单片机基础上船防撞预警体系研发

第一章 绪论

1.1 引言
随着现代船舶向着不断大型和专业化发展，其数量日益增多导致水域交通密集度增大，很容易发生碰撞等事故，导致的人员伤亡、财产损失相当巨大。此外还有一些化学品船、油船等专业化船舶的危险货物装载量不断增加，事故后造成海洋和河流污染、海上资源及生态环境的破坏等严重的后果。另一方面我国正建造数量更多规模更大的桥梁，再加上船舶的尺寸和排水量也趋于大型化，于是船舶和桥梁的横梁﹑桥梁的桥墩等相撞的事故不断发生，并呈日益增多的趋势。与船舶之间相撞事故相比，船撞桥问题有着更为严重的后果和经济损失。船桥碰撞会造成桥梁损毁﹑船舶沉没﹑人员伤亡﹑货物原油泄露导致环境污染和水路运输干线长时间拥堵等严重后果，维修或重建桥梁﹑疏浚航道﹑维修船只所需的人力物力相当巨大。

1.2 课题研究的背景
如何避免船舶间、船与桥发生碰撞事故是确保船舶安全航行的关键问题。根据中国的水域交通事故统计分析，1994 年至 1998 年四年时间发生的船舶碰撞事故占水域交通事故发生数的54.5%，其中最后一年期间由于船舶碰撞事故所造成的直接经济损失就达到近 4 亿元、人员伤亡约 700 人[1]。就大连辖区而言，仅2001-2011 年水上交通事故就造成死亡、失踪 125 人，直接经济损失 3.03 亿元。
又如图 1-2 的 2013 年 5 月 12 日长江大桥事故，4 时 20 分一艘海“ 鑫川 8号”航行至南京长江大桥 6 孔与 7 孔之间时与图示的桥墩发生了碰擦，船只继续航行，最终在在大桥下游的 3.5 公里处的北岸岸边浅滩处沉没，幸运的是大桥表面没有明显的裂痕，而且船上十八名船员全部获救，但是对大桥内部的结构评估十分必要，这无疑又增加了经济成本。
总的来说，船舶的安全航行与避碰与人、船舶、环境这 3 个要素紧密相关，据调查表明，所以无论是从安全上﹑经济上﹑还是从环境保护上来看，开发出针对船舶的防撞系统具有极大的现实意义，该系统不仅要能测量与其他船舶的距离，而且能够测量桥梁的高度，减少人为观测时的影响，实现船舶避碰可预警化；同时通过对本课题的研究，对其他类似跨海电缆等江海高空跨越物的测高度的防撞预警系统有一定的借鉴意义。
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第二章 激光测距技术研究

2.1 常见的测距方式和传感器
超声波测距的原理较为简单，检测迅速，成本很低，计算简单易于控制，并且在测量精度方面也能符合工业实用的要求，因此超声波在移动机器人研制上得到普遍的使用。一般的超声波测距传感器采用发射器、接收器和信号处理电路，发射器由高频信号激励不断地发出一系列的脉冲，最后经过信号处理电路对接收的信号所用的时间可以简单的估算出被测物体的距离。

2.2 激光技术
激光是二十世纪在人类历史上一项伟大的发明，激光和其他光是一种电磁波，但激光产生相比于自然光大不一样。激光的理论基础是起源于著名物理学家爱因斯坦提出的受激辐射的概念，受激辐射的原理是由高能级上的粒子受激发而辐射，辐射出的光与激发它的光性质相同。1960 年由美国科学家梅曼(Maiman )发明了第一台红宝石激光器，虽然现在红宝石激光器已经被淘汰，但是这对后人研制出的YAG 激光器、半导体激光器等奠定了坚实的基础。在激光器问世的次年 1961 年，激光测距系统就出现了，到如今随着泵浦、锁模等以及光电二极管、雪崩二极管的发展研制，激光技术在测距领域上得到了飞速的发展。激光能够在测距领域占有一席之地，主要是由激光的良好特性决定的，激光具有单色性、高方向性、高亮度、相干性好等优点，下面对其特性和原理做简要的介绍。
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第三章 船舶防撞预警系统的硬件设计 ..................20
3.1 船舶防撞预警系统的工作原理和结构.....................20
3.2 激光测距传感器的选型和单片机通信控制电路设计.....................................21
第四章 系统软件设计...............................37
4.1 主监控程序设计..............................37
4.2 数据采集处理程序设计...........................37
第五章 系统功能介绍与仿真实现.............................45
5.1 系统功能介绍....................................45
5.2 系统测量大桥高度原理及总体流程..................46
5.3 系统样机制作......................................47

第五章 系统功能介绍与仿真实现

5.1 系统功能介绍
为了应对海上复杂的环境，本系统设计了三种工作模式，分别是模式一（监控扫描模式）、模式二（船舶近桥模式）、模式三（船舶进港模式）。每种模式下本系统会执行不同的动作。其中模式一和模式二可以在符合判断条件下进行模式转换，也可以单独启动。单独启动时符合转化条件时自动转换。模式三为独立工作的的模式，用户只能通过手动按键启动。系统部分仿真图如图 5-1 所示，用户开机后，系统提示问候语：“欢迎进入船舶防撞预警系统”。在问候语持续几秒后进入待机状态。在待机状态中，必须先定义本船舶的高度（否则自定义高度阈值默认为零）；或者用户在系统运行过程中需要修改高度，可以在单片机复位后系统后进行修改。用户可以通过按下个位、十位按键进行自定义修改船舶高度阈值且只能在系统待机状态时修改。修改过后按下模式一按键系统便进入工作状态，用户也可以通过按键直接进入模式二、模式三。

5.2 系统测量大桥高度原理及总体流程
船舶以往通过大桥的的方式较为繁琐，多为人工操作，最后的出的结果往往会有很大的不确定因素，包括天气、人为失误等。如图 5-2 所示，在船舶即将通过大桥之前，船员首先需要知道船舶本身的高度，再测量此时船舶的吃水深度，通过查阅航海资料了解前方大桥的限高高度，将船舶高度减去吃水深度的差与前方大桥限高的值进行比较，比较过后才能确定船舶是否能够通过该大桥。这种方法一方面需要的过程复杂，船员容易忙中出错从容引发事故；另一方面查找这些数据需要花费相当大的精力和时间，工作强度较大。
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第六章 全文总结和展望

本文在深入学习了解了激光测距原理的基础上，设计并实现了基于单片机控制的船舶防撞预警系统。系统的硬件设计部分已经实现，PCB 电路板在设计时充分考虑到了干扰和精简原则。传感器采用的是激光测距传感器，达到了预警的精度要求，所做的主要工作如下：(1)系统的总体设计思想针对目前避碰领域的薄弱环节，深入研究了激光测距原理，制定了传感器的选型方案，在分析了系统总体的性能指标后确立了系统的设计方案和总体框架。(2)激光测距仪的选型面对水域上尤其是海上气候情况复杂，常常受到大风雨、雾霾等能见度较差的影响，因此本系统选择了迅腾大量程测距仪作为传感器，测量精度为 1 米，量程最大可达到 1000 米。(3)两个自由度的载台设计激光测距仪发出了是一条窄而亮的光束，适合作为定点测量。但是不符合本系统的范围性检测，因此系统设计出一个两个自由度的电动载台底座，同时为满足能够测量大桥高度的功能，在垂直方向上使用步进电机进行转动，在程序设计中使用一定的算法将载台抬起的角度记录以实现大桥高度的测量。
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参考文献（略）