CN204937426U - 一种内河船舶电子水尺 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种内河船舶电子水尺，包括ARM控制器、串口WIFI模块、电源、液位传感器、A/D转换器、I2C总线、MEMS三轴陀螺仪、MEMS三轴加速度计以及MEMS三轴磁力计；MEMS三轴陀螺仪、MEMS三轴加速度计以及MEMS三轴磁力计分别通过I2C总线接入ARM控制器；液位传感器通过A/D转换器接入ARM控制器；串口WIFI模块以及电源分别接入ARM控制器。本实用新型的目的在于提供一种检测精度高以及便于检测的内河船舶电子水尺。

Description

一种内河船舶电子水尺

技术领域

本实用新型属于液位测量领域，涉及一种电子水尺，尤其涉及一种内河船舶电子水尺。

背景技术

近年来，随着长江黄金水道的开发建设，沿岸地区经济得到飞速发展，长江干线货物运输量也呈现逐年上升的趋势。2013年，长江干线完成货物通过量19.2亿吨，同比增长6.7％；完成外贸货物吞吐量2.49亿吨，同比增长11.2％；完成集装箱吞吐量1357万TEU，同比增长9.1％。货运量的不断增加导致船舶运力的不断扩大，目前长江干线货船平均吨位已突破1000吨，三峡库区货船平均吨位达1600吨，货运船舶大型化趋势明显，船舶吃水也不断增加。

与船舶大型化趋势相比，长江航道建设发展却相对滞后，特别是长江西线和湖北荆江航段，在枯水期航道维护水深留足过船富余水深仅2.4米。以5000吨级，II型标准船为例，其型深为6.2米，满载吃水5.3米；如船东严格按照长江航道局公布的维护水深装载且不论其经济效益如何，仅船舶自身操纵性和安全性均会因吃水不足而下降，因此多数船东选择超吃水冒险开航。此外，船舶超载、船舶载运易流态货物因自由液面效应导致吃水失衡发生倾覆事故时有发生，对人民生命财产安全构成严重威胁。而海事监管对船舶吃水的感知还停留在现场蹲守、肉眼查看的状态，电子巡航系统基本不能显示，即使显示也是人工后继录入的结果，真实性大打折扣。

综上所述，开展内河船舶电子水尺/载重线技术开发，使船舶吃水通过船舶AIS、FRID技术、3G无线传输等手段自动在船舶动态系统、电子巡航系统中显示，并且与船舶主机启动系统互锁，在源头上防止船舶超载、超吃水航行，把牢船舶适航关，这将对长江干线航运的安全畅通和水环境保护起到巨大的推动作用。

目前，电子水尺已广泛应用于水文测量和航道养护，其测量数据与现代通信技术相结合，可实现水位信息的实时遥测和动态监控。电子水尺用于船舶吃水和海事监管尚处于起步阶段，但其技术已经成熟，开展内河船舶电子水尺/载重线技术开发不存在技术障碍。

电子水尺液位测量方法主要有超声波检测法、激光测距法和水压力检测法，前两者由于测量动态吃水误差较大，测量数据易受环境、波浪影响，故目前实际应用中采用水压力检测法较广，使用水压力检测法，使用较多的方法有双传感器检测法。对于传感器检测法而言，具体采用以下方式：

1、双传感器检测法

由于吃水深度不但与水压有关，还与水密度和重力加速度有关，而不同水域和不同季节的水密度和重力加速度值也有差别，从而会带来测量误差。为消除误差，可采用双传感器检测法，既在空船吃水线以下部位，用两个压力传感器以固定的间距上下分布，同一时刻检测出两个传感器上的压力值，经过比例运算消除水密度和重力加速度的影响。这种方法虽然可以消除水密度和重力加速度的影响，且与船的俯仰角无关，但这种方案并未考虑船体横滚角的影响，如果船体的横滚角较大的话，会带来较大的测量误差。另外双传感器检测法不容易施工，船体外面不好加装，船舷容易碰撞，而且为了方便日常维护和保证船体外壳的强度.传感器不适合直接安装在船舷表面。

2、六面水尺检测法

考虑到测量过程会受到波浪的影响，船舶在水中有可能处于横倾和纵倾状态，因此考虑选取多个采样点来进行压力检测，六面水尺检测法，即在左右舷的首、中、尾的空船水线以下设置六组压力传感器。这种方法通过观测船舶6面吃水深度的数据，通过计算机根据实时六面数据计算出船舶的平均吃水、吃水差、横倾角、纵倾角、摇摆周期及初稳性高度等指标。这种方法可以比较准确的测量出船舶的吃水深度，但是要安装六个传感器，成本较高，在船体上安装和维护都比较困难。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种检测精度高以及便于检测的内河船舶电子水尺。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种内河船舶电子水尺，其特征在于：所述内河船舶电子水尺包括ARM控制器、串口WIFI模块、电源、液位传感器、A/D转换器、I2C总线、MEMS三轴陀螺仪、MEMS三轴加速度计以及MEMS三轴磁力计；所述MEMS三轴陀螺仪、MEMS三轴加速度计以及MEMS三轴磁力计分别通过I2C总线接入ARM控制器；所述液位传感器通过A/D转换器接入ARM控制器；所述串口WIFI模块以及电源分别接入ARM控制器。

作为优选，本实用新型所采用的ARM控制器采用的芯片是STM32F103TB。

作为优选，本实用新型所采用的MEMS三轴陀螺仪以及MEMS三轴加速度计采用的芯片是MPU-6050。

作为优选，本实用新型所采用的MPU-6050的角速率量程为±250°/s、±500°/s、±1000°/s或±2000°/s。

作为优选，本实用新型所采用的MPU-6050的加速度测量范围为±2g、±4g、±8或±16g。

作为优选，本实用新型所采用的MEMS三轴磁力计是三轴地磁传感器。

作为优选，本实用新型所采用的MEMS三轴磁力计是HMC5983L。

作为优选，本实用新型所采用的液位传感器是GB-2100A。

本实用新型的优点是：

本实用新型提供了一种内河船舶电子水尺，包括ARM控制器、串口WIFI模块、电源、液位传感器、A/D转换器、I2C总线、MEMS三轴陀螺仪、MEMS三轴加速度计以及MEMS三轴磁力计；MEMS三轴陀螺仪、MEMS三轴加速度计以及MEMS三轴磁力计分别通过I2C总线接入ARM控制器；液位传感器通过A/D转换器接入ARM控制器；串口WIFI模块以及电源分别接入ARM控制器。本实用新型首先通过液位计测量出安装点的水深，再用惯导设备测试出船体的俯仰和横滚等倾角，通过计算出船实际的吃水水位，通过吃水水位查载重表，查出实际载重量，最后与准载重量比较后将是否超重信息通过串口或蓝牙传递至船舶AIS终端。通过本实用新型所提供的内河船舶电子水尺将吃水信息实时输入船载AIS终端，AIS终端自动将该信息报送电子巡航系统，从而为系统决策船舶是否超载、超吃水航行提供实时准确信息，也为海事执法人员远程执法提供法律依据和可能。

附图说明

图1是本实用新型所提供的内河船舶电子水尺的原理框图；

图2是本实用新型所提供的内河船舶电子水尺的测量原理示意图；

图3是本实用新型的使用状态示意图；

具体实施方式

参见图1，本实用新型所提供的内河船舶电子水尺包括ARM控制器，三轴陀螺仪，三轴加速度计，三轴磁力计，液位计以及串口WiFi模块组成。

其中，ARM控制器的芯片选用STM32F103TB，该芯片是基于Cortex-M3的内核，有128KB的内存存储器，和20KB的运行内存。7通道的DMA，7个定时器，控制器可以运行在72M的主频上。

MPU-6050芯片集成3轴陀螺仪和3轴加速器，为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器的轴间差的问题。同时，内部自带了16位A/D转换器。MPU-6050的角速率量程为±250°/s、±500°/s、±1000°/s与±2000°/s。加速度测量范围为±2g、±4g、±8g与±16g。内部自带16位的数字温度传感器，方便对传感器进行温度补偿。数据可通过最高可达400KHZ的I2C总线，采样更新速率达到8KHZ，可保证系统测量的实时性。

HMC5983L为3轴地磁传感器，包括最先进的高分辨率磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在1°～2°的12位模数转换器。最大输出频率可达220Hz。

液位传感器选用GB-2100A，该液位传感器采用专业的硅压阻传感器芯片设计，配套带有零点、满量程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路，信号隔离放大，抗干扰能力强，产品结构采用三道密封工艺，密封严谨可靠，主要参数如下：

量程:0～300中间量程任选

输出电压：0～5VDC、0～10VDC、1～4.5VDC

综合精度：±0.1％FS

温度漂移：±0.01％FS/℃

响应时间：≤5ms

稳定性：≤±0.1％FS/年

串口wifi模块可以和显控终端进行数据的无线传输，传输控制命令，各种参数，以及测试数据。

目前长江海事局电子巡航系统中船舶吃水数据来源于船舶签证系统中的船方申报吃水，而船方在办理签证时往往谎报、瞒报吃水，从而导致系统中该数据几无实际应用意义。通过研制船舶电子水尺，将吃水信息实时输入船载AIS终端，AIS终端自动将该信息报送电子巡航系统，从而为系统决策船舶是否超载、超吃水航行提供实时准确信息，也为海事执法人员远程执法提供法律依据和可能。

实际船舶干舷高度一般是指沿舷侧自水线面量至上层连续甲板(干舷甲板)边线的垂直距离；实际船舶吃水深度一般是指沿舷侧自水线面量至船舶底部最低点的垂直距离。

考虑到为了方便日常维护和保证船体外壳的强度。系统方案考虑测试设备并不直接安装在船舷表面，而是在每艘船的海底阀上安装测试设备，用管路将水压引入舱内，测试设备安装在测觅管道上，通过线缆连接到船舱内的终端，参见图3所示。

本实用新型的测量原理是：测量设备首先通过液位计测量出安装点的水深，再用惯导设备测试出船体的俯仰和横滚等倾角，通过计算出船实际的吃水水位，通过吃水水位查载重表，查出实际载重量，最后与准载重量比较后将是否超重信息通过串口或蓝牙传递至船舶AIS终端。

测量原理如图2所示，图中，d为液位计测出的安装点O点的水深，m为设备安装点到船尾的直线长度，可以直接测量得到或直接从船舶的设计参数中得到，另外(X，Y，Z)为地理坐标系，即东、北、天坐标，(x，y，z)为载体坐标系，俯仰角θ即为载体坐标系y轴与水平面的夹角。当载体坐标系的y轴在惯性坐标系XOY平面上方时，俯仰角为正，否则为负。横滚角γ即为载体坐标系z轴与铅垂平面的夹角，当载体坐标系的z轴在惯性坐标系YOZ平面左侧时，横滚角为正，否则为负。俯仰角θ和横滚角γ可以由主控制器进行卡尔曼滤波，通过姿态解算得出。

根据图2，首先考虑横滚角的影响，d为液位计测出的安装点O点的水深，d′为d投影在载体坐标系yoz平面上的深度，即d′＝d/cosφ，再考虑俯仰角的影响，由于受到俯仰角和船体长度的影响，可得：l＝d′/cosθ，a＝m·tgθ，这里当θ为正，表示船头上倾，如果θ为负，表示船头下倾，这时m取为设备安装点到船头的直线长度，l＝d′/cosθ，a＝m·tg(-θ)，由此可得，船体实际浸入水中的深度为：

L＝l+a＝d′/cosθ+m·tg(-θ)＝d/(cosφ·cosθ)+m·tg(θ)

尽管以上结合附图对本实用新型的实施方案进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在说明书的启示下，在不脱离本实用新型权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本实用新型保护之列。

Claims (8)

1.一种内河船舶电子水尺，其特征在于：所述内河船舶电子水尺包括ARM控制器、串口WIFI模块、电源、液位传感器、A/D转换器、I2C总线、MEMS三轴陀螺仪、MEMS三轴加速度计以及MEMS三轴磁力计；所述MEMS三轴陀螺仪、MEMS三轴加速度计以及MEMS三轴磁力计分别通过I2C总线接入ARM控制器；所述液位传感器通过A/D转换器接入ARM控制器；所述串口WIFI模块以及电源分别接入ARM控制器。

2.根据权利要求1所述的内河船舶电子水尺，其特征在于：所述ARM控制器采用的芯片是STM32F103TB。

3.根据权利要求2所述的内河船舶电子水尺，其特征在于：所述MEMS三轴陀螺仪以及MEMS三轴加速度计采用的芯片是MPU-6050。

4.根据权利要求3所述的内河船舶电子水尺，其特征在于：所述MPU-6050的角速率量程为±250°/s、±500°/s、±1000°/s或±2000°/s。

5.根据权利要求3所述的内河船舶电子水尺，其特征在于：所述MPU-6050的加速度测量范围为±2g、±4g、±8或±16g。

6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的内河船舶电子水尺，其特征在于：所述MEMS三轴磁力计是三轴地磁传感器。

7.根据权利要求6所述的内河船舶电子水尺，其特征在于：所述MEMS三轴磁力计是HMC5983L。

8.根据权利要求7所述的内河船舶电子水尺，其特征在于：所述液位传感器是GB-2100A。