專利名稱：一種船舶吃水量檢測系統(tǒng)及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種船舶吃水量檢測技術(shù)，特別是一種船舶吃水量檢測系統(tǒng)及其檢測方法。
背景技術(shù)：
船舶吃水量檢測門采用單波束超聲波傳感器陣列進(jìn)行測量，傳感器陣列排列于水下檢測門，檢測門通過兩端固定安裝的方式實(shí)現(xiàn)，且通過固定安裝的同步升降系統(tǒng)調(diào)整高度，通過超聲波測距來測量通航船舶的吃水量，實(shí)現(xiàn)船舶全自動吃水量檢測?，F(xiàn)有的船舶吃水量檢測門采用固定安裝的形式，即檢測門的兩端必須安裝在已有的基礎(chǔ)設(shè)施上，如船閘、浮堤、導(dǎo)航墻等。這種形式具有以下缺點(diǎn):1、固定安裝的船舶吃水量檢測門，需要在航道建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，成本很高；2、對于安裝位置有特殊要求:航道太窄，檢測設(shè)施維護(hù)時(shí)容易礙航，航道太寬太深則施工困難，且影響通航安全；3、最合適的安裝位置隨航道水位變化而不斷變化，即固定安裝檢測系統(tǒng)在枯水期有可能因?yàn)榈K航而不能使用；4、檢修困難，只能原地檢修，限制因數(shù)多。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn) 有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種建設(shè)成本低、易于安裝、維修方便，可根據(jù)航道水位變化調(diào)整安裝位置的船舶吃水量檢測系統(tǒng)及其檢測方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種船舶吃水量檢測系統(tǒng)，包括浮體、卷揚(yáng)裝置、纜繩、檢測門、超聲波傳感器陣列、浮體位置傳感子系統(tǒng)、纜繩角度傳感子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸單元以及誤差補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理單元，所述的浮體由錨鏈固定于水面，所述的檢測門經(jīng)過卷揚(yáng)裝置用纜繩懸掛于浮體上，通過卷揚(yáng)裝置調(diào)整檢測門水下深度，卷揚(yáng)裝置安裝于兩側(cè)浮體的重心上方，浮體安放位置根據(jù)檢測需要進(jìn)行選擇；所述的超聲波傳感器陣列以排列方式安裝于水下檢測門上，測量水下檢測門與被測船舶的距離信息；所述的浮體位置傳感子系統(tǒng)安裝于兩個浮體的纜繩端點(diǎn)上方，測量兩側(cè)浮體上懸掛檢測門的纜繩端點(diǎn)的位置坐標(biāo)；所述的纜繩角度傳感子系統(tǒng)安裝于檢測門兩端纜繩上，測量檢測門兩端纜繩擺動的角度；所述的數(shù)據(jù)采集傳輸單元安裝于浮體上，負(fù)責(zé)采集和傳輸超聲波傳感器陣列、浮體位置傳感子系統(tǒng)和纜繩角度傳感子系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)；所述的誤差補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理單元為岸上PC機(jī)，主要進(jìn)行誤差補(bǔ)償算法；所述的超聲波傳感器陣列、浮體位置傳感子系統(tǒng)、纜繩角度傳感子系統(tǒng)以及誤差補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理單元通過數(shù)據(jù)線或無線傳輸技術(shù)分別與數(shù)據(jù)采集傳輸單元連接。一種船舶吃水量檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括以下步驟:A、安裝檢測門選擇浮體安放位置，將浮體用錨鏈固定于水面，將卷揚(yáng)裝置安裝于兩側(cè)浮體的重心上方，將檢測門用長度為L的纜繩經(jīng)卷揚(yáng)裝置懸掛于浮體上，并通過卷揚(yáng)裝置調(diào)整檢測門在水下深度；B、構(gòu)建浮體位置傳感子系統(tǒng)浮體位置傳感子系統(tǒng)采用RTK實(shí)時(shí)動態(tài)差分法定位技術(shù)，對檢測門兩端纜繩端點(diǎn)位置坐標(biāo)進(jìn)行測量，所述的RTK為實(shí)時(shí)動態(tài)的英文Real-timekinematic的縮寫，具體構(gòu)建步驟如下:B1、在岸上RTK數(shù)據(jù)鏈覆蓋范圍內(nèi)已知坐標(biāo)的固定位置參考點(diǎn)安裝GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，在兩個浮體纜繩端點(diǎn)上方分別安裝RTK定位接收機(jī)作為流動站；B2、基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其GPS觀測值和已知的坐標(biāo)信息一起組成差分修正量傳送給流動站，流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收差分修正量，還要采集其GPS觀測值，并對觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)差分修正處理，精確解算出流動站三維坐標(biāo)定位結(jié)果；確定懸掛檢測門的兩根纜繩端點(diǎn)的坐標(biāo)值；C、構(gòu)建纜繩角度傳感子系統(tǒng)纜繩角度傳感子系統(tǒng)采用角度傳感器，在檢測門兩端纜繩上分別安裝角度傳感器，當(dāng)檢測門隨風(fēng)浪運(yùn)動發(fā)生偏移時(shí)，角度傳感器測量檢測門兩端纜繩擺動的角度；D、誤差補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理誤差補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理單元對接收到的纜繩端點(diǎn)坐標(biāo)值以及纜繩擺動角度數(shù)據(jù)，通過檢測門安裝結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系計(jì)算檢測門的傾斜角度Θ ;如果傾斜角度Θ小于Qtl，則轉(zhuǎn)步驟D1，否則轉(zhuǎn)步驟D2 ;所述的Qtl為2-4° ；D1、誤差補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理單元由超聲波傳感器測量其與水面的距離對其深度進(jìn)行標(biāo)定，得到深度標(biāo)定值數(shù) 組[HpH2,…，HJ，代表超聲波傳感器的預(yù)設(shè)深度；當(dāng)有被測船舶到來時(shí)，超聲波傳感器測量數(shù)據(jù)為測量值點(diǎn)陣[X1, X2,…，XJ，代表超聲波傳感器與被測船舶底部的距離，即船舶吃水量檢測結(jié)果；轉(zhuǎn)步驟D3 ；D2、誤差補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理單元將接收到的纜繩端點(diǎn)坐標(biāo)值以及纜繩擺動角度數(shù)據(jù)通過檢測門安裝結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系對水下檢測門的深度以及其傾斜角度Θ進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)得到補(bǔ)償值數(shù)組[\，δ2，…，δΜ]，由補(bǔ)償值數(shù)組對超聲波傳感器深度標(biāo)定值數(shù)組[屯仏…
,HJ進(jìn)行補(bǔ)償?shù)贸龀暡▊鞲衅鲗?shí)際深度值數(shù)組-,//,/I ;實(shí)際深度值數(shù)組與超
聲波傳感器距離同步測量值點(diǎn)陣[X1, X2,…，XJ之差即為補(bǔ)償后的船舶吃水量檢測結(jié)果；D3、輸出船舶吃水量檢測結(jié)果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下:1、由于本發(fā)明將檢測門安裝在可移動的浮體上，使得吃水量檢測系統(tǒng)安裝檢修方便，不再依賴于固定的基礎(chǔ)設(shè)施，對安裝位置無特殊要求，可以根據(jù)航道水位情況和實(shí)際需求進(jìn)行移動。2、本發(fā)明的浮體位置傳感子系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的給出檢測門兩端纜繩懸掛端點(diǎn)的三維坐標(biāo)，速度快，誤差小，滿足實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)囊螅唤嵌葌鞲衅髂軌驕?zhǔn)確地檢測出纜繩擺動角度；通過擺動角度和必要的長度數(shù)據(jù)，就可以對船舶吃水深度檢測門姿態(tài)進(jìn)行誤差補(bǔ)
\-ΖΧ O3、本發(fā)明通過誤差補(bǔ)償解決了風(fēng)浪對移動式船舶吃水量測量的影響，有效的提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，減少了誤判，保證了航道的運(yùn)行安全，提高了通航效率。


本發(fā)明共有附圖6幅，其中:圖1為移動式船舶吃水量檢測系統(tǒng)示意圖。圖2為移動式船舶吃水量檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)邏輯框圖。圖3為檢測門剖面圖。圖4為檢測門姿態(tài)補(bǔ)償示意圖。圖5為RTK定位基準(zhǔn)站設(shè)定及數(shù)據(jù)接收示意圖。圖6為纜繩擺·動角度示意圖。圖中:1、浮體，2、卷揚(yáng)裝置，3、纜繩，4、檢測門，5、超聲波傳感器陣列，6、浮體位置傳感子系統(tǒng)，7、纜繩角度傳感子系統(tǒng)，8、數(shù)據(jù)采集傳輸單元，9、誤差補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理單元。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明:一種移動式船舶吃水量檢測系統(tǒng)主要由浮體1、卷揚(yáng)裝置2、纜繩3、檢測門4、超聲波傳感器陣列5、浮體位置傳感子系統(tǒng)6、纜繩角度傳感子系統(tǒng)7、數(shù)據(jù)采集傳輸單元8和誤差補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理單元9組成，如圖1-2所示。超聲波傳感器陣列5安裝在檢測門4上，檢測門4就是一個安裝架，其兩端通過長度為L的纜繩3由兩個卷揚(yáng)裝置2懸吊在水下預(yù)設(shè)深度為H的位置。兩個卷揚(yáng)裝置2分別固定在兩個浮體I的重心位置上方。圖3所示為檢測門4剖面圖。檢測門4上安裝M個超聲波傳感器，相鄰兩個傳感器之間的距離為N。沒有被測船到來時(shí)，靜止?fàn)顟B(tài)下由超聲波傳感器測量水面的距離對其深度進(jìn)行標(biāo)定，得到深度標(biāo)定值數(shù)組[H1, H2,…，HJ。當(dāng)有被測船舶到來時(shí)，超聲波傳感器測量數(shù)據(jù)為[X1, X2，…，XM]。靜止受力平衡狀態(tài)下，兩側(cè)卷揚(yáng)裝置2纜繩3端點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)為X1, Y1, Zp X2，Y2, Z2，超聲波傳感器水下的深度為標(biāo)定值數(shù)組[HpH2,…，HJ，由H1-Xii=I,2，…，M即可檢測出船舶吃水量。當(dāng)風(fēng)浪較大時(shí)，浮體I和檢測門4會隨水流運(yùn)動產(chǎn)生搖擺或移動，超聲波傳感器的深度不再是H，需要根據(jù)檢測門4的姿態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償，如圖4所示。具體操作如下:S1、在岸上RTK數(shù)據(jù)鏈覆蓋范圍內(nèi)合適位置建立的已知坐標(biāo)的基準(zhǔn)站向浮體I上安裝的RTK接收機(jī)流動站實(shí)時(shí)發(fā)送定位差分修正量，流動站根據(jù)自己GPS接收機(jī)的定位數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站提供的實(shí)時(shí)差分修正量，實(shí)現(xiàn)對卷揚(yáng)裝置2的實(shí)時(shí)精確定位。圖5給出RTK定位基準(zhǔn)站設(shè)定及數(shù)據(jù)接收示意圖。由RTK定位接收機(jī)可以實(shí)時(shí)的測量纜繩3端點(diǎn)的三維坐標(biāo)(X/，Y/，Z/ )、(X’ 2，Y；，Z’ 2)，當(dāng)浮體I隨波浪產(chǎn)生移動或傾斜時(shí)，可以測量出卷揚(yáng)裝置2垂直方向移動的距尚Δ Z1 = Zj-Z1、Δ Z2 = Z 2—Z2 οS2、由纜繩3上安裝的角度傳感器可以測量出纜繩3與XOZ平面夾角α和纜繩3與YOZ平面夾角β，纜繩3移動角度示意圖如圖6所示。因?yàn)槔|繩3的長度始終為L，則卷揚(yáng)裝置2到檢測門4的垂直距離L’ = L.cos α.cos β。S3、通過纜繩3端點(diǎn)坐標(biāo)變化值Λ Zp AZ2以及纜繩3的擺動角度α、β、α、β校準(zhǔn)水下檢測門4的深度以及其傾斜角度Θ。假設(shè)某一次測量過程中，兩側(cè)卷揚(yáng)裝置2測量結(jié)果垂直移動距離AZ1 = Z1-Z1'、AZ2 = Z2_Z’ 2，兩側(cè)纜繩3角度測量分別為α、β、α、β，則由圖3所示幾何關(guān)系可以得出檢測門4兩端深度改變值Δ H1 = L' !+ Δ Z1-L = Δ Z^L (cos a j.cos β「I)Δ H2 = L，2+ Δ Z2-L = Δ Z2+L (cos α 2.cos β 2_1)檢測門4上安裝M個超聲波傳感器，相鄰兩個傳感器之間的距離為N，檢測門4總長度為(M-1) XN0則檢測門4的傾斜角度
權(quán)利要求
1.一種船舶吃水量檢測系統(tǒng)，其特征在于:包括浮體(I)、卷揚(yáng)裝置(2)、纜繩(3)、檢測門(4)、超聲波傳感器陣列(5)、浮體位置傳感子系統(tǒng)(6)、纜繩角度傳感子系統(tǒng)(7)、數(shù)據(jù)采集傳輸單元(8)以及誤差補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理單元(9)，所述的浮體(I)由錨鏈固定于水面，所述的檢測門(4)經(jīng)過卷揚(yáng)裝置(2 )用纜繩(3 )懸掛于浮體(I)上，通過卷揚(yáng)裝置(2 )調(diào)整檢測門(4)水下深度，卷揚(yáng)裝置(2)安裝于兩側(cè)浮體(I)的重心上方，浮體(I)安放位置根據(jù)檢測需要進(jìn)行選擇； 所述的超聲波傳感器陣列(5)以排列方式安裝于水下檢測門(4)上，測量水下檢測門(4)與被測船舶的距離信息；所述的浮體位置傳感子系統(tǒng)(6)安裝于兩個浮體(I)的纜繩(3)端點(diǎn)上方，測量兩側(cè)浮體(I)上懸掛檢測門(4)的纜繩(3)端點(diǎn)的位置坐標(biāo)；所述的纜繩角度傳感子系統(tǒng)(7)安裝于檢測門(4)兩端纜繩(3)上，測量檢測門(4)兩端纜繩(3)擺動的角度；所述 的數(shù)據(jù)采集傳輸單元(8)安裝于浮體(I)上，負(fù)責(zé)采集和傳輸超聲波傳感器陣列(5)、浮體位置傳感子系統(tǒng)(6)和纜繩角度傳感子系統(tǒng)(7)測量數(shù)據(jù)；所述的誤差補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理單元(9)為岸上PC機(jī)，主要進(jìn)行誤差補(bǔ)償算法；所述的超聲波傳感器陣列(5)、浮體位置傳感子系統(tǒng)(6)、纜繩角度傳感子系統(tǒng)(7)以及誤差補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理單元(9)通過數(shù)據(jù)線或無線傳輸技術(shù)分別與數(shù)據(jù)采集傳輸單元(8)連接。
2.一種如權(quán)利要求1所述的船舶吃水量檢測系統(tǒng)的檢測方法，其特征在于:包括以下步驟: A、安裝檢測門(4) 選擇浮體(I)安放位置，將浮體(I)用錨鏈固定于水面，將卷揚(yáng)裝置(2)安裝于兩側(cè)浮體(I)的重心上方，將檢測門(4)用長度為L的纜繩(3)經(jīng)卷揚(yáng)裝置(2)懸掛于浮體(I)上，并通過卷揚(yáng)裝置(2)調(diào)整檢測門(4)在水下深度； B、構(gòu)建浮體位置傳感子系統(tǒng)(6) 浮體位置傳感子系統(tǒng)(6)采用RTK實(shí)時(shí)動態(tài)差分法定位技術(shù)，對檢測門(4)兩端纜繩(3)端點(diǎn)位置坐標(biāo)進(jìn)行測量,所述的RTK為實(shí)時(shí)動態(tài)的英文Real-timekinematic的縮寫,具體構(gòu)建步驟如下: B1、在岸上RTK數(shù)據(jù)鏈覆蓋范圍內(nèi)已知坐標(biāo)的固定位置參考點(diǎn)安裝GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，在兩個浮體(I)纜繩(3)端點(diǎn)上方分別安裝RTK定位接收機(jī)作為流動站； B2、基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其GPS觀測值和已知的坐標(biāo)信息一起組成差分修正量傳送給流動站，流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收差分修正量，還要采集其GPS觀測值，并對觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)差分修正處理，精確解算出流動站三維坐標(biāo)定位結(jié)果；確定懸掛檢測門(4)的兩根纜繩(3)端點(diǎn)的坐標(biāo)值； C、構(gòu)建纜繩角度傳感子系統(tǒng)(7) 纜繩角度傳感子系統(tǒng)(7)采用角度傳感器，在檢測門(4)兩端纜繩(3)上分別安裝角度傳感器，當(dāng)檢測門(4)隨風(fēng)浪運(yùn)動發(fā)生偏移時(shí)，角度傳感器測量檢測門(4)兩端纜繩(3)擺動的角度； D、誤差補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理 誤差補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理單元(9)對接收到的纜繩(3)端點(diǎn)坐標(biāo)值以及纜繩(3)擺動角度數(shù)據(jù)，通過檢測門(4)安裝結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系計(jì)算檢測門(4)的傾斜角度Θ ;如果傾斜角度Θ小于Qtl，則轉(zhuǎn)步驟D1，否則轉(zhuǎn)步驟D2;所述的Qtl為2-4° ；D1、誤差補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理單元(9)由超聲波傳感器測量其與水面的距離對其深度進(jìn)行標(biāo)定，得到深度標(biāo)定值數(shù)組[H1, H2,…，HJ，代表超聲波傳感器的預(yù)設(shè)深度；當(dāng)有被測船舶到來時(shí)，超聲波傳感器測量數(shù)據(jù)為測量值點(diǎn)陣[X1, X2,…，XJ，代表超聲波傳感器與被測船舶底部的距離，即船舶吃水量檢測結(jié)果；轉(zhuǎn)步驟D3 ； D2、誤差補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理單元(9)將接收到的纜繩(3)端點(diǎn)坐標(biāo)值以及纜繩(3)擺動角度數(shù)據(jù)通過檢測門(4)安裝結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系對水下檢測門(4)的深度以及其傾斜角度Θ進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)得到補(bǔ)償值數(shù)組[S i，δ2，…，δΜ]，由補(bǔ)償值數(shù)組對超聲波傳感器深度標(biāo)定值數(shù)組[H11H2,…，HJ進(jìn)行補(bǔ)償?shù)贸龀暡▊鞲衅鲗?shí)際深度值數(shù)組「盡',//”.^/.!;實(shí)際深度值數(shù)組與超聲波傳感器距離同步測量值點(diǎn)陣[X1, X2，…，Xm]之差即為補(bǔ)償后的船舶吃水量檢測結(jié)果； D3、輸出船舶吃水量檢 測結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種船舶吃水量檢測系統(tǒng)及其檢測方法，所述的系統(tǒng)包括浮體、卷揚(yáng)裝置、纜繩、檢測門、超聲波傳感器陣列、浮體位置傳感子系統(tǒng)、纜繩角度傳感子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸單元以及誤差補(bǔ)償與數(shù)據(jù)處理單元，浮體由錨鏈固定于水面，檢測門經(jīng)過卷揚(yáng)裝置用纜繩懸掛于浮體上，通過卷揚(yáng)裝置調(diào)整檢測門水下深度，卷揚(yáng)裝置安裝于兩側(cè)浮體的重心上方，浮體安放位置根據(jù)檢測需要進(jìn)行選擇。由于本發(fā)明將檢測門安裝在可移動的浮體上，使得吃水量檢測系統(tǒng)安裝檢修方便，不再依賴于固定的基礎(chǔ)設(shè)施，對安裝位置無特殊要求，可以根據(jù)航道水位情況和實(shí)際需求進(jìn)行移動。本發(fā)明通過纜繩擺動角度和長度數(shù)據(jù)，就可以對船舶吃水深度檢測門姿態(tài)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。
文檔編號B63B39/12GK103213657SQ20131015292
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月27日
發(fā)明者熊木地, 陳冬元, 趙晟婭 申請人:大連海事大學(xué)