專利名稱：船舶姿態(tài)顯示裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及船舶安全航行技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種可以實時顯示船舶姿態(tài)以確保船舶安全的船舶姿態(tài)顯示裝置及控制方法。
背景技術(shù)：
近年來，由于我國改革開放的不斷深入和對外經(jīng)濟(jì)交流的加強，船舶運輸業(yè)作為國際貿(mào)易貨物流通的主要渠道，得到了迅猛的發(fā)展。由于船舶運輸業(yè)對大型船艦的需求，伴隨著造船技術(shù)的不斷進(jìn)步，船舶大型化已經(jīng)成為船舶發(fā)展的趨勢。大型船舶載重大、吃水深、尺度長、沖程大、慣性大,受海風(fēng)、海浪等因素干擾較大，其干擾反應(yīng)較小型船舶來的更為強烈。受海風(fēng)、海浪等環(huán)境因素干擾，大型船舶的操縱性能下降，航行姿態(tài)發(fā)生變化，穩(wěn)定性變差，不可避免地產(chǎn)生搖擺，尤其在惡劣的海況條件下，對船舶的海上作業(yè)造成很大的安全隱患。大量的海損事故顯示，大型船舶在波浪水域航行，船舶搖擺是發(fā)生事故的主要原因。最近幾年，我國發(fā)生多起大型船舶在大風(fēng)浪中船沉人亡的惡性事故。發(fā)生沉船事故不僅使國家財產(chǎn)遭受到損失，而且，造成大量人員傷亡；另一方面，大型船舶在海面上受到大風(fēng)浪影響產(chǎn)生各種搖蕩運動，會對船上設(shè)備的使用、適居性、適航性及安全性等帶來不利影響。為了保證大型船舶的航行安全，了解當(dāng)前船舶的姿態(tài)，目前國內(nèi)常用一種傾斜儀設(shè)備來顯示船舶橫搖姿態(tài)，而縱搖姿態(tài)則沒有專門顯示設(shè)備。傾斜儀結(jié)構(gòu)簡單，精度較低，特別是在惡劣海況下作業(yè)時，傾斜儀無法為用戶提供精準(zhǔn)的搖擺信息，難以用于人員作業(yè)指導(dǎo)，甚至?xí)尯胶Ｈ藛T產(chǎn)生誤判。因此，目前迫切需要一款能夠?qū)Υ爱?dāng)前姿態(tài)進(jìn)行快速、全面、準(zhǔn)確的測量的姿態(tài)
測量裝置。中國專利授權(quán)公開號CN202511787U，授權(quán)
公開日2012年10月31日公開了一種船舶水平姿態(tài)儀，包括單片機、液晶顯示器、按鍵、通信電平轉(zhuǎn)換模塊、重力加速度傳感器、蜂鳴器和穩(wěn)壓電源模塊，單片機引腳上的信號線分別與液晶顯示器、按鍵、通信電平轉(zhuǎn)換模塊、重力加速度傳感器、蜂鳴器相連接；穩(wěn)壓電源模塊通過導(dǎo)線與單片機、液晶顯示器、通信電平轉(zhuǎn)換模塊、重力加速度傳感器、蜂鳴器相連接，并對其供電。該實用新型只用加速度傳感器采集數(shù)據(jù)，具有采集的數(shù)據(jù)參數(shù)單一，顯示的船舶水平姿態(tài)精度低、可靠性差的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的傾斜儀精度低，特別是在惡劣海況下作業(yè)時，傾斜儀無法為用戶提供精準(zhǔn)的搖擺信息，難以用于人員作業(yè)指導(dǎo)，甚至?xí)尯胶Ｈ藛T產(chǎn)生誤判的不足，提供了 一種可以實時顯示船舶姿態(tài)以確保船舶安全的船舶姿態(tài)顯示裝置及控制方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種船舶姿態(tài)顯示裝置，包括數(shù)據(jù)采集終端和與數(shù)據(jù)采集終端電連接的顯示終端，所述數(shù)據(jù)采集終端包括第一微處理器和分別與第一微處理器相連接的衛(wèi)星定位儀、三軸地磁傳感器、三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器；所述接收終端包括計算機和與計算機電連接的
顯示屏。本發(fā)明的船舶姿態(tài)顯示裝置不僅要測量船舶橫搖姿態(tài)，還要對當(dāng)前船舶的縱搖、航向等船舶姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，并能根據(jù)測得的姿態(tài)數(shù)據(jù)將船舶姿態(tài)直觀顯示出來，為船舶姿態(tài)的控制操作提供參考，保證船舶航行的安全性。作為優(yōu)選，所述數(shù)據(jù)采集終端和顯示終端采用有線方式電連接。作為優(yōu)選，所述數(shù)據(jù)采集終端和顯示終端采用無線方式電連接。作為優(yōu)選，三軸地磁傳感器設(shè)于船體的甲板中部。一種船舶姿態(tài)顯示裝置的控制方法，包括如下步驟:
(5-1)根據(jù)船舶體積，預(yù)先在計算機中構(gòu)建多個三維船舶圖像，每一張三維船舶圖像中的船舶姿態(tài)對應(yīng)一組由縱搖角及橫搖角構(gòu)成的查詢參數(shù)；并將三維船舶圖像及其所對應(yīng)的查詢參數(shù)存儲至計算機的硬盤內(nèi)；
(5-2)數(shù)據(jù)采集終端和顯示終端開始工作；
(5-3)衛(wèi)星定位儀獲得當(dāng)前位置的定位數(shù)據(jù)信息，并將定位數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)降谝晃⑻幚砥鲀?nèi)，第一微處理器將接收到的定位數(shù)據(jù)信息存儲至數(shù)據(jù)采集終端的第一微處理器的第一寄存器中；
(5-4)第一微處理器接收到定位數(shù)據(jù)信息后，第一微處理器開始處理三軸地磁傳感器、三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器檢測的地磁場強度、角速度和線加速度的數(shù)據(jù)，得到船體的航向角、縱搖角及橫搖角數(shù)據(jù)；
(5-5)第一微處理器進(jìn)行真北航向角的計算，第一微處理器將船體的真北航向角、縱搖角及橫搖角數(shù)據(jù)傳輸至顯示終端，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，數(shù)據(jù)采集終端重新開始新一次數(shù)據(jù)采集;
(5-6)計算機根據(jù)接收到的縱搖角及橫搖角數(shù)據(jù)在硬盤中查詢?nèi)S船舶圖像，并將三維船舶圖像顯示在顯示屏上；
(5-7)船舶位置變換后，計算機根據(jù)接收到的新縱搖角及橫搖角數(shù)據(jù)查詢相應(yīng)的三維船舶圖像。本發(fā)明的船舶姿態(tài)顯示裝置可以對船舶的當(dāng)前姿態(tài)(橫搖姿態(tài)、縱搖姿態(tài)、航向等)信息進(jìn)行實時監(jiān)測，為船舶的安全行駛提供可靠數(shù)據(jù)支持。并且，本發(fā)明的船舶姿態(tài)顯示裝置還可以在船舶進(jìn)行貨物裝載時提供安全支持。大型貨輪進(jìn)行貨物裝載時，保證貨輪的平衡對貨輪的安全具有極大意義。大型貨輪載重大，吃水深，貨物裝載量大，在貨物裝載過程中，需要保證貨輪的平穩(wěn)，若貨物裝載過程中未能保證船舶的平穩(wěn)，易造成貨輪失去平衡，發(fā)生事故。本裝置可實時監(jiān)測船舶姿態(tài)，快速了解當(dāng)前船舶姿態(tài)，便于船舶工作人員制定工作安排；利于工作人員展開作業(yè)；易于工作人員及時對作業(yè)過程做出調(diào)整，保證船舶的平穩(wěn)，大大增加了作業(yè)的安全性。作為優(yōu)選，還包括如下步驟: (6-1)預(yù)先在計算機中構(gòu)建一個羅盤背景圖像，將其存儲至硬盤中；
(6-2)計算機讀取三維船舶圖像，根據(jù)顯示屏的屏幕尺寸調(diào)整圖像比例，將船舶圖像中心與屏幕中心重合，將羅盤背景圖像在屏幕中進(jìn)行顯示；
(6-3)以羅盤背景圖像中心處為原點構(gòu)建局部平面坐標(biāo)系(X-Y)，其中，沿屏幕從左到右方向為Y軸，沿屏幕從下往上方向為X軸；
(6-4)根據(jù)真北航向角，將三維船舶圖像向Y軸旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，同時在三維船舶圖像上方顯示真北航向角數(shù)據(jù)；
(6-5)接收到新的羅盤數(shù)據(jù)，根據(jù)新的羅盤數(shù)據(jù)，重新將三維船舶圖像向Y軸旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，同時在三維船舶圖像上方顯示真北航向角數(shù)據(jù)。因此，本發(fā)明具有如下有益效果:(1)測量的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確；(2)測量的數(shù)據(jù)更全面；
(3)可實時顯示船舶姿態(tài)，為船舶航行、裝卸貨物和進(jìn)港等提供安全支持；(4)電子羅盤可用于航向顯示，當(dāng)裝置發(fā)生傾斜時也可正常工作，進(jìn)一步提高了船舶航行的安全性和可靠性。


圖1是本發(fā)明的一種原理框 圖2是本發(fā)明的實施例的一種流程圖。圖中:第一微處理器1、衛(wèi)星定位儀2、三軸地磁傳感器3、三軸陀螺儀4、三軸加速度傳感器5、計算機6、顯示屏7。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。如圖1所示的實施例是一種船舶姿態(tài)顯示裝置，包括數(shù)據(jù)采集終端和與數(shù)據(jù)采集終端電連接的顯示終端，所述數(shù)據(jù)采集終端包括第一微處理器I和分別與第一微處理器相連接的衛(wèi)星定位儀2、三軸地磁傳感器3、三軸陀螺儀4和三軸加速度傳感器5 ;接收終端包括計算機6和與計算機電連接的顯示屏7。數(shù)據(jù)采集終端和顯示終端采用有線方式電連接。三軸地磁傳感器設(shè)于船體的甲板中部。如圖2所示是一種船舶姿態(tài)顯示裝置的控制方法，包括如下步驟:
步驟100，根據(jù)船舶體積，預(yù)先在計算機中構(gòu)建多個三維船舶圖像，每一張三維船舶圖像中的船舶姿態(tài)對應(yīng)一組由縱搖角及橫搖角構(gòu)成的查詢參數(shù)，縱搖角及橫搖角以I度為間隔進(jìn)行排列組合，構(gòu)建三維船舶圖像；并將三維船舶圖像及其所對應(yīng)的查詢參數(shù)存儲至計算機的硬盤內(nèi)；預(yù)先在計算機中構(gòu)建一個羅盤背景圖像，將其存儲至硬盤內(nèi)；
步驟200，數(shù)據(jù)采集終端和顯示終端開始工作；
步驟300，假設(shè)衛(wèi)星定位儀獲得當(dāng)前位置A的定位信息數(shù)據(jù)為經(jīng)度:120.1997，緯度:30.2176。將定位數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)降谝晃⑻幚砥鲀?nèi)，第一微處理器將接收到的定位數(shù)據(jù)信息存儲至數(shù)據(jù)采集終端的第一微處理器的第一寄存器中；
步驟400，第一微處理器接收到定位數(shù)據(jù)信息后，第一微處理器開始處理三軸地磁傳感器、三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器檢測的地磁場強度(Hx、Hy、Hz)，角速度(gx、gy、gz)，加速度(ax、ay、az)數(shù)據(jù)，得到船體的航向角、縱搖角及橫搖角數(shù)據(jù)；
此處使用三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器測量數(shù)據(jù)時，加速度計測量三維坐標(biāo)中三軸的加速度值；陀螺儀測量沿三軸旋轉(zhuǎn)的角速度值。在測量船舶姿態(tài)角度過程中，準(zhǔn)確而實時地獲得船舶的姿態(tài)角度，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。盡管單一的電系統(tǒng)傳感器就可以單獨進(jìn)行姿態(tài)角度測量，但是其準(zhǔn)確性主要取決于慣性器件的精度，單從改善硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝方面很難有大幅度的提高，并且系統(tǒng)誤差會隨時間積累，不適用于長時間載體姿態(tài)的確定。所以，使用單一傳感器難以得到相對真實的姿態(tài)角度。出于對姿態(tài)角度測量準(zhǔn)確性的考慮，采用對多傳感器信號進(jìn)行融合處理的方法，來獲得最優(yōu)姿態(tài)角度。采用一階互補濾波的方法進(jìn)行信號融合處理，獲得最優(yōu)姿態(tài)角度。其優(yōu)勢在于計算量較小，可以運行在小型微處理器中，同時保證數(shù)據(jù)的實時性。首先測得陀螺儀X軸的靜態(tài)飄移值Gry_0fTSet_X，測量方法是:將陀螺儀敏感軸水平放置靜止時的讀數(shù)，此處將零點偏移值是水平、垂直、倒置，分別取1024次，作平均值得到結(jié)果:
Gry_offset_X = 45。同理，測得陀螺儀X軸的靜態(tài)飄移值Gry_offset_Y:
Gry—offset—Y = 271。通過查詢數(shù)據(jù)手冊計算陀螺儀比例值Gyr_Gain:
Gyr_Gain = 1/131 = 0.00763。通過查詢數(shù)據(jù)手 冊計算加速度計比例值A(chǔ)CC_Gain:
ACC_Gain = 1/16384 = 0.000061。設(shè)定一階互補濾波權(quán)重取值Kx = 0.715 ；Ky = 1.3。讀取六軸讀數(shù)；角速度數(shù)據(jù)(陀螺儀數(shù)據(jù))讀數(shù)分別為:7、62、80 ;加速度數(shù)據(jù)讀數(shù)分別為:8497,4554,132 33 ；
根據(jù)加速度計讀數(shù)，將Y軸的測量值轉(zhuǎn)換為加速度(g):
YAccelerometer = ay * ACC_Gain ；
故 YAccelerometer = 0.277794
根據(jù)加速度計讀數(shù)，將Z軸的測量值轉(zhuǎn)換為加速度(g):
Z_Accelerometer = az * ACC_Gain ；
故 Z_Accelerometer =0.807213
根據(jù)加速度計讀數(shù)，將X軸的測量值轉(zhuǎn)換為加速度(g):
X_Accelerometer = ax * ACC_Gain ；
故 X_Accelerometer = 0.518317
通過加速度儀獲得相對于Z-X面的角度值angleA_X:
angleA_X= arctan(Y_Accelerometer/ Z_Accelerometer)* (180)/ n ；
故 angleA_X = 1088.068。
通過加速度儀獲得相對于Z-Y面的角度值angleA_Y:
angleA_Y= arctan(X_Accelerometer/ Z_Accelerometer)* (180)/ n ；
故 angleA_Y= 1873.848°陀螺儀X軸通過靜態(tài)誤差修正后的角速度讀數(shù): gx —revised = gx + Gry_offset_X ；
故 gx —revised = 52 ；
陀螺儀Y軸通過靜態(tài)誤差修正后的角速度讀數(shù): gy —revised = gy + Gry_offset_Y ；
故 gy —revised = 333
陀螺儀X軸修正后的角速度讀數(shù)轉(zhuǎn)換為向前的角速度(° /s): omega—X= Gyr—Gain* gx —revised ；
故 omega—X= 0.39676 (° /s)
陀螺儀Y軸修正后的角速度讀數(shù)轉(zhuǎn)換為向前的角速度(° /s): omega—Y= Gyr—Gain* gy —revised ； 2.54079 故 omega—Υ=2.54079 (° /s)
計算時間的微分值dt:
dt =當(dāng)前時間-上一次采樣時間；(單位:秒)
設(shè)置陀螺儀、加速度計的更新率為50hz，采樣間隔dt為0.02s。dt = 0.02s。通過陀螺儀X軸算得的角速度計算角度angle_dt_X: angle_dt—X = omega—X * dt ；
故 angle—dt—X = 0.0079352°
通過陀螺儀Y軸算得的角速度計算角度angle_dt_Y: angle—dt—Y = omega—Y * dt ; 0.0508158 故 angle—dt—Y = 0.0508158°
開始進(jìn)行融合濾波: angle_Xn = angle_Xn-l +(Gyr_Gain 氺(gx + Gry_offset_X))氺 dt ； angle_Y n =angle_Y n_l +(Gyr_Gain 氺(gy + Gry_offset_Y)) * dt ；
由于初始 angle_Xn_l、angle_Y n_l 為 0,此處 angle_Xn、angle_Y n 等于0.0079352。與 0.0508158。。計算陀螺儀的權(quán)值 A_X:A_X= K_x/ (K_x+ dt)；
Α_Χ=0.986
計算陀螺儀的權(quán)值Α_Υ:Α_Υ= K_y/ (K_y+ dt)；
A_Y=0.985
進(jìn)行一階互補濾波，輸出值為角度(單位:° ):
相對于 Z-X 平面的縱搖角:angle_X= A_X* (angle_X+ omega_X* dt) + (1_A_X)*angleA_X ；
相對于 Z_Y 平面的橫搖角:angle_Y= A_Y*(angle_Y+omega_Y*dt) + (1_A_Y)*angleA_
Y;
angle_X = 15.24° , angle_Y = 28.16° 。地磁數(shù)據(jù)Hx、Hy、Hz 讀數(shù)分別為:30、-236、-447 ；
使用下式將磁阻傳感器的測量值從載體投影至地平面，
權(quán)利要求
1.一種船舶姿態(tài)顯示裝置，其特征是，包括數(shù)據(jù)采集終端和與數(shù)據(jù)采集終端電連接的顯示終端，所述數(shù)據(jù)采集終端包括第一微處理器(I)和分別與第一微處理器相連接的衛(wèi)星定位儀(2)、三軸地磁傳感器(3)、三軸陀螺儀(4)和三軸加速度傳感器(5);所述接收終端包括計算機(6)和與計算機電連接的顯示屏(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶姿態(tài)顯示裝置，其特征是，所述數(shù)據(jù)采集終端和顯示終端采用有線方式電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶姿態(tài)顯示裝置，其特征是，所述數(shù)據(jù)采集終端和顯示終端采用無線方式電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的船舶姿態(tài)顯示裝置，其特征是，三軸地磁傳感器設(shè)于船體的甲板中部。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶姿態(tài)顯示裝置的控制方法，其特征是，包括如下步驟: (5-1)根據(jù)船舶體積，預(yù)先在計算機中構(gòu)建多個三維船舶圖像，每一張三維船舶圖像中的船舶姿態(tài)對應(yīng)一組由縱搖角及橫搖角構(gòu)成的查詢參數(shù)；并將三維船舶圖像及其所對應(yīng)的查詢參數(shù)存儲至計算機的硬盤內(nèi)； (5-2)數(shù)據(jù)采集終端和顯示終端開始工作； (5-3)衛(wèi)星定位儀獲得當(dāng)前位置的定位數(shù)據(jù)信息，并將定位數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)降谝晃⑻幚砥鲀?nèi)，第一微處理器將接收到的定位數(shù)據(jù)信息存儲至數(shù)據(jù)采集終端的第一微處理器的第一寄存器中； (5-4)第一微處理器接收到定位數(shù)據(jù)信息后，第一微處理器開始處理三軸地磁傳感器、三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器檢測的地磁場強度、角速度和線加速度的數(shù)據(jù)，得到船體的航向角、縱搖角及橫搖角數(shù)據(jù)； (5-5)第一微處理器進(jìn)行真北航向角的計算，第一微處理器將船體的真北航向角、縱搖角及橫搖角數(shù)據(jù)傳輸至顯示終端，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，數(shù)據(jù)采集終端重新開始新一次數(shù)據(jù)采集; (5-6)計算機根據(jù)接收到的縱搖角及橫搖角數(shù)據(jù)在硬盤中查詢?nèi)S船舶圖像，并將三維船舶圖像顯示在顯示屏上； (5-7)船舶位置變換后，計算機根據(jù)接收到的新縱搖角及橫搖角數(shù)據(jù)查詢相應(yīng)的三維船舶圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的船舶姿態(tài)顯示裝置的控制方法，其特征是，還包括如下步驟:(6-1)預(yù)先在計算機中構(gòu)建一個羅盤背景圖像，將其存儲至硬盤中； (6-2)計算機讀取三維船舶圖像，根據(jù)顯示屏的屏幕尺寸調(diào)整圖像比例，將船舶圖像中心與屏幕中心重合，將羅盤背景圖像在屏幕中進(jìn)行顯示； (6-3)以羅盤背景圖像中心處為原點構(gòu)建局部平面坐標(biāo)系(X-Y)，其中，沿屏幕從左到右方向為Y軸，沿屏幕從下往上方向為X軸； (6-4)根據(jù)真北航向角，將三維船舶圖像向Y軸旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，同時在三維船舶圖像上方顯示真北航向角數(shù)據(jù)； (6-5)接收到新的羅盤數(shù)據(jù)，根據(jù)新的羅盤數(shù)據(jù)，重新將三維船舶圖像向Y軸旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，同時在三維船舶圖像上方顯示真北航向角數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種船舶姿態(tài)顯示裝置及控制方法，包括數(shù)據(jù)采集終端和與數(shù)據(jù)采集終端電連接的顯示終端，所述數(shù)據(jù)采集終端包括第一微處理器和分別與第一微處理器相連接的衛(wèi)星定位儀、三軸地磁傳感器、三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器；所述接收終端包括計算機和與計算機電連接的顯示屏。數(shù)據(jù)采集終端和顯示終端采用有線方式電連接。本發(fā)明具有測量的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確；測量的數(shù)據(jù)更全面；可實時顯示船舶姿態(tài)，為船舶航行、裝卸貨物和進(jìn)港等提供安全支持；電子羅盤可用于航向顯示，當(dāng)裝置發(fā)生傾斜時也可正常工作，進(jìn)一步提高了船舶航行的安全性和可靠性的特點。
文檔編號B63B39/00GK103192958SQ201310041440
公開日2013年7月10日 申請日期2013年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月4日
發(fā)明者周海鋒, 王若愚, 白植湖, 范振華, 韓工, 倪旭輝 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所北侖科學(xué)藝術(shù)實驗中心