CN103955233B - 一种用于船舶夜航的危险目标自动灯光跟踪装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于船舶夜航的危险目标自动灯光跟踪装置及方法，该装置包括信号采集单元，包括船载ARPA雷达、本船驾驶室传感器、AIS终端；定时器，用于以计数方式采集灯座在水平和竖直方向两个旋转编码器的脉冲信号；信号处理单元，用于根据信号采集单元的信息和定时器的脉冲信号，得出当前灯座的旋转位置，并得到探照灯相对当前位置需要转动的水平和垂直的角度；灯座控制单元，用于根据单片机输出信息，控制整个灯座的水平和垂直转动。本发明装置解决了当前船载避碰和导航设备在夜间使用时不方便不直观的问题，采用大功率探照灯对可能发生碰撞的动态目标自动地进行及时的定位和跟踪，降低了船员忽视潜在碰撞风险的可能性。
Description
技术领域
本发明涉及船舶技术领域，尤其涉及一种用于船舶夜航的危险目标自动灯光跟踪装置与方法。
背景技术
近年来，我国内河航运业正处于一个新的繁荣发展期，无从船舶数量还是吨位上来讲都有了突飞猛进的发展，然而随之而来的船舶通航安全问题也日益严重。船舶通航安全问题主要是指船舶在通航时有无碰撞、触损、搁浅等问题，为了避免此类威胁船舶安全的事故发生，内河船舶一般都装备了AIS系统，ARPA雷达，VHF通话设备以辅助船舶导航和避碰。然而这些系统和设备在白天时对于有经验的水手和船员来说作用并不是十分明显，他们可以凭经验在可能发生碰撞的情况下做出合理的诸如减速、转舵等操作来避免威胁船舶安全的事故发生；与此同时，在夜间，可视度下降，舵手对AIS终端、雷达和VHF通话设备的依赖程度急剧增加，然而往返于这些设备之间显得极其不便，即使这些设备能提供准确的信息通常船员也需要使用大功率探照灯对相应方向进行照射以确认。所以，船舶在夜间通航的风险要远远大于白天，对于桥区和码头等繁忙水域更是如此。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种用于船舶夜航的危险目标自动灯光跟踪装置与方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于船舶夜航的危险目标自动灯光跟踪装置，包括
信号采集单元，包括船载ARPA雷达、本船驾驶室传感器、AIS终端；
所述ARPA雷达，用于采集本船附近航行的船舶（相对于本船）的距离和他船的航向和航速信息；
本船驾驶室传感器，用于采集本船的航向和航速信息；
AIS终端，用于采集相应方向船舶的船高信息；
定时器，用于以计数方式采集灯座在水平和竖直方向两个旋转编码器的脉冲信号；
信号处理单元，用于根据信号采集单元的信息和定时器的脉冲信号，得出当前灯座的旋转位置，并得到探照灯相对当前位置需要转动的水平和垂直的角度；
还用于输出控制单元所需的PWM信号；
灯座控制单元，用于根据单片机输出的PWM信号，控制整个灯座的水平和垂直转动以跟踪动态目标 。
按上述方案，所述灯座控制单元包括驱动电路和步进电机；用于控制PWM信号经过驱动电路后传送给步进电机，并控制步进电机通过传动机构带动整个灯座的水平和垂直转动以跟踪动态目标。
本发明还提供一种用于船舶夜航的危险目标自动灯光跟踪方法，该方法可使用上述装置。
一种用于船舶夜航的危险目标自动灯光跟踪方法，包括以下步骤：
1）接收信号采集单元采集的信息；
2）若有船舶进入预警范围，则给探照灯供电；若无船舶进入预警范围，则关闭探照灯电源；
3）对进入预警范围的各船舶目标进行危险度排序，检查与最危险目标的预期最短会遇距离是否小于海事要求的范围，若小于则蜂鸣器报警；
4）对进入预警范围的船舶目标按危险度由低到高各进行一次立即跟踪的扫描；所述立即跟踪是指根据信号采集单元采集的当前被跟踪目标的即时信息定位被跟踪目标；
5）对最危险目标进行动态的预测跟踪；所述预测跟踪是指根据信号采集单元采集的两次雷达扫描间隔时间里根据上次获取的关于他船及本船的信息来推测一个雷达扫描周期后被跟踪目标定位信息；
6）根据立即跟踪或预测跟踪需要控制整个灯座的水平和垂直转动以跟踪动态目标。
按上述方案，所述危险度排序通过如下算法得出：
3.1）首先对所有目标船舶进行分组，设目标船舶与本船的预期最短会遇距离为, 海事要求的两船最短会遇距离为d,两船达到最短会遇距离的预期时间为 (i=0,1,2,3…)；<d为组A，>d则为组B；
3.2）组间排序：组A内所有目标危险度大于组B所有目标的危险度；
3.3）对组A内所有目标按其与本船达到最短会遇距离的预期时间长短进行排序，越小则危险度越高；
对组B内所有目标计算其危险度因子K:
K越小则危险度越高，按危险度因子K数值大小排列出B组内各目标的危险度；组A内所有目标危险度大于组B得出所有目标的危险度排序。
按上述方案，所述立即跟踪控制整个灯座的水平和垂直转动如下：
6.1）水平方向
立即跟踪需要转动的水平方向角度为
若，则为顺时针方向转动；若，则为逆时针方向转动；
其中，γ为他船相对本船的方向角，为当前时刻灯座的水平方向角，正北方向为0°，顺时针方向依次增加；
6.2）竖直方向：
立即跟踪需要灯座在竖直方向的回转角度为
若,则需要向下转动；若，则为向上转动。
其中，为当前时刻他船相对本船的竖直方向角，；为当前时刻灯座的竖直方向角；
按上述方案，所述预测跟踪控制整个灯座的水平和垂直转动如下：
6.3）水平方向
预测跟踪他船相对本船的水平方向的方向角变化率为
ωt为正要求灯座水平方向为顺时针转动跟踪，反之则为逆时针方向跟踪；
其中为t时刻他船相对本船的水平方向的方向角，
其中，D为两船当前距离；α为本船航向角，为本船航速 β为最近一次雷达采集到的他船的航向角为β，为他船的航速
6.4）竖直方向：
预测跟踪他船相对本船的竖直方向的方向角变化率为
若为正则要求灯座在竖直方向为向下跟踪，反之为向上跟踪；
其中为t时刻他船相对本船的竖直方向的方向角；
其中，为他船的船高，为本船灯座高度，h为本船吃水深度。
本发明产生的有益效果是：
本发明解决了当前船载避碰和导航设备在夜间使用时不方便不直观的问题，采用大功率探照灯对可能发生碰撞的动态目标自动地进行及时的定位和跟踪，这在夜间的视觉效果颇为震撼，同时其智能化的特点减少了在夜间行船时船员的工作量，进一步降低了船员忽视潜在碰撞风险的可能性；本发明为在已有导航设备的基础上进一步保障船舶在夜间的通航安全。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的系统总体框架图；
图2是本发明实施例的信号处理电路框图；
图3是本发明实施例的跟踪方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，图1是本发明所涉及系统的总体框架图。
图中由三部分组成，分别为信号采集单元、处理单元和灯座控制单元。其中，处理单元使用单片机系统；灯座控制单元，用于根据单片机输出的PWM波，控制整个灯座的水平和垂直转动以跟踪动态目标 。
信号采集单元包括船载ARPA雷达、本船驾驶室传感器、AIS终端；
其中ARPA雷达是一种能对船舶航行附近水域动态目标进行识别和标识的一种专用雷达，ARPA雷达雷达可以提供他船相对本船的方向角，距离，他船航向和航速等动态信息，APRA雷达的扫描周期为3s。
船舶驾驶室都有航速和航向的传感器，航速一般是通过船舶主机转速传感器传送而来，航向是由陀螺仪之类的惯性敏感装置得出。通常主驾驶室还配备有舵角传感器，通过舵角传感器可以计算得出当前船舶的转向率，但由于本发明所涉及的跟踪过程有立即跟踪，此外雷达的扫描周期很短，所以本发明暂不涉及转向率相关问题。
AIS终端设备可以接受到附近船舶的静态信息、动态信息和航行相关信息。
由于AIS报文发送间隔很长，很难满足本发明实时跟踪的需要，本发明的前端采集系统只采集他船的船高信息。
所有前段采集的数据通过RS-485线传送给RS-485集线器。集线器可以将多路RS-485信号整合为一路，以主站轮询的方式进行通信。
单片机芯片本身不能直接识别RS-485电平信号，通过RS-485收发器可以实现其与单片机的通信的目的。
图2为信号处理电路框图。
时钟电路和电源电路是为了保证单片机正常工作的需要，时钟可以外接晶振；电源为3.3V直流供电，内河船舶配备有220V交流电源，通过变压器和整流电路滤波电路可以得到3.3V直流电源。
所有前端采集到的信息送给单片机内置串口相映射的I/O口。
两个旋转编码器分别用来记录水平方向和竖直方向两个步进电机当前的角度位置，其输出的脉冲信号可以由单片机的定时器进行计数，再结合每转脉冲数可以计算出当前灯座在两个方向的角度。
单片机通过内置定时器输出脉冲信号或者I/O口接脉冲宽度调制器电路，脉冲宽度调制器可以对信号的频率和脉冲宽度进行调制，脉冲宽度由电机绕组线圈电流滞后时间来确定，脉冲宽度必大于电流滞后时间，来保证线圈完全得电。脉冲频率由动态跟踪过程算法得出，与此同时立即跟踪过程中立即输出一定个数脉冲的频率必须低于电机负载启动频率以保证电机不会出现啸叫。
驱动电路可由脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路组成，脉冲分配器将PWM波按照当前选用的步进电机的各相绕组的通电时序来进行分配，五相混合式步进电机各项绕组按照一二相交叉通电的时序为：A—AE—E—ED—D—DC—C—CB—B—BA。功率驱动电路主要是对脉冲信号进行扩流，使其功率达到带动电机转动的要求；绕组线圈在转动时电感产生的反向电动势降低了绕组电流，电流控制电路可以稳定电机各项绕组的通电电流。保护电路可以防止电机的高电压信号串扰到单片机芯片防止芯片烧毁。
本装置使用ST公司的STM32F103ZET6芯片及其外围电路实现。
雷达、AIS终端以及本船的信号通过MAX3485芯片驱动后被STM32的UART1接受。UART1工作在读数据中断模式，每次有串口数据输入即执行中断服务函数。两个增量式旋转编码器的6路脉冲信号被STM32内置的高级定时器TIM1采集，定时器以向上计数方式工作，根据其数据寄存器的值和该编码器每转脉冲数计算出当前灯座在两个方向上的位置。
PE0口经过三极管S8050驱动后控制继电器RELAY，继电器连接着探照灯的供电电路。一旦检测到有目标进入预警范围，PE0口输出低电平以控制继电器接通220V交流电源。
当有目标船舶的预期最短会遇距离小于海事规定的范围时，单片机控制PF0口输出高电平，经三极管反向后可给蜂鸣器供电，实现声音报警功能。
单片机内置的通用定时器TIM2\TIM3\TIM4\TIM5可以用来输出控制步进电机转动的PWM信号。通过设置预分频寄存器可以调节脉冲的频率，通过捕获\比较寄存器可以调节脉冲宽度。每个通用定时器有4个通道，由于控制两个5相步进电机一共需要10路PWM信号，本设计使用了定时器TIM2、TIM3的四个通道和TIM4的两个通道。
ISO7240是4通道数字隔离器，PWM信号经过光耦隔离后需要进行扩流后才能驱动步进电机，ULN2003 是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN 复合晶体管组成,其具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点。最大驱动电流可以达到500mA，可以满足驱动步进电机的要求。
四个按键输入KEY_UP、KEY_DOWN、KEY_LEFT和KEY_RIGHT作为外部中断输入到单片机，当需要手动探照灯时，可以通过按键来实现向相应方向的转动。同时两个发光二极管用来指示当前是自动跟踪模式还是手动跟踪模式。
本发明还提供一种用于船舶夜航的危险目标自动灯光跟踪方法，该方法可使用上述装置。
如图3所示,一种用于船舶夜航的危险目标自动灯光跟踪方法，包括以下步骤：
1）接收信号采集单元采集的信息；
2）若有船舶进入预警范围，则给探照灯供电；若无船舶进入预警范围，则关闭探照灯电源；
3）对进入预警范围的各船舶目标进行危险度排序，检查与最危险目标的预期最短会遇距离是否小于海事要求的范围，若小于则蜂鸣器报警；
4）对进入预警范围的船舶目标按危险度由低到高各进行一次立即跟踪的扫描；所述立即跟踪是指根据信号采集单元采集的当前被跟踪目标的即时信息定位被跟踪目标；
5）对最危险目标进行动态的预测跟踪；所述预测跟踪是指根据信号采集单元采集的两次雷达扫描间隔时间里根据上次获取的关于他船及本船的信息来推测一个雷达扫描周期后被跟踪目标定位信息；
6）根据跟踪需要控制整个灯座的水平和垂直转动以跟踪动态目标；
其中，步骤3）中危险度排序通过如下算法得出：
3.1）首先对所有目标船舶进行分组，设目标船舶与本船的预期最短会遇距离为, 海事要求的两船最短会遇距离为d,两船达到最短会遇距离的预期时间为 (i=0,1,2,3…)；<d为组A，>d则为组B；
3.2）组间排序：组A内所有目标危险度大于组B所有目标的危险度；
3.3）对组A内所有目标按其与本船达到最短会遇距离的预期时间长短进行排序，越小则危险度越高；
对组B内所有目标计算其危险度因子K:
K越小则危险度越高，按危险度因子K数值大小排列出B组内各目标的危险度；组A内所有目标危险度大于组B得出所有目标的危险度排序。
下面对两种跟踪过程所涉及的算法作具体阐释：
若本船航向角为α，航速为最近一次雷达采集到的他船的航向角为β，航速为两者当前距离为D,他船相对本船的方向角为γ，当前时刻灯座的水平方向角为（定义与航向角相同，正北方向为0°，顺时针方向依次增加）, 竖直方向角为（正上方为0°,从上往下依次增加，最下方为180°，任一角度对应一特定方向锥面）。本船灯座高度为，吃水深度为h，他船船高为。
1）水平方向
立即跟踪需要转动的水平方向角度为
若，则为顺时针方向转动；若，则为逆时针方向转动。
步进电机步进角为，经过由齿轮组及连接杆组成的传动机构传动之后，步进电机每进或退一步使得灯座水平方向回转，即水平方向传动比为:。
则立即跟踪过程需要控制水平方向回转的步进电机的回转角度为
控制水平方向电机的I/O口应输出的脉冲个数
t时刻他船相对本船的水平方向的方向角为
式(1)
他船相对本船的水平方向的方向角变化率为
式(2)
为正要求灯座水平方向为顺时针转动跟踪，反之则为逆时针方向跟踪。
显然与控制灯座水平方向回转的步进电机对应I/O口的输出脉冲的频率是成正比的，其比例系数为,即
2）竖直方向
由于他船吃水深度未知，况且具体照射高度位置并不十分紧要，本发明所涉及的灯光跟踪系统照射位置为他船水上高度处。
则当前时刻他船相对本船的竖直方向角为
立即跟踪需要灯座在竖直方向的回转角度为
若,则需要向下转动；若，则为向上转动。
若控制灯座竖直方向转动的步进电机步进角也为（两者选用同一种型号的电机），经过由齿轮组及连接杆组成的传动机构传动之后，步进电机每进或退一步使得灯座水平方向回转，即竖直方向传动比为:。则立即跟踪过程需要控制竖直方向回转的步进电机的回转角度为
t时刻他船相对本船的竖直方向的方向角为
他船相对本船的竖直方向的方向角变化率为
为正则要求灯座在竖直方向为向下跟踪，反之为向上跟踪。
显然与控制灯座竖直方向回转的步进电机对应I/O口的输出脉冲的频率
是成正比的，其比例系数为,即
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种使用船舶夜航的危险目标自动灯光跟踪装置的危险目标自动灯光跟踪方法，所述危险目标自动灯光跟踪装置包括：
信号采集单元，包括船载ARPA雷达、本船驾驶室传感器、AIS终端；
所述ARPA雷达，用于采集本船附近航行的船舶相对于本船的距离和他船的航向和航速信息；
本船驾驶室传感器，用于采集本船的航向和航速信息；
AIS终端，用于采集相应方向船舶的船高信息；
定时器，用于以计数方式采集灯座在水平和竖直方向两个旋转编码器的脉冲信号；
信号处理单元，用于根据信号采集单元的信息和定时器的脉冲信号，得出当前灯座的旋转位置，并得到探照灯相对当前位置需要转动的水平和垂直的角度；
还用于输出灯座控制单元所需的PWM信号；
灯座控制单元，用于根据信号处理单元输出的PWM信号，控制整个灯座的水平和垂直转动以跟踪动态目标；
其特征在于，包括以下步骤：
1)接收信号采集单元采集的信息；
2)若有船舶进入预警范围，则给探照灯供电；若无船舶进入预警范围，则关闭探照灯电源；
3)对进入预警范围的各船舶目标进行危险度排序，检查与最危险目标的预期最短会遇距离是否小于海事要求的范围，若小于则蜂鸣器报警；
4)对进入预警范围的船舶目标按危险度由低到高各进行一次立即跟踪的扫描；所述立即跟踪是指根据信号采集单元采集的当前被跟踪目标的即时信息定位被跟踪目标；
5)对最危险目标进行动态的预测跟踪；所述预测跟踪是指在信号采集单元采集的两次雷达扫描间隔时间里，根据上次获取的关于他船及本船的信息来推测一个雷达扫描周期后被跟踪目标定位信息；
6)根据立即跟踪或预测跟踪需要控制整个灯座的水平和垂直转动以跟踪动态目标。
2.根据权利要求1所述的危险目标自动灯光跟踪方法，其特征在于，所述危险 度排序通过如下算法得出：
3.1)首先对所有目标船舶进行分组，设目标船舶与本船的预期最短会遇距离为Di,海事要求的两船最短会遇距离为d,两船达到最短会遇距离的预期时间为ti,其中，i＝0,1,2,3…；Di <d为组A，Di>d则为组B；
3.2)组间排序：组A内所有目标危险度大于组B所有目标的危险度；
3.3)对组A内所有目标按其与本船达到最短会遇距离的预期时间长短进行排序，ti越小则危险度越高；
对组B内所有目标计算其危险度因子Ki:
Ki越小则危险度越高，按危险度因子Ki数值大小排列出B组内各目标的危险度；组A内所有目标危险度大于组B得出所有目标的危险度排序。
3.根据权利要求1所述的危险目标自动灯光跟踪方法，其特征在于，
所述立即跟踪控制整个灯座的水平和垂直转动如下：
6.1)水平方向
立即跟踪需要转动的水平方向角度为
若则为顺时针方向转动；若则为逆时针方向转动；
其中，γ为他船相对本船的方向角，为当前时刻灯座的水平方向角，正北方向为0°，顺时针方向依次增加；
6.2)竖直方向：
立即跟踪需要灯座在竖直方向的回转角度为
若则需要向下转动；若则为向上转动；
其中，为当前时刻他船相对本船的竖直方向角，其中Hy为他船的船高，Hx为本船灯座高度，h为本船吃水深度；为当前时刻灯座的竖直方向角。
4.根据权利要求3所述的危险目标自动灯光跟踪方法，其特征在于，
所述预测跟踪控制整个灯座的水平和垂直转动如下：
6.3)水平方向
预测跟踪他船相对本船的水平方向的方向角变化率为
ωt为正要求灯座水平方向为顺时针转动跟踪，反之则为逆时针方向跟踪；
其中γt为t时刻他船相对本船的水平方向的方向角，
其中，D为两船当前距离；α为本船航向角，Vx为本船航速；β为最近一
次雷达采集到的他船的航向角，Vy为他船的航速；
6.4)竖直方向：
预测跟踪他船相对本船的竖直方向的方向角变化率为
若τt为正则要求灯座在竖直方向为向下跟踪，反之为向上跟踪；
其中为t时刻他船相对本船的竖直方向的方向角；
其中，Hy为他船的船高，Hx为本船灯座高度，h为本船吃水深度。
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