激光测距传感器在船舶避碰预警系统中的应用

摘  要：本文设计了一种适用于中小型船只、成本较低的船舶避碰预警系统，其是以激光测距传感器和单片机控制下的双自由度云台系统为主要组成部分，从水平方向和垂直方向对船舶与周围船只的距离进行动态监测，实时发现能够对船舶航行造成干扰的“可疑物”并发送警报，提醒船舶驾驶员根据实际情况及时采取相应的避让措施。该系统的成功应用为中小型船舶实现精准避碰提供了有力的技术手段。

关键词：激光测距传感器;双自由度云台系统;船舶避碰预警系统

中图分类号：U665  文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2020）06-0000-00

0引言

目前，虽然国家加强了对船舶行船安全的管制，但船舶碰撞事故依旧时有发生。通过事故致因分析可以发现，中小型船舶堪称碰撞事故的“重灾区”。当前很多大型船舶都配备有高精度的自动测距预警系统，但安装成本过高，未能在中小型船舶上得到普及。而且也存在一些缺陷，只是单纯地设定了固定预警距离作为评判标准，而没有考虑船舶间的相对速度和相对行驶方向。

1 激光测距传感器

1.1 激光测距方法

飞行时间法和三角法是目前激光测距技术所主要采用的方法，但基于复杂程度和成本方面的考虑，本文选择飞行时间法作为系统中激光测距的基本方法。飞行时间法中的常用方法包括脉冲式和相位式。下文将对这两种测距法的测试原理与测距过程进行简要介绍，并从中选出适用于船舶避碰预警系统的测距方法。（1）脉冲式激光测距法。脉冲式激光测距的基本原理是由信号发射器向外部发射激光脉冲信号，信号在传播过程中遇到目标后反射，接收器接受反射的信号，并记录下所需的传播时间。（2）相位式激光测距法。与脉冲式激光测距法相比，相位式激光测距法采用的是一种间接的方式来测量发射信号与回收信号之间的间隔时间。该方法在发射信号之前会利用无线电波段的频率对待发射激光进行调制，完成调制后，再依据处理后的激光信号往返一次的相位延迟来计算间隔时间。

1.2激光测距传感器的选择

1.2.1 激光测距方法的选择

相比相位式激光测距法，脉冲式激光测距法测量过程相对简单，发射一次信号就能测得与目标间的距离，因此其具备功耗小、成本低的优点。根据船舶避碰对距离测量精度的实际需求，综合考虑测量速度和安装成本，选用脉冲式激光测距法作为本系统的测量方法，其精度完全能够满足要求。

1.2.2 传感器的选择

船舶避碰预警系统主要应用于江面、海面等水上作业环境，因此承担主要测量功能的激光测距传感器必须满足船舶在能见度较低（如大雾天气）和夜间的工作需求，因此其必须具备既有较长的量程，又有一定的测量精度。鉴于以上考虑，本文选用瑞士Dimetix公司生产的DLS-BH15系列的T型产品。与经典系列DLS-A相比，DLS-B系列产品进一步提高了测量响应速度，缩短了动态响应时间，最长的测量距离延长至500m，更能适应复杂多变的作业环境。

2 单片机控制下的双自由度云台系统

2.1 单片机的选择

单片机是船舶避碰预警系统的信息处理核心。一方面，单片机会接收激光测距传感器和电动云台等输入设备从外界采集的数据信息，进行高精度的计算，并做出防撞预测;另一方面，单片机会将计算、预测和判断结果传输至显示器和报警器等输出设备，由显示器动态显示目标的具体位置，由报警器进行实时监控并执行相应的报警指令。综合考虑器件的功耗和性能，本文选用的单片机型号为AT89C52（CMOS 8位）。由输入设备采集的数據信息通过该型号单片机自带的RS232接口与串行口（COM）相连，可形成完整的数据采集模块。

2.2 双自由度云台设计

“双自由度”的思想源于三维坐标系中的球坐标系。先考虑水平面方向，角度范围为;再考虑垂直方向，角度范围为。双自由度云台上安装有激光测距传感器，由单片机控制，以船舶本体为原点对船舶与周围船只的距离进行动态监测。

3船舶避碰预警系统设计

3.1 系统设计总体思路

整个系统主要由三大部分组成，包括数据采集模块、控制模块和输出模块，以单片机为硬件核心的控制模块则起到了总揽全局的作用。

数据采集模块和输出模块均服务于控制模块，听其调配，受其制约。在系统的运行过程中，单片机控制数据采集模块从外部获取数据信息，云台系统负责从水平和垂直方向对船舶的行船环境进行实时扫描，安装其上的激光测距传感器则负责动态测距（测量障碍物的物距和高度），完成测量后将数据通过固定接口传输至单片机。单片机的内置微处理器会对这些数据进行相应的处理、分析和计算，进而对障碍物的位置做出判断，完成防撞预测。

3.2 预警系统程序设计

3.2.1 船舶周围可疑目标的定位方法

本文采用的目标定位坐标系如图1所示。图中，A代表可疑目标，O代表船舶上安装的激光测距传感器所在位置，S表示船舶与可以目标之间的相对距离，L表示可疑目标与船舶的最小距离，B为可疑目标与船舶距离最小的位置，以船舶的行驶方向设置Y轴，以与Y轴垂直的方向设置X轴，为OA连线与X轴正半轴的夹角，表示船舶与可疑目标的相对速度v与X轴正半轴的夹角。

由圖1可知，OA距离小于初始安全距离S的情况下，可疑目标A在向船舶O不断靠近的时候才有报警的必要。另外，是否需要报警还与L的取值和可疑目标以相对速度v从A行驶到B所需的时间T有关。

3.2.2 主程序设计

由上述定位方法可知，主程序的全过程分为船舶与可疑目标两点距离的验证、可疑目标象限位置的确定、可疑目标相对速度方向的验证、临界设定值（最终安全距离L和安全反应时间T）的验证、最终判断决策等五个部分。

4 结语

本文应用激光测距传感器，设计了一种在单片机控制下的船舶避碰预警系统。该系统以激光测距传感器为主要测量工具，以双自由度云台系统辅助扫描，以单片机进行全盘控制，能实时监测船舶周围的船只或障碍物，协助船舶驾驶员及时做出正确的判断，有效减少船舶与船舶之间和船舶与固定构造物之间碰撞事故的发生。该系统整体结构相对简易，安装成本也较低，适用于中小型船舶，为测距工具在行船过程中的应用开辟了新的途径。

参考文献

[1] 吴乃平.充分认识内河船舶碰撞事故的若干特性[J].中国航海，2010（4）：79-84.

[2] 迟婷婷.连续波激光雷达测距新方法的研究[D].天津：天津理工大学，2013.

收稿日期：2020-04-05

作者简介：潘芳（1983—），女，河南开封人，硕士，高级工程师，研究方向：公路工程新材料，公路工程新工艺，智慧工地建设。

Application of Laser Ranging Sensor in Ship Collision Avoidance Early Warning SystemPAN Fang（Jiangsu Dongjiao Intelligent Control Technology Group Co.， Ltd.， Jiangsu  Nanjing  210002）

Abstract： This paper designs a low-cost ship collision avoidance early warning system suitable for small and medium-sized ships， which is mainly composed of a laser ranging sensor and a dual-degree-of-freedom pan/tilt system controlled by a single-chip microcomputer.The distance between the ship and surrounding ships is dynamically monitored in the vertical direction， and “suspicious objects” that can interfere with the navigation of the ship are detected in real time and an alarm is sent to remind the ship’s pilot to take appropriate avoidance measures in time according to the actual situation.The successful application of the system provides a powerful technical means for small and medium-sized ships to achieve precise collision avoidance.

Keywords： laser ranging sensor; dual-degree-of-freedom pan-tilt system; ship collision avoidance warning system