一種激光測距裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李光磊

應(yīng)用研究

一種激光測距裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李光磊

（海裝駐九江地區(qū)軍事代表室，江西九江 332007）

針對目前艦船橫向航行補(bǔ)給時兩艦距離測量方法，通過激光測距技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了一種船用激光測距裝置。詳細(xì)介紹了其工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并對其傳感器信號融合處理關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)與驗(yàn)證，解決了距離索測量時無法連續(xù)自動提供距離及其變化速率信息的問題，為艦船航行補(bǔ)給和靠離碼頭安全操縱提供保障。

激光測距 航行補(bǔ)給 設(shè)計(jì)

0 引言

本研究之激光測距裝置[1～3]主要用于艦船補(bǔ)給和靠泊任務(wù)狀態(tài)下，在橫向航行補(bǔ)給過程中提供本艦與補(bǔ)給艦之間的距離、距離變化速度信息，在靠泊過程中提供本艦與碼頭之間的距離、距離變化速度、入泊角信息，為艦船航行補(bǔ)給和靠離碼頭安全操縱提供保障。該設(shè)備充分借鑒激光測距傳感器技術(shù)，結(jié)合航空系統(tǒng)光電吊艙[4]和安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)[5]的設(shè)計(jì)理念，具備一體化、模塊化、先進(jìn)性、高安全性、高可靠性和高度自動化等特點(diǎn)。

1 工作原理

1.1 脈沖激光水平測距原理

1.2 水平距離測量原理

1.3 自動測距原理

兩艦橫向航行補(bǔ)給作業(yè)一般時間較長，且兩艦的相對位置變化較小，因此該過程可由測距裝置持續(xù)自動測距。

橫向航行補(bǔ)給持續(xù)測距過程中，本艦的橫搖是造成測量目標(biāo)丟失的最主要原因[6～8]。激光束在隨艦船橫搖上下最大幅值時到達(dá)被測船舶的高度差的最大值，在一個橫搖周期內(nèi)，測量目標(biāo)丟失概率較大。將激光測距傳感器安裝于具有艦船橫搖穩(wěn)定功能的穩(wěn)定云臺上，穩(wěn)定云臺始終保持傳感器的俯仰角穩(wěn)定，隔離艦船橫搖，確保激光束俯仰角保持不變。此時，激光束在艦船橫搖最大幅值時被測船舶的高度差有效減少，降低了測量目標(biāo)的丟失概率，實(shí)現(xiàn)自動測距的目的。

1.4 云臺穩(wěn)定原理

穩(wěn)定云臺具有兩自由度旋轉(zhuǎn)軸，分別實(shí)現(xiàn)負(fù)載方位旋轉(zhuǎn)和俯仰旋轉(zhuǎn)。在手動模式下，可通過手柄控制方位軸和俯仰軸的旋轉(zhuǎn)。在自動模式下，由計(jì)算機(jī)根據(jù)陀螺儀及旋轉(zhuǎn)變壓器的反饋角度解算出方位軸和俯仰軸的指令轉(zhuǎn)角，驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)陀螺穩(wěn)定的功能。

微處理器根據(jù)操作人員的設(shè)定角度和陀螺儀角度實(shí)時解算方位軸和俯仰軸的指令轉(zhuǎn)角，指令轉(zhuǎn)角通過比較、放大、驅(qū)動等環(huán)節(jié)驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)控制部分采用位置、速度和電流三閉環(huán)的伺服控制方式，位置和速度控制器采用數(shù)字PID的控制方法，在傳統(tǒng)的PID控制基礎(chǔ)上采用零相差前饋控制，非線性積分分離控制，不完全微分控制等控制策略，有效地提高控制系統(tǒng)的伺服精度。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 測距云臺

測距云臺由穩(wěn)定云臺、激光測距傳感器和目標(biāo)影像傳感器組成，集激光測距、影像采集、信號編解碼、云臺伺服控制功能為一體。穩(wěn)定云臺具有方位和俯仰兩自由度旋轉(zhuǎn)軸，由殼體、方位軸伺服機(jī)構(gòu)、俯仰軸伺服機(jī)構(gòu)（執(zhí)行電機(jī)和測角元件）、陀螺儀、限位機(jī)構(gòu)、支撐件、軸承及密封件等組成，用于承載激光測距傳感器和目標(biāo)影像傳感器，在伺服系統(tǒng)驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)方位、俯仰轉(zhuǎn)動，對周圍目標(biāo)進(jìn)行測距。其中，測距傳感器用于測距的激光是不可見的，可利用測距傳感器附帶的輔助激光瞄準(zhǔn)測量目標(biāo)。測距傳感器上配置望眼鏡，用于瞄準(zhǔn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)。

測距云臺的設(shè)計(jì)充分考慮了海洋工作環(huán)境和艙外防護(hù)要求。殼體采用全鋁合金鑄造，殼體表面采用艦船設(shè)備通用的涂覆技術(shù)，各轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)采用水密設(shè)計(jì)，具有防雨水和耐鹽霧腐蝕能力；云臺的轉(zhuǎn)體采用球形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的抗風(fēng)能力；傳感器及各電路板集中密封安裝于云臺內(nèi)部，不會遭受灰塵、雨水、鹽霧等侵?jǐn)_；測距云臺的信號線與電源線從底部集中引出，安裝后表面無任何電纜電線，使得設(shè)備外觀整潔美觀。

2.2 控制箱

控制箱安裝在測距云臺附件的艙室內(nèi)?？赏ㄟ^控制箱上顯示終端觀察云臺的瞄準(zhǔn)目標(biāo)，通過手柄模塊改變云臺的指向，需要將信息呈現(xiàn)給對方人員時將大型告示器電源按鈕打開。

2.3 采集發(fā)送箱

采集發(fā)送箱安裝在駕駛室，采集發(fā)送箱主要包括記錄模塊、通訊模塊和接口模塊等。具有控制穩(wěn)定云臺、與各測量點(diǎn)控制箱信息交互、提供互聯(lián)系統(tǒng)的對外接口、綜合信息融合處理和顯示等功能。

2.4 告示器

大型告示器用于將單監(jiān)測點(diǎn)水平距離告知給對方工作人員，由四個獨(dú)立數(shù)碼模塊組成，分別進(jìn)行加固，內(nèi)部通過高亮紅色LED指示燈顯示數(shù)字，采用全密閉結(jié)構(gòu)形式，具有自屏蔽、自密封、自散熱功能。告示器字體大小和亮度確?？梢暰嚯x大于100 m，該組件根據(jù)實(shí)際需求作為備選。

2.5 手柄模塊

手柄模塊安裝于各控制箱和操舵儀駕駛室操縱臺，用于測距云臺的指向控制。操舵儀駕駛室操縱臺上的手柄模塊可通過模塊上的選擇按鍵選擇需要控制的監(jiān)測點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 概述

激光測距裝置軟件以單片機(jī)或?qū)崟r嵌入式系統(tǒng)為運(yùn)行平臺，包括信號處理軟件、伺服控制軟件、顯示軟件、告示軟件、編碼軟件、存儲軟件、通訊接口軟件，各設(shè)備軟件分配如表1所示。

表1 激光測距裝置軟件分配表

3.2 信號處理軟件

運(yùn)行于測距云臺信號處理板，主要功能有：

a）激光測距傳感器和目標(biāo)影像傳感器信號的采集以及信號疊加處理；

b）穩(wěn)定云臺控制信號的指令解碼；

c）完成與運(yùn)動控制板及內(nèi)部以太網(wǎng)通信。

3.3 伺服控制軟件

運(yùn)行于測距云臺運(yùn)動控制板，接收信號處理板的指令信號，采集方位軸和俯仰軸角度信號，運(yùn)行穩(wěn)定云臺運(yùn)動控制算法。

3.4 顯示軟件

顯示軟件運(yùn)行于控制箱，顯示內(nèi)容主要有：該監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測畫面、距離、云臺俯仰角、云臺方位角、距離變化曲線、速度變化曲線、監(jiān)測點(diǎn)設(shè)備工作狀態(tài)、報(bào)警等信息。

操舵儀駕駛室操縱臺集成了激光測距裝置監(jiān)測畫面，在補(bǔ)給或靠泊過程中供指揮和操作人員參考，主要顯示內(nèi)容有：各點(diǎn)的監(jiān)測畫面、距離、云臺俯仰角、云臺方位角、艦艦或艦岸相對距離、距離變化速度、報(bào)警信息等。

3.5 編碼軟件

運(yùn)行于手柄模塊，采集各控制按鍵及操縱手柄的輸入指令，將指令進(jìn)行數(shù)字編碼，通過以太網(wǎng)發(fā)送給各監(jiān)測點(diǎn)。

3.6 存儲軟件

運(yùn)行于記錄模塊，完成對各監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時記錄。

3.7 通信接口軟件

運(yùn)行于接口模塊，負(fù)責(zé)激光測距裝置與外部其他設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊連接，實(shí)現(xiàn)不同形式接口之間的數(shù)據(jù)交互，并起到信息隔離的作用。

3.8 告示軟件

運(yùn)行于大型告示器，接收控制箱顯示終端的單點(diǎn)水平距離。

4 關(guān)鍵技術(shù)及解決措施

傳感器信號融合處理技術(shù)[9～10]是把分布在不同監(jiān)測位置的多個傳感器所提供的局部數(shù)據(jù)資源加于綜合，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對其進(jìn)行分析，加于互補(bǔ)，獲得被測對象的一致性描述，提高對測量目標(biāo)的感知能力，增加獲得信息的可信度。

測距云臺進(jìn)行激光測距傳感器及目標(biāo)影像傳感器的信號采集和處理，將激光測距反射點(diǎn)及距離與影像畫面疊加，形成獨(dú)立的監(jiān)測畫面；操舵儀駕駛室操縱臺顯示終端根據(jù)各測距云臺在艦上的坐標(biāo)位置及各傳感器數(shù)據(jù)，解算出艦艦或艦岸的相對位置，并以直觀的方式顯示。

將激光測距傳感器、目標(biāo)影像傳感器、信號采集板、計(jì)算機(jī)按圖2連接，計(jì)算機(jī)按照設(shè)計(jì)信號融合處理算法運(yùn)行，根據(jù)傳感器各種數(shù)據(jù)，顯示相應(yīng)的動態(tài)畫面及參數(shù)，效果與設(shè)計(jì)要求相符。

圖2 多傳感器信號融合處理驗(yàn)證連接圖

5 結(jié)語

本文從激光測距裝置的功能對整個裝置進(jìn)行了描述，然后對裝置的工作原理、架構(gòu)組成和軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了分析，結(jié)構(gòu)美觀大方、面板布局合理，操作便利，較好地解決了艦船橫向航行補(bǔ)給過程中艦艦距離以及靠泊過程中艦岸距離的精確測量問題，為艦船航行補(bǔ)給操縱和靠泊操縱提供安全保障。對艦船裝備的創(chuàng)新發(fā)展具有一定的參考交流價(jià)值。

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Design and Implementation of A Shipborne Laser Ranging Device

Li Guanglei

(Navy Military Representative Office in Jiujiang Aera, Jiujiang 332007, Jiangxi, China)

P225

A

1003-4862（2021）09-0050-04

2020-12-30

李光磊（1983-），男，碩士，工程師。研究方向：導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制。E-mail：526700059@qq.com