CN103213657A - 一种船舶吃水量检测***及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶吃水量检测***及其检测方法，所述的***包括浮体、卷扬装置、缆绳、检测门、超声波传感器阵列、浮***置传感子***、缆绳角度传感子***、数据采集传输单元以及误差补偿与数据处理单元，浮体由锚链固定于水面，检测门经过卷扬装置用缆绳悬挂于浮体上，通过卷扬装置调整检测门水下深度，卷扬装置安装于两侧浮体的重心上方，浮体安放位置根据检测需要进行选择。由于本发明将检测门安装在可移动的浮体上，使得吃水量检测***安装检修方便，不再依赖于固定的基础设施，对安装位置无特殊要求，可以根据航道水位情况和实际需求进行移动。本发明通过缆绳摆动角度和长度数据，就可以对船舶吃水深度检测门姿态进行误差补偿。

Description

一种船舶吃水量检测***及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种船舶吃水量检测技术，特别是一种船舶吃水量检测***及其检测方法。

背景技术

船舶吃水量检测门采用单波束超声波传感器阵列进行测量，传感器阵列排列于水下检测门，检测门通过两端固定安装的方式实现，且通过固定安装的同步升降***调整高度，通过超声波测距来测量通航船舶的吃水量，实现船舶全自动吃水量检测。现有的船舶吃水量检测门采用固定安装的形式，即检测门的两端必须安装在已有的基础设施上，如船闸、浮堤、导航墙等。这种形式具有以下缺点：

1、固定安装的船舶吃水量检测门，需要在航道建设基础设施，成本很高；

2、对于安装位置有特殊要求：航道太窄，检测设施维护时容易碍航，航道太宽太深则施工困难，且影响通航安全；

3、最合适的安装位置随航道水位变化而不断变化，即固定安装检测***在枯水期有可能因为碍航而不能使用；

4、检修困难，只能原地检修，限制因数多。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种建设成本低、易于安装、维修方便，可根据航道水位变化调整安装位置的船舶吃水量检测***及其检测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种船舶吃水量检测***，包括浮体、卷扬装置、缆绳、检测门、超声波传感器阵列、浮***置传感子***、缆绳角度传感子***、数据采集传输单元以及误差补偿与数据处理单元，所述的浮体由锚链固定于水面，所述的检测门经过卷扬装置用缆绳悬挂于浮体上，通过卷扬装置调整检测门水下深度，卷扬装置安装于两侧浮体的重心上方，浮体安放位置根据检测需要进行选择；

所述的超声波传感器阵列以排列方式安装于水下检测门上，测量水下检测门与被测船舶的距离信息；所述的浮***置传感子***安装于两个浮体的缆绳端点上方，测量两侧浮体上悬挂检测门的缆绳端点的位置坐标；所述的缆绳角度传感子***安装于检测门两端缆绳上，测量检测门两端缆绳摆动的角度；所述的数据采集传输单元安装于浮体上，负责采集和传输超声波传感器阵列、浮***置传感子***和缆绳角度传感子***测量数据；所述的误差补偿与数据处理单元为岸上PC机，主要进行误差补偿算法；所述的超声波传感器阵列、浮***置传感子***、缆绳角度传感子***以及误差补偿与数据处理单元通过数据线或无线传输技术分别与数据采集传输单元连接。

一种船舶吃水量检测***的检测方法，包括以下步骤：

A、安装检测门

选择浮体安放位置，将浮体用锚链固定于水面，将卷扬装置安装于两侧浮体的重心上方，将检测门用长度为L的缆绳经卷扬装置悬挂于浮体上，并通过卷扬装置调整检测门在水下深度；

B、构建浮***置传感子***

浮***置传感子***采用RTK实时动态差分法定位技术，对检测门两端缆绳端点位置坐标进行测量，所述的RTK为实时动态的英文Real-timekinematic的缩写，具体构建步骤如下：

B1、在岸上RTK数据链覆盖范围内已知坐标的固定位置参考点安装GPS接收机作为基准站，在两个浮体缆绳端点上方分别安装RTK定位接收机作为流动站；

B2、基准站通过数据链将其GPS观测值和已知的坐标信息一起组成差分修正量传送给流动站，流动站不仅通过数据链接收差分修正量，还要采集其GPS观测值，并对观测值进行实时差分修正处理，精确解算出流动站三维坐标定位结果；确定悬挂检测门的两根缆绳端点的坐标值；

C、构建缆绳角度传感子***

缆绳角度传感子***采用角度传感器，在检测门两端缆绳上分别安装角度传感器，当检测门随风浪运动发生偏移时，角度传感器测量检测门两端缆绳摆动的角度；

D、误差补偿与数据处理

误差补偿与数据处理单元对接收到的缆绳端点坐标值以及缆绳摆动角度数据，通过检测门安装结构几何关系计算检测门的倾斜角度θ；如果倾斜角度θ小于θ₀，则转步骤D1，否则转步骤D2；所述的θ₀为2-4°；

D1、误差补偿与数据处理单元由超声波传感器测量其与水面的距离对其深度进行标定，得到深度标定值数组[H₁,H₂,…,H_M]，代表超声波传感器的预设深度；当有被测船舶到来时，超声波传感器测量数据为测量值点阵[X₁,X₂,…,X_M]，代表超声波传感器与被测船舶底部的距离，即船舶吃水量检测结果；转步骤D3；

D2、误差补偿与数据处理单元将接收到的缆绳端点坐标值以及缆绳摆动角度数据通过检测门安装结构几何关系对水下检测门的深度以及其倾斜角度θ进行实时校准得到补偿值数组[δ₁,δ₂,…,δ_M]，由补偿值数组对超声波传感器深度标定值数组[H₁,H₂,…,H_M]进行补偿得出超声波传感器实际深度值数组；实际深度值数组与超声波传感器距离同步测量值点阵[X₁,X₂,…，X_M]之差即为补偿后的船舶吃水量检测结果；

D3、输出船舶吃水量检测结果。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、由于本发明将检测门安装在可移动的浮体上，使得吃水量检测***安装检修方便，不再依赖于固定的基础设施，对安装位置无特殊要求，可以根据航道水位情况和实际需求进行移动。

2、本发明的浮***置传感子***可以实时准确的给出检测门两端缆绳悬挂端点的三维坐标，速度快，误差小，满足实时补偿的要求；角度传感器能够准确地检测出缆绳摆动角度；通过摆动角度和必要的长度数据，就可以对船舶吃水深度检测门姿态进行误差补偿。

3、本发明通过误差补偿解决了风浪对移动式船舶吃水量测量的影响，有效的提高了测量结果的准确性，减少了误判，保证了航道的运行安全，提高了通航效率。

附图说明

本发明共有附图6幅，其中：

图1为移动式船舶吃水量检测***示意图。

图2为移动式船舶吃水量检测***数据逻辑框图。

图3为检测门剖面图。

图4为检测门姿态补偿示意图。

图5为RTK定位基准站设定及数据接收示意图。

图6为缆绳摆动角度示意图。

图中：1、浮体，2、卷扬装置，3、缆绳，4、检测门，5、超声波传感器阵列，6、浮***置传感子***，7、缆绳角度传感子***，8、数据采集传输单元，9、误差补偿与数据处理单元。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明：

一种移动式船舶吃水量检测***主要由浮体1、卷扬装置2、缆绳3、检测门4、超声波传感器阵列5、浮***置传感子***6、缆绳角度传感子***7、数据采集传输单元8和误差补偿与数据处理单元9组成，如图1-2所示。超声波传感器阵列5安装在检测门4上，检测门4就是一个安装架，其两端通过长度为L的缆绳3由两个卷扬装置2悬吊在水下预设深度为H的位置。两个卷扬装置2分别固定在两个浮体1的重心位置上方。

图3所示为检测门4剖面图。检测门4上安装M个超声波传感器，相邻两个传感器之间的距离为N。没有被测船到来时，静止状态下由超声波传感器测量水面的距离对其深度进行标定，得到深度标定值数组[H₁,H₂,…,H_M]。当有被测船舶到来时，超声波传感器测量数据为[X₁,X₂,…,X_M]。静止受力平衡状态下，两侧卷扬装置2缆绳3端点的三维空间坐标为X₁，Y₁，Z₁、X₂，Y₂，Z₂，超声波传感器水下的深度为标定值数组[H₁,H₂,…,H_M]，由H_i-X_ii=1，2，…，M即可检测出船舶吃水量。

当风浪较大时，浮体1和检测门4会随水流运动产生摇摆或移动，超声波传感器的深度不再是H，需要根据检测门4的姿态进行补偿，如图4所示。具体操作如下：

S1、在岸上RTK数据链覆盖范围内合适位置建立的已知坐标的基准站向浮体1上安装的RTK接收机流动站实时发送定位差分修正量，流动站根据自己GPS接收机的定位数据和基准站提供的实时差分修正量，实现对卷扬装置2的实时精确定位。图5给出RTK定位基准站设定及数据接收示意图。由RTK定位接收机可以实时的测量缆绳3端点的三维坐标(X₁',Y₁',Z₁')、(X'₂,Y₂',Z'₂)，当浮体1随波浪产生移动或倾斜时，可以测量出卷扬装置2垂直方向移动的距离ΔZ₁＝Z₁-Z₁'、ΔZ₂＝Z'₂-Z₂。

S2、由缆绳3上安装的角度传感器可以测量出缆绳3与XOZ平面夹角α和缆绳3与YOZ平面夹角β，缆绳3移动角度示意图如图6所示。因为缆绳3的长度始终为L，则卷扬装置2到检测门4的垂直距离L'＝L·cosα·cosβ。

S3、通过缆绳3端点坐标变化值ΔZ₁、ΔZ₂以及缆绳3的摆动角度α、β、α、β校准水下检测门4的深度以及其倾斜角度θ。

假设某一次测量过程中，两侧卷扬装置2测量结果垂直移动距离ΔZ₁＝Z₁-Z₁'、ΔZ₂＝Z₂-Z'₂，两侧缆绳3角度测量分别为α、β、α、β，则由图3所示几何关系可以得出检测门4两端深度改变值

ΔH₁＝L'₁+ΔZ₁-L＝ΔZ₁+L(cosα₁·cosβ₁-1)

ΔH₂＝L'₂+ΔZ₂-L＝ΔZ₂+L(cosα₂·cosβ₂-1)

检测门4上安装M个超声波传感器，相邻两个传感器之间的距离为N，检测门4总长度为(M-1)×N。则检测门4的倾斜角度

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{\mathrm{\Δ}{H}_1-\mathrm{\Δ}{H}_2}{(M-1)N}\right)$

第i个超声波传感器由于水浪波动引起的深度偏移量

δ_i＝ΔH₁-N×(i-1)×sinθ,(i＝1,2,...,M)

由上述方法计算可得超声波传感器深度的实时补偿值数组[δ₁,δ₂,…,δ_M]。与超声波传感器的深度标定表[H₁,H₂,…,H_M]做和即可得到补偿后的超声波传感器的实时深度表

。

实际安装过程中，若使用多根缆绳3悬挂检测门4，检测门4由于重力作用对浮体1有一定拉力，缆绳3摆动角度偏差不大，影响检测门4姿态的主要是浮体1的垂直位移ΔZ₁、ΔZ₂。则检测门4的倾斜角度

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{\mathrm{\Δ}{Z}_1-\mathrm{\Δ}{Z}_2}{(M-1)N}\right)$

第i个超声波传感器的深度偏移量δ_i＝ΔZ₁-N×(i-1)×sinθ,(i＝1,2,...,M)。由上述公式得到的深度实时补偿值数组[δ₁,δ₂,…,δ_M]对超声波传感器的深度标定表[H₁,H₂,…,H_M]进行补偿得到实际深度表

通过补偿后的超声波传感器的实时深度表

和其同步的测量值数组[X₁,X₂,…,X_M]即可得出真实的通航船舶吃水量检测结果。

Claims (2)

1.一种船舶吃水量检测***，其特征在于：包括浮体（1）、卷扬装置（2）、缆绳（3）、检测门（4）、超声波传感器阵列（5）、浮***置传感子***（6）、缆绳角度传感子***（7）、数据采集传输单元（8）以及误差补偿与数据处理单元（9），所述的浮体（1）由锚链固定于水面，所述的检测门（4）经过卷扬装置（2）用缆绳（3）悬挂于浮体（1）上，通过卷扬装置（2）调整检测门（4）水下深度，卷扬装置（2）安装于两侧浮体（1）的重心上方，浮体（1）安放位置根据检测需要进行选择；

所述的超声波传感器阵列（5）以排列方式安装于水下检测门（4）上，测量水下检测门（4）与被测船舶的距离信息；所述的浮***置传感子***（6）安装于两个浮体（1）的缆绳（3）端点上方，测量两侧浮体（1）上悬挂检测门（4）的缆绳（3）端点的位置坐标；所述的缆绳角度传感子***（7）安装于检测门（4）两端缆绳（3）上，测量检测门（4）两端缆绳（3）摆动的角度；所述的数据采集传输单元（8）安装于浮体（1）上，负责采集和传输超声波传感器阵列（5）、浮***置传感子***（6）和缆绳角度传感子***（7）测量数据；所述的误差补偿与数据处理单元（9）为岸上PC机，主要进行误差补偿算法；所述的超声波传感器阵列（5）、浮***置传感子***（6）、缆绳角度传感子***（7）以及误差补偿与数据处理单元（9）通过数据线或无线传输技术分别与数据采集传输单元（8）连接。

2.一种如权利要求1所述的船舶吃水量检测***的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、安装检测门（4）

选择浮体（1）安放位置，将浮体（1）用锚链固定于水面，将卷扬装置（2）安装于两侧浮体（1）的重心上方，将检测门（4）用长度为L的缆绳（3）经卷扬装置（2）悬挂于浮体（1）上，并通过卷扬装置（2）调整检测门（4）在水下深度；

B、构建浮***置传感子***（6）

浮***置传感子***（6）采用RTK实时动态差分法定位技术，对检测门（4）两端缆绳（3）端点位置坐标进行测量，所述的RTK为实时动态的英文Real-timekinematic的缩写，具体构建步骤如下：

B1、在岸上RTK数据链覆盖范围内已知坐标的固定位置参考点安装GPS接收机作为基准站，在两个浮体（1）缆绳（3）端点上方分别安装RTK定位接收机作为流动站；

B2、基准站通过数据链将其GPS观测值和已知的坐标信息一起组成差分修正量传送给流动站，流动站不仅通过数据链接收差分修正量，还要采集其GPS观测值，并对观测值进行实时差分修正处理，精确解算出流动站三维坐标定位结果；确定悬挂检测门（4）的两根缆绳（3）端点的坐标值；

C、构建缆绳角度传感子***（7）

缆绳角度传感子***（7）采用角度传感器，在检测门（4）两端缆绳（3）上分别安装角度传感器，当检测门（4）随风浪运动发生偏移时，角度传感器测量检测门（4）两端缆绳（3）摆动的角度；

D、误差补偿与数据处理

误差补偿与数据处理单元（9）对接收到的缆绳（3）端点坐标值以及缆绳（3）摆动角度数据，通过检测门（4）安装结构几何关系计算检测门（4）的倾斜角度θ；如果倾斜角度θ小于θ₀，则转步骤D1，否则转步骤D2；所述的θ₀为2-4°；

D1、误差补偿与数据处理单元（9）由超声波传感器测量其与水面的距离对其深度进行标定，得到深度标定值数组[H₁,H₂,…,H_M]，代表超声波传感器的预设深度；当有被测船舶到来时，超声波传感器测量数据为测量值点阵[X₁,X₂,…,X_M]，代表超声波传感器与被测船舶底部的距离，即船舶吃水量检测结果；转步骤D3；

D2、误差补偿与数据处理单元（9）将接收到的缆绳（3）端点坐标值以及缆绳（3）摆动角度数据通过检测门（4）安装结构几何关系对水下检测门（4）的深度以及其倾斜角度θ进行实时校准得到补偿值数组[δ₁,δ₂,…,δ_M]，由补偿值数组对超声波传感器深度标定值数组[H₁,H₂,…,H_M]进行补偿得出超声波传感器实际深度值数组

实际深度值数组与超声波传感器距离同步测量值点阵[X₁,X₂,…,X_M]之差即为补偿后的船舶吃水量检测结果；

D3、输出船舶吃水量检测结果。

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