唐原廣，王志光

(中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100)

船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐原廣，王志光

(中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100)

為了獲取海上航行船舶及自航模試驗(yàn)中船模的姿態(tài)參數(shù)，設(shè)計(jì)一種基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)的波高傾斜一體化傳感器的船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過(guò)MEMS波高傳感器對(duì)船舶升沉信息進(jìn)行采集，利用傾角傳感器對(duì)船舶的縱搖和橫搖姿態(tài)信息進(jìn)行采集，采集到的信息經(jīng)多路A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)得出船舶運(yùn)動(dòng)的升沉、縱搖及橫搖變化。經(jīng)處理后的三組數(shù)據(jù)由船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)RS-485串口送到數(shù)據(jù)接收處理機(jī)存儲(chǔ)、分析并實(shí)時(shí)顯示船舶運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)變化曲線，該數(shù)據(jù)接收處理軟件采用VC++編寫(xiě)。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)及海上測(cè)試，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測(cè)量精度高，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

升沉運(yùn)動(dòng)；波高傾斜一體化傳感器；縱搖橫搖；VC++

0 引 言

現(xiàn)代船舶發(fā)展越來(lái)越趨向于大型化、專(zhuān)業(yè)化，出現(xiàn)了各種新型大型船舶，如超大型油船、集裝箱船等。隨著船舶尺寸的增大，船舶營(yíng)運(yùn)條件的復(fù)雜化，船舶的安全營(yíng)運(yùn)問(wèn)題尤顯突出[1]。為對(duì)海上航行船舶的安全狀態(tài)進(jìn)行更加準(zhǔn)確的評(píng)估需要獲取船舶的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)參數(shù)。此外自航模試驗(yàn)中需要獲取船模航行過(guò)程中的縱搖和升沉位移等姿態(tài)參數(shù)。因此，人們對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的研究愈加重視，并且有更多的研究成果和產(chǎn)品不斷呈現(xiàn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者們分別基于機(jī)械式、磁測(cè)式、GPS式和慣性測(cè)量等方面對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行初步研究[2]。本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于MEMS技術(shù)的波高傾斜一體化傳感器的船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)[3-6]。該系統(tǒng)不但結(jié)構(gòu)緊湊、小型化、集成化、易裝卸，而且具有量程大、分辨率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著理想的應(yīng)用前景。

1 基本原理

慣性測(cè)量以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，利用慣性測(cè)量元件（加速度傳感器）測(cè)量載體相對(duì)于慣性空間的運(yùn)動(dòng)參數(shù)[7]。將內(nèi)部含有重力加速度傳感器的船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量硬件系統(tǒng)固定在船體上，當(dāng)船體的升沉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，所對(duì)應(yīng)的垂直加速度也隨之變化，重力加速度傳感器檢測(cè)到垂直加速度的變化，并輸出相應(yīng)的信號(hào)量。最后，再對(duì)加速度傳感器輸出的信號(hào)量進(jìn)行2次積分即可得到船體的升沉數(shù)據(jù)信息。

同時(shí)，在將船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量硬件系統(tǒng)固定在船體上時(shí)，必須保證波高傾斜一體化傳感器的Y軸與船舶的首尾線方向一致，這樣它的X軸就與船舶的左右舷方向一致。當(dāng)船體運(yùn)動(dòng)的傾斜姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，波高傾斜一體化傳感器中內(nèi)含的雙軸傾角傳感器能輸出分別反映船舶縱搖和橫搖的姿態(tài)信息信號(hào)量，經(jīng)過(guò)姿態(tài)解算便可得到船舶的縱搖和橫搖的數(shù)據(jù)信息。

2 技術(shù)指標(biāo)

表1所示為船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。

表 1 技術(shù)指標(biāo)Tab. 1 Technical specifications

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)框架

船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)基于MEMS的波高傾斜一體化傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)和C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。如圖1所示，主要由波高傾斜一體化傳感器模塊、信息采集模塊、微控制器模塊、存儲(chǔ)顯示模塊等組成。其中，波高傾斜一體化傳感器模塊由基于MEMS技術(shù)的加速度傳感器和雙軸傾角傳感器等組成，信息采集模塊由放大電路、濾波電路、二次積分電路和A/D轉(zhuǎn)換電路等組成，微控制器模塊由微控制器及其外圍硬件設(shè)備等組成，存儲(chǔ)顯示模塊由PC機(jī)數(shù)據(jù)接收處理軟件等組成。

3.2 加速度傳感

采用定制加速度傳感器，它是基于MEMS技術(shù)的加速度傳感器，具有信號(hào)處理與溫度補(bǔ)償功能，性能優(yōu)異。其供電電源為8～32 V，輸出為0.5～4.5 V，精確度為0.5%，工作溫度范圍為–40 ℃～+125 ℃。該傳感器適用于物體低頻運(yùn)動(dòng)監(jiān)控，是船舶升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量的極佳選擇。

3.3 雙軸傾角傳感器

雙軸傾角傳感器選用定制型雙軸傾角傳感器，該傳感器設(shè)計(jì)以高穩(wěn)定硅MEMS電容式傾斜傳感器元件為中心平臺(tái)，能提供適宜的分辨率，較高的精度和較快的響應(yīng)速度，并且信號(hào)完全由較高的模擬電平輸出。其供電電源為6～30 V，測(cè)量角度范圍為–75 ℃～+75°，角分辨率0.05° rms，工作溫度范圍為–40 ℃～+105 ℃。因此使用定制型雙軸傾角傳感器來(lái)測(cè)量船舶的縱搖、橫搖非常簡(jiǎn)便實(shí)用。

3.4 系統(tǒng)工作流程圖

船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

1）首先船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行初始化。

2）將采集到的縱搖橫搖信號(hào)量進(jìn)行硬件放大和濾波，同時(shí)將采集到的升沉信息進(jìn)行放大、二次積分和濾波處理。

3）由單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換器的采樣間隔，將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

4）將縱搖、橫搖和升沉位移的數(shù)字量信息分別進(jìn)行數(shù)字濾波和相應(yīng)計(jì)算。

5）將計(jì)算后得到的縱搖橫搖和升沉位移數(shù)據(jù)由串口發(fā)送到PC機(jī)數(shù)據(jù)接收處理軟件。

3.5 系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

如圖3所示，整個(gè)船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)放置在一個(gè)高230 mm、直徑190 mm的鋼質(zhì)圓柱體中，儀器總重量為8 kg。鋼質(zhì)圓柱體的下方有安裝孔方便安裝固定在船體上，圓柱體上面有提手方便攜帶，同時(shí)配有一根帶水密插頭的四芯屏蔽電纜，經(jīng)鋼質(zhì)圓柱體上方引出將得到的數(shù)據(jù)送入PC機(jī)數(shù)據(jù)接收處理軟件中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)與分析。

4 數(shù)據(jù)接收處理軟件設(shè)計(jì)

船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收處理軟件采用Visual C++2010開(kāi)發(fā)，Visual C++2010的界面設(shè)計(jì)優(yōu)秀、數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大可以高效的進(jìn)行Windows應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)接收處理軟件主要負(fù)責(zé)將系統(tǒng)采集的船舶升沉數(shù)據(jù)、船舶縱搖數(shù)據(jù)和船舶橫搖數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)與分析等。具體的軟件流程如圖4所示。

數(shù)據(jù)接收處理軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，首先基于VC++創(chuàng)建一個(gè)對(duì)話(huà)框的工程，使用Visual C++2010提供的MSComm控件來(lái)實(shí)現(xiàn)串行通信功能，這樣就不用花費(fèi)大量時(shí)間去學(xué)習(xí)復(fù)雜的API函數(shù)，自己編寫(xiě)串口通信程序。因此使用MSComm控件來(lái)實(shí)現(xiàn)串行通信，在編程時(shí)非常方便和高效[8-10]。

如圖5所示，數(shù)據(jù)接收處理軟件采用圖形化界面設(shè)計(jì)便于用戶(hù)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的觀察與分析。通過(guò)自定義繪圖類(lèi)實(shí)現(xiàn)船舶升沉數(shù)據(jù)曲線、船舶縱搖數(shù)據(jù)曲線和船舶橫搖數(shù)據(jù)曲線的繪制。使用自定義繪圖類(lèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)曲線的繪制相比使用諸如TeeChart 、ProEssentials等繪圖控件繪制更加的靈活與方便。需要注意的是由于使用自定義繪圖類(lèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)曲線的繪制和MSComm控件的事件驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)串口通信，每當(dāng)串口發(fā)生事件時(shí)，MSComm控件將激發(fā)OnComm事件，由應(yīng)用程序響應(yīng)OnComm事件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與繪圖曲線數(shù)據(jù)的送顯，繪圖曲線數(shù)據(jù)送顯時(shí)一定要及時(shí)將串口接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)處理后全部送顯，不然會(huì)出現(xiàn)明顯的數(shù)據(jù)曲線延遲現(xiàn)象。

當(dāng)用戶(hù)選擇存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)接收處理軟件就會(huì)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到以存儲(chǔ)起始時(shí)刻命名的txt文本文件中。這樣用戶(hù)就可以使用數(shù)據(jù)接收處理軟件對(duì)得到的船舶升沉數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析[11]，并且還可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回放顯示等。

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室的船舶升沉運(yùn)動(dòng)模擬旋轉(zhuǎn)測(cè)試平臺(tái)上對(duì)該系統(tǒng)的相對(duì)升沉位移數(shù)據(jù)進(jìn)行了一系列的對(duì)比測(cè)試。如圖6所示，是船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)在0.8 m相對(duì)升沉位移測(cè)試時(shí)，由上位機(jī)軟件所繪制的圖像。經(jīng)過(guò)一系列的測(cè)試，得到的測(cè)試結(jié)果表明：船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)滿(mǎn)足相對(duì)升沉測(cè)量范圍和相對(duì)升沉測(cè)量精度等系統(tǒng)測(cè)量指標(biāo)，從而完成船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)試。

5.2 縱傾傾角與橫傾傾角測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室的傾斜測(cè)試臺(tái)上分別對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的縱傾傾角（縱搖）和橫傾傾角（橫搖）進(jìn)行一系列的對(duì)比測(cè)試。如圖7所示，是船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)在5°橫傾傾角（橫搖）測(cè)試時(shí)，由上位機(jī)軟件所繪制的圖像。在測(cè)試時(shí)，首先將船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)放置在水平測(cè)試臺(tái)上，并使波高傾斜一體化傳感器的一個(gè)軸與測(cè)試臺(tái)的傾斜測(cè)試方向一致，規(guī)定這個(gè)軸為X軸即測(cè)試時(shí)輸出的角度為橫傾傾角（橫搖）。然后，測(cè)試臺(tái)每?jī)A斜1°記錄此時(shí)系統(tǒng)輸出的橫搖數(shù)據(jù)，每次測(cè)試測(cè)試臺(tái)分別從0°傾斜到20°和從0°傾斜到–20°，記錄下40個(gè)數(shù)據(jù)。這樣的測(cè)試共進(jìn)行5次，將5次的測(cè)試結(jié)果取平均值作為最后的測(cè)試結(jié)果。同樣的完成對(duì)波高傾斜一體化傳感器的Y軸即測(cè)試時(shí)輸出的角度為縱傾傾角（縱搖）的測(cè)試。

表1和表2分別為橫傾傾角（橫搖）和縱傾傾角（縱搖）的部分測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，使用船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)出來(lái)的斜面傾角與測(cè)試臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)斜面傾角基本吻合，滿(mǎn)足橫傾傾角（橫搖）和縱傾傾角（縱搖）測(cè)量范圍及橫傾傾角（橫搖）和縱傾傾角（縱搖）測(cè)量精度等系統(tǒng)測(cè)量指標(biāo)。從而完成船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的橫傾傾角（橫搖）與縱傾傾角（縱搖）測(cè)試。

5.3 海上試驗(yàn)

圖8所示為船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)在海上某試驗(yàn)裝置實(shí)測(cè)的部分?jǐn)?shù)據(jù)。該試驗(yàn)為期3個(gè)月，對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)不間斷測(cè)試。經(jīng)海上試驗(yàn)測(cè)試船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)性能穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表 2 橫傾傾角（橫搖）Tab. 2 Horizontal dip（roll）

表 3 縱傾傾角（縱搖）Tab. 3 Pitch angle（pitching）

6 結(jié) 語(yǔ)

基于MEMS技術(shù)的波高傾斜一體化傳感器的船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)具有小型化、集成化、易裝卸等特點(diǎn)，而且其還具有生產(chǎn)成本低、適用范圍廣等特點(diǎn)。由于對(duì)波高傾斜一體化傳感器中內(nèi)含的加速度傳感器和雙軸傾角傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行了有效的硬件濾波和軟件濾波，使系統(tǒng)的抗干擾性大大提高。船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收處理軟件采用圖形化的操控顯示界面，使操作變得簡(jiǎn)便，同時(shí)采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，既提高了編程效率，又極大地方便軟件的升級(jí)與維護(hù)。

船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果顯示：系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，并具有較強(qiáng)的抗干擾性，具有理想的應(yīng)用前景。

[ 1 ]賈連徽. 船舶運(yùn)動(dòng)與應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2011.

[ 2 ]李俁菡, 喻言, ZHANG Chun-wei, 等. 船舶升沉運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與基本試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2014, (8): 46–49. LI Yu-han, YU Yan, ZHANG Chun-wei, et al. Design and preliminary test verification of heave motion monitoring system for ships[J]. Instrument Technique and Sensor, 2014, (8): 46–49.

[ 3 ]馬洪連, 鄭保重, 王偉. 基于MEMS技術(shù)傾角測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2005, 26(8): 185–187. MA Hong-lian, ZHENG Bao-zhong, WANG Wei. Dip angle measuring system based on MEMS[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2005, 26(8): 185–187.

[ 4 ]張維勝. 傾角傳感器原理和發(fā)展[J]. 傳感器世界, 2002(7): 18–21. ZHANG Wei-sheng. The theory and development of tilt sensor[J]. Sensor World, 2002(7): 18–21.

[ 5 ]雷鬧海, 楊國(guó)龍, 葉明浩. 基于MAD2020E加速度的0°～360°傾角傳感器設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2006, 17(6): 65–66. LEI Nao-hai, YANG Guo-long, YE Ming-hao. Design of tilting sensor from 0° to 360° based on MAD2020E acceleration[J]. Electronic Design Engineering, 2006, 17(6): 65–66.

[ 6 ]田小芳, 陸起涌, 熊超. 基于加速度傳感器的傾角儀設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2006, 19(2): 361–363. TIAN Xiao-fang, LU Qi-yong, XIONG Chao. Design of tiltsensor based on accelerometer[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2006, 19(2): 361–363.

[ 7 ]魏萍. 基于ARM的嵌入式航向姿態(tài)參考系統(tǒng)的研究: [D].杭州: 浙江大學(xué), 2006.

[ 8 ]晁永生, 樊軍, 申曉萍, 等. 淺談Visual C++串口通信編程[J].科技廣場(chǎng), 2007(1): 71–73. CHAO Yong-sheng, Fan Jun, SHEN Xiao-ping, et al. Serial communication programming methods based on visual C++[J]. Science Mosaic, 2007(1): 71–73.

[ 9 ]吉翔, 李永全. VC++下MSComm控件的串口通信方法[J].電腦開(kāi)發(fā)與應(yīng)用, 2009(12). JI Xiang, LI Yong-quan. Programming of serial port communication in VC++ based MSComm control[J]. Computer Development & Applications, 2009(12).

[10]張?bào)蘩? 劉書(shū)智. Visual C++串口通信與工程應(yīng)用篇[M]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2009.

[11]范順庭. 用快速傅立葉變換計(jì)算海浪的功率譜密度函數(shù)[J].海洋與湖沼通報(bào), 1979(2): 6–11. FAN Shun-ting. Calculation of power spectral density function of the waves with a fast Fourier transform [J]. Transactions of Oceanology and Limnology, 1979(2): 6–11.

Design and realization of motion attitude measurement system for ships

TANG Yuan-guang, WANG Zhi-guang
(College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

In order to obtain the sea of ship and self propulsion test of ships mode attitude parameters, designed of a ship motion attitude measurement system based on MEMS technology for wave height and tilt integrated sensor. This system collects the information of ship heave through the MEMS wave height sensor, collects the pitch and roll attitude information of the ship by using the tilt sensor, the collected information is sent to the single chip microcomputer through the multichannel A/D conversion, real-time to give the heave motion, pitch and roll changes of the ship. The data of the three groups after the treatment by motion attitude measurement system for ships through the RS-485 serial port to the data receiving processor storage, analysis and real-time display motion attitude curve of the ship, and the data reception processing software is written in VC++.After a lot of tests and sea trials, the system is stable performance, high accuracy, has great practical value.

heave motion；wave height and tilt integrated sensor；pitch and roll；VC++

TP273

A

1672 – 7649(2017)07 – 0108 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.07.022

2016 – 08 – 25；

2016 – 09 – 22

海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(201005001)

唐原廣(1963 – )，男，教授，研究方向?yàn)楹Ｑ蟊O(jiān)測(cè)技術(shù)、海洋儀器設(shè)備的研制與開(kāi)發(fā)。