一种基于光学瞄准的渔船用辅助导航装置及其导航方法与流程

本发明属于渔船辅助装置技术领域，涉及一种基于光学瞄准的渔船用辅助导航装置及其导航方法。

背景技术：

海上渔业作业环境复杂多变，渔船是所有商船事故率最高的船型，渔船的有效避碰是世界范围内的难题。目前我国大部分渔船已装备了无线电话和GPS导航仪，为渔船的航行安全提供了强有力的保障。但随着捕渔技术的现代化，渔船的安全隐患也越来越突出。首先，渔船在狭水道、分道通航制区域聚集，甚至逆向捕渔，使渔船事故长期居高不下；其次，从经济性角度出发，渔船先进导航设备较少，驾驶台低导致视线不良，使得发现危险的时间迟缓；第三，渔船出行的习俗中有一句谚语，“抢过大船头，一年不用愁”，船东经常依靠经验频频抢越大船航向，使得碰撞隐患大大提高。

技术实现要素：

为了达到上述目的，本发明提供一种基于光学瞄准的渔船用辅助导航装置，根据目标航行速度、目标舷角、我船航行速度和我船舷角计算目标相对航向速度和目标相对距离，确定危险航向点，解算目标和我船的相遇时间，操作简单可靠，安全指数高，成本低廉。

本发明的另一目的是，提供一种基于光学瞄准的渔船用辅助导航装置的导航方法。

本发明所采用的技术方案是，一种基于光学瞄准的渔船用辅助导航装置，由光学跟踪模块、航路参数监测模块、机械控制模块、信息交换模块及解算模块组成；

所述航路参数监测模块，用于监测目标航行速度V_m、目标舷角、我船航行速度V_w、我船舷角和目标相对距离D，判别目标相对距离D的变化趋势；航路参数监测模块包括用于装订目标航行速度V_m、目标舷角、我船航行速度V_w、我船舷角和目标相对距离D的参数装订模块；

所述光学跟踪模块包括光学瞄准镜，用于搜索、捕获，并稳定跟踪目标；

所述机械控制模块包括操作杆和转台，通过转台进行360°跟踪目标；

所述解算模块包括第一数码显示管、第二数码显示管、速度解算线路和相遇时间解算线路；

所述信息交换模块包括集线器，参数装订模块与集线器连接，集线器与速度解算线路连接，速度解算线路与第一数码显示管连接，第一数码显示管与光学瞄准镜连接，通过集线器将目标航行速度V_m、目标舷角、我船航行速度V_w、我船舷角和目标相对距离D发送至速度解算线路，解算得到目标相对航向速度V_r，通过第一数码显示管显示目标相对航向速度V_r和目标相对距离D，并传输至光学瞄准镜，光学瞄准镜根据目镜内分化板上目标相对航向速度V_r对应的航向角曲线和目标相对距离D对应的水平线形成的交点确定危险航向点；操作杆与集线器连接，集线器与相遇时间解算线路连接，相遇时间解算线路与第二数码显示管连接，通过操作杆以危险航向点为跟踪点锁定目标，通过集线器将危险航向点的目标相对航向速度V_r和目标相对距离D发送至相遇时间解算线路，解算得到目标与我船的相遇时间T，并通过第二数码显示管显示。

本发明的特征还在于，进一步的，光学瞄准镜采用单镜头，光学瞄准镜的分化板中心有两圆环，内环直径5密位，外环直径10密位；分划板的垂直线上刻有表示目标相对距离D为250m～5000m的刻划线；分划板水平线上刻有代表目标相对航向速度V_r为5节、10节、15节、20节、25节的航向角曲线；航向角曲线间隔均分目镜视场角。

进一步的，机械控制模块还包括外壳体、纵/横陀螺、单人坐椅、系统配电开关和制动脚刹；外壳体为铸造铝合金壳体，外壳体与转台焊接在一起，单人坐椅焊接在转台上，单人坐椅正下方侧面镶嵌用于控制转台的系统配电开关，系统电源由系统配电开关控制，系统电源电压为220V；纵/横向陀螺采用速率陀螺稳定的方式降低我船摇摆影响，用于制动转台的制动脚刹通过曲柄连杆式结构与转台连接；光学瞄准镜以螺栓或导销方式与外壳体连接；解算模块采用三节滚珠抽拉式导轨与外壳体连接。

进一步的，光学跟踪模块还包括操控面板，操控面板上设有装订有效按键、速度解算按键、时间解算按键和启动按键；参数装订模块与装订有效按键连接，速度解算线路与速度解算按键连接，相遇时间解算线路与时间解算按键连接；操控面板和解算模块的输入电源电压为12V；解算模块以印刷电路板的方式嵌配于转台内部，集线器采用印刷电路插件板，置于转台内部。

本发明的另一技术方案是，一种基于光学瞄准的渔船用辅助导航装置的导航方法，具体按照以下步骤进行：

步骤一，渔船进入危险区域时，打开系统配电开关，按下操控面板上的启动按键，机械控制模块控制转台转动，利用光学跟踪模块搜索、捕获、识别渔船左右舷的运动目标；

步骤二，根据航路参数监测模块监测相邻运动目标的目标相对距离D、目标航行速度V_m和目标舷角，判断当目标相对距离D持续增大时，结束本次监测；当目标相对距离D持续减小时，通过参数装订模块装定目标相对距离D、目标航行速度V_m、目标舷角、我船航行速度V_w和我船舷角，按下装订有效按键确认；

步骤三，按下速度解算按键，根据目标航行速度V_m、目标舷角、我船航行速度V_w、我船舷角，计算目标相对航向速度V_r，第一数码显示管显示目标相对航向速度V_r和目标相对距离D；

步骤四，光学瞄准镜的分划板的垂直线上刻有表示目标相对距离D为250m～5000m的刻划线；分划板水平线上刻有代表目标相对航向速度V_r为5节、10节、15节、20节、25节的航向角曲线；目标相对航向速度V_r对应的航向角曲线和目标相对距离D对应的水平线形成的交点，即危险航向点；

步骤五，在光学瞄准镜的分划板的左右下半圆各得到一危险航向点，在具体跟踪目标时，若目标向左，则使用右下半圆的危险航向点；若目标向右，则使用左下半圆的危险航向点；操作操作杆，控制跟踪线以危险航向点为跟踪点锁定目标；

步骤六，下压操作杆，将危险航向点的目标相对航向速度V_r和目标相对距离D注入相遇时间解算线路；按下相遇时间解算按键，计算目标与我船的相遇时间T，通过第二数码显示管显示目标与我船的相遇时间T；

步骤七，通过相遇时间解算线路判断，当相遇时间T小于等于20分钟时，发出提前预警信号；当相遇时间T大于20分钟时，继续对目标实施监测；

步骤八，完成导航操作后，先断开启动按键，接着按下系统配电开关，最后盖上光学瞄准镜的保护盖、堵上目镜绸布。

进一步的，步骤三中，计算目标相对航向速度V_r的方法如下：

目标航向速度：V_m′＝V_m×β，我船航向速度：V_w′＝V_w×β；

目标相对航向速度

式中：V_m为目标航行速度，V_w为我船航行速度，β为舷角修正系数。

进一步的，步骤四中，危险航向点的确定方法，还包括以下步骤：当光学瞄准镜的分划板上没有与目标相对航向速度V_r对应的实际航向角曲线时，根据目标相对航向速度V_r虚构一条航向角曲线，再根据目标相对距离D在分划板的垂直线上确定相应的点，该点的水平线与虚构的航向角曲线的交点，即为危险航向点。

进一步的，步骤五中，以危险航向点为跟踪点锁定目标，还包括以下步骤：当目标与我船作异向运动时，危险航向点的跟踪位置置于目标船首方向；当目标与我船作同向运动时，且当目标航向速度V_m′大于我船航向速度V_w′时，危险航向点的跟踪位置置于目标船首方向；当目标与我船作同向运动时，且当目标航向速度V_m′小于我船航向速度V_w′时，危险航向点的跟踪位置置于目标船尾方向。

进一步的，步骤六中，目标与我船的相遇时间T按照以下公式计算：

本发明的有益效果是：监测临近海上活动目标的相对距离变化趋势，利用目标和我船的航行速度及舷角，计算出目标相对航向速度，根据目标相对航向速度和目标相对距离判定危险航向点和相遇时间，并以适时跟踪的方式对目标实施连续探测。本发明通过集成化的功能，将光学瞄准镜、参数装订模块、操作杆等主设备和解算模块一体化设计，整体在转台内部走线；采用了速率陀螺减少船摇摆的影响，计算线路设计简单，优化了光、机、电接口和操控设备，结构紧凑，节省空间，安装、操作方便，经济可靠，能实现单人操控，工作效率高。综上所述，在渔船作业过程中使用本发明后，可达到及时判定海面运动目标和我船相遇的危险航向点，有效判定两船的相遇时间，从而显著降低碰撞概率；本发明可用于各型渔业作业船只的辅助避碰。

本发明以较低的成本，将捕获目标、跟踪目标、测量目标航向危险点集于一体，辅助渔船在紧急情况下安全避碰。本发明是渔船生存保障的重要辅助手段，对弥补现有渔船导航设备的不足，提高渔船作业人员和渔船的现代化技术保障水平具有重要的作用和意义，最大程度地降低渔船避碰率和安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明各模块连接示意图。

图2本发明的结构示意图。

图3是光学瞄准镜结构示意图。

图4是解算线路控制电路图。

图5是本发明的操作流程图。

图中，1.外壳体，2.光学瞄准镜，3.集线器，4.操控面板，5.操作杆，6.纵/横向陀螺，7.单人坐椅，8.系统配电开关，9.制动脚刹，10.参数装订模块，11.转台，12.第一数码显示管，13.第二数码显示管，14.速度解算线路，15.相遇时间解算线路，16.航路参数监测模块，17.光学跟踪模块，18.机械控制模块，19.信息交换模块，20.解算模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明辅助导航装置，系统模块如图1所示，由光学跟踪模块17、航路参数监测模块16、机械控制模块18、信息交换模块19及解算模块20组成，实现系统的启动、操控、数据解算、传输及显示工作。

本发明辅助导航装置，结构如图2所示，光学跟踪模块17包括光学瞄准镜2和操控面板4，光学瞄准镜2以螺栓或导销方式与外壳体1连接在一起；光学瞄准镜2采用单镜头，目镜内有分划板，分划板中心有两圆环，内环直径5密位，外环直径10密位，垂直线上刻有分别表示目标相对距离D为250m～5000m的刻划线(2.5-50，单位：百米)；分划板上还刻有代表目标相对航向速度V_r为5节、10节、15节、20节、25节的航向角曲线(航向角曲线间隔均分目镜视场角)，航向角曲线和代表目标相对距离的水平线形成的交点，即危险航向点；操控面板4是本发明的人机交互部件，操控面板4上设有装订有效按键、速度解算按键、时间解算按键和启动按键；采用光学瞄准镜捕捉目标，不易受电子干扰。

航路参数监测模块16，用于监测目标船只航路参数，包括目标航行速度V_m、目标舷角、目标相对距离D，判别目标与我船相对距离的变化趋势；航路参数监测模块16包括参数装订模块10；参数装订模块10用于装订目标航行速度V_m、目标舷角、我船航行速度V_w、我船舷角和目标相对距离D，参数装订模块10与装订有效按键连接。

机械控制模块18包括操作杆5、纵/横陀螺6、外壳体1、单人坐椅7、转台11、系统配电开关8和制动脚刹9，机械控制模块18控制转台11进行360°跟踪目标，单人坐椅7焊接在转台11上，单人坐椅7正下方侧面镶嵌用于控制转台11的系统配电开关8，制动脚刹9通过曲柄连杆式结构与转台11连接，用于制动转台11；纵/横向陀螺6以速率陀螺稳定的方式降低我船摇摆影响，确保准确确定危险航向点，操作杆5控制跟踪线以危险航向点为跟踪点锁定目标；转台11与外壳体1焊接在一起，光学跟踪模块17通过导销直接安装于外壳体1上，外壳体1采用铸造铝合金壳体。

解算模块20以印刷电路板的方式嵌配于转台11内部，尽量减少电缆数量，提高了系统集成性和可靠性；解算模块20包括第一数码显示管12、第二数码显示管13、速度解算线路14和相遇时间解算线路15，速度解算线路14与速度解算按键连接，相遇时间解算线路15与时间解算按键连接。解算模块20采用高强度三节滚珠抽拉式导轨与外壳体1连接，该导轨摩擦阻力小，运动灵活，有限位措施，在运动一定长度后可自动锁定，便于操作手操作、观测及通报结果，提高了使用安全性和易维修性。

信息交换模块19包括集线器3，集线器3采用印刷电路插件板，置于转台11内部，尽量减少电缆数量，提高了系统集成性和可靠性；集线器3用于机械控制模块18、航路参数监测模块16与解算模块20间的信息转换和切换，完成目标相对航向速度和相遇时间的解算结果输出。如图4所示，参数装订模块10与集线器3连接，集线器3与速度解算线路14连接，速度解算线路14与第一数码显示管12连接，第一数码显示管12与光学瞄准镜2连接，通过集线器3将目标航行速度V_m、目标舷角、我船航行速度V_w、我船舷角和目标相对距离D发送至速度解算线路14，解算得到目标相对航向速度V_r，通过第一数码显示管12显示目标相对航向速度V_r和目标相对距离D，并传输至光学瞄准镜2，光学瞄准镜2根据目镜内分化板上的航向角曲线和目标相对距离的交点确定危险航向点，其中，目标相对航向速度V_r与航向角曲线对应；操作杆5与集线器3连接，集线器3与相遇时间解算线路15连接，相遇时间解算线路15与第二数码显示管13连接，通过操作杆5以危险航向点为跟踪点迅速锁定目标，通过集线器3将危险航向点参数(目标相对航向速度V_r和目标相对距离D)发送至相遇时间解算线路15，解算得到相遇时间，并通过第二数码显示管13显示。

系统电源由转台11的系统配电开关8控制，系统电源为220V；操控面板4和解算模块20的输入电源为12V，采取工控式输入信号。

本发明的基本原理：

通过光学跟踪模块17搜索、捕捉目标，航路参数监测模块16识别目标航路参数，包括目标航行速度V_m、目标舷角和目标相对距离D，通过信息交互模块发送至解算模块20，启动速度解算线路14，解算出目标航向速度V_m′、我船航向速度V_w′及目标相对航向速度V_r，根据目标相对航向速度V_r和目标相对距离D在光学瞄准镜2的分划板上确定危险航向点，通过危险航向点持续监测目标和我船的相对位置关系，适时解算相遇时间T，辅助渔船实现安全避碰。

本发明的导航方法，如图5所示，具体按照以下步骤进行：

步骤一，渔船进入危险区域时，打开系统配电开关8，按下操控面板4上的启动按键，机械控制模块18控制转台11转动，利用光学跟踪模块17搜索、捕获、识别渔船左右舷的运动目标。

步骤二，根据航路参数监测模块16监测相邻运动目标的目标相对距离D、目标航行速度V_m和目标舷角，判断当目标相对距离D持续增大时，结束本次监测；当目标相对距离持续减小时，迅速通过参数装订模块10装定目标相对距离D、目标航行速度V_m、目标舷角、我船航行速度V_w和我船舷角，按下装订有效按键确认；

步骤三，左手按下速度解算按键，根据目标航行速度V_m、目标舷角、我船航行速度V_w和我船舷角，计算目标相对航向速度V_r；具体计算方法如下：

目标航向速度：V_m′＝V_m×β，我船航向速度：V_w′＝V_w×β；

目标相对航向速度

式中：V_m为目标航行速度，V_w为我船航行速度，β为舷角修正系数，根据水面舰船航行规律，确定如下：

步骤四，根据第一数码显示管12显示的目标相对航向速度V_r和目标相对距离D，在光学瞄准镜2的分划板上得到危险航向点；

如图3所示，航向角曲线和目标相对距离的水平线在光学瞄准镜2的分划板上有一个虚拟交点，此交点即为危险航向点；

当光学瞄准镜2的分划板上没有实际航向角曲线时，根据目标相对航向速度V_r虚构一条航向角曲线，再根据目标相对距离D在分划板的垂直线上确定相应的点，该点的水平线与虚构的航向角曲线的交点，即为危险航向点；

步骤五，在光学瞄准镜2的分划板的左右下半圆各得到一危险航向点，在具体跟踪目标时，若目标向左，则使用右下半圆的危险航向点；若目标向右，则使用左下半圆的危险航向点；右手操作操作杆5，控制跟踪线以危险航向点为跟踪点锁定目标；右手下压操作杆5，将危险航向点参数注入相遇时间解算线路15；

根据目标和我船的相对运动情况判断危险航向点的跟踪位置：

(1)目标、我船作异向运动时，危险航向点的跟踪位置置于目标船首方向；

(2)目标、我船作同向运动时，且当目标航向速度V_m′大于我船航向速度V_w′时，危险航向点的跟踪位置置于目标船首方向；

(3)目标、我船作同向运动时，且当目标航向速度V_m′小于我船航向速度V_w′时，危险航向点的跟踪位置置于目标船尾方向；

步骤六，左手按下相遇时间解算按键，第二数码显示管13输出目标与我船的相遇时间T，为我船与目标的避碰提供提前预警和辅助建议；具体计算方法如下：

$T=\frac{D}{V_r}$

步骤七，通过相遇时间解算线路15判断，当相遇时间T小于等于20分钟时，发出提前预警信号；当相遇时间T大于20分钟时，继续对目标实施监测。

步骤八，完成导航操作后，操作手先断开启动按键，接着按下系统配电开关8，关闭转台11，最后盖上光学瞄准镜2的保护盖、堵上目镜绸布。

实施例，目标与我船作同向运动，目标航行速度20节，目标舷角150°左，我船航行速度30节，我船舷角15°右，目标相对距离D为800米。

则目标航向速度：

V_m′＝V_m×β＝20×0.5＝10(节)

我船航向速度：

V_w′＝V_w×β＝30×0.25＝7.5(节)

目标相对航向速度V_r＝V′_m-V′_w＝10－7.5＝2.5(节)

目标和我船相遇时间

此时，应使用右下半圆危险航向点，且将危险航向点置于目标船首方向，持续对目标进行跟踪测量，同时发出报警信号，采取避碰措施。

本发明将目标航行速度V_m、目标舷角、我船航行速度V_w和我船舷角相结合，分别转化成目标航向速度V_m′和我船航向速度V_w′，然后基于目标相对航向速度V_r和目标相对距离D确定危险航向点，用附带航向角曲线的光学瞄准镜实施跟踪目标，并适时解算目标和我船的相遇时间T，操作简单可靠，便于渔船特定作业环境中的应急处置，与依靠经验进行避碰相比提高了安全指数。与现代雷达和光电跟踪器材比较，成本低廉、经济性好，更加适合渔船推广。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。