CN105270580B - 一种船载侧吃水检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种船载侧吃水检测系统及检测方法，所述的系统包括角度传感器模块、超声波发射模块、发射端压力传感器模块、接收端压力传感器模块、超声波接收模块、同步使能模块、数据处理模块和显示模块；所述的超声波发射模块由2N+1个超声波发射线阵、2N+1个安装支架、浮体和固定板组成。由于本发明以一种互成角度的多发射线阵代替单一发射线阵，解决了当浮体上仰或下俯角度过大时单一发射线阵的探头偏离水平线角度过大，从而导致超声波发射探头不在合理的工作范围，进一步影响接收线阵无法正确接收发射线阵相对应的信号。
Description
技术领域
本发明一种船载侧吃水检测系统及检测方法，应用于船舶吃水检测和船舶安全检测等领域。
背景技术
目前，随着内河航运量不断增大，船舶密度大幅提高。船舶吃水检测对于保障通航船舶安全具有十分重要的意义。现有的船载侧吃水检测系统是构建单一线阵列的超声波发射模块，然后利用同步使能模块分时控制超声波发射传感器等间隔地依次循环发射超声波，再根据超声波传感器接收端接收的直达波推出船舶吃水深度。此方法适用于固定安装或满足发射换能器阵列摆角很小的情况，当摆角过大时，因接收线阵列无法正确接收发射线阵列相对应的信号，造成系统无法正常工作，因此该方法无法直接用于船载安装，使得其应用受到很大的限制。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种船载侧吃水检测系统及检测方法，以一种互成角度的多发射线阵代替单一发射线阵，解决了当浮体上仰或下俯角度过大时单一发射线阵的探头偏离水平线角度过大，从而导致超声波发射探头不在合理的工作范围，进一步影响接收线阵无法正确接收发射线阵相对应的信号问题。该系统可以补偿倾角过大而引起接收端不能准确接收信号。
本发明所采用的技术方案是：
一种船载侧吃水检测系统，包括角度传感器模块、超声波发射模块、发射端压力传感器模块、接收端压力传感器模块、超声波接收模块、同步使能模块、数据处理模块、显示模块。所述数据处理模块通过数据线分别与发射端压力传感器模块、接收端压力传感器模块、超声波接收模块和显示模块连接。同步使能模块通过数据线分别与角度传感器模块、超声波发射模块连接，超声波发射模块构成发射端，超声波接收模块构成接收端。
所述超声波发射模块由2N+1个超声波发射线阵、2N+1个安装支架、浮体、固定板组成。
所述超声波发射线阵由多个超声波发射探头排成一列，安装于安装支架上，每个超声波发射探头发出的超声波中心线与安装支架长度方向中心线垂直，同一安装支架上的多个超声波发射探头发出的超声波中心线构成的平面与固定板平面垂直。
安装支架从左至右的编号依次为-N、-N+1、…、0、…、N-1、N；则第i个安装支架长度方向中心线与固定板平面之间具有夹角Qi：
Qi＝i*θ；
i＝-N、-N+1、…、0、…、N-1、N；
θ的取值范围为1-3度。
所述固定板固定在靠近航道中心、且浸没于水中的浮体朝向航道中心的一侧，保证超声波发射线阵完全浸没水中，并且固定板平面与水平面垂直。
所述角度传感器模块1固定安装在浮体上，因为固定板和浮体固定安装，所以角度传感器模块测得的浮体上仰或下俯的角度β就是超声波发射线阵上仰或下俯的角度β，角度传感器模块将角度β实时传输给同步使能模块，这里规定上仰角度为正值，下俯角度为负值。
所述发射端压力传感器模块安装在超声波发射模块中的固定板平面上，发射端压力传感器模块通过测量超声波发射线阵中心位置距离水面的压力，来测量超声波发射线阵中心位置距离水面的深度H。
所述超声波接收模块由超声波接收探头和一个安装支架组成，所述超声波接收探头排成一列，安装于一个安装支架上，每个超声波接收探头接收的超声波中心线与安装支架所在的平面垂直，构成单一超声波接收线阵；单一超声波接收线阵固定安装在航道另一侧、且与安装支架所在的平面垂直。接收端压力传感器模块安装在单一超声波接收线阵的中心位置，其通过测量超声波接收线阵中心位置距离水面的压力来测量超声波接收线阵中心位置距离水面的深度L。
所述同步使能模块固定安装在浮体上，同步使能模块用于对角度传感器模块传来的角度β进行判断，获取当前符合要求的一个超声波发射线阵，然后依次分时等间隔的循环发射使能信号。
所述数据处理模块安装在浮体上，数据处理模块用于根据发射端压力传感器模块和接收端压力传感器模块传送的深度信息，以及超声波接收线阵接收的信号强弱，计算出船舶吃水深度。
所述显示模块安装在浮体上，用来通知工作人员过往船只是否超限。
一种船载侧吃水检测方法，包括以下步骤，
步骤1：采集浮体角度信息；
步骤2：采集超声波发射线阵中心位置深度；
步骤3：采集超声波接收阵列中心位置深度；
步骤4：角度判断并使能同步信号；
步骤5：发射超声波；
步骤6：接收超声波；
步骤7：数据处理。
本发明提供一种船载侧吃水检测系统及检测方法，技术效果如下：
1)、互成角度的超声波发射线阵，解决了当浮体上仰或下俯角度过大时单一发射线阵的探头偏离水平线角度过大，从而导致超声波发射探头不在合理的工作范围，进一步影响接收线阵无法正确接收发射线阵相对应的信号问题；
2)、互成角度的超声波发射线阵，补偿浮体上仰或下俯角度过大问题，因此适合在浮体上安装，应用范围比较广。
3)、互成角度的超声波发射线阵安装在浮体上，检修方便。
附图说明
图1为本发明系统的流程图。
图2为本发明的浮体上仰角度β，第i个安装支架上的超声波发射线阵作为发射线阵。
图3为本发明的互成角度的超声波发射线阵主视图。
图4为本发明的互成角度的超声波发射线阵左剖面图。
图5为本发明的互成角度的超声波发射线阵右剖面图。
具体实施方式
如图1所示，一种船载侧吃水检测系统，包括角度传感器模块1、超声波发射模块3、发射端压力传感器模块6、接收端压力传感器模块5、超声波接收模块4、同步使能模块2、数据处理模块7、显示模块8。所述数据处理模块7通过数据线分别与发射端压力传感器模块6、接收端压力传感器模块5、超声波接收模块4和显示模块8连接。同步使能模块2通过数据线分别与角度传感器模块1、超声波发射模块3连接，超声波发射模块3构成发射端，超声波接收模块4构成接收端。
角度传感器模块1采用俯仰精度为0.1度、采样速率为50Hz，适合远距离传输的485通信方式的角度传感器；超声波发射模块3采用发射频率为500K，发射角度为1-3度的超声波发射传感器；发射端压力传感器模块6采用精度为±0.2％F.S、输入为4-20mA，适合远距离传输的485通信方式的压力传感器；接收端压力传感器模块5采用精度为±0.2％F.S、输入为4-20mA，适合远距离传输的485通信方式的压力传感器；超声波接收模块4采用接收频率为500K的超声波接收传感器；同步使能模块2采用Xilinx系列的FPGA，利用Verilog语言编程产生同步信号；数据处理模块7采用多通道同步数据采集卡，采样频率为200Kps；显示模块8为液晶显示屏。
所述超声波发射模块3由2N+1个超声波发射线阵、2N+1个安装支架10、浮体11、固定板12组成；所述超声波发射线阵由多个超声波发射探头9排成一列，安装于安装支架10上，每个超声波发射探头9发出的超声波中心线与安装支架10长度方向中心线垂直，同一安装支架10上的多个超声波发射探头9发出的超声波中心线构成的平面与固定板12平面垂直；
安装支架10从左至右的编号依次为-N、-N+1、…、0、…、N-1、N；则第i个安装支架长度方向中心线与固定板12平面之间具有夹角Qi：
Qi＝i*θ；
i＝-N、-N+1、…、0、…、N-1、N；
θ的取值范围为1-3度,由于浮体上仰或下俯角度较小，控制θ在1-3度，不但可以提高整个系统的测量范围，也可以提高系统的测量精度。
所述固定板12固定在靠近航道中心、且浸没于水中的浮体11朝向航道中心的一侧，保证超声波发射线阵完全浸没水中，并且固定板12平面与水平面垂直。
所述角度传感器模块1固定安装在浮体11上，因为固定板12和浮体11固定安装，所以角度传感器模块1测得的浮体11上仰或者下俯的角度β就是超声波发射线阵上仰或下俯的角度β，角度传感器模块1将角度β实时传输给同步使能模块2，这里规定上仰角度为正值，下俯角度为负值。
所述发射端压力传感器模块6安装在超声波发射模块3中的固定板12平面上，发射端压力角传感器模块6通过测量超声波发射线阵中心位置距离水面的压力，来测量超声波发射线阵中心位置距离水面的深度H。
所述超声波接收模块4由超声波接收探头和一个安装支架10组成，所述超声波接收探头排成一列，安装于一个安装支架10上，每个超声波接收探头接收的超声波中心线与安装支架10所在的平面垂直，构成单一超声波接收线阵；单一超声波接收线阵固定安装在航道另一侧、且与安装支架10所在的平面与水平面垂直；
接收端压力传感器模块5安装在单一超声波接收线阵的中心位置，其通过测量超声波接收线阵中心位置距离水面的压力来测量超声波接收线阵中心位置距离水面的深度L。
所述同步使能模块2固定安装在浮体11上，同步使能模块2用于对角度传感器模块1传来的角度β进行判断，获取当前符合要求的一个超声波发射线阵，然后依次分时等间隔的循环发射使能信号。
所述数据处理模块7安装在浮体11上，数据处理模块7用于根据发射端压力传感器模块6和接收端压力传感器模块5传送的深度信息，以及超声波接收线阵接收的信号强弱，计算出出船舶吃水深度。
所述显示模块8安装在浮体11上，用来通知工作人员过往船只是否超限。
一种船载侧吃水检测方法，包括以下步骤：
步骤1：采集浮体11角度信息；
角度传感器模块1将浮体11上仰或下俯的角度β实时传输给同步使能模块2，因为固定板12和浮体11固定安装，所以浮体11上仰或下俯的角度β即为超声波发射线阵上仰或下俯的角度β。
步骤2：采集超声波发射线阵中心位置深度；
发射端压力传感器模块6实时采集超声波发射线阵中心位置距离水面深度H然后传输给数据处理模块7。
步骤3：采集超声波接收阵列中心位置深度；
接收端压力传感器模块5实时获得超声波接收阵列中心位置距离水面的深度L并传输给数据处理模块7。
步骤4：角度判断并使能同步信号；
同步使能模块2对角度传感器模块1实时传送的浮体11上仰或下俯的角度β进行处理，即计算：
i＝-INT(β/θ+0.5)
INT表示取整数。
θ表示编号为1的安装支架10长度方向中心线与固定板12平面之间的夹角。
编号为0的安装支架夹角为0；编号为0的安装支架构成基准安装支架；
编号为-1的安装支架夹角为-θ。
同步使能模块2依次等间隔的给超声波发射模块3中的第i个安装支架10上的超声波发射线阵循环发射使能信号；
步骤5：发射超声波；
第i个安装支架10上的超声波发射线阵获取同步使能模块2传送的使能信号后，发射超声波信号。
步骤6：接收超声波；
安装在航道另一侧的超声波接收模块4接收信号并实时传给数据处理模块7。
步骤7：数据处理；
数据处理模块7根据发射端压力传感器模块6传送的超声波发射线阵中心位置距离水面的深度H计算出第i个安装支架10上的超声波发射线阵第一个超声波发射探头9距离水面的深度H1以及接收端压力传感器模块5传送的超声波接收线阵中心位置距离水面的深度L计算出水下第一个超声波接收探头距离水面的深度L1，H1和L1取平均后的值D作为水下第一个超声波接收探头距离水面的深度，再结合超声波接收线阵接收的信号强弱计算出下端最后一个被遮挡超声波接收探头距离第一个超声波接收探头的长度X进而计算出吃水深度为D+X。
以下通过附图对互成角度的多发射线阵补偿浮体11上仰角度β带来的误差做进一步地描述：
如图2所示，当浮体上仰角度β，同步使能模块2对角度传感器模块1实时传送的浮体11上仰角度β进行处理，即计算：
i＝-INT(β/θ+0.5)，INT表示取整数，则选取第i个安装支架10上的超声波发射线阵作为发射线阵，如果β值远远小于θ值，则选取编号为0安装支架10上的超声波发射线阵作为发射线阵。
Claims (9)
1.一种船载侧吃水检测系统，包括角度传感器模块(1)、超声波发射模块(3)、发射端压力传感器模块(6)、接收端压力传感器模块(5)、超声波接收模块(4)、同步使能模块(2)、数据处理模块(7)、显示模块(8)；其特征在于：
所述数据处理模块(7)分别与发射端压力传感器模块(6)、接收端压力传感器模块(5)、超声波接收模块(4)、显示模块(8)连接；
同步使能模块(2)分别与角度传感器模块(1)、超声波发射模块(3)连接；
超声波发射模块(3)构成发射端，超声波接收模块(4)构成接收端；
所述超声波发射模块(3)由2N+1个超声波发射线阵、2N+1个安装支架(10)、浮体(11)、固定板(12)组成；所述超声波发射线阵由多个超声波发射探头(9)排成一列，安装于安装支架(10)上，每个超声波发射探头(9)发出的超声波中心线与安装支架(10)长度方向中心线垂直，同一安装支架(10)上的多个超声波发射探头(9)发出的超声波中心线构成的平面与固定板(12)平面垂直；
安装支架(10)从左至右的编号依次为-N、-N+1、…、0、…、N-1、N；则第i个安装支架长度方向中心线与固定板(12)平面之间具有夹角Qi：
Qi＝i*θ；
i＝-N、-N+1、…、0、…、N-1、N；
θ的取值范围为1-3度。
2.根据权利要求1所述一种船载侧吃水检测系统，其特征在于，所述固定板(12)固定在靠近航道中心、且浸没于水中的浮体(11)朝向航道中心的一侧，并且固定板(12)平面与水平面垂直。
3.根据权利要求1所述一种船载侧吃水检测系统，其特征在于，所述角度传感器模块(1)固定安装在浮体(11)上，角度传感器模块(1)将浮体(11)上仰或下俯的角度β实时传输给同步使能模块(2)，这里规定上仰角度为正值，下俯角度为负值。
4.根据权利要求1所述一种船载侧吃水检测系统，其特征在于，所述发射端压力传感器模块(6)安装在超声波发射模块(3)中的固定板(12)平面上，发射端压力传感器模块(6)通过测量超声波发射线阵中心位置距离水面的压力，来测量超声波发射线阵中心位置距离水面的深度H。
5.根据权利要求1所述一种船载侧吃水检测系统，其特征在于，所述超声波接收模块(4)由超声波接收探头和一个安装支架(10)组成，所述超声波接收探头排成一列，安装于一个安装支架(10)上，每个超声波接收探头接收的超声波中心线与安装支架(10)所在的平面垂直，构成单一超声波接收线阵；单一超声波接收线阵固定安装在航道另一侧、且与安装支架(10)所在的平面垂直；
接收端压力传感器模块(5)安装在单一超声波接收线阵的中心位置，其通过测量超声波接收线阵中心位置距离水面的压力，来测量超声波接收线阵中心位置距离水面的深度L。
6.根据权利要求1所述一种船载侧吃水检测系统，其特征在于，所述同步使能模块(2)固定安装在浮体(11)上，同步使能模块(2)用于对角度传感器模块(1)传来的角度β进行判断，获取当前符合要求的一个超声波发射线阵，然后依次分时等间隔的循环发射使能信号。
7.根据权利要求1所述一种船载侧吃水检测系统，其特征在于，所述数据处理模块(7)安装在浮体(11)上，数据处理模块(7)用于根据发射端压力传感器模块(6)和接收端压力传感器模块(5)传送的深度信息，以及超声波接收线阵接收的信号强弱，计算出船舶吃水深度。
8.根据权利要求1所述一种船载侧吃水检测系统，其特征在于，所述显示模块(8)安装在浮体(11)上，用来通知工作人员过往船只是否超限。
9.采用如权利要求1～8所述任意一种船载侧吃水检测系统的船载侧吃水检测方法，其特征在于包括以下步骤，
步骤1：角度传感器模块(1)将浮体(11)上仰或下俯的角度β实时传输给同步使能模块(2)，因为固定板(12)和浮体(11)固定安装，所以浮体(11)上仰或下俯的角度β即为超声波发射线阵上仰或下俯的角度β；
步骤2：发射端压力传感器模块(6)实时采集超声波发射线阵中心位置距离水面深度H然后传输给数据处理模块(7)；
步骤3：接收端压力传感器模块(5)实时获得超声波接收阵列中心位置距离水面的深度L并传输给数据处理模块(7)；
步骤4：同步使能模块(2)对角度传感器模块(1)实时传送的浮体(11)上仰或下俯的角度β进行处理，即计算：
i＝-INT(β/θ+0.5)
INT表示取整数；
同步使能模块(2)依次等间隔的给超声波发射模块(3)中的第i个安装支架(10)上的超声波发射线阵循环发射使能信号；
步骤5：第i个安装支架(10)上的超声波发射线阵获取同步使能模块(2)传送的使能信号后，发射超声波信号；
步骤6：安装在航道另一侧的超声波接收模块(4)接收信号并实时传给数据处理模块(7)；
步骤7：数据处理模块(7)根据发射端压力传感器模块(6)传送的超声波发射线阵中心位置距离水面的深度H，计算出第i个安装支架(10)上的超声波发射线阵第一个超声波发射探头(9)距离水面的深度H1，以及接收端压力传感器模块(5)传送的超声波接收线阵中心位置距离水面的深度L，计算出水下第一个超声波接收探头距离水面的深度L1，H1和L1取平均后的值D，作为水下第一个超声波接收探头距离水面的深度；再结合超声波接收线阵接收的信号强弱，计算出下端最后一个被遮挡超声波接收探头距离第一个超声波接收探头的长度X，进而计算出吃水深度为D+X。
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