基于IAP15的近距离船舶避碰系统设计.pdf

中国新技术新产品2024 NO.1（上）-15-高 新 技 术随着世界进出口贸易的增加以及船舶朝着大型化和高速化方向发展，船舶碰撞事故也随之不断增多1。我国作为全球贸易大国，约 90%的国际贸易是通过海运完成的，因此海洋运输对我国至关重要。然而，港口、码头等船舶密集区域中发生的碰撞事故数量持续增加，成为一个亟待解决的问题。尽管目前已有船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）、海图仪等设备广泛应用于海上船舶，但在船舶密集的场景中，这些设备仍然面临无法进行高精度测距以及避碰的问题。因此，研究船舶的近海域避碰技术对提高海上航运的经济性和安全性具有重要意义2。为了解决这一难题，本文针对港口码头等船舶密集场景，设计了一种船舶近距离激光测距系统，从而满足了船舶避碰和预警的需求。基于此，本文将介绍该系统的总体设计、硬件电路、工作原理和激光测距算法等。1 系统总体设计该系统以 IAP15F2K61S2 芯片为基础，集成了 8 位 8 段共阳数码管模块、独立按键模块、激光测距模块和 LED 指示灯模块。通过融入调频算法，实现了多方位数据处理，从而设计出了一种船舶近距离避碰系统。该设计的核心目标是解决多方位高精度测距问题，并实现高精度测距及报警功能。该系统首先利用激光测距模块完成高精度测距任务，其次采用调频算法对多点数据进行融合处理。与传统的相位式测距相比，调频算法距离分辨率、测距精度更高。通过串口传输，使多个测量点的数据汇总。数码管负责显示测量数据，并根据预设范围将数据划分为 4 个部分：安全距离、远距离、中距离和近距离。当距离小于 50 m 时，系统会自动计算距离的平均值。LED 灯、继电器和蜂鸣器根据不同范围的距离做出响应，以实现报警功能。此外，用户可以通过独立按键操作数码管和 LED 灯的熄灭与开启、打开实时时钟界面以及进入障碍物距离平均值显示界面。通过实际应用收集到的数据表明，该系统解决了船舶在短距离内无法进行高精度测距及报警的问题。系统总体如图 1 所示。该系统以 IAP15 芯片为核心，通过连接各外围模块，实现了系统的整体功能。其中，激光测距模块为最重要的外围模块，为系统测提供了高精度的测距数据。数码管模块和独立按键模块共同组成了海上工作人员的交互界面，方便操作员进行系统设置和结果观察。蜂鸣器模块、继电器模块和LED 模块则协同工作，构成了系统的报警机制，能够根据危险程度的不同选择相应的报警方式。2 硬件电路设计主控芯片选用的是STC15F2K61S2，其特点包括2 048字节片内 RAM、高可靠复位电路（不用外部复位）、高速 ADC以及 8 通道 10 位。数码管模块利用芯片 P0 端口控制二极管显示及具体位基于IAP15的近距离船舶避碰系统设计黄伟健吴浩基冯智锐黄荣杰（广东海洋大学电子与信息工程学院，广东 湛江 524088）摘 要：海上运输在我国对外贸易中占据重要地位，具有不可替代的作用。船载导航系统、自动识别系统等船载设备主要用于海上远距离目标识别和定位，以避免碰撞现象的发生。然而，在港口、码头等船舶密集近海区域，精确测量近距离船舶之间以及船舶与障碍物之间的距离，并及时发出避碰预警信息显得尤为重要。基于此，本文设计了一种用于港口码头的船舶避碰系统。该系统采用激光测距技术，并结合各种报警以及显示模块，以提供必要的预警信息，从而帮助海上作业人员预防碰撞风险。该方案具有测距精度高、抗干扰能力强以及预警信息准确可靠等优点，适用于港口、码头等船舶密集区域。关键词：避碰；IAP15；激光测距；线性调频激光测距中图分类号：TP399文献标志码：A图 1 系统总体框图蜂鸣器模块激光测距模块数码管模块独立按键模块LED模块IAP15芯片继电器模块中国新技术新产品2024 NO.1（上）-16-高 新 技 术置。所有数码管均可显示数字 09 以及大、小写的 26 个字母。它具有耗电低、反应速度快、使用温度范围广以及构造简单等优点。独立按键模块由 4 个按键组成，能够直接读取，检测占用时间短、误触率低。该模块还能区分长按和短按操作并且不受其他因素干扰。激光测距模块的测距精度为 0.5 cm，标准差 50 m）时，LED 灯保持熄灭；当处于远距离（40 m50 m）时，L1和 L2亮起；当进入中距离（30 m40 m）时，L1和 L2呈现呼吸灯状态；一旦进入近距离（30 m），L1和 L2保持呼吸灯状态，同时 L3L8启动流水灯模式。LED 灯报警模式见表 1。表 1 LED 灯报警模式测距距离/mLED灯模式50无任何操作4050L1、L2亮起3040L1、L2呈呼吸灯状态30L1、L2呈呼吸灯状态，其余呈流水灯状态蜂鸣器报警设定如下：当处于安全距离和远距离时，蜂鸣器保持静默。但处于中距离和近距离时，蜂鸣器会启动报警功能。特别是在近距离，蜂鸣器的报警响应间隔更短，警示更频繁。继电器报警设定如下：与蜂鸣器相同，当处于安全距离和远距离时，继电器不工作。但当测距距离为 30 m40 m时，继电器每 300 ms 闭合 1 次；当距离为=10)i=0;LED0=!LED0;5 应用线性调频激光测距算法的数值分析本节将通过数值分析对比，进一步说明应用线性调频激光测距算法后的数据更具可靠性和稳定性。运用线性调频激光测距算法与运用相位式激光测距方式的数值分析对比见表 2。表 2 应用线性调频激光测距算法的数值对比实际距离/m相位式激光测距距离/m线性调频激光测距算法距离/m10.0010.001.5010.001.0015.0015.002.5215.001.0920.0020.003.0420.001.1550.0050.003.9850.001.56经过对上述数值的分析与对比，可以得出以下结论：在不采用线性调频激光测距算法的情况下，测量距离越远，测量数据的误差越大。当应用线性调频激光测距算法进行数据测量时，不仅数据波动幅度变小，而且其误差也相对较小。由此可以推断出，应用线性调频激光测距算法的数据测量的稳定性与准确性更高。6 结论随着海上交通流量的日益增多和复杂的会遇态势的频繁出现，航海技术的各方面都面临着新的挑战，对海上安全避碰技术提出了更高的要求5。为了解决海上近距离避碰的问题，本文设计了一种用于港口码头的船舶避碰系统，并对该系统进行了整体性描述。其中，重点介绍了线性调频激光测距算法测距部分的原理，该算法显著提高了测距精度，以获取准确的距离信息，并根据评估结果判断是否需要生成避碰方案，当距离过近时对海上作业人员进行报警提示。参考文献1 唐穗欣.模糊神经系统在海上避碰中的应用 D.武汉：武汉理工大学，2006.2 王洁.基于计算机的海上避碰模拟系统开发 J.舰船科学技术，2018，40（4）：208-210.3 陈星.线性调频激光测距算法研究及 DSP 实现 D.西安：西安电子科技大学，2019.4 赵昊.FMCW 激光雷达信号处理与研究 D.成都：电子科技大学，2022.5 王雅丽.多船会遇态势下避碰辅助决策研究 D.武汉：武汉理工大学，2019.