CN110514868A - 一种船舶真风测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于船舶工程领域，涉及一种船舶风场测量设备，尤其涉及一种船舶真风测量装置，包括主控箱、固定平板、固定连接杆、风速风向传感器、真风测量装置夹具。其中主控箱是本装置的核心，包括船舶姿态传感器、船舶航速航向传感器、无线传输部件、信号采集控制解算部件、电源控制模块、电压稳定模块。本发明融合风速风向传感器、船舶姿态传感器、船舶航速航向传感器，并通过真风测量装置夹具安装在船舶桅杆上，具备多参量同步采集及融合的能力，能够有效的消除由船舶摇摆和航行而引入的误差，实现了海洋船舶环境下的真风测量。

Description

一种船舶真风测量装置
技术领域
本发明属于船舶工程领域，涉及一种船舶风场测量设备，尤其涉及一种船舶真风测量装置。
背景技术
真风的风速风向数据是船舶操纵控制的重要参数，虽然当今造船技术、航海技术、风浪预报水平在不断提升，但海上复杂多变的风浪环境仍威胁船舶航行安全。如果在获取到准确真风风速风向数据的基础上，采取有针对性的防风措施，就能够有效的保障船舶航行安全。不仅如此，真风风速风向数据对船舶离靠码头、防台风、抢险救灾、海上搜救也起到关键作用，对于航母战机安全起降、风帆助力船风能利用等方面都有重要的应用价值。
但现有风速风向测量装置的测量结果还存在不足，主要原因为：(1)现有风速风向测量装置测量结果为相对风，而不是真风；(2)船舶真风数据除与船舶的航向和航速相关外，还受船舶横摇、纵摇等船舶空间运动的影响，尤其是大风浪环境下船舶摇摆将引起风速风向测量装置的空间位置发生较大变化，导致风向风速测量引入较大误差。
发明内容
本发明为了克服现有技术中不足，发明了一种船舶真风测量装置。
本发明的技术方案如下：
一种船舶真风测量装置，包括主控箱11、固定平板12、固定连接杆13、风速风向传感器14和真风测量装置夹具15；所述的风速风向传感器14和主控箱11固定在固定平板12的上表面；所述的固定连接杆13，其顶端与固定平板12的下表面固定连接；所述的真风测量装置夹具15为对称双环形结构，两个环分别夹装在固定连接杆13和船舶桅杆上，将整个装置固定在船舶桅杆上并提供夹紧力。
所述的风速风向传感器14用于测量船舶航行环境下相对风的风速风向，输出值为风速大小与风向角度；所述的主控箱11内设有船舶航速航向传感器、船舶姿态传感器、信号采集控制解算部件、无线传输部件、电源控制模块和电压稳定模块；所述的船舶姿态传感器用于船舶的姿态数据的测量，输出值为船舶三个轴的加速度数据、角速度数据及磁力强度数据；所述的船舶航速航向传感器用于测量实际船舶的航行速度与航行方向角度，输出值为船舶速度数据及船舶速度方向与真北夹角数据；各个传感器均与信号采集控制解算部件连接，信号采集控制解算部件对各个传感器的数据进行解算并输出真风数据；所述的无线传输部件与信号采集控制解算部件连接，用于实现船舶真风测量装置与上位机之间的无线传输，将上位机的指令发送至信号采集控制解算部件，并将信号采集控制解算部件输出的真风数据传送至上位机；所述的电源控制模块和电压稳定模块，均与信号采集控制解算部件以及各个传感器相连接，根据信号采集控制解算部件的命令分别为各个传感器供电。
所述的真风测量装置夹具15为对称结构，主要由外侧环形夹紧块1、外侧环形夹紧垫2、固定销轴3、内侧环形夹紧块4、内侧环形夹紧垫5、小螺母6、小垫片7、长螺纹杆8、大垫片9和大螺母10组成；所述的外侧环形夹紧垫2和内侧环形夹紧垫5，上部为半圆形环状结构，下部为定位柱，形成类Y型对称结构，半圆环的内侧粘贴有弹性垫片，以减小夹具与安装位置之间的空隙；所述的内侧环形夹紧块4为由两个半圆形环组成的类x型对称结构，半圆形环上开有凹槽，中心开有定位孔，内侧环形夹紧垫5的半圆形环状结构嵌入凹槽中、定位柱卡在定位孔中，实现固定；所述的外侧环形夹紧块1为半圆形环状结构，半圆形环上开有凹槽，中心开有贯穿的定位孔，外侧环形夹紧垫2的半圆形环状结构嵌入凹槽中、定位柱穿过定位孔，定位柱外端通过小螺母6和小垫片7的配合实现紧固；外侧环形夹紧块1的一端通过固定销轴3与内侧环形夹紧块4的一端实现铰接；外侧环形夹紧块1的另一端设有凸起，凸起上开有U形槽口，内侧环形夹紧块4的另一端设有凸起，凸起上设有安装孔，长螺纹杆8穿过U形槽口和安装孔，并通过大垫片9和大螺母10的配合实现外侧环形夹紧块1与内侧环形夹紧块4的连接和紧固。
本发明的有益效果为：本发明通过融合风速风向传感器、船舶姿态传感器、船舶航速航向传感器，并通过真风测量装置夹具安装在船舶桅杆上，具备多参量同步采集及融合的能力，能够有效的消除由船舶摇摆和航行而引入的误差，实现了海洋船舶环境下的真风测量。
附图说明
图1是船舶真风测量装置的示意图；
图2是船舶真风测量装置的主控箱布局图；
图3是真风测量装置夹具的示意图；
图4是真风测量装置夹具的局部示意图
图中：1外侧环形夹紧块；2外侧环形夹紧垫；3固定销轴；4内侧环形夹紧块；5内侧环形夹紧垫；6小螺母；7小垫片；8长螺纹杆；9大垫片；10大螺母；11主控箱；12固定平板；13固定连接杆；14风速风向传感器；15真风测量装置夹具。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。
真风、相对风、航行风三者之间符合矢量关系，相对风是由真风与航行风矢量叠加而来。根据以上原理，本发明建立一种船舶真风测量装置，如图1所示，包括主控箱11、固定平板12、固定连接杆13、风速风向传感器14和真风测量装置夹具15，其中主控箱11是船舶真风测量装置的核心。
所述的风速风向传感器14能够精确测量船舶航行环境下相对风的风速风向，其输出值为风速大小与风向角度，并通过RS485与信号采集控制解算部件进行通信。
主控箱11的布局如图2所示，主控箱11中主要包括了电压稳定模块、电源控制模块、船舶姿态传感器、船舶航速航向传感器、信号采集控制解算部件(内设数据解算装置)和无线传输模块。本发明的船舶真风测量装置具有多传感器的数据采集融合解算发送功能，其中，船舶姿态传感器主要用于船舶的姿态数据的测量，输出船舶三轴加速度、三轴角速度和三轴的磁力强度数据；船舶航速航向传感器用于测量实际船舶的航行速度与航行方向角度，输出船舶速度数据及船舶速度方向与真北夹角数据，通过UART与信号采集控制解算部件进行通信；三种传感器分别通过IIC、SPI等接口并用一主多从的方式与信号采集控制解算部件进行通信，其中信号采集控制结算部件作为主机，各个传感器为从机，通过CS进行片选进行数据交互。
信号采集控制解算部件具备信号采集归总、多传感器及部件控制、数据融合解算功能，其内设的数据解算装置完成了船舶姿态传感器的四元数姿态计算，数据解算装置能够解算出船舶三个轴的俯仰角，并在此基础上融合风速风向传感器数据、船舶航速航向传感器数据，通过真风求解算法求解出真风风向风速数据，实现了船舶真风数据的测量。无线传输部件主要用于实现船舶真风测量装置与上位机之间的无线传输，无线传输部件与信号采集控制解算部件通过UART进行通信，支持多种波特率。
信号采集控制解算部件用于控制命令各个传感器与部件，并将多个传感器数据采集融合解算然后输出真风数据，信号采集控制解算部件具有多个IO接口且支持RS485、RS232、SPI、IIC、CAN、UART等传输方式，其内部的数据结算装置具有很强的计算能力，能够实现快速的数据计算。
电压稳定模块主要功能是为各个传感器及部件提供合适电源，保证真风测量装置在合理的电压下能够长时间稳定工作。
电源控制模块的作用是在信号采集控制解算部件的命令下按需要为各个传感器供电，电源控制模块可以通过上位机软件发送命令至信号采集控制解算部件来控制。电源控制模块通过IO接口与信号采集控制解算部件进行通信，当信号采集控制解算部件发送高电平给电源控制模块时，会使能电源控制模块为各个传感器进行供电，发送低电平时，则会停止给各个传感器供电，实现节能高效。
所述的风速风向传感器为高精度三维超声波风速风向仪；
所述的电压稳定模块可以选用LM2596S直流可调稳压模块；
所述的电源控制模块可以选用5V单路光电耦合继电器模块；
所述的船舶姿态传感器可选用三个ADXRS453单轴陀螺仪、一个ADXL355三轴加速度计、一个MAG3110三轴磁力计组合而成并通过专用算法进行姿态解算。
所述的船舶航速航向传感器可以选用NEO-7M型号GPS模块。
所述的信号采集控制解算部件可以选用基于STM32F103的控工板，其具备RS485、IIC、SPI、UART等接口，具备很强的控制能力和计算能力。
所述的无线传输模块可以选用XBEE3无线ZIGBEE模块。
图3和图4为真风测量装置夹具15的示意图，包括：外侧环形夹紧块1、外侧环形夹紧垫2、固定销轴3、内侧环形夹紧块4、内侧环形夹紧垫5、小螺母6、小垫片7、长螺纹杆8、大垫片9和大螺母10；其中小螺母6为M10螺母，大螺母10为M14螺母。
其中，外测环形夹紧块1与内侧环形夹紧块4通过固定销轴3和长螺纹杆8配合到一起形成双环形机构，其中一个环与图1中固定连接杆13定位夹紧，另一个环则与船舶桅杆上的安装位置定位夹紧，主要作用为固定时给固定连接杆13和船舶桅杆提供夹紧力。外测环形夹紧块1的一端具有U形槽口设计，此设计方便安装加紧且结构简单；外侧环形夹紧块1与外侧环形夹紧垫2配合并通过小螺母6和小垫片7固定到一起；内侧环形夹紧垫5底部的定位柱插入内侧环形夹紧块4定位孔内，实现固定和定位；外侧环形夹紧垫2与内侧环形夹紧垫5上设有可调内径的半圆形弹性垫片，半圆形弹性垫片的半径可以根据安装位置的直径大小选择，确保真风测量装置与船体桅杆固定良好，适用范围广，结构简单，安装方便。固定销轴3与长螺纹杆8主要用于将外测环形夹紧块1与内侧环形夹紧块4固定到一起，长螺纹杆8、大垫片9与大螺母10相配合，主要用于该夹具在夹紧过程中提供充足的夹紧力确保夹紧可靠稳定有效，使各个部件装配为真风测量装置夹具。
本发明装置工作时：由上位机将开始采集指令并通过无线传输方式发送给无线传输部件，无线传输部件将开始采集指令传输给信号采集控制解算部件，信号采集控制解算部件接收到指令后，控制电源控制模块为船舶姿态传感器、风速风向传感器、船舶航速航向传感器供电，并命令这三个传感器开始测量数据，之后将船舶姿态传感器、风速风向传感器、船舶航速航向传感器测量到的数据发送到信号采集控制解算部件中进行解算，最后将解算出的真风风速风向数据按照规定的专用传输协议发传输给无线传输部件并通过无线方式发送给上位机，这样上位机就获得了真风风速风向数据。在整个测量过程中，各个传感器将持续进行测量，信号采集控制解算部件将采集融合解算真风数据实时发送给上位机直到接收到上位机的关闭命令。当测量完成时，则由上位机发送关闭指令给无线传输部件，无线传输部件将关闭指令传输给信号采集控制解算部件，信号采集控制解算部件接收到指令后，命令船舶姿态传感器、风速风向传感器、船舶航速航向传感器停止采集，并控制供电部件切断这三个传感器的电源供应，达到持久续航节约能源的目的，实现一次完整的真风采集任务。

Claims (1)

1.一种船舶真风测量装置，其特征在于，所述的船舶真风测量装置包括主控箱(11)、固定平板(12)、固定连接杆(13)、风速风向传感器(14)和真风测量装置夹具(15)；所述的风速风向传感器(14)和主控箱(11)固定在固定平板(12)的上表面；所述的固定连接杆(13)，其顶端与固定平板(12)的下表面固定连接；所述的真风测量装置夹具(15)为对称双环形结构，两个环分别夹装在固定连接杆(13)和船舶桅杆上，将整个装置固定在船舶桅杆上并提供夹紧力；
所述的风速风向传感器(14)用于测量船舶航行环境下相对风的风速风向，输出值为风速大小与风向角度；所述的主控箱(11)内设有船舶航速航向传感器、船舶姿态传感器、信号采集控制解算部件、无线传输部件、电源控制模块和电压稳定模块；所述的船舶姿态传感器用于船舶的姿态数据的测量，输出值为船舶三个轴的加速度数据、角速度数据及磁力强度数据；所述的船舶航速航向传感器用于测量实际船舶的航行速度与航行方向角度，输出值为船舶速度数据及船舶速度方向与真北夹角数据；各个传感器均与信号采集控制解算部件连接，信号采集控制解算部件对各个传感器的数据进行解算并输出真风数据；所述的无线传输部件与信号采集控制解算部件连接，用于实现船舶真风测量装置与上位机之间的无线传输，将上位机的指令发送至信号采集控制解算部件，并将信号采集控制解算部件输出的真风数据传送至上位机；所述的电源控制模块和电压稳定模块，均与信号采集控制解算部件以及各个传感器相连接，根据信号采集控制解算部件的命令分别为各个传感器供电；
所述的真风测量装置夹具(15)为对称结构，主要由外侧环形夹紧块(1)、外侧环形夹紧垫(2)、固定销轴(3)、内侧环形夹紧块(4)、内侧环形夹紧垫(5)、小螺母(6)、小垫片(7)、长螺纹杆(8)、大垫片(9)和大螺母(10)组成；所述的外侧环形夹紧垫(2)和内侧环形夹紧垫(5)，上部为半圆形环状结构，下部为定位柱，形成类Y型对称结构，半圆环的内侧粘贴有弹性垫片，以减小夹具与安装位置之间的空隙；所述的内侧环形夹紧块(4)为由两个半圆形环组成的类x型对称结构，半圆形环上开有凹槽，中心开有定位孔，内侧环形夹紧垫(5)的半圆形环状结构嵌入凹槽中、定位柱卡在定位孔中，实现固定；所述的外侧环形夹紧块(1)为半圆形环状结构，半圆形环上开有凹槽，中心开有贯穿的定位孔，外侧环形夹紧垫(2)的半圆形环状结构嵌入凹槽中、定位柱穿过定位孔，定位柱外端通过小螺母(6)和小垫片(7)的配合实现紧固；外侧环形夹紧块(1)的一端通过固定销轴(3)与内侧环形夹紧块(4)的一端实现铰接；外侧环形夹紧块(1)的另一端设有凸起，凸起上开有U形槽口，内侧环形夹紧块(4)的另一端设有凸起，凸起上设有安装孔，长螺纹杆(8)穿过U形槽口和安装孔，并通过大垫片(9)和大螺母(10)的配合实现外侧环形夹紧块(1)与内侧环形夹紧块(4)的连接和紧固。
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