CN105416524A - 基于单波束侧扫技术的船舶吃水深度检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于单波束侧扫技术的船舶吃水深度检测系统，包括：单波束声纳扫描系统，包括用于测量与船舶之间距离的声纳换能器和用于接收声纳换能器采集的距离数据的测深仪主机；子控制系统，包括用于带动声纳换能器垂直升降的运动组件及用于给运动组件信号的驱动系统；主控系统，用于设定运动组件的运动方式、控制运动组件按其运动方式升降、同时接收测深仪主机的距离数据，结合运动组件的运动位移和测深仪主机采集的距离数据，计算船舶吃水深度。本发明通过测得声纳换能器从水面下降到船底的位移，即可获得船舶的吃水深度，原理简单可行，并且所采用的设备简单，成本低廉，降低了安装和维护的难度与成本。

Description

基于单波束侧扫技术的船舶吃水深度检测系统及方法

技术领域

本发明属于航运领域，具体涉及一种基于单波束侧扫技术的船舶吃水深度检测系统及方法。

背景技术

我国丰富的内河水运资源给内河航运创造了得天独厚的发展条件，随着内河航运的快速发展，内河船舶呈现标准化、专业化和大型化的发展趋势。船舶载重持续增加，船舶航线越走越长，船舶吃水越来越深。这使得当船舶在枯水期的浅险滩道航行时，会因为其吃水深度超过航道规定最大值而产生搁浅的危险。

这种船舶超吃水航行现象除了客观原因以外，很大程度上是由于部分船主为追求经济效益铤而走险。因此，在内河航道对船舶进行主动式实时吃水检测，并对船舶超吃水航行的行为进行现场判断与监管，有利于消除船舶超吃水航行现象，加强内河航道安全监管。对维护内河航运安全，保证内河航运运输效率，促进内河航运事业发展有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种成本低、安装维护简单的基于单波束侧扫技术的船舶吃水深度检测系统及方法。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：基于单波束侧扫技术的船舶吃水深度检测系统，其特征在于：它包括：

单波束声纳扫描系统，包括用于测量与船舶之间距离的声纳换能器和用于接收声纳换能器采集的距离数据的测深仪主机；

子控制系统，包括用于带动声纳换能器垂直升降的运动组件及用于给运动组件信号的驱动系统；

主控系统，用于设定运动组件的运动方式、控制运动组件按其运动方式升降、同时接收测深仪主机的距离数据，结合运动组件的运动位移和测深仪主机采集的距离数据，计算船舶吃水深度。

按上述系统，所述的运动组件包括减速步进电机和齿轮齿条升降机构。

利用上述基于单波束侧扫技术的船舶吃水深度检测系统实现的检测方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、控制运动组件按设定的运动方式将声纳换能器从水面向水下下降，声纳换能器开始测量其与船舶的水平距离；

S2、当声纳换能器所测的距离发生突变，设突变前声纳换能器所测距离为D₁，突变后所测距离为D₂，v_water、v_air分别为超声波在水中和空气中的传输速度，若前后测得距离之比满足：

$(\frac{v_{water}}{v_{air}}-\mathrm{\Δ})\≤\frac{D_1}{D_2}\≤(\frac{v_{water}}{v_{air}}+\mathrm{\Δ})$

其中，Δ为对超声波传输速度之比设定的阈值，此时判定声纳换能器刚进入水面,记录此时刻；

S3、设定所测距离的有效测量范围为[D_min,D_max]；声纳换能器继续下降，直至所测距离满足以下条件：

D<D_min或D>D_max

则判定声纳换能器已扫描至船底，记录此时刻；

S4、在S2与S3记录的时刻之间，声纳换能器下降的位移，即为船舶吃水深度。

按上述方法，所述的运动组件包括减速步进电机和齿轮齿条升降机构；

S1中运动组件的运动方式为：预设减速步进电机的步长L，每移动一个步长，计数器加1，同时测量一次声纳换能器与船舶之间的距离；

S2和S3分别记录当时计数器的值；

S4通过S2和S3的计数器的值的差、步长、以及齿轮半径，计算声纳换能器下降的位移。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过测得声纳换能器从水面下降到船底的位移，即可获得船舶的吃水深度，并巧妙的利用了声纳换能器的声波检测功能，判断水面时刻和船底时刻，原理简单可行，并且所采用的设备简单，成本低廉，只需要将其固定安装在船舶停靠的岸边即可，降低了安装和维护的难度与成本；吃水检测过程方便快捷，可实现实时单边检测。

2、使用减速步进电机和齿轮啮合机械传动，从而实现单波束声纳的侧扫运动，结构牢固，在测量时选用步长和计数的方式，测量精度高。

附图说明

图1为本发明一实施例的应用图。

图2为本发明一实施例的结构框图。

图3为本发明一实施例的方法流程图。

图4为本发明一实施例的吃水测量原理图。

图中：1-声纳换能器，2-测深仪主机，3-密封电缆，4-驱动系统，5-减速步进电机，6-齿轮齿条升降机构，7-串口总线，8-计算机，9-电源。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

基于单波束侧扫技术的船舶吃水深度检测系统，如图1和2所示，它包括：单波束声纳扫描系统，包括用于测量与船舶之间距离的声纳换能器1和用于接收声纳换能器1采集的距离数据的测深仪主机2，声纳换能器1通过密封电缆3与测深仪主机2连接；子控制系统，包括用于带动声纳换能器1垂直升降的运动组件及用于给运动组件信号的驱动系统4；主控系统，用于设定运动组件的运动方式、控制运动组件按其运动方式升降、同时接收测深仪主机2的距离数据，结合运动组件的运动位移和测深仪主机2采集的距离数据，计算船舶吃水深度。本实施例中，所述的运动组件包括减速步进电机5和齿轮齿条升降机构6；主控系统为计算机8，还包括电源9，为子控制系统和单波束声纳扫描系统提供电能；驱动系统4通过串口总线7与计算机8连接。

本实施例中，声纳换能器1为超声波换能器，超声波换能器发射的超声波遇到障碍物发生反射，超声波换能器接收反射声波并由发射到接收的时间差来计算超声波换能器到障碍物的距离；所述声纳换能器1的声波发射方向为水平方向，减速步进电机5通过齿轮齿条升降机构6带动其向下垂直移动，当回波消失时，其垂直移动的距离即为船舶吃水深度。

在本实施例中，所述减速步进电机5的输出轴与齿轮齿条升降机构6一端固定，当减速步进电机5转动时通过齿轮啮合带动固定在上面的声纳换能器1做直线运动。

在本实施例中，所述的驱动系统采用基于STM32系列单片机为核心的嵌入式开发板，通过RS232串口通信接口与计算机8进行通信，通过PWM波输出控制减速步进电机5。串口通信协议包含控制减速步进电机5起停信号和脉冲计数值t。

在本发明实施例中，所述的计算机8上运行的船舶吃水检测软件的功能为：控制步进电机起停，解算、显示和存储水深数据，报警显示。其中所述的报警显示功能解释为：根据测得的船舶吃水量S判断是否超限，若超限则由报警模块显示其吃水量。

利用上述基于单波束侧扫技术的船舶吃水深度检测系统实现的检测方法，如图3所示，它包括以下步骤：

S1、控制运动组件按设定的运动方式将声纳换能器从水面向水下下降，声纳换能器开始测量其与船舶的水平距离D；

S2、当声纳换能器所测的距离发生突变，设突变前声纳换能器所测距离为D₁，突变后所测距离为D₂，v_water、v_air分别为超声波在水中和空气中的传输速度，若前后测得距离之比满足：

$(\frac{v_{water}}{v_{air}}-\mathrm{\&Delta;})\&le;\frac{D_1}{D_2}\&le;(\frac{v_{waer}}{v_{air}}+\mathrm{\&Delta;})$

其中，Δ为对超声波传输速度之比设定的阈值，此时判定声纳换能器刚进入水面,记录此时刻；

S3、设定所测距离的有效测量范围为[D_min,D_max]；声纳换能器继续下降，直至所测距离满足以下条件：

D<D_min或D>D_max

则判定声纳换能器已扫描至船底，记录此时刻；

S4、在S2与S3记录的时刻之间，声纳换能器下降的位移，即为船舶吃水深度。

优选的，所述的运动组件包括减速步进电机和齿轮齿条升降机构；

S1中运动组件的运动方式为：预设减速步进电机的步长L，每移动一个步长，计数器加1，同时测量一次声纳换能器与船舶之间的距离；

S2和S3分别记录当时计数器的值t₀和t₁；

S4通过S2和S3的计数器的值的差、步长L、以及齿轮半径r，计算声纳换能器下降的位移S，如图4所示：

S＝Lr(t₁-t₀)。

在具体应用时，可将本发明系统设置在船舶停靠的岸边，或者船舶的船舷上，对超声波传输速度之比设定的阈值Δ根据经验值设定，所测距离的有效测量范围[D_min,D_max]根据测量初始状态超声波与船舶之间的距离估算。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于单波束侧扫技术的船舶吃水深度检测系统，其特征在于：它包括：

单波束声纳扫描系统，包括用于测量与船舶之间距离的声纳换能器和用于接收声纳换能器采集的距离数据的测深仪主机；

子控制系统，包括用于带动声纳换能器垂直升降的运动组件及用于给运动组件信号的驱动系统；

主控系统，用于设定运动组件的运动方式、控制运动组件按其运动方式升降、同时接收测深仪主机的距离数据，结合运动组件的运动位移和测深仪主机采集的距离数据，计算船舶吃水深度。

2.根据权利要求1所述的基于单波束侧扫技术的船舶吃水深度检测系统，其特征在于：所述的运动组件包括减速步进电机和齿轮齿条升降机构。

3.利用权利要求1所述的基于单波束侧扫技术的船舶吃水深度检测系统实现的检测方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、控制运动组件按设定的运动方式将声纳换能器从水面向水下下降，声纳换能器开始测量其与船舶的水平距离；

S2、当声纳换能器所测的距离发生突变，设突变前声纳换能器所测距离为D₁，突变后所测距离为D₂，v_water、v_air分别为超声波在水中和空气中的传输速度，若前后测得距离之比满足：

$(\frac{v_{water}}{v_{air}}-\mathrm{\&Delta;})\&le;\frac{D_1}{D_2}\&le;(\frac{v_{water}}{v_{air}}+\mathrm{\&Delta;})$

其中，Δ为对超声波传输速度之比设定的阈值，此时判定声纳换能器刚进入水面,记录此时刻；

S3、设定所测距离的有效测量范围为[D_min,D_max]；声纳换能器继续下降，直至所测距离满足以下条件：

D<D_min或D>D_max

则判定声纳换能器已扫描至船底，记录此时刻；

S4、在S2与S3记录的时刻之间，声纳换能器下降的位移，即为船舶吃水深度。

4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于：所述的运动组件包括减速步进电机和齿轮齿条升降机构；

S1中运动组件的运动方式为：预设减速步进电机的步长L，每移动一个步长，计数器加1，同时测量一次声纳换能器与船舶之间的距离；

S2和S3分别记录当时计数器的值；

S4通过S2和S3的计数器的值的差、步长、以及齿轮半径，计算声纳换能器下降的位移。