CN113804271A - 一种基于便携式差分定位仪的船舶水尺计量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于便携式差分定位仪的船舶水尺计量系统及方法，包括差：分定位仪模块，用于获取船舶六面吃水处的高程数据；激光雷达测距模块，用于获取海面与激光雷达测距模块之间的距离数据；控制计算模块，通过高程数据和海面与激光雷达测距模块之间的距离数据，计算出船舶的六面吃水，从而能估算出船舶实时装卸货速率和船舶已装卸货物数量；传输模块，用于将高程数据和海面与激光雷达测距模块之间的距离数据传输给控制计算模块；以及显示模块，用于显示船舶六面吃水情况以及船舶实时装卸货速率和船舶已装卸货数量。本发明避免了因人工观测误差而导致的船舶装卸货侧翻的安全问题，同时降低了劳动强度，提高了水尺计量精度。

Description

一种基于便携式差分定位仪的船舶水尺计量系统及方法
技术领域
本发明涉及工程技术，特别涉及一种基于便携式差分定位仪的船舶水尺计量系统及方法。
背景技术
在大型船舶装货量和卸货量计重中，特别是大宗散货海运计重时，国内外航运界一直采用传统的水尺估算方法来进行装货量和卸货量的计量。在水尺观测过程中，需要2-3名工作人员乘坐小艇实时观察船艏、船舯、船艉左右6处水尺。水尺的观测精度受天气、海况、能见度、白天晚上和观测者经验所限，在外界条件不良的情况下，比如：夜间风浪较大的条件下，观测精度难以掌控，也容易产生争议。
工作人员评经验观察到的水尺需要填写到纸张上，再查表格内，经过繁琐的计算出船舶的装货量或卸货量，一般需要1个小时。在此期间，船舶不能进行装卸货作业，浪费了宝贵的时间，产生不小的费用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于便携式差分定位仪的船舶水尺计量系统及方法，避免了因人工观测误差而导致的船舶装卸货侧翻的安全问题，同时降低了劳动强度，提高了水尺计量精度。
本发明所采用的技术方案是：一种基于便携式差分定位仪的船舶水尺计量系统，包括：
差分定位仪模块，用于获取船舶六面吃水处的高程数据；
激光雷达测距模块，用于获取海面与所述激光雷达测距模块之间的距离数据；
控制计算模块，通过所述高程数据和所述海面与所述激光雷达测距模块之间的距离数据，计算出船舶的六面吃水，从而能估算出船舶实时装卸货速率和船舶已装卸货物数量；
传输模块，用于将所述高程数据和所述海面与所述激光雷达测距模块之间的距离数据传输给所述控制计算模块；以及
显示模块，用于显示船舶六面吃水情况以及船舶实时装卸货速率和船舶已装卸货数量；
其中，所述传输模块的输入端分别与所述差分定位仪模块、激光雷达测距模块相连接，所述传输模块的输出端与所述控制计算模块的输入端相连接，所述控制计算模块的输出端与所述显示模块相连接。
进一步地，所述差分定位仪模块包括：
差分基准站，所述差分基准站安装在码头，用于提高卫星定位精度；
六个卫星差分定位仪，所述六个卫星差分定位仪分别安装在所述船舶六面吃水处的露天甲板上；每个所述卫星差分定位仪接收所述差分基准站的信号，并获取该卫星差分定位仪所在吃水处的高程数据；
六个惯性测量单元，所述六个惯性测量单元与所述六个卫星差分定位仪一一对应布置，用于获取船舶的姿态数据，以验证所述卫星差分定位仪得到的高程数据的准确性；以及
六个微处理器，所述六个微处理器与所述六个卫星差分定位仪一一对应布置，其中，每个所述微处理器均与对应的所述卫星差分定位仪和惯性测量单元连接，并且，每个所述微处理器均与所述传输模块连接，用于将所述卫星差分定位仪的数据和所述惯性测量单元的数据传输给所述传输模块。
进一步地，所述激光雷达测距模块包括激光雷达系统，其中，所述激光雷达系统安装在码头，包括发射光学系统、激光器、望远镜、滤光器、光电探测器和波形数字化仪。
进一步地，所述传输模块包括全网通通信模块、5G通信模块和WIFI通信模块，使得所述传输模块能在4G通信、5G通信和WIFI通信之间切换。
进一步地，所述控制计算模块包括微控制器、人机界面、通信模块和电源模块，
其中，所述微控制器与人机界面、通信模块连接，所述通信模块与所述传输模块连接，所述微控制器通过所述通信模块获取数据并对所获得的数据进行处理后将处理结果发送至所述人机界面；
所述电源模块为整个所述控制计算模块供电。
进一步地，所述控制计算模块还包括信号处理模块，所述信号处理模块与所述微控制器连接，对于所述微控制器无法实时处理的数据，所述微控制器将该数据发送给所述信号处理模块，所述信号处理模块对所获得的数据进行处理后将处理结果返回至所述微控制器。
本发明所采用的另一技术方案是：一种基于上述基于便携式差分定位仪的船舶水尺计量系统的船舶水尺计量方法，包括以下步骤：
步骤1，在码头安装激光雷达测距模块和差分基准站，在船舶六面吃水的露天甲板上对应安装六个卫星差分定位仪，并给每个卫星差分定位仪配备一个惯性测量单元和一个微处理器，船舶靠泊后进行初次水尺观测，观测初次六面吃水情况；
步骤2，通过差分定位仪模块记下船舶六面吃水处的高程数据；
步骤3，通过激光雷达测距模块记录下海面与激光雷达测距模块之间的距离数据；
步骤4，通过传输模块将数据传输给控制计算模块；
步骤5，通过控制计算模块，根据六面吃水变化与卫星差分定位仪高程同比例变化的原理，加上海面与激光雷达测距模块之间距离数据的修正，推出船舶的六面吃水数据，并估算出船舶实时装卸货速率和船舶已装卸货物数量，再将船舶的六面吃水数据以及船舶实时装卸货速率数据和船舶已装卸货量数据传输至显示模块；
步骤6，通过显示模块实时显示船舶六面吃水的情况以及船舶实时装卸货速率和船舶已装卸货数量。
本发明的有益效果是：本发明能避免因人工观测效率低、精度难以控制而导致的船舶装卸货物数量误差较大的难题，能够快速获取实时船舶吃水数据，进而精准获取船舶装卸货物数量，能够节省船舶装卸作业时间，减少有关货物数量差异的争议，也可以监控船舶装卸速率，及早发现装卸货作业中的异常情况。此项发明能够大幅度提高传统的水尺公估的工作效率和精度，在大宗散货精准计重方面具有广泛的推广价值；同时，能够为港口智能装卸机提供精准的船舶姿态，确保智能装货安全有效运行。
附图说明
图1：本发明基于便携式差分定位仪的船舶水尺计量系统结构示意图；
图2：本发明基于便携式差分定位仪的船舶水尺计量方法流程示意图；
图3：本发明的卫星差分定位仪安装位置示意图；
附图标注：
S——船舶；
1——差分定位仪模块； 1-1——卫星差分定位仪；
2——激光雷达测距模块； 3——控制计算模块；
4——传输模块； 5——显示模块；
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如附图1所示，一种基于便携式差分定位仪的船舶S水尺计量系统，包括差分定位仪模块1、激光雷达测距模块2、传输模块4、控制计算模块3和显示模块5。
所述差分定位仪模块1用于获取船舶S六面吃水处的高程数据，所述高程以海平面为基面。所述差分定位仪模块1包括差分基准站、六个卫星差分定位仪1-1、六个惯性测量单元和六个微处理器。所述差分基准站安装在码头，用于提高卫星定位精度。所述六个卫星差分定位仪1-1分别安装在所述船舶S六面吃水处的露天甲板上；每个所述卫星差分定位仪1-1与所述差分基准站之间无线通信以接收所述差分基准站的信号，并获取该卫星差分定位仪1-1所在吃水处的高程数据；所述卫星差分定位仪1-1为便携式高精度卫星差分定位仪。所述六个惯性测量单元与所述六个卫星差分定位仪1-1一一对应布置，用于获取船舶S的姿态数据，以验证所述卫星差分定位仪1-1得到的高程数据的准确性。所述六个微处理器与所述六个卫星差分定位仪1-1一一对应布置，其中，每个所述微处理器均与对应的所述卫星差分定位仪1-1和惯性测量单元连接，并且，每个所述微处理器均配置有无线通信模块，所述微处理器通过所述无线通信模块与所述传输模块4无线通信，用于将所述卫星差分定位仪1-1的数据和所述惯性测量单元的数据传输给所述传输模块4。
所述激光雷达测距模块2用于获取海面与所述激光雷达测距模块2之间的距离数据。所述激光雷达测距模块2包括激光雷达系统，其中，所述激光雷达系统安装在码头，所述激光雷达系统包括发射光学系统、激光器、望远镜、滤光器、光电探测器和波形数字化仪。
所述传输模块4分别与所述差分定位仪模块1、所述激光雷达测距模块2和所述控制计算模块3连接，用于传输所述差分定位仪模块1获取的高程数据和所述激光雷达测距模块2获取的海面与所述激光雷达测距模块2之间的距离数据，将数据传输给所述控制计算模块3。所述传输模块4包括全网通通信模块、5G通信模块和WIFI通信模块，使得所述传输模块4能在4G通信、5G通信和WIFI通信之间切换。
所述控制计算模块3通过所述高程数据和所述海面与所述激光雷达测距模块2之间的距离数据，计算出船舶S的六面吃水，从而能估算出船舶S实时装卸货速率和船舶S已装卸货物数量。所述控制计算模块3包括微控制器、人机界面、通信模块、电源模块和信号处理模块；所述微控制器分别与人机界面、通信模块和信号处理模块连接，所述通信模块与所述传输模块4连接，所述微控制器通过所述通信模块获取数据并对所获得的数据进行处理后将处理结果发送至所述人机界面，当所述微控制器无法实时处理所获取的数据时，所述微控制器将该数据发送给所述信号处理模块，所述信号处理模块对所获得的数据进行处理后将处理结果返回至所述微控制器；所述电源模块为整个所述控制计算模块3供电。
所述显示模块5与所述控制计算模块3连接，用于显示船舶S六面吃水情况以及船舶S实时装卸货速率和船舶S已装卸货物数量。所述控制计算模块3、显示模块5可位于码头控制中心。
如图2所示，基于上述船舶S水尺计量系统的船舶S水尺计量方法，包括以下步骤：
步骤1，在码头安装激光雷达测距模块2和差分基准站，在船舶S六面吃水的露天甲板上对应安装六个卫星差分定位仪1-1，并给每个卫星差分定位仪1-1配备一个惯性测量单元和一个微处理器，船舶S靠泊后进行初次水尺观测，观测初次六面吃水情况，其中，六面吃水为船艏左右两侧、船舯左右两侧、船艉左右两侧的吃水；
步骤2，通过差分定位仪模块1记下船舶S六面吃水处的高程数据；
步骤3，通过激光雷达测距模块2记录下海面与激光雷达测距模块2之间的距离数据；
步骤4，通过传输模块4将数据传输给控制计算模块3；
步骤5，通过控制计算模块3，根据六面吃水变化与卫星差分定位仪1-1高程同比例变化的原理，加上海面与激光雷达测距模块2之间距离数据的修正，推出船舶S的六面吃水数据，并估算出船舶S实时装货卸速率和船舶S已装或卸货装货量，再将船舶S的六面吃水数据以及船舶S实时装卸货速率和船舶S已装卸货量数据传输至显示模块5；
步骤6，通过显示模块5实时显示船舶S六面吃水的情况以及船舶S实时装卸货速率和船舶S已装卸货量。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于便携式差分定位仪的船舶(S)水尺计量系统，其特征在于，包括：
差分定位仪模块(1)，用于获取船舶(S)六面吃水处的高程数据；
激光雷达测距模块(2)，用于获取海面与所述激光雷达测距模块(2)之间的距离数据；
控制计算模块(3)，通过所述高程数据和所述海面与所述激光雷达测距模块(2)之间的距离数据，计算出船舶(S)的六面吃水，从而能估算出船舶(S)实时装卸货速率和船舶(S)已装卸货物数量；
传输模块(4)，用于将所述高程数据和所述海面与所述激光雷达测距模块(2)之间的距离数据传输给所述控制计算模块(3)；以及
显示模块(5)，用于显示船舶(S)六面吃水情况以及船舶(S)实时装卸货速率和船舶(S)已装卸货数量；
其中，所述传输模块(4)的输入端分别与所述差分定位仪模块(1)、激光雷达测距模块(2)相连接，所述传输模块(4)的输出端与所述控制计算模块(3)的输入端相连接，所述控制计算模块(3)的输出端与所述显示模块(5)相连接。
2.根据权利要求1所述的基于便携式差分定位仪的船舶(S)水尺计量系统，其特征在于，所述差分定位仪模块(1)包括：
差分基准站，所述差分基准站安装在码头，用于提高卫星定位精度；
六个卫星差分定位仪(1-1)，所述六个卫星差分定位仪(1-1)分别安装在所述船舶(S)六面吃水处的露天甲板上；每个所述卫星差分定位仪(1-1)接收所述差分基准站的信号，并获取该卫星差分定位仪(1-1)所在吃水处的高程数据；
六个惯性测量单元，所述六个惯性测量单元与所述六个卫星差分定位仪(1-1)一一对应布置，用于获取船舶(S)的姿态数据，以验证所述卫星差分定位仪(1-1)得到的高程数据的准确性；以及
六个微处理器，所述六个微处理器与所述六个卫星差分定位仪(1-1)一一对应布置，其中，每个所述微处理器均与对应的所述卫星差分定位仪(1-1)和惯性测量单元连接，并且，每个所述微处理器均与所述传输模块(4)连接，用于将所述卫星差分定位仪(1-1)的数据和所述惯性测量单元的数据传输给所述传输模块(4)。
3.根据权利要求1所述的基于便携式差分定位仪的船舶(S)水尺计量系统，其特征在于，所述激光雷达测距模块(2)包括激光雷达系统，其中，所述激光雷达系统安装在码头，包括发射光学系统、激光器、望远镜、滤光器、光电探测器和波形数字化仪。
4.根据权利要求1所述的基于便携式差分定位仪的船舶(S)水尺计量系统，其特征在于，所述传输模块(4)包括全网通通信模块、5G通信模块和WIFI通信模块，使得所述传输模块(4)能在4G通信、5G通信和WIFI通信之间切换。
5.根据权利要求1所述的基于便携式差分定位仪的船舶(S)水尺计量系统，其特征在于，所述控制计算模块(3)包括微控制器、人机界面、通信模块和电源模块，
其中，所述微控制器与人机界面、通信模块连接，所述通信模块与所述传输模块(4)连接，所述微控制器通过所述通信模块获取数据并对所获得的数据进行处理后将处理结果发送至所述人机界面；
所述电源模块为整个所述控制计算模块(3)供电。
6.根据权利要求5所述的基于便携式差分定位仪的船舶(S)水尺计量系统，其特征在于，所述控制计算模块(3)还包括信号处理模块，所述信号处理模块与所述微控制器连接，对于所述微控制器无法实时处理的数据，所述微控制器将该数据发送给所述信号处理模块，所述信号处理模块对所获得的数据进行处理后将处理结果返回至所述微控制器。
7.一种基于上述权利要求1至6任一项所述基于便携式差分定位仪的船舶(S)水尺计量系统的船舶(S)水尺计量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在码头安装激光雷达测距模块(2)和差分基准站，在船舶(S)六面吃水的露天甲板上对应安装六个卫星差分定位仪(1-1)，并给每个卫星差分定位仪(1-1)配备一个惯性测量单元和一个微处理器，船舶(S)靠泊后进行初次水尺观测，观测初次六面吃水情况；
步骤2，通过差分定位仪模块(1)记下船舶(S)六面吃水处的高程数据；
步骤3，通过激光雷达测距模块(2)记录下海面与激光雷达测距模块(2)之间的距离数据；
步骤4，通过传输模块(4)将数据传输给控制计算模块(3)；
步骤5，通过控制计算模块(3)，根据六面吃水变化与卫星差分定位仪(1-1)高程同比例变化的原理，加上海面与激光雷达测距模块(2)之间距离数据的修正，推出船舶(S)的六面吃水数据，并估算出船舶(S)实时装卸货速率和船舶(S)已装卸货物数量，再将船舶(S)的六面吃水数据以及船舶(S)实时装卸货速率数据和船舶(S)已装卸货量数据传输至显示模块(5)；
步骤6，通过显示模块(5)实时显示船舶(S)六面吃水的情况以及船舶(S)实时装卸货速率和船舶(S)已装卸货数量。
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