一种舰船摇摆信息监测与记录装置的制作方法

本实用新型涉及舰船航行安全技术领域，具体涉及一种舰船摇摆信息监测与记录装置。

背景技术：

近年来随着国内外舰船海难事故的频繁发生，舰船航行安全问题再次成为航运从业人员及相关科研人员的关注热点。舰船的浮性与稳性是评价舰船海上航行安全性能的重要指标，一定程度上决定了舰船在特殊海情下倾覆的危险度，然而该类指标在航行过程中很难通过直接测量手段获得，只能通过对舰船摇摆信息变化的检测间接获得。大量海难事故调查表明舰船倾覆前都会出现摇摆幅度、摇摆周期等特征信息异常变化等征兆，因此，对该类摇摆特征信息进行监测并在异常情况下发出报警，提醒驾驶人员谨慎操船并及早进行损管部署，可大幅降低海难发生概率、减少人员伤亡，同时对平时舰船摇摆信息进行实时记录并结合记录数据进行事后分析，对于开展基于舰船摇摆的倾覆预警等相关研究具有重要意义。

舰船摇摆信息主要包括摇摆角度、摇摆周期、摇摆幅度三部分，根据摇摆方向又可分为横摇与纵摇。目前，舰船普遍安装有横倾指示器，该装置采用机械摆结构，根据重力摆原理测量指示舰船横倾角，功能单一、灵敏度差、精度低。公开号为CN202511787U的实用新型“一种船舶水平姿态仪”，采用加速度传感器测量舰船水平姿态，其本质与重力摆检测方法相同，且在动态条件下测量精度降低、可靠性差，且不具备周期测量功能。专利号为CN94241226.5的中国实用新型专利“船舶摇摆周期自动测定仪”，通过在传统的摇摆指示器其摇摆角测量仍采用机械摆检测的方法，并在此基础上通过敏感形成脉冲计数的方式得到周期，该装置只检测15度以内的周期，周期测量结果实时性差，不具备横纵同步测量功能，测量后的数据仅能用于指示无法存储。因此，迫切需要一种能够完成摇摆信息同步、实时测量，并具备异常报警、数据记录功能的监测与记录装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种舰船摇摆信息监测与记录装置，系统既可实时监测舰船的摇摆角度、周期、幅度信息的变化，并根据信息异常及时发出报警，保障舰船航行安全又兼具数据记录功能，为开展相关科学研究提供信息支撑。

本发明采用的技术方案是：一种舰船摇摆信息监测与记录装置，所述舰船摇摆信息监测与记录装置由信息处理与主控模块、信息测量模块、SD卡存储模块、电源模块以及显控模块五大部分组成；所述电源模块为所述信息处理与主控模块提供电压，所述SD卡存储模块及显控模块连接于所述信息处理与主控模块；所述信息处理与主控模块接收所述信息测量模块输出的测量数据，并在对所述测量数据进行处理后进入数据解算阶段，以实时获取对应于舰艇的摇摆角度、周期及幅度信息。

所述信息处理与主控模块采用基于ARM Cortex-M3内核的32位单片机STM32F103RET6作为主控单元。

所述信息处理与主控模块主要完成与各传感器进行数据通信以及对接收数据信息进行相关解算处理，主要包括摇摆角数据实时解算与摇摆周期实时解算。

所述摇摆角数据实时解算采用旋转矢量姿态更新算法。

所述摇摆周期实时解算采用频域解算方法。

所述信息测量模块包括惯性测量单元(IMU)、磁阻传感器。

所述惯性测量单元由具有MPU-3050数字运动处理硬件加速引擎的三轴陀螺仪与ADXL345三轴加速度计组成。

具有摇摆周期、摇摆幅度变化阈值报警功能。

所述的磁阻传感器采用霍尼韦尔HMC5883L磁阻传感器。

所述SD卡存储模块采用FATFS Module文件系统。

所述电源模块采用锂电池独立供电，并设有专门的充电电路。

所述显控模块采用7寸电容触摸屏。

本发明的有益效果是：在无需其他设备辅助的条件下，完成舰船摇摆角度、周期、幅度信息的实时测量与异常报警功能，同时具备信息存储记录功能，存储信息全面，可满足信息后处理需求。与现有姿态测量系统相比，由于采用低成本惯性器件，且无需其他信息辅助，具有结构简单、成本低廉、功耗低等优点，易于实现工程化应用，应用前景广阔。

附图说明

图1是一种舰船摇摆信息监测与记录装置的工作原理框图。

图1中：1、信息处理与主控模块；2、信息测量模块；21、惯性测量单元；22、磁阻传感器；3、SD卡存储模块；4、电源模块；5、显控模块。

图2给出了一种舰船摇摆信息监测与记录装置的工作流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1示出了一种舰船摇摆信息监测与记录装置的工作原理框图，图中，信息处理与主控模块1采用基于ARM Cortex-M3内核的32位单片机STM32F103RET6作为主控单元，负责与信息测量模块2的数据通信以及测量信息的相关处理任务。信息测量模块2包括惯性姿态测量单元21与磁阻传感器22。惯性姿态传感器21由陀螺仪与加速度计组成，陀螺仪具备MPU-3050数字运动处理硬件加速引擎功能，内建数字运动处理器(DMP)与FIFO，可大幅减轻主控系统高频运动解算与通信中断次数，进而改善整体系统效能；加速度计采用低功耗、量程可变、高分辨率、抗冲击等良好特性的ADXL345三轴加速度计，该传感器采用MEMs技术，并具有SPI与I2C两种通信方式。磁阻传感器22选用霍尼韦尔HMC5883L磁阻传感器。SD卡存储单元3采用FATFS Module文件系统。电源模块4采用锂电池独立供电，输出5V直流电，并设有专门的充电电路，充电电压为220V交流市电。显控模块5采用7寸电容触摸屏。

图2给出了一种舰船摇摆信息监测与记录装置的工作流程，结合图介绍工作过程如下：装置上电并启动后，信息处理与主控模块通过I²C总线方式同步接收信息测量模块中惯性测量单元(IMU)与磁阻传感器的测量数据，对数据进行低通滤波滤除噪声影响后进入初始对准阶段；该阶段中数据处理过程包括利用水平加速度计数据计算舰船的横纵摇角初始值以及利用磁阻传感器计算磁航向初始值。

初始对准完成后，进入数据解算阶段，该阶段工作包括姿态更新与周期解算，姿态更新是利用基于IMU数据对姿态初始值进行解算更新，实时获得舰船横、纵摇姿态信息，由于该过程存在累积误差，需利用磁阻传感器信息周期性对更新结果进行修正。

周期解算采用频域计算法，首先对解算得到的姿态数据进行截取并暂存，采用快速傅里叶算法对数据进行频域转换，转换后利用求极值算法得到主频率值，对该频率值取倒数即可得到舰船的瞬时摇摆周期；信息解算过程中，将解算得到的摇摆角度、周期及幅度与设定的阈值进行比较进行阈值监测，如超出阈值，发出蜂鸣报警，并在触摸屏提示报警类型。

存储与显示过程可看作是与信息解算过程同步进行的，在主控单元定时器触发作用下，利用SPI接口周期性将摇摆角度、周期发送至SD卡与触摸屏，存储方式为二进制数据格式，触摸屏可根据需要进行显示界面切换。