CN110736992A - 一种基于超声波技术的无线船舶姿态检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超声波技术的无线船舶姿态检测系统，包括至少3个检测设备和主控单元，3个检测设备分别安装于船舶的船艏和船艉的左右舷上；所述检测设备通过有线或者无线与所述主控单元通讯；所述检测设备包括超声波测深模块、信号处理模块、无线传输模块以及太阳能充电模块，所述超声波测深模块包括超声波传感器、电压升压电路，所述信号处理模块包括PCB电路板，所述PCB电路板上设置有MCU处理器和用于连接主控单元的串口总线，所述无线传输模块包括无线通信模块和无线通信模块连接的天线，所述太阳能充电模块包括依次连接的太阳能充电板、太阳能充放电电路、锂电池；本发明系统具有成本低，安装及维护简单，检测过程方便快捷的特点。

Description

一种基于超声波技术的无线船舶姿态检测系统

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，特别是一种基于超声波技术的无线船舶姿态检测系统。

背景技术

船舶的发展越趋向于大型化、专业化,出现了各种新型大型船舶,如超大型油船、集装箱船等。船舶在不同载货的情况下，会呈现不同的姿态，影响船舶的操纵性。特别是在件杂货和集装箱船的装卸过程中，容易发生货物装载不合理，而造成的船舶不安全姿态，不利于船舶的安全驾驶航行，更不利于船舶的操纵。

这种船舶的危险姿态主要是因为船舶货物堆放不合理，造成船舶的倾斜等状况。因此对船舶的姿态进行主动实时的检测不仅有利于船舶的安全航行，更有利于船舶驾驶人员对船舶的操纵性了解，更安全的驾驶船舶。

发明内容

为克服上述问题，本发明的目的是提供一种基于超声波技术的无线船舶姿态检测系统，通过无线传输，易于安装实现，测量过程精确度高。

本发明采用以下方案实现：一种基于超声波技术的无线船舶姿态检测系统，包括至少 3个检测设备和主控单元，3个检测设备分别安装于船舶的船艏和船艉的左右舷上；所述检测设备通过有线或者无线与所述主控单元通讯；

所述检测设备包括超声波测深模块、信号处理模块、无线传输模块以及太阳能充电模块，所述超声波测深模块包括超声波传感器、电压升压电路，所述信号处理模块包括PCB 电路板，所述PCB电路板上设置有MCU处理器和用于连接主控单元的串口总线，所述无线传输模块包括无线通信模块和无线通信模块连接的天线，所述太阳能充电模块包括依次连接的太阳能充电板、太阳能充放电电路、锂电池；所述太阳能充放电电路与所述电压升压电路连接，所述电压升压电路与所述超声波传感器连接，所述超声波传感器与所述PCB电路板上的MCU处理器连接，所述MCU处理器与所述无线通信模块连接，所述主控单元包括计算机和无线接收模块，所述MCU处理器通过串口总线与所述计算机连接，所述无线通信模块经无线接收模块与计算机连接；所述3个检测设备对船舶当前姿态进行实时测量，并将测量数据发送计算机，通过计算机进行监控。

进一步的，所述超声波传感器为超声波换能器，所述超声波换能器发射的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获得超声波换能器到障碍物的距离；所述超声波换能器的声波发射方向为垂直方向，超声波传输至水面，经水面反射后超声波换能器接收到回波，其垂直的距离即为超声波换能器安装位置距水面的距离。

进一步的，所述3个检测设备对船舶当前姿态进行实时测量，并将测量数据发送计算机，通过计算机进行监控，具体包括如下步骤：步骤1：将主控单元安装于船舶驾驶室内，供信号接收和数据显示，

步骤2：分别记录3个检测设备在船艏和船艉左右舷的相对于船舶主甲板安装位置；

步骤3：分别测得3个检测设备相距目前水面的距离为d₁，d₂，d₃，并通过无线通信模块或者串口总线进行数据传输发送给计算机；其中，d₁，d₂，d₃都是超声波传感器进行若干次采样后一起求平均值而获得的；

步骤4：主控单元通过无线接收模块，接收安装于船艏和船艉超声波传感器的数据记录，并进行校验存至计算机并处理，最终得出船舶当前的姿态信息，计算公式如下：

α＝arcsin(d₁-d₂/h)

c_l＝g₁-d₁

c₂＝g₂-d₂，

其中α为船舶纵倾角度，d₁为船艏的超声波传感器所测得距水平面距离，d₂和d₃为分别为船艉左舷超声波传感器、船艉右舷超声波传感器所测得距水平面距离，l₁为船艏超声波传感器与船艉超声波传感器的固定距离，l₃为船艉左舷超声波传感器与船艉右舷超声波传感器的固定距离，c₁为船艏吃水，c₂为船艉吃水，g₁为船艏高，g₂为船艉高；通过α为船舶纵倾角度、c₁为船艏吃水，c₂为船艉吃水能得知船舶当前的姿态。

本发明的有益效果在于：1、本发明中船舶姿态测量过程方便快捷，可以实现实时在线检测。

2、本发明中使用的超声波检测设备结构简单、成本低廉，降低了安装和维护的难度与成本。

3、本发明中使用的超声波技术的无线船舶姿态检测系统通过对回波强度设定自适应阈值来滤除多次回波和干扰，使得测量结果更为精确。

附图说明

图1是本发明检测系统的结构示意图。

图2是本发明的检测设备中超声波传感器安装的结构示意图。

图3是本发明的3个检测设备对船舶当前姿态进行实时测量流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

请参阅图1至图3所示，本发明的一种基于超声波技术的无线船舶姿态检测系统，包括至少3个检测设备10和主控单元20，3个检测设备10分别安装于船舶的船艏和船艉的左右舷上；所述检测设备10通过有线或者无线与所述主控单元20通讯；

所述检测设备10包括超声波测深模块1、信号处理模块2、无线传输模块3以及太阳能充电模块4，所述超声波测深模块1包括超声波传感器11、电压升压电路12、数据采集电路，所述的电压升压电路12将太阳能转换为可用的电源，并将此电源升压至供超声波传感器使用的电压，数据采集电路为将超声波传感器测得的水深数据通过电路采集，采集后的数据发送给MCU处理器。所述信号处理模块2包括PCB电路板21，所述PCB电路板上设置有MCU处理器22和用于连接主控单元的串口总线23，所述无线传输模块3包括无线通信模块31和无线通信模块连接的天线32，所述太阳能充电模块4包括依次连接的太阳能充电板41、太阳能充放电电路42、锂电池43；所述太阳能充放电电路42与所述电压升压电路12连接，所述电压升压电路12与所述超声波传感器11连接，所述超声波传感器 11与所述PCB电路板21上的MCU处理器22连接，所述MCU处理器22与所述无线通信模块31连接，所述主控单元20包括计算机5和无线接收模块6，所述MCU处理器22通过串口总线23与所述计算机5连接，所述无线通信模块31经无线接收模块6与计算机5连接；所述3个检测设备对船舶当前姿态进行实时测量，并将测量数据发送计算机，通过计算机进行监控。其中，信号处理模块2、无线传输模块3以及太阳能充电模块4集成于PCB电路板上。超声波测深模块、信号处理模块、无线传输模块以及太阳能充电模块安装于上壳体7和下壳体8内，检测设备设置有旋钮开关9。其中，MCU处理器22采用STM32L152芯片。

其中，本实施例中所述超声波传感器为超声波换能器，所述超声波换能器发射的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获得超声波换能器到障碍物的距离；所述超声波换能器的声波发射方向为垂直方向，超声波传输至水面，经水面反射后超声波换能器接收到回波，其垂直的距离即为超声波换能器安装位置距水面的距离。本发明依靠独立的太阳能板进行供电，信号传输依靠天线，可实现完全独立工作，长续航，无需后期维护。

另外，本发明的所述3个检测设备对船舶当前姿态进行实时测量，并将测量数据发送计算机，通过计算机进行监控，具体包括如下步骤：步骤1：将主控单元安装于船舶驾驶室内，供信号接收和数据显示，

步骤2：分别记录3个检测设备在船艏和船艉左右舷的相对于船舶主甲板安装位置；电源开启，且保证太阳能板暴露在阳光下。

步骤3：分别测得3个检测设备相距目前水面的距离为d₁，d₂，d₃，并通过无线通信模块或者串口总线进行数据传输发送给计算机；其中，d₁，d₂，d₃都是超声波传感器进行若干次采样后一起求平均值而获得的；如：

式中：l_i为单次超声波传感器测得传感器距水面的距离，n为测量次数，如：i＝1,2,3， k为影响因子为0<k<1。

由于无线船舶姿态检测系统采用太阳能板和锂电池对系统供电，系统定时采集发送完数据后，系统进入休眠状态。同时加入滑动平均滤波算法，即采样一次，将一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均，得到的有效采样值即可投入使用。如果取n个采样值求平均，存储区中必须开辟n个数据的暂存区,每新采集一个数据便存入暂存区中，同时去掉一个最老数据，保存这n个数据始终是最新更新的数据。采用环型队列结构能方便地实现这种数据存放方式。

步骤4：主控单元通过无线接收模块，接收安装于船艏和船艉超声波传感器的数据记录，并进行校验存至计算机并处理，最终得出船舶当前的姿态信息，计算公式如下：

α＝arcsin(d₁-d₂/h)

c₁＝g₁-d₁

c₂＝g₂-d₂，

其中α为船舶纵倾角度，d₁为船艏的超声波传感器所测得距水平面距离，d₂和d₃为分别为船艉左舷超声波传感器、船艉右舷超声波传感器所测得距水平面距离，l₁为船艏超声波传感器与船艉超声波传感器的固定距离，l₃为船艉左舷超声波传感器与船艉右舷超声波传感器的固定距离，c₁为船艏吃水，c₂为船艉吃水，g₁为船艏高，g₂为船艉高；通过α为船舶纵倾角度、c₁为船艏吃水，c₂为船艉吃水能得知船舶当前的姿态(姿态如：首摇、横摇、纵摇等等)。

总之，本专利设计一种基于超声波技术的无线船舶姿态检测系统，旨在采用超声波技术对船舶的姿态进行检测。超声波技术的船舶姿态检测技术作为一种自动检测技术，实现了主动化、独立化、实时化的船舶吃水自动检测与判断；具有体积小、成本低、易于安装、可应用到小型化平台的优势。结合超声波技术和无线传输对船舶姿态进行检测，超声波的测量大于船舶吃水深度即可，无需将超声波传感器放置于较深的水下，简化了设备机械机构，再通过无线传输，易于安装实现，可达到船东及驾驶人员对船舶姿态测量的需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种基于超声波技术的无线船舶姿态检测系统，其特征在于：包括至少3个检测设备和主控单元，3个检测设备分别安装于船舶的船艏和船艉的左右舷上；所述检测设备通过有线或者无线与所述主控单元通讯；

所述检测设备包括超声波测深模块、信号处理模块、无线传输模块以及太阳能充电模块，所述超声波测深模块包括超声波传感器、电压升压电路，所述信号处理模块包括PCB电路板，所述PCB电路板上设置有MCU处理器和用于连接主控单元的串口总线，所述无线传输模块包括无线通信模块和无线通信模块连接的天线，所述太阳能充电模块包括依次连接的太阳能充电板、太阳能充放电电路、锂电池；所述太阳能充放电电路与所述电压升压电路连接，所述电压升压电路与所述超声波传感器连接，所述超声波传感器与所述PCB电路板上的MCU处理器连接，所述MCU处理器与所述无线通信模块连接，所述主控单元包括计算机和无线接收模块，所述MCU处理器通过串口总线与所述计算机连接，所述无线通信模块经无线接收模块与计算机连接；所述3个检测设备对船舶当前姿态进行实时测量，并将测量数据发送计算机，通过计算机进行监控。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波技术的无线船舶姿态检测系统，其特征在于：所述超声波传感器为超声波换能器，所述超声波换能器发射的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获得超声波换能器到障碍物的距离；所述超声波换能器的声波发射方向为垂直方向，超声波传输至水面，经水面反射后超声波换能器接收到回波，其垂直的距离即为超声波换能器安装位置距水面的距离。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声波技术的无线船舶姿态检测系统，其特征在于：所述3个检测设备对船舶当前姿态进行实时测量，并将测量数据发送计算机，通过计算机进行监控，具体包括如下步骤：步骤1：将主控单元安装于船舶驾驶室内，供信号接收和数据显示，

步骤2：分别记录3个检测设备在船艏和船艉左右舷的相对于船舶主甲板安装位置；

步骤3：分别测得3个检测设备相距目前水面的距离为d₁，d₂，d₃，并通过无线通信模块或者串口总线进行数据传输发送给计算机；其中，d₁，d₂，d₃都是超声波传感器进行若干次采样后一起求平均值而获得的；

步骤4：主控单元通过无线接收模块，接收安装于船艏和船艉超声波传感器的数据记录，并进行校验存至计算机并处理，最终得出船舶当前的姿态信息，计算公式如下：

，

其中为船舶纵倾角度，

为船艏的超声波传感器所测得距水平面距离，

和d₃为分别 为船艉左舷超声波传感器、船艉右舷超声波传感器所测得距水平面距离，

为船艏超声波 传感器与船艉超声波传感器的固定距离，为船艉左舷超声波传感器与船艉右舷超声波传 感器的固定距离，

为船艏吃水，

为船艉吃水，

为船艏高，

为船艉高；通过

为船舶纵 倾角度、

为船艏吃水，

为船艉吃水能得知船舶当前的姿态。

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