CN107554719A - 一种基于声呐系统的船舶载重测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声呐系统的船舶载重测量方法，首先采用声呐系统扫描船体底部各点的位置，然后将船体底部各点的扫描数据实时发送给上位机，上位机采用建模求体积算法建立船体水下部分的三维模型并计算出船体的排水体积，从而得出排水重量，最后根据浮力定律，计算出船舶的载重。本发明采用独立集成的声呐系统进行船体扫描，然后进行建模和计算得到船舶的载重，扫描数据准确，且建模后得出的船舶体积精度高，从而保证了船舶载重测量数据更加精准。

Description

一种基于声呐系统的船舶载重测量方法

技术领域

本发明涉及船舶载重测量领域，具体是一种基于声呐系统的船舶载重测量方法。

背景技术

在市场上最常用的是以观察吃水线的方法来测量船重，这种方法需要观察人员具有一定的专业知识，且需要配合静水力曲线图，不仅读数困难而且不易读准，容易受到水尺不清晰以及船体摆动的影响，所以此方法只能应对一般对精确度要求不高的场合。

另外也有人提出用安装在水下的小型超声波模块或激光阵列装置对船体进行扫描求排水体积，(引自专利：一种船舶排水量测量装置及其测量方法；专利号：CN 101216338A)，但是小型超声波模块和激光在水下都极易受到水压和水质的影响，导致其方向性不够集中进而无法准确得到船体表面各点到装置的距离，另外超声波传感器模块需要多个并联在一起并且需要让船体运动通过超声波传感器阵列上方才能实现对船体的扫描，船体在运动过程中出现的摇晃或者航线不理想等情况都会对测量精度造成极大的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于声呐系统的船舶载重测量方法，采用独立集成的声呐系统进行船体扫描，然后进行建模和计算得到船舶的载重，扫描数据准确，且建模后得出的船舶体积精度高，从而保证了船舶载重测量数据更加精准。

本发明的技术方案为：

一种基于声呐系统的船舶载重测量方法，首先采用声呐系统扫描船体底部各点的位置，然后将船体底部各点的扫描数据实时发送给上位机，上位机采用建模求体积算法建立船体水下部分的三维模型并计算出船体的排水体积，从而得出排水重量，最后根据浮力定律，计算出船舶的载重。

所述的建模求体积算法建立三维模型并计算出船体在水下部分的体积的具体步骤为：

(1)、上位机首先提取点云数据中各个点的X、Y、Z三维坐标数据，然后设置XY二维平面的跨度，再在XY二维平面的跨度内进行三维插值，即将三维空间分割成无数个底面为固定分割边长的小直方体，再由所采集的各个点的X、Y、Z三维坐标数据确定要建模各点的放置位置；

(2)、对所建立的各点作曲面拟合即可得到船体模型在水下部分表面的三维立体模型；

(3)、求取各个小直方体的体积进行积分微元再累和积分即可得到船体的排水体积。

所述的上位机接受船体底部各点的扫描数据，以文本文档形式保存后即得到船体的点云数据，上位机采用建模求体积算法依据点云数据建立船体水下部分的三维模型并计算出船体的排水体积。

所述的声呐系统的串口通信模块实时的将扫描采集的船体底部各点的三维坐标数据实时发送给上位机。

所述的声呐系统以扫描起点所在处为原点，以船舶行驶方向所在直线为X轴，以声呐系统的扫描探头的排列方向为Y轴，并在竖直向上的方向上建立Z轴，从而将船舶底面各点定位到空间直角坐标系的三维坐标点上，得到船舶的扫描数据。

所述的建模求体积算法首先采用meshgrid函数分割平面，建立三维网格区域，然后采用triscatteredinterp函数在已建立的网格区域内进行三维插值，最后采用Surf函数绘制三维图形。

所述的步骤(3)船体的排水体积的计算步骤为：利用声呐系统扫描得到船体位于水下的形状，利用微积分的思想将船体位于水面下方的部分分割成多个小立方体，小立方体的长l和宽w均为声呐测距模块的分辨率大小，高h为声呐系统所测量的点到水面的距离，通过对这些小立方体的体积进行累加即求取整个船体的排水体积，即船体的排水体积根据公式(1)得到；

V＝∑(l×w×h)。

所述的船舶的载重等于船舶所受的浮力，即根据公式(2)得出船舶的载重；

G＝ρgV；

公式(2)中的ρ为水密度，g为重力加速度，V为排水体积。

本发明的优点：

(1)、本发明采用独立集成的声呐系统进行船体扫描，声呐系统在水下有着非常好的稳定性和扫描宽度，声呐系统可以实现即使在距离测量面一米长度时，扔能对测量面进行长达几十米的扫描，并且扫描的分辨率在厘米级，扫描角度宽、扫描分辨率高；

(2)、本发明的上位机采用MATLAB建模求体积算法建立船体水下部分的三维模型，不仅可以很方便地求解船体排水体积进而求出船舶载重，还可以对船体水下表面进行探伤，检测其有无破损或锈蚀，加强安全检测；

(3)、本发明声呐系统采集的扫描数据实时传输给上位机，上位机自动进行分析处理，得出船舶三维图形和船舶载重值，无需人为实时操控，降低了操作难度和强度，且提高了船舶载重测量的效率。

(4)、本发明上位机采用建模得到的船舶水下部分的体积与上位机直接根据坐标值进行计算得到的船舶水下部分的体积进行比较，其精度要高，偏差更小。

附图说明

图1是本发明的工作流程。

图2是本发明上位机建模求体积的工作流程。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于声呐系统的船舶载重测量方法，首先采用声呐系统扫描船体底部各点的位置，即声呐系统以扫描起点所在处为原点，以船舶行驶方向所在直线为X轴，以声呐系统的扫描探头的排列方向为Y轴，并在竖直向上的方向上建立Z轴，从而将船舶底面各点定位到空间直角坐标系的三维坐标点上，得到船舶的扫描数据，然后将船体底部各点的扫描数据通过声呐系统的串口通信模块实时发送给上位机，上位机以文本文档形式保存后即得到船体的点云数据，上位机采用MATLAB建模求体积算法依据点云数据建立船体水下部分的三维模型并计算出船体的排水体积，从而得出排水重量，最后根据浮力定律，计算出船舶的载重。

其中，MATLAB建模求体积算法建立三维模型并计算出船体在水下部分的体积的具体步骤为：

(1)、上位机首先提取点云数据中各个点的X、Y、Z三维坐标数据，然后设置XY二维平面的跨度，再在XY二维平面的跨度内进行三维插值，即将三维空间分割成无数个底面为固定分割边长的小直方体，再由所采集的各个点的X、Y、Z三维坐标数据确定要建模各点的放置位置；

(2)、对所建立的各点作曲面拟合即可得到船体模型在水下部分表面的三维立体模型；

(3)、求取各个小直方体的体积进行积分微元再累和积分即可得到船体的排水体积。

上述的MATLAB建模求体积算法首先采用meshgrid函数分割平面，建立三维网格区域，然后采用triscatteredinterp函数在已建立的网格区域内进行三维插值，最后采用Surf函数绘制三维图形。

将建模得到的船舶水下部分的体积与上位机直接根据坐标值进行计算得到的船舶水下部分的体积进行比较，得到下表的测试结果。

由测试结果可知，两种测量方法在实际测量中出现了不同的偏差和精确度。由于船体无法用其他方法精确测量体积，但是船体模型是较为规则的立体，所以可用计算值近似代替，所以实验测量中给出的是船体的参考体积而并非船体的绝对体积。(实际上由于船体各个表面存在不同程度的凹陷，所以计算得到的体积并不能最好地反映实际情况，而由上位机建模求取得到的体积要比计算值更为接近实际值)。表格中前五组数据为入水较深船只的测量体积，而最后两组数据为入水较浅型船只的测量体积。由数据可以直观地看出上位机建模计算值的精度要比直接计算值精度要高，偏差更小。故采用上位机建模求取体积的方案更为合适。此测试结果也在一定程度上代表了运用几何测量和上位机建模测量体积的性能比较，从此结果看计算机对船体表面的拟合效果要更好！

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于声呐系统的船舶载重测量方法，其特征在于：首先采用声呐系统扫描船体底部各点的位置，然后将船体底部各点的扫描数据实时发送给上位机，上位机采用建模求体积算法建立船体水下部分的三维模型并计算出船体的排水体积，从而得出排水重量，最后根据浮力定律，计算出船舶的载重。

2.根据权利要求1所述的一种基于声呐系统的船舶载重测量方法，其特征在于：所述的建模求体积算法建立三维模型并计算出船体在水下部分的体积的具体步骤为：

(1)、上位机首先提取点云数据中各个点的X、Y、Z三维坐标数据，然后设置XY二维平面的跨度，再在XY二维平面的跨度内进行三维插值，即将三维空间分割成无数个底面为固定分割边长的小直方体，再由所采集的各个点的X、Y、Z三维坐标数据确定要建模各点的放置位置；

(2)、对所建立的各点作曲面拟合即可得到船体模型在水下部分表面的三维立体模型；

(3)、求取各个小直方体的体积进行积分微元再累和积分即可得到船体的排水体积。

3.根据权利要求1所述的一种基于声呐系统的船舶载重测量方法，其特征在于：所述的上位机接受船体底部各点的扫描数据，以文本文档形式保存后即得到船体的点云数据，上位机采用建模求体积算法依据点云数据建立船体水下部分的三维模型并计算出船体的排水体积。

4.根据权利要求1所述的一种基于声呐系统的船舶载重测量方法，其特征在于：所述的声呐系统的串口通信模块实时的将扫描采集的船体底部各点的三维坐标数据实时发送给上位机。

5.根据权利要求1所述的一种基于声呐系统的船舶载重测量方法，其特征在于：所述的声呐系统以扫描起点所在处为原点，以船舶行驶方向所在直线为X轴，以声呐系统的扫描探头的排列方向为Y轴，并在竖直向上的方向上建立Z轴，从而将船舶底面各点定位到空间直角坐标系的三维坐标点上，得到船舶的扫描数据。

6.根据权利要求2所述的一种基于声呐系统的船舶载重测量方法，其特征在于：所述的建模求体积算法首先采用meshgrid函数分割平面，建立三维网格区域，然后采用triscatteredinterp函数在已建立的网格区域内进行三维插值，最后采用Surf函数绘制三维图形。

7.根据权利要求2所述的一种基于声呐系统的船舶载重测量方法，其特征在于：所述的步骤(3)船体的排水体积的计算步骤为：利用声呐系统扫描得到船体位于水下的形状，利用微积分的思想将船体位于水面下方的部分分割成多个小立方体，小立方体的长l和宽w均为声呐测距模块的分辨率大小，高h为声呐系统所测量的点到水面的距离，通过对这些小立方体的体积进行累加即求取整个船体的排水体积，即船体的排水体积根据公式(1)得到；

V＝∑(l×w×h)。

8.根据权利要求7所述的一种基于声呐系统的船舶载重测量方法，其特征在于：所述的船舶的载重等于船舶所受的浮力，即根据公式(2)得出船舶的载重；

G＝ρgV；

公式(2)中的ρ为水密度，g为重力加速度，V为排水体积。