CN104129480A - 一种浮式船舶吃水检测系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶吃水检测系统及其工作方法，所述的系统包括浮体、固定支架、缆绳、检测门、超声波传感器阵列、高精度角度传感器、面向水底的超声波传感器和超声波反射装置。本发明的高精度角度传感器能准确测出浮体横摇、纵摇时的摆动角度，通过该角度和必要的长度数据，可以计算出检测门两端的高度变化，从而计算出每只角度传感器测量时产生的误差。该方法速度快，误差小，可满足实时补偿的要求，有效的提高了船舶吃水量测量结果的准确性。采用面向水底的超声波传感器和超声波反射装置，可以确保在浮体重心发生变化时，也能实时计算出检测门两端的高度变化，从而对每只超声波传感器测量值进行误差补偿，提高测量结果的准确性。

Description

一种浮式船舶吃水检测系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及船舶吃水检测、船舶运量检测和船舶安全检测等领域，特别是一种浮式船舶吃水检测系统及其工作方法。

背景技术

随着经济的发展，我国的内河航运量逐年增加，航道中船舶数量和密度均大幅提高，船舶吃水超限对航运安全的威胁日益严重，为了保证航道安全和通航效率，必须进行船舶吃水量测量。现有的一种船舶吃水量检测方法为超声波传感器阵列法。该方法有固定安装和采用浮体安装两种形式。

固定安装时，检测门的两端必须安装在已有的基础设施上，如船闸、浮堤、导航墙等。这种形式具有以下缺点：

1、对于安装位置有特殊要求：航道太窄，检测设施维护时容易碍航，航道太宽太深则施工困难，且影响通航安全；

2、最合适的安装位置随航道水位变化而不断变化，即固定安装检测系统在枯水期有可能因为碍航而不能使用；

3、检修困难，只能原地检修，限制因数多。

采用浮体安装时，传感器阵列固定在检测门上，将检测门的两端用缆绳悬挂在作为浮体的船体上，放置于水下一定深度处，当船舶通过时，根据检测门的深度以及超声波传感器测得的检测门至船底的距离，可以计算出船舶的吃水量。浮体安装对安装位置没有特殊要求，且建设成本低、易于安装、维修方便，能根据航道水位变化实时调整调整安装位置。

浮体安装有很多优点，但仍有一些技术限制。浮体在水中会存在晃动，会带动检测门的摆动，特别是当检测门左右两端的高度产生变化时，测量的结果会存在较大偏差。浮体摇摆时对测量结果高速高精度补偿的问题没有得到很好地解决，使得该方法测量精度低。另外，当浮体的重心变化量较小时，采用该方法测量效率也比较低。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既可以保证航道安全、提高通航效率，又可以提高精度和效率的浮式船舶吃水检测系统及其工作方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种浮式船舶吃水检测系统，包括浮体、固定支架、角度传感器、缆绳、检测门、面向水面的超声波传感器阵列、面向水底的超声波传感器和超声波反射装置。所述的浮体用锚链固定在水面上；所述的固定支架安装在浮体中部纵轴线上。

所述的角度传感器为高精度角度传感器，安装在浮体纵轴线边缘位置，并且和浮体表面平行，角度传感器用来测量浮体横摇和纵摇时的摆动角度。角度传感器精度高于0.5度、采样频率高于5Hz。

所述的检测门用缆绳悬挂于浮体的固定支架上，检测门没入水下的深度根据检测需要进行调整；所述的面向水面的超声波传感器阵列是用多个面向水面的超声波传感器等间距固定安装在检测门上，用来测量检测门和通航船舶之间的距离信息。

所述的检测门最左端和最右端分别安装有面向水底的超声波传感器，在面向水底的超声波传感器正下面的固定位置安装有超声波反射装置，面向水底的超声波传感器向水下发射超声波信号，通过超声波反射装置返回后，测量检测门支架和水底之间的距离信息。

一种浮式船舶吃水检测系统的工作方法，包括以下步骤：

A、设ΔX₁为浮体重心的变化量，ΔX₂为利用面向水底的超声波传感器和超声波反射装置测得的误差值；当ΔX₁小于ΔX₂时，浮体重心变化对检测门深度影响可忽略，只考虑浮体横摇和纵摇，转步骤B；当ΔX₁大于或者等于ΔX₂时，转步骤E。

B、当浮体发生横摇时，固定安装在浮体上的支架也会随着浮体横摇，设浮体上的固定支架较长的一边长度为R，左边的固定支架与浮体水平面的角度为固定值α₁。当浮体发生摇摆后，利用角度传感器测出固定支架在水平方向偏离的角度β₁，利用固定支架的几何关系求出左侧缆绳在垂直方向上的位移

ΔZ'₁＝R×sin(α₁+β₁)-R×sinα₁

同理得右侧缆绳在垂直方向上的位移

ΔZ'₂＝R×sin(α₂+β₂)-R×sinα₂

C、在浮体发生横摆的条件下，浮体发生纵摆时，利用角度传感器测出左侧固定支架在垂直方向上偏离的角度ω₁，求出左侧缆绳在垂直方向移动的距离为

ΔZ₁＝ΔZ'₁cosω₁＝(R×sin(α₁+β₁)-R×sinα₁)cosω₁

同理求出右侧缆绳在右侧缆绳在垂直方向移动的距离为

ΔZ₂＝ΔZ'₂cosω₂＝(R×sin(α₂+β₂)-R×sinα₂)cosω₂

D、检测门上安装M个面向水面的超声波传感器，两个相邻的面向水面的超声波传感器之间的距离为N，则检测门的长度利用公式(M-1)N求出，通过检测门安装结构几何关系计算检测门的倾斜角度θ

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{{\mathrm{\ΔZ}}_2-{\mathrm{\ΔZ}}_1}{(M-1)N}\right)$

然后跳转到步骤G。

E、利用面向水底的超声波传感器以及与其对应的超声波反射装置，测得检测门左右两端未产生晃动时距离超声波反射装置的高度以及晃动后距离超声波反射装置的高度，然后求出检测门高度差。

当检测门没有晃动时，检测门左端的面向水底的超声波传感器距超声波反射装置的高度为h₁，当检测门产生晃动时，高度变为h'₁，检测门左侧高度差为ΔH₁，则

ΔH₁＝h'₁-h₁

同理，当检测门没有晃动时，检测门右端的面向水底的超声波传感器距超声波反射装置的高度为h₂，当检测门产生晃动时，高度变为h'₂，此时检测门右侧高度差

ΔH₂＝h'₂-h₂

F、检测门上固定安装M个面向水面的超声波传感器，两个面向水面的超声波传感器之间的距离为固定值N，检测门的长度利用公式(M-1)N求出，通过检测门安装结构几何关系计算检测门的倾斜角度θ。

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{{\mathrm{\ΔH}}_2-{\mathrm{\ΔH}}_1}{(M-1)N}\right)$

G、静止状态下由面向水面的超声波传感器测量水面的距离对其深度进行标定，得到深度标定值数组{H₁,H₂,...,H_M}。按从左至右的方向，第i个面向水面的超声波传感器由于浮体摇摆引起的深度偏移量为

ΔH_i＝ΔH₁+N×(i-1)×sinθ(i＝1,2,...,M)

由上述公式得到的深度实时补偿值数组{ΔH₁,ΔH₂,...,ΔH_M}，实际深度值H'₁＝H_i-ΔH_i(i＝1,2,3,...,M)，通过补偿后的面向水面的超声波传感器的实时深度值数组为{H'₁,H'₂,...,H'_M}，并且通过与其同步的测量值数组{X₁,X₂,...,X_M}做差值即得到真实通航船舶吃水量检测结果。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、本发明的高精度角度传感器能准确测出浮体横摇、纵摇时的摆动角度，通过该角度和必要的长度数据，可以计算出检测门两端的高度变化，从而计算出每只角度传感器测量时产生的误差。该方法速度快，误差小，可满足实时补偿的要求，有效的提高了船舶吃水量测量结果的准确性。

2、采用面向水底的超声波传感器和超声波反射装置，可以确保在浮体重心发生变化时，也能实时计算出检测门两端的高度变化，从而对每只超声波传感器测量值进行误差补偿，提高测量结果的准确性。

3、本发明可以通过一个系统的两种误差补偿方式对浮体的横摇、纵摇和垂荡几种晃动方式进行误差补偿，使得测量结果更加精确，减少了误判的可能性，保证了航道的运行安全，提高了通航效率。

附图说明

图1为浮式船舶吃水检测系统示意图。

图2为浮式吃水检测系统浮体摇摆补偿示意图。

图3为固定支架随浮体摇摆示意图。

图4为随浮体发生横摆时的固定支架在xoz平面上的投影。

图5为随浮体摆动的固定支架在yoz平面上的投影。

图6为带传感器反射装置浮式吃水检测系统浮体摇摆补偿示意图。

图中：1、浮体，2、固定支架，3、角度传感器，4、缆绳，5、检测门，6、面向水面的超声波传感器阵列，7、面向水底的超声波传感器，8、超声波反射装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。如图1所示，一种浮式船舶吃水检测系统，包括浮体1、固定支架2、角度传感器3、缆绳4、检测门5、面向水面的超声波传感器阵列6、面向水底的超声波传感器7和超声波反射装置8。所述的浮体1用锚链固定在水面上；所述的固定支架2安装在浮体1中部纵轴线上。

所述的角度传感器3为高精度角度传感器3，安装在浮体1纵轴线边缘位置，并且和浮体1表面平行，角度传感器3用来测量浮体1横摇和纵摇时的摆动角度。角度传感器3最大精度为千分之一度、采样频率最高为100Hz。

所述的检测门5用缆绳4悬挂于浮体1的固定支架2上，检测门5没入水下的深度根据检测需要进行调整；所述的面向水面的超声波传感器阵列6是用多个面向水面的超声波传感器等间距固定安装在检测门5上，用来测量检测门5和通航船舶之间的距离信息。

所述的检测门5最左端和最右端分别安装有面向水底的超声波传感器7，在面向水底的超声波传感器7正下面的固定位置安装有超声波反射装置8，面向水底的超声波传感器7向水下发射超声波信号，通过超声波反射装置8返回后，测量检测门5支架和水底之间的距离信息。

当风浪较大时，浮体1会随着水流运动产生摇摆，从而导致面向水面的超声波传感器阵列6的位置发生变化，超声波传感器的深度改变，需要根据检测门5的姿态进行补偿，如图2所示。

浮体摇摆误差补偿的具体步骤如下：

A、设ΔX₁为浮体1重心的变化量，ΔX₂为利用面向水底的超声波传感器和7超声波反射装置8测得的误差值；当ΔX₁小于ΔX₂时，浮体1重心变化对检测门5深度影响可忽略，只考虑浮体1的横摇和纵摇，转步骤B；当ΔX₁大于或者等于ΔX₂时，转步骤E。

B、当浮体1会随着水流运动产生摇摆时，固定安装在浮体1上的固定支架2也会随着浮体1的横摇和纵摇在位置上发生变化，如图3所示。设浮体1上的固定支架2较长的一边长度为R，左侧固定支架2较长的一边与浮体1水平面的角度为固定值α₁。当浮体1发生摇摆后，为简化分析，以图3给出的参考系为准，先分析浮体1仅发生横摆：固定支架2仅在xoz面上发生变化，如图4所示，固定支架2角度改变了β₁，此时左侧的缆绳4在垂直方向上移动的距离为

ΔZ'₁＝Z₂-Z₁＝R×sin(α₁+β₁)-R×sinα₁

设左侧固定支架2较长的一边与浮体1水平面的角度为固定值α₂，在右侧浮体1发生摇摆后，右侧的固定支架2角度改变了β₂，此时左侧的缆绳4在垂直方向上移动的距离为

ΔZ'₂＝R×sin(α₂+β₂)-R×sinα₂

C、在浮体1发生横摆的条件下，浮体1发生纵摆时，固定支架2在yoz面的投影如图5所示。左侧的固定支架2在yoz平面上即垂直方向上角度改变了ω₁。可以求出左侧的缆绳4在垂直方向移动的距离为

ΔZ₁＝ΔZ'₁cosω₁＝(R×sin(α₁+β₁)-R×sinα₁)cosω₁

同理，右侧的固定支架2在垂直方向上角度改变了ω₂。可以求出右侧的缆绳4在垂直方向移动的距离为

ΔZ₂＝ΔZ'₂cosω₂＝(R×sin(α₂+β₂)-R×sinα₂)cosω₂

本发明实施过程中，浮体1会用锚链固定在水面上，浮体1没有前进的动力，如果没有较大风浪，浮体1的重心变化会很小，主要是水流带动浮体1左右晃动，即主要考虑横摇。当浮体纵摇幅度很小时，由于缆绳4悬挂在浮体1的中部重心位置，此时缆绳4端点高度变化很小，纵摇对于检测门5安装的高度差可以忽略不计，此时，ΔZ₁＝ΔZ'₁。

同理可得，缆绳4在左右两侧在垂直方向上移动的距离分别为

ΔZ₁＝R×sin(α₁+β₁)-R×sinα₁

ΔZ₂＝R×sin(α₂+β₂)-R×sinα₂

D.、实际安装过程中，若使用多根缆绳4悬挂检测门5，检测门5由于重力作用对浮体1有一定拉力，缆绳4摆动角度偏差不大，影响检测门4姿态的主要是浮体1的垂直位移ΔZ₁、ΔZ₂，即ΔH₁＝ΔZ₁,ΔH₂＝ΔZ₂。检测门5上安装M个面向水面的超声波传感器，两个相邻的面向水面的超声波传感器之间的距离为N,则检测门5的倾斜角度

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{{\mathrm{\ΔZ}}_2-{\mathrm{\ΔZ}}_1}{(M-1)N}\right)$

求出θ后，然后跳转到步骤G。

E、使用面向水底的超声波传感器7和超声波反射装置8来进行姿态补偿的方法，如图6所示。

在检测门5的左右两端安装面向水底的超声波传感器7，在面向水底的超声波传感器7正下方一定深度处固定安装两个超声波反射装置8，超声波反射装置8的表面要足够大，当检测门5产生晃动时，超声波信号能够正确的反射回来。

对于检测门5的左端，当检测门5没有晃动时，面向水底的超声波传感器7距超声波超声波传感器离反射装置8的高度为h₁，当产生晃动时，高度变为h'₁，检测门左侧高度差为ΔH₁，则

ΔH₁＝h'₁-h₁

同理，对于检测门5的右端，检测门5没有晃动时，面向水底的超声波传感器7距超声波反射装置8的高度为h₂，产生晃动时，高度变为h'₂，此时检测门5右侧高度差

ΔH₂＝h'₂-h₂

F、检测门5上安装M个面向水面的超声波传感器，相邻两个面向水面的超声波传感器之间的距离为N，检测门5总长度为(M-1)×N。，从图6中可看出，通过检测门5安装结构几何关系计算检测门5的倾斜角度为

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{{\mathrm{\ΔH}}_2-{\mathrm{\ΔH}}_1}{(M-1)N}\right)$

G、静止状态下由面向水面的超声波传感器测量水面的距离对其深度进行标定，因检测门5存在挠度，因此每个面向水面的超声波传感器安装深度包含检测门5挠度补偿值，因此有较小的差异，所以要得到深度标定值数组{H₁,H₂,...,H_M}。第i个面向水面的超声波传感器(按从左至右的方向)由于浮体1摇摆引起的深度偏移量为

ΔH_i＝ΔH₁+N×(i-1)×sinθ(i＝1,2,...,M)

由上述公式得到的深度实时补偿值数组{ΔH₁,ΔH₂,...,ΔH_M}，实际深度值H'₁＝H_i-ΔH_i(i＝1,2,3,...,M)，通过补偿后的面向水面的超声波传感器的实时深度值数组为{H'₁,H'₂,...,H'_M}，并且通过与其同步的测量值数组{X₁,X₂,...,X_M}做差值即可得到真实通航船舶吃水量检测结果。

Claims (2)

1.一种浮式船舶吃水检测系统，其特征在于：包括浮体(1)、固定支架(2)、角度传感器(3)、缆绳(4)、检测门(5)、面向水面的超声波传感器阵列(6)、面向水底的超声波传感器(7)和超声波反射装置(8)；所述的浮体(1)用锚链固定在水面上；所述的固定支架(2)安装在浮体(1)中部纵轴线上；

所述的角度传感器(3)为高精度角度传感器(3)，安装在浮体(1)纵轴线边缘位置，并且和浮体(1)表面平行，角度传感器(3)用来测量浮体(1)横摇和纵摇时的摆动角度；角度传感器(3)精度高于0.5度、采样频率高于5Hz；

所述的检测门(5)用缆绳(4)悬挂于浮体(1)的固定支架(2)上，检测门(5)没入水下的深度根据检测需要进行调整；所述的面向水面的超声波传感器阵列(6)是用多个面向水面的超声波传感器等间距固定安装在检测门(5)上，用来测量检测门(5)和通航船舶之间的距离信息；

所述的检测门(5)最左端和最右端分别安装有面向水底的超声波传感器(7)，在面向水底的超声波传感器(7)正下面的固定位置安装有超声波反射装置(8)，面向水底的超声波传感器(7)向水下发射超声波信号，通过超声波反射装置(8)返回后，测量检测门(5)支架和水底之间的距离信息。

2.一种浮式船舶吃水检测系统的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、设ΔX₁为浮体(1)重心的变化量，ΔX₂为利用面向水底的超声波传感器(7)和超声波反射装置(8)测得的误差值；当ΔX₁小于ΔX₂时，浮体(1)重心变化对检测门(5)深度影响可忽略，只考虑浮体(1)横摇和纵摇，转步骤B；当ΔX₁大于或者等于ΔX₂时，转步骤E；

B、当浮体(1)发生横摇时，固定安装在浮体(1)上的支架也会随着浮体(1)横摇，设浮体(1)上的固定支架(2)较长的一边长度为R，左边的固定支架(2)与浮体(1)水平面的角度为固定值α₁；当浮体(1)发生摇摆后，利用角度传感器(3)测出固定支架(2)在水平方向偏离的角度β₁，利用固定支架(2)的几何关系求出左侧缆绳(4)在垂直方向上的位移

ΔZ'₁＝R×sin(α₁+β₁)-R×sinα₁

同理得右侧缆绳(4)在垂直方向上的位移

ΔZ'₂＝R×sin(α₂+β₂)-R×sinα₂

C、在浮体(1)发生横摆的条件下，浮体(1)发生纵摆时，利用角度传感器(3)测出左侧固定支架(2)在垂直方向上偏离的角度ω₁，求出左侧缆绳(4)在垂直方向移动的距离为

ΔZ₁＝ΔZ'₁cosω₁＝(R×sin(α₁+β₁)-R×sinα₁)cosω₁

同理求出右侧缆绳(4)在右侧缆绳(4)在垂直方向移动的距离为

ΔZ₂＝ΔZ'₂cosω₂＝(R×sin(α₂+β₂)-R×sinα₂)cosω₂

D、检测门(5)上安装M个面向水面的超声波传感器，两个相邻的面向水面的超声波传感器之间的距离为N，则检测门(5)的长度利用公式(M-1)N求出，通过检测门(5)安装结构几何关系计算检测门(5)的倾斜角度θ

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{{\mathrm{\ΔZ}}_2-{\mathrm{\ΔZ}}_1}{(M-1)N}\right)$

然后跳转到步骤G；

E、利用面向水底的超声波传感器(7)以及与其对应的超声波反射装置(8)，测得检测门(5)左右两端未产生晃动时距离超声波反射装置(8)的高度以及晃动后距离超声波反射装置(8)的高度，然后求出检测门(5)高度差；

当检测门(5)没有晃动时，检测门(5)左端的面向水底的超声波传感器(7)距超声波反射装置(8)的高度为h₁，当检测门(5)产生晃动时，高度变为h'₁，检测门(5)左侧高度差为ΔH₁，则

ΔH₁＝h'₁-h₁

同理，当检测门(5)没有晃动时，检测门(5)右端的面向水底的超声波传感器(7)距超声波反射装置(8)的高度为h₂，当检测门(5)产生晃动时，高度变为h'₂，此时检测门(5)右侧高度差

ΔH₂＝h'₂-h₂

F、检测门(5)上固定安装M个面向水面的超声波传感器，两个面向水面的超声波传感器之间的距离为固定值N，检测门(5)的长度利用公式(M-1)N求出，通过检测门(5)安装结构几何关系计算检测门(5)的倾斜角度θ；

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{{\mathrm{\ΔH}}_2-{\mathrm{\ΔH}}_1}{(M-1)N}\right)$

G、静止状态下由面向水面的超声波传感器测量水面的距离对其深度进行标定，得到深度标定值数组{H₁,H₂,...,H_M}；按从左至右的方向，第i个面向水面的超声波传感器由于浮体(1)摇摆引起的深度偏移量为

ΔH_i＝ΔH₁+N×(i-1)×sinθ(i＝1,2,...,M)

由上述公式得到的深度实时补偿值数组{ΔH₁,ΔH₂,...,ΔH_M}，实际深度值H'₁＝H_i-ΔH_i(i＝1,2,3,...,M)，通过补偿后的面向水面的超声波传感器的实时深度值数组为{H'₁,H'₂,...,H'_M}，并且通过与其同步的测量值数组{X₁,X₂,...,X_M}做差值即得到真实通航船舶吃水量检测结果。