模块、液晶显示模块相连；船舶吃水传感器与信号调理模块相连；姿态传感器与数据处理模块相连。

2.根据权利要求1所述的船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量系统，其特征在于：所述船舶吃水传感器包括艏吃水传感器、左舷吃水传感器以及右舷吃水传感器；所述艏吃水传感器、左舷吃水传感器以及右舷吃水传感器分别与信号调理模块相连。

3.根据权利要求2所述的船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量系统，其特征在于：艏吃水传感器、左舷吃水传感器以及右舷吃水传感器分别安装在船舶的船艏和船艉的左右舷三处。

4.根据权利要求2所述的船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量系统，其特征在于：所述姿态传感器安装在船舶中心线上。

5.根据权利要求2所述的船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量系统，其特征在于：电源模块、数据处理模块、信息调理模块、液晶显示模块分别安装于船舶控制箱内。

6.根据权利要求2所述的船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量系统，其特征在于：数据处理模块设有如下程序模块：当所有传感器有效的情况下，可以利用公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）完成传感器输出信息的复核；当部分传感器受到外部扰动而失效的情况下，可以利用公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）估计计算失效传感器的数据，公式分别为：

${\mathrm{\θ}}_1=\arcsin \left(\frac{l_2-l_1}{D}\right)---\left(1\right)$

${\mathrm{\θ}}_2=\arcsin \left(\frac{l_3-\frac{l_1+l_2}{2}}{L}\right)---\left(2\right)$

l₂＝Dsinθ₁+l₁    （3）

l₁＝l₂-Dsinθ₁    （4）

$l_3=\frac{l_1+l_2}{2}+L\sin {\mathrm{\θ}}_2---\left(5\right)$

（1）、（2）、（3）、（4）和（5）式中θ₁、θ₂分别为船舶横倾角和纵倾角，单位为弧度；l₁、l₂、l₃分别为船艉左右舷吃水深度和船艏吃水深度,单位为米；D为船体宽度，单位为米；L为船体长度，单位为米。

7.根据权利要求6所述的船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量系统，其特征在于：所述传感器失效的数量为1～2个。

8.一种基于权利要求1～7中任一项所述的船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量系统的测量方法，其特征在于：其步骤包括：

（1）在船艏、船艉的左右舷安装吃水传感器，采集吃水传感器实时产生的吃水数据送入信号调理模块；

(2)在信号调理模块对吃水数据进行光电隔离处理，将其与现场干扰隔离开来；

（3）通过RS485串口采集姿态传感器输出的姿态数据信息，在数据处理模块内，对各组数据进行综合处理，最终获得船舶的艏吃水深度、左舷吃水深度、右舷吃水深度、船舶横、纵倾角一系列数据；

（4）当所有传感器有效的情况下，数据处理模块会进行输出信息的复核；而当部分传感器受到外部扰动而失效的情况下，而数据处理模块则会计算失效传感器的数据；

（5）数据处理模块处理过的数据通过RS485串口送入液晶显示模块，进行CRC校验，判断数据传输是否存在错误，没有错误后进行显示。

9.根据权利要求8所述的船舶吃水及姿态的鲁棒实时测量方法，其特征在于：当所有传感器有效的情况下，可以利用公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）完成传感器输出信息的复核；当部分传感器受到外部扰动而失效的情况下，可以利用公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）估计计算失效传感器的数据，公式分别为：

${\mathrm{\θ}}_1=\arcsin \left(\frac{l_2-l_1}{D}\right)---\left(1\right)$

${\mathrm{\θ}}_2=\arcsin \left(\frac{l_3-\frac{l_1+l_2}{2}}{L}\right)---\left(2\right)$

l₂＝Dsinθ₁+l₁    （3）

l₁＝l₂-Dsinθ₁    （4）

$l_3=\frac{l_1+l_2}{2}+L\sin {\mathrm{\θ}}_2---\left(5\right)$

（1）、（2）、（3）、（4）和（5）式中θ₁、θ₂分别为船舶横倾角和纵倾角，单位为弧度；l₁、l₂、l₃分别为船艉左右舷吃水深度和船艏吃水深度,单位为米；D为船体宽度，单位为米；L为船体长度，单位为米。

Images