一種艦船搖擺信息監(jiān)測與記錄裝置的制作方法

本實用新型涉及艦船航行安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種艦船搖擺信息監(jiān)測與記錄裝置。

背景技術(shù)：

近年來隨著國內(nèi)外艦船海難事故的頻繁發(fā)生，艦船航行安全問題再次成為航運從業(yè)人員及相關(guān)科研人員的關(guān)注熱點。艦船的浮性與穩(wěn)性是評價艦船海上航行安全性能的重要指標(biāo)，一定程度上決定了艦船在特殊海情下傾覆的危險度，然而該類指標(biāo)在航行過程中很難通過直接測量手段獲得，只能通過對艦船搖擺信息變化的檢測間接獲得。大量海難事故調(diào)查表明艦船傾覆前都會出現(xiàn)搖擺幅度、搖擺周期等特征信息異常變化等征兆，因此，對該類搖擺特征信息進(jìn)行監(jiān)測并在異常情況下發(fā)出報警，提醒駕駛?cè)藛T謹(jǐn)慎操船并及早進(jìn)行損管部署，可大幅降低海難發(fā)生概率、減少人員傷亡，同時對平時艦船搖擺信息進(jìn)行實時記錄并結(jié)合記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行事后分析，對于開展基于艦船搖擺的傾覆預(yù)警等相關(guān)研究具有重要意義。

艦船搖擺信息主要包括搖擺角度、搖擺周期、搖擺幅度三部分，根據(jù)搖擺方向又可分為橫搖與縱搖。目前，艦船普遍安裝有橫傾指示器，該裝置采用機(jī)械擺結(jié)構(gòu)，根據(jù)重力擺原理測量指示艦船橫傾角，功能單一、靈敏度差、精度低。公開號為CN202511787U的實用新型“一種船舶水平姿態(tài)儀”，采用加速度傳感器測量艦船水平姿態(tài)，其本質(zhì)與重力擺檢測方法相同，且在動態(tài)條件下測量精度降低、可靠性差，且不具備周期測量功能。專利號為CN94241226.5的中國實用新型專利“船舶搖擺周期自動測定儀”，通過在傳統(tǒng)的搖擺指示器其搖擺角測量仍采用機(jī)械擺檢測的方法，并在此基礎(chǔ)上通過敏感形成脈沖計數(shù)的方式得到周期，該裝置只檢測15度以內(nèi)的周期，周期測量結(jié)果實時性差，不具備橫縱同步測量功能，測量后的數(shù)據(jù)僅能用于指示無法存儲。因此，迫切需要一種能夠完成搖擺信息同步、實時測量，并具備異常報警、數(shù)據(jù)記錄功能的監(jiān)測與記錄裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種艦船搖擺信息監(jiān)測與記錄裝置，系統(tǒng)既可實時監(jiān)測艦船的搖擺角度、周期、幅度信息的變化，并根據(jù)信息異常及時發(fā)出報警，保障艦船航行安全又兼具數(shù)據(jù)記錄功能，為開展相關(guān)科學(xué)研究提供信息支撐。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種艦船搖擺信息監(jiān)測與記錄裝置，所述艦船搖擺信息監(jiān)測與記錄裝置由信息處理與主控模塊、信息測量模塊、SD卡存儲模塊、電源模塊以及顯控模塊五大部分組成；所述電源模塊為所述信息處理與主控模塊提供電壓，所述SD卡存儲模塊及顯控模塊連接于所述信息處理與主控模塊；所述信息處理與主控模塊接收所述信息測量模塊輸出的測量數(shù)據(jù)，并在對所述測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后進(jìn)入數(shù)據(jù)解算階段，以實時獲取對應(yīng)于艦艇的搖擺角度、周期及幅度信息。

所述信息處理與主控模塊采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位單片機(jī)STM32F103RET6作為主控單元。

所述信息處理與主控模塊主要完成與各傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信以及對接收數(shù)據(jù)信息進(jìn)行相關(guān)解算處理，主要包括搖擺角數(shù)據(jù)實時解算與搖擺周期實時解算。

所述搖擺角數(shù)據(jù)實時解算采用旋轉(zhuǎn)矢量姿態(tài)更新算法。

所述搖擺周期實時解算采用頻域解算方法。

所述信息測量模塊包括慣性測量單元(IMU)、磁阻傳感器。

所述慣性測量單元由具有MPU-3050數(shù)字運動處理硬件加速引擎的三軸陀螺儀與ADXL345三軸加速度計組成。

具有搖擺周期、搖擺幅度變化閾值報警功能。

所述的磁阻傳感器采用霍尼韋爾HMC5883L磁阻傳感器。

所述SD卡存儲模塊采用FATFS Module文件系統(tǒng)。

所述電源模塊采用鋰電池獨立供電，并設(shè)有專門的充電電路。

所述顯控模塊采用7寸電容觸摸屏。

本發(fā)明的有益效果是：在無需其他設(shè)備輔助的條件下，完成艦船搖擺角度、周期、幅度信息的實時測量與異常報警功能，同時具備信息存儲記錄功能，存儲信息全面，可滿足信息后處理需求。與現(xiàn)有姿態(tài)測量系統(tǒng)相比，由于采用低成本慣性器件，且無需其他信息輔助，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、功耗低等優(yōu)點，易于實現(xiàn)工程化應(yīng)用，應(yīng)用前景廣闊。

附圖說明

圖1是一種艦船搖擺信息監(jiān)測與記錄裝置的工作原理框圖。

圖1中：1、信息處理與主控模塊；2、信息測量模塊；21、慣性測量單元；22、磁阻傳感器；3、SD卡存儲模塊；4、電源模塊；5、顯控模塊。

圖2給出了一種艦船搖擺信息監(jiān)測與記錄裝置的工作流程。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

圖1示出了一種艦船搖擺信息監(jiān)測與記錄裝置的工作原理框圖，圖中，信息處理與主控模塊1采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位單片機(jī)STM32F103RET6作為主控單元，負(fù)責(zé)與信息測量模塊2的數(shù)據(jù)通信以及測量信息的相關(guān)處理任務(wù)。信息測量模塊2包括慣性姿態(tài)測量單元21與磁阻傳感器22。慣性姿態(tài)傳感器21由陀螺儀與加速度計組成，陀螺儀具備MPU-3050數(shù)字運動處理硬件加速引擎功能，內(nèi)建數(shù)字運動處理器(DMP)與FIFO，可大幅減輕主控系統(tǒng)高頻運動解算與通信中斷次數(shù)，進(jìn)而改善整體系統(tǒng)效能；加速度計采用低功耗、量程可變、高分辨率、抗沖擊等良好特性的ADXL345三軸加速度計，該傳感器采用MEMs技術(shù)，并具有SPI與I2C兩種通信方式。磁阻傳感器22選用霍尼韋爾HMC5883L磁阻傳感器。SD卡存儲單元3采用FATFS Module文件系統(tǒng)。電源模塊4采用鋰電池獨立供電，輸出5V直流電，并設(shè)有專門的充電電路，充電電壓為220V交流市電。顯控模塊5采用7寸電容觸摸屏。

圖2給出了一種艦船搖擺信息監(jiān)測與記錄裝置的工作流程，結(jié)合圖介紹工作過程如下：裝置上電并啟動后，信息處理與主控模塊通過I²C總線方式同步接收信息測量模塊中慣性測量單元(IMU)與磁阻傳感器的測量數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波濾除噪聲影響后進(jìn)入初始對準(zhǔn)階段；該階段中數(shù)據(jù)處理過程包括利用水平加速度計數(shù)據(jù)計算艦船的橫縱搖角初始值以及利用磁阻傳感器計算磁航向初始值。

初始對準(zhǔn)完成后，進(jìn)入數(shù)據(jù)解算階段，該階段工作包括姿態(tài)更新與周期解算，姿態(tài)更新是利用基于IMU數(shù)據(jù)對姿態(tài)初始值進(jìn)行解算更新，實時獲得艦船橫、縱搖姿態(tài)信息，由于該過程存在累積誤差，需利用磁阻傳感器信息周期性對更新結(jié)果進(jìn)行修正。

周期解算采用頻域計算法，首先對解算得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行截取并暫存，采用快速傅里葉算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后利用求極值算法得到主頻率值，對該頻率值取倒數(shù)即可得到艦船的瞬時搖擺周期；信息解算過程中，將解算得到的搖擺角度、周期及幅度與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較進(jìn)行閾值監(jiān)測，如超出閾值，發(fā)出蜂鳴報警，并在觸摸屏提示報警類型。

存儲與顯示過程可看作是與信息解算過程同步進(jìn)行的，在主控單元定時器觸發(fā)作用下，利用SPI接口周期性將搖擺角度、周期發(fā)送至SD卡與觸摸屏，存儲方式為二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式，觸摸屏可根據(jù)需要進(jìn)行顯示界面切換。