基于單片機的船舶避碰系統(tǒng)的設計

劉曉玲

【摘 要】現(xiàn)在的交通運輸中，船舶是一種非常重要的運輸工具。雖然水運交通有著其他交通無可比擬的優(yōu)點，但是船舶事故也是時有發(fā)生。因此船舶避碰一直是各領域研究的核心。本文使用AT89C52單片機作為核心芯片，通過激光測距儀的測量，進行在顯示屏上顯示相應的信息，由此研發(fā)了船舶避碰系統(tǒng)。

【關鍵詞】單片機；船舶；避碰；激光測距儀

0 引言

當代社會中，交通的發(fā)展越來越快，出現(xiàn)了各種不同的交通工具，在以前的社會中就起著非常重要作用的船舶，現(xiàn)在還在為人類的進一步發(fā)展作出巨大的貢獻。雖然水運交通有著其他交通無可比擬的優(yōu)點，但是船舶事故也是時有發(fā)生，而且風險較大。如果發(fā)生船舶碰撞事故，結果會造成經(jīng)濟損失和環(huán)境污染，更嚴重的會造成船上人員的傷亡。因此，在船舶航行的過程中如何避免碰撞、實現(xiàn)避碰主動化以及智能預警是非常必要的。

該系統(tǒng)是通過激光測距儀來測量本船與目標物之間的距離，當目標物與本船達到設定距離安全值的時候，單片機會操控顯示聲光報警，船上的工作人員根據(jù)液晶顯示器提供的數(shù)據(jù)來進行相應的操作，因此實現(xiàn)了船舶的避碰。

1 船舶主動避碰技術發(fā)展

船舶避碰技術發(fā)展較早，在 20 世紀中期西方發(fā)達國家就已研究了船舶避碰系統(tǒng)，現(xiàn)在各個國家都研發(fā)了相應的產(chǎn)品?，F(xiàn)在國內(nèi)和國外在使用的有自動雷達標繪儀（APRA），AIS（自動識別系統(tǒng)）和避碰專家系統(tǒng)。

APRA作為現(xiàn)代大型船舶上用于防撞避碰的主要儀器，主要特點是在捕捉目標、判斷危險、及時報警、決定目標等方面具有一定的效能，ARPA的另一個主要的優(yōu)點是當船舶周圍的目標物較多時，使用ARPA非常方便，可以及時準確的將全部目標的信息都顯示的雷達顯示屏上，減小了人工標繪所需的時間，實現(xiàn)了安全避讓。但APRA也有一定的缺點：一是，海浪、雨雪、鄰近同頻雷達及機內(nèi)噪聲都會對雷達的性能產(chǎn)生影響；二是，船舶在航行中的搖擺同樣會影響雷達的性能、可靠性及精度。

船舶自動識別系統(tǒng)（AIS，Automatic Identification System）是繼ARPA之后發(fā)展起來的助航系統(tǒng)，AIS具有如下功能：識別船只；協(xié)助跟蹤目標；簡化信息的溝通；提供額外的信息和避免碰撞。但也存在一些問題：只有兩艘船舶都安裝了AIS設備，并且在設備都打開的狀態(tài)下，才能夠在雙方的AIS顯示屏上顯示出來，而未安裝AIS的船舶和障礙物則不能顯示；AIS設備相對來說價位較高，很多中小型船舶都沒有這個經(jīng)濟實力；由于AIS的局限性，使的AIS不能單獨使用，必須配有相應的ARPA。

避碰專家系統(tǒng)是船舶避碰領域中比較前沿的問題，國內(nèi)外專家已經(jīng)取得了一些成就。避碰專家系統(tǒng)的綜合學科的應用，其中涉及到的有人工神經(jīng)網(wǎng)絡學、模糊數(shù)學和遺傳算法，這就對該系統(tǒng)的研究提出了重大的挑戰(zhàn)。當然研究出的避碰專家系統(tǒng)也要遵循《海上避碰規(guī)則》，并且要使避碰專家系統(tǒng)滿足不同船舶的自身屬性。目前，還沒有完善的避碰專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前處于研究階段。

而對于一般的中小型船舶來說，由于當前的避碰設備都比較昂貴，難以普及。因此需要研發(fā)一種價位相對較低，而且能夠滿足中小型船舶需求的船舶避碰系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能是通過單片機控制，不斷向外發(fā)射激光脈沖，探測本船周圍的目標物，然后將收集來的信息送入到單片機中，由單片機進行處理，進而將處理后的本船與目標物之間的距離以及目標物的速度信息顯示到液晶顯示器上。若本船與目標船舶的距離小于系統(tǒng)設定的安全距離，則報警單元裝置發(fā)出聲光報警，船員根據(jù)聲光報警的提示來調(diào)整本船的運行情況，選擇合理的路線來順利地避開障礙物，實現(xiàn)了安全航行。

本系統(tǒng)需要研發(fā)一個電動底座，并由單片機控制電機使底座能夠水平旋轉，這樣就能夠測量船舶周圍360°范圍內(nèi)的目標物，而不是其中一面的目標，擴大了該系統(tǒng)的測量范圍。因此這樣能夠?qū)Ρ敬車沫h(huán)境得到更好的監(jiān)控，從而使得船舶碰撞事故幾率得到大幅度地降低。該主動避碰的系統(tǒng)圖如圖1所示：

3 激光測距原理

激光測距儀是利用激光對目標的距離進行準確測定的儀器。激光測距儀重量輕、體積小、操作簡單速度快而準確，其誤差僅為其它光學測距儀的五分之一到數(shù)1%。

激光測距儀一般采用兩種方式來測量距離：脈沖法和相位法。目前，激光測距系統(tǒng)大多采用脈沖激光測距的方法，該系統(tǒng)采用激光脈沖距離測量法來實現(xiàn)船舶與船舶之間的距離。

4 系統(tǒng)硬件設計

硬件的核心是單片機AT89c52芯片，該芯片的主要功能是：8KB的Flash程序存儲器、256B的數(shù)據(jù)存儲器、3個定時器、8個中斷源。

1）輸入部分：硬件的輸入部分普通的按鍵開關組成，分別執(zhí)行控制系統(tǒng)的開關和工作模式，還有聲光警報電路部分的選擇模式和警報解除設置。

2）顯示部分：硬件的顯示部分是由LED顯示屏組成，當單片機處理到相應的信息時，就能夠從顯示器上顯示出來，顯示的信息一般包括障礙物的距離、高度和當前系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3）通信部分：該部分主要是完成由單片機發(fā)出指令給激光測距儀，或者是由激光測距儀測來的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，完成數(shù)據(jù)的傳送。通信部分主要是由串行接口和MAX232芯片。

4）動態(tài)執(zhí)行部分：該部分主要是由電機驅(qū)動部分和電動底座部分組成，由單片機來進行控制電機，使得電動底座能夠水平旋轉，完成對周圍目標物的測量。

5）聲光報警部分：該系統(tǒng)的設計是當顯示器上顯示的本船與目標物之間的距離小于系統(tǒng)設定的安全值時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警。該部分主要是由發(fā)光二極管和蜂鳴裝置組成，當顯示的值小于安全值是，聲光報警電路會發(fā)出相應的光及響聲，以提示船上的工作人員來選擇相應的操作。

5 結語

本文首先研究了現(xiàn)在大型船舶上常用的幾種避碰設備的優(yōu)缺點，然后基于激光測距儀設計了一種適用于中小型船舶的避碰系統(tǒng)。

該系統(tǒng)是基于AT89C52芯片作為主電路，在顯示屏上顯示出使用激光脈沖測距方法測量船舶附近的目標的信息，而且系統(tǒng)還設計了顯示和聲光報警等功能。本文對硬件電路進行了分析和設計，下一步需要搭建實際的實驗平臺進行驗證。

【參考文獻】

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[責任編輯：楊玉潔]