CN213677075U - 一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统，包括雷达测距仪终端和上位机，所述雷达测距仪终端包括云台、惯性传感器、雷达测距传感器、单片机、无线信号模块和驱动装置，所述驱动装置进行供电，所述惯性传感器和雷达测距传感器均固定安装在所述云台上，所述惯性传感器和雷达测距传感器分别传输姿态数据和测距数据到单片机，单片机通过姿态数据反馈指令控制云台的镜头转向装置进行修正调平云台，雷达测距仪终端的数据通过无线信号模块与无线自组织网络上传给上位机，上位机用于接收雷达测距终端的数据并进行数据整合和处理得到吃水结果。本实用新型可以减少船舶在营运过程出现货物少装/多卸的情况发生，利于提高船舶航行的安全性。

Description

一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统

技术领域

本实用新型涉及船舶吃水测量技术领域，特别是涉及一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统。

背景技术

如今航海业凭借着运输量大、成本低和运输方便等优势在飞速发展，为我国经济的发展加快了步伐。船舶吃水作为一个重要参数，可以计算船舶排水量，目前几乎完全依赖人工目测的方法来确定船舶吃水。但这种方法存在着众多弊端，肉眼观测的准确性和可靠性受到天气等客观条件而显著地变化，并不能做到实时更新测量数据，遇上恶劣天气，加大了测量船舶吃水的难度。个人经验对于测量结果也有显著的影响。而且对于船舶“超吃水”违规现象导致的事故更是日益增加，这样不仅影响了航运事业的蓬勃发展更是对船舶本身的安全构成了重大威胁，精确测量船舶吃水迫在眉睫。

目前船舶吃水测量传统测量方式：

(1)人工观测法

有水尺观测法和交通艇绕船观察两大类。需要人工对船舶的船艏、船中、船尾左右两侧共六面的船舶水尺标志进行观测记录，最终得到船舶实际吃水值。此方法要求船舶靠港或观测人员乘坐工作艇对目标船舶进行观测。船舶处于动态环境下，且水尺标志常年受到腐蚀，需要若干观测人员同时进行长时间测量记录以避免个人主观性误差，不利于后期数值校对。极端环境下，观测人员的生命安全受到威胁

i.水尺观测方法

水线达到水尺标志上某数字的下边缘，则表示该处的实际吃水为该数字所表示的数值；水线刚好淹没该数字，则表示该处的实际吃水为该数字所表示的数值加上相应的字高；水线位于字高的一半处时，则表示该处的实际吃水为该数字所表示的数值加上相应字高的一半。当水面有波动时，应根据若干次观测所得的平均值来确定实际水线的位置。

ii.交通艇绕船观察

对于非靠泊舷侧，从船上放下交通艇，绕船观察。

(2)超声波测量法超声波测量法利用声波良好的方向性及穿透力等特点对超声波探头到水面的距离进行测量从而得到船舶吃水值。其测量精度主要受到声速误差的影响，即所处的当前环境(空气密度、温度、湿度等)直接会影响测量精度，需要根据不同的应用环境进行误差补偿。

(3)激光传感器测量法

激光传感器测量法原理与超声波测量法类似，利用其光速不变及方向性好等特性对激光探头到水面的距离进行测量，从而得到船舶吃水值。

(4)压力传感器测量法

压力传感器测量法利用船舶空载与负载时产生吃水深度的变化导致水压发生变化，从而压力传感器的压力值发生变化，通过转换公式获得船舶吃水值。但长期的压力施加产生的时漂现象及水密度的不同直接导致压力值的不同，致使产生测量误差，需要根据不同的应用环境进行误差补偿。

(5)声呐测量法

声呐测量法利用超声波在水中衰减小等特点，在水下以阵列的形式对船船舶吃水深度进行测量。大连海事大学的熊木地等同学利用声呐阵列实现了对船舶吃水深度的测量。但此方法须脱离船体，将设备安装在指定测量区域，其灵活性不高且造价较高。

(6)电子水尺测量法

电子水尺测量法是利用水的导电等特性，脉冲信号由电子水尺顶部依次向下扫描，扫描到与水面等高的电极触点时扫描停止，获取电极触点数，通过转换公式获得船舶吃水值。上海海事大学孙国元等利用电子水尺实现了船舶吃水深度的测量。

(7)图像处理测量法

图像处理测量法主要通过图像采集装置对水尺标志图像进行采样，通过算法进行识别从而得到船舶吃水值。船舶吃水线的图像处理分析方法主要运用模板匹配和Canny算子等方法。但由于船舶吃水尺标志常年暴露被腐蚀，采集的图像不够清晰且杂质较多，难以达到实际应用的水平。

(8)雷达测量法

雷达测量法通过测量雷达探头到水面的距离从而得到船舶吃水值。

如今，雷达在高精度的液位/物位测量仪表领域得到了广泛应用。但在船舶吃水测量领域，只有少量的相关文献介绍了雷达在此领域的研究应用。

各类船舶吃水测量产生的问题：

目前，各类船舶吃水测量系统存在主要问题包括：

(1)安全问题：如果探身舷外测量，人身安全就会受到威胁。不探舷外，就只能粗略的估算，无法得到准确的数据。曾经有船长由于查看船舶吃水不慎掉至水中。更有遇到恶劣天气，船员被迫去甲板观测船舶吃水，这种方式存在很大的安全隐患。人工测量存在着工作量大且无法长时间在水中测量。

(2)准确性问题：由于受到天气、水雾、水波干扰等各方面的影响，肉眼得到的数值难以保证船舶吃水数据准确性。且个人经验的差异对于测量结果有较显著的影响。对于压力传感器测量法来说。压力施加产生的时漂现象及水密度的不同直接导致压力值的不同，致使产生测量误差，需要根据不同的应用环境进行误差补偿。

(3)数据同步问题：传统的人工测量方式只能得出测量时的吃水。而当船舶在水面上不断的航行时，我们无法计算出吃水。想要获得实时数据成了一个难点。

(4)难以实际应用问题：对于图像处理测吃水法。船舶吃水标志常年暴露被腐蚀，采集的图像不够清晰且杂质较多，难以达到实际应用的水平。

综上所述，雷达测量、激光测量等自动测量方法的基本原理均是通过测量信号在传感器与水面之间往返时间，计算传感器到水面的距离，进而根据传感器的安装位置和船舶型值表计算船舶吃水。当船舶正浮时，各种测量传感器能够保证和水面垂直，此时系统的测量精度较高。

然而，当船舶具有较大纵倾角或者横倾角时，各传感器无法保证与水面垂直，信号很难通过水面发射回到传感器，如图1所示，此时测量的精度将大大降低，甚至无法获取船舶吃水值。因此，几乎所有的自动测量方法均要求传感器保持和船舶水线面垂直。

为了保证传感器与水线面垂直，中国船舶科学研究中心陈文炜通过在测量终端安装调平螺栓和水平仪，测量吃水时人工调节螺栓，使传感器垂直于水线面。尽管这种方法能够保证在测量吃水时传感器与水线面垂直，但每次测量都需要人工调平，不仅费时费力，测量结果的实时性较差，而且调平精度得不到保障。

实用新型内容

针对上述现有技术的不足，本专利申请所要解决的技术问题是如何提供一种提高测量安全性、便捷性以及准确性的基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：

一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统，包括雷达测距仪终端和上位机，所述雷达测距仪终端包括云台、惯性传感器、雷达测距传感器、单片机、无线信号模块和驱动装置，所述驱动装置进行供电，所述惯性传感器和雷达测距传感器均固定安装在所述云台上，所述惯性传感器和雷达测距传感器分别传输姿态数据和测距数据到单片机，单片机通过姿态数据反馈指令控制云台的镜头转向装置进行修正调平云台，雷达测距仪终端的数据通过无线信号模块与无线自组织网络上传给上位机，上位机用于接收雷达测距终端的数据并进行数据整合和处理得到吃水结果。

其中，所述雷达传感器终端设置有6个，且分别用于安装在船舶的吃水测量标线的船艏、船中和船尾的相对的两侧。

其中，所述雷达测距仪终端外侧从安装有防水罩。

其中，所述驱动装置为电池。

其中，所述电池为太阳能电池或可充电电池。

其中，所述雷达测距仪终端通过磁铁与船舶连接。

一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统，包括以下步骤：

S1：吃水测量终端初始化；

S2：系统自检测，检测各板块运作是否存在故障，若存在故障，则进行修复系统或报警；若不存在故障，则进行下一步；

S3：通过惯性传感器测量云台姿态，根据云台姿态数据发送控制指令调平云台，通过雷达液位计到水线面的距离，根据船舶型值表推算船舶吃水；将船舶吃水与云台姿态发送至上位机；

S4：确认上位机是否接收结束指令，如果否结束测量，则回到步骤S3继续测量，如果是结束测量，则结束测量吃水。

其中，所述惯性传感器包括加速度传感器和角速度传感器以及惯性测量单元和磁传感器姿态参考系统；

惯性传感器在使用时：

旋转Z轴：

旋转前坐标(X₀,Y₀,Z₀)，旋转后坐标(X₁,Y₁,Z₁)

计算矩阵：

其中，

旋转Y轴：

旋转前坐标(X₁,Y₁,Z₁)，旋转后坐标(X₂,Y₂,Z₂)

计算矩阵：

其中，

旋转X轴：

旋转前坐标(X₂,Y₂,Z₂)，旋转后坐标(X₃,Y₃,Z₃)

计算矩阵：

其中，

其中，所述雷达测距传感器从反射到接受的时间差t与天线到物体之间的距离L成比例，采用以下公式

L＝ct/2

其中，c表示电磁波的传输速度，为定值；t为反射到接受的时间差；

设传感器的天线高程为H₀，反射面的高度H＝H₀-L＝H₀-ct/2；若雷达测距传感器的天线对着码头水面发射脉冲波，H值就是需要测量的水位值；

误差计算

U_0.95＝2S_g

其中，

式中，S_g为统计标准差；X_i为雷达水位(m)，

为人工观测水位值的平均值(m)。

其中，所述雷达测距传感器为恩莱雷达液位计。

本实用新型具有以下有益效果：

1.采用惯性传感器实时测量各传感器的姿态，通过单片机对姿态数据进行处理分析，并向传感器所在的云台发送控制数据，实时调整传感器的姿态，始终使传感器与水线面垂直，提高船舶吃水测量的精度和实时性。同时，各个吃水测量终端的测量结果均通过无线自组织网络发送给上位机，当吃水测量终端离上位机距离较远时，可通过其他终端转发吃水测量结果。上位机接收到各终端的吃水结果，经过数据处理得到船舶等容吃水。

2.能够自动为船舶驾驶人员提供船舶吃水，有利于降低船员在测量吃水时的安全风险。

3.采用惯性传感器测量测距传感器的姿态，并通过云台实时调整测距传感器姿态，使其始终于水面保持垂直，有利于提高船舶吃水测量的精确度。

4.采用无线自组织网络进行测量终端与上位机之间的数据传输，有利保证吃水测量的实时性，将无线自组织网络用于吃水测量终端与上位机之间的数据传输，若测量终端与上位机之间距离较远，可通过其他终端进行数据中继转发。

5.由于受到波浪和传感器噪声的影响，船舶吃水测量结果随机误差较大。为提高吃水测量结果，采用卡尔曼滤波方法对船舶吃水结果进行处理，有利于降低船舶吃水测量结果的误差。

6.安装采用磁铁的方式安装，安装更加的简单，人工易拆卸，维护十分方便。

7.成本低。

综上，本实用新型可以有利减少船舶在营运过程出现货物少装/多卸的情况发生，有利于提高船舶航行的安全性。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统的整体结构示意图。

图2为本实用新型所述的一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统的安装示意图。

图3为本实用新型所述的一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统的终端示意图。

图4为本实用新型所述的一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统的工作流程图。

图5为本实用新型所述的一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统的姿态坐标轴。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“上、下”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

如图1-5所示，一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统，包括雷达测距仪终端和上位机，所述雷达测距仪终端包括云台、惯性传感器、雷达测距传感器、单片机、无线信号模块和驱动装置，所述驱动装置进行供电，所述惯性传感器和雷达测距传感器均固定安装在所述云台上，所述惯性传感器和雷达测距传感器分别传输姿态数据和测距数据到单片机，单片机通过姿态数据反馈指令控制云台的镜头转向装置进行修正调平云台，雷达测距仪终端的数据通过无线信号模块与无线自组织网络上传给上位机，上位机用于接收雷达测距终端的数据并进行数据整合和处理得到吃水结果。

其中，所述雷达传感器终端设置有6个，且分别用于安装在船舶的吃水测量标线的船艏、船中和船尾的相对的两侧。

其中，所述雷达测距仪终端外侧从安装有防水罩。

其中，所述驱动装置为电池。

其中，所述电池为太阳能电池或可充电电池。

其中，所述雷达测距仪终端通过磁铁与船舶连接。

一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统，包括以下步骤：

S1：吃水测量终端初始化；

S2：系统自检测，检测各板块运作是否存在故障，若存在故障，则进行修复系统或报警；若不存在故障，则进行下一步；

S3：通过惯性传感器测量云台姿态，根据云台姿态数据发送控制指令调平云台，通过雷达液位计到水线面的距离，根据船舶型值表推算船舶吃水；将船舶吃水与云台姿态发送至上位机；

S4：确认上位机是否接收结束指令，如果否结束测量，则回到步骤S3继续测量，如果是结束测量，则结束测量吃水。

其中，所述惯性传感器包括加速度传感器和角速度传感器以及惯性测量单元和磁传感器姿态参考系统；

惯性传感器在使用时：

旋转Z轴：

旋转前坐标(X₀,Y₀,Z₀)，旋转后坐标(X₁,Y₁,Z₁)

计算矩阵：

其中，

旋转Y轴：

旋转前坐标(X₁,Y₁,Z₁)，旋转后坐标(X₂,Y₂,Z₂)

计算矩阵：

其中，

旋转X轴：

旋转前坐标(X₂,Y₂,Z₂)，旋转后坐标(X₃,Y₃,Z₃)

计算矩阵：

其中，

其中，所述雷达测距传感器从反射到接受的时间差t与天线到物体之间的距离L成比例，采用以下公式

L＝ct/2

其中，c表示电磁波的传输速度，为定值；t为反射到接受的时间差；

设传感器的天线高程为H₀，反射面的高度H＝H₀-L＝H₀-ct/2；若雷达测距传感器的天线对着码头水面发射脉冲波，H值就是需要测量的水位值；

误差计算

U_0.95＝2S_g

其中，

式中，S_g为统计标准差；X_i为雷达水位(m)，

为人工观测水位值的平均值(m)。

其中，所述雷达测距传感器为恩莱雷达液位计。

在船舶固定的吃水标志线处安装附带云台的雷达测距仪器终端，各终端均包含云台、惯性传感器、雷达测距传感器、单片机和无线通信模块。当吃水测量系统运行时，终端将自动测量雷达测距传感器的倾斜角度，根据测量结果控制云台来调平雷达测距传感器，使雷达传感器垂直于水线面，以保证测距的精度。各个终端由无限自组织网络连接在一起，通过直接发送和中继转发两种方式，将各终端处的吃水测量结果发送给上位机(驾驶台)，使船上工作人员可以及时地获取精确的船舶吃水数据。

船舶停靠在港口肯定会经受波浪而运动，其运动周期可能为几秒到十几秒不等。为消除波浪的影响，要求船舶吃水测量系统每次测量必须有相当数量的采集子样(一般采集时间不少于2min)。根据显示的所有测点数据的周期性变化曲线，选取相应的同步时间段数据(波浪周期的整数倍)进行平均计算，以此来消除波浪的影响。利用船舶吃水测量系统可以多次采集足够数量的子样进行同步测量，对各个测点的测量结果进行整合处理。由上述方法得到各测点的船舶吃水数据，通过软件可以绘制船体吃水沿船长的分布曲线。结合船舶型线值，就能较精确地得到该状态下的船舶排水量。若已精确测量了空船状态下的船舶排水量，即可得船舶载重量。

在船舶原理中，航向角、横倾角，以及纵倾角是船舶中要的三个姿态，而陀螺仪只能测量三轴加速度，以及三轴角速度，无法直接得出船舶姿态，需要经过坐标旋转变换，以及积分关系得出相应的姿态，如图5以此来调整雷达脉冲发射，使镜头可以始终平行于水面，减小误差。

采用GY-25倾斜度模块，它的特点是工作电压3-5v功耗小，体积小、高性价比、串口输出格式。通过陀螺仪与加速度传感器经过数据融合算法最后得到直接的角度数据。此倾斜度模块以串口TTL电平全双工方式与上位机进行通信。该作品精度高，稳定性高。能够在任意位置得到准确的角度,输出的波特率有9600bps与115200bps有连续输出与询问输出两种方式，可适应不同的工作环境。与所有的单片机及电脑连接。

模块上电自校正，需保持3秒以上静止状态，模块本身不带磁力计，航向角长时间会有漂移。角度欧拉角由于方向锁的问题，横滚，俯仰在90度时候会有相互影响。模块输入输出的高低电平3V-5V，可以直接与单片机串口连接，可以直接与PL2303,CH340,FT232等芯片连接,但不能与电脑九针串口直接连接。

采用市场上现有的恩莱雷达液位计作为测距传感器，其量程大精度高，测量范围1.2～70m，精度为±3mm。

我国有18000多公里的海岸线和12.3万公里的内河航运线，得天独厚的自然条件为我国航运业的发展奠定了良好的基础。我国经济的蓬勃发展，特别是实施改革开放以来国民经济持续、快速、稳定的发展，为我国航运事业的兴起与发展提供了难得的机遇和动力。中国外贸出口货物的89％由航运完成。中国国际海运船舶占世界商船队总量的10.3％，集装箱位占世界总量的20.0％，船队总运力在世界商船队中排名第五位，成为世界航运大国之一。航运在国民经济发展中发挥了巨大的作用。

根据国际船舶网，由上海国际航运研究中心花费数年的时间编写的《2030中国航运发展展望报告》2030年，中国的航运业将主导全球的集装箱海运贸易，约占全球海运量比例达到17％；中国将继续世界第一大货物贸易的地位。中国将成为全球第一大邮轮旅游市场，在邮轮市场的驱动下，中国企业将会进入邮轮市场，布局邮轮运营、建造以及邮轮母港等产业链的各个环节。

中国具有巨大的中国拥有巨大的船舶市场，船舶数量居于世界前列，内河航运与海运发达，但船舶吃水测量工作依旧使用水尺观测方式，人工测量方式，交通艇绕船方式等方式进行，效率低下，容易测量有误差。

市场上并未出现较为成熟、准确、自动化的船舶吃水测量系统，所以这个系统具有巨大的市场潜力和广阔的市场空间。

最后应说明的是：本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等统计数的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型。

Claims (6)

1.一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统，其特征在于，包括雷达测距仪终端和上位机，所述雷达测距仪终端包括云台、惯性传感器、雷达测距传感器、单片机、无线信号模块和驱动装置，所述驱动装置进行供电，所述惯性传感器和雷达测距传感器均固定安装在所述云台上，所述惯性传感器和雷达测距传感器分别传输姿态数据和测距数据到单片机，单片机通过姿态数据反馈指令控制云台的镜头转向装置进行修正调平云台，雷达测距仪终端的数据通过无线信号模块与无线自组织网络上传给上位机，上位机用于接收雷达测距终端的数据并进行数据整合和处理得到吃水结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统，其特征在于，所述雷达测距传感器终端设置有6个，且分别用于安装在船舶的吃水测量标线的船艏、船中和船尾的相对的两侧。

3.根据权利要求1所述的一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统，其特征在于，所述雷达测距仪终端外侧从安装有防水罩。

4.根据权利要求1所述的一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统，其特征在于，所述驱动装置为电池。

5.根据权利要求4所述的一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统，其特征在于，所述电池为太阳能电池或可充电电池。

6.根据权利要求1所述的一种基于惯性传感技术的高精度船舶吃水实时测量系统，其特征在于，所述雷达测距仪终端通过磁铁与船舶连接。

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