时继潮 郝卓然 徐 娜 金文祥

（大连交通大学电气信息学院 大连 116028）

1 引言

在全球经济不断增长的今天，经济带动着中外贸易大幅增长。作为贸易开展的重要途径，航运贸易所占的份额也在逐年呈现增长趋势［1］。船舶是海面运输的重要载体，经济的发展促使其需求量也日益增多。在海面运输不断流行的今天，由于海上碰撞事故的频发，广大人民群众聚焦的焦点也更多的集中在了安全问题上。在所承载吨位的不断增加后，人们开始追求船舶的运行速度，船舶的种类也在不断的多元化［2］。而海面的运输业务量逐日逐月递增，从而对于整体的船舶行业的需求量也是应接不暇，因此海上船舶航行的密度的增大，航路拥挤程度也造成航海事故的经常发生。水运安全也成为大家越来越关注的问题［3］。

为了避免船舶在行驶过程中发生碰撞，减少不必要的损失，本文特地设计了船舶主动避碰系统，该系统以CC2530芯片作为控制核心，主要包括测距模块、声光报警装置、液晶显示以及电机驱动模块共五大部分组成。

其中测距模块可以实现对海面以上及海面以下障碍物的测距。激光距离传感器为了测量海平面以上的障碍物，电容式液位传感器为了测量隐藏在海面之下的礁石等物体的距离。在测量的数据小于安全距离时，声光报警器中的小灯闪烁以及蜂鸣器响铃，液晶显示模块可以实时显示测量距离，供船员们进行参考，据此来做出相应调整以规避风险［4］。电机驱动模块则会在系统发出警报同时做出运行方向的改变。

2 测距方式的选择

对海面上正在不断移动的船只来说，无法准确接触到障碍物。故应当采用非接触式的方法来测量距离。在现有的科技领域上进行测量距离的方式多种多样，应用广泛的是超声波测距、红外线测距、毫米波测距、雷达测距及激光测距方法进行日常生产生活的距离测量［5］。这五种不同的测量方法其工作过程和原理都不相同，但是它们都是被用来判断前方船只与本船间的相对距离，以此来采取相应的措施。

综合在海面上使用仪器进行测量距离，需要测量范围大、抗干扰信号能力强，同时仍然需要考虑到其经济性等综合方面进行考虑，本设计中选用激光测距传感器进行测量海平面以上航行船只与障碍物之间的距离。该方法在同等条件下的稳定性强，可靠性高，精准率也在相比较情况下要高［6］。

3 激光测距原理

激光测距仪是一种利用发射出的激光对船体与障碍目标之间的距离进行准确测定距离的仪器［7］。该测量方法是利用激光测距仪在工作时，在船体上向前发射出的一束非常细小的激光，由光电元件接收到既定目标反射的激光束，内部的计时器将会测定激光束从发射端口发出到接收端口接收的时间，根据测定出的时间从而计算出观测的船只到障碍物之间的距离长短［8］。如果激光是连续性发射，测程可以达到约40km，并且可以昼夜进行工作。它主要采用两种方法来对所要测量的障碍物与发出信号的船舶之间的距离：脉冲法以及相位法。

3.1 脉冲测距工作原理

利用脉冲信号进行测量首先是利用瞄准镜来对前方可控范围进行瞄准，与此同时还要将复位开关打开。当所有部分进行初始化之后，即可准备开始进行距离的测量。发射装置发射出的激光脉冲具备峰值功率高的特点，这样的光源聚焦能力非常强，投射到非常远的距离之外，它的光斑也才只有几米的直径。光源发射系统、回波接收系统时间范围测量系统、收回信号的处理系统以及处理的控制单元，这五部分共同组成了脉冲激光测距电路［9］，其测距原理图如图1所示。

3.2 相位测距工作原理

利用相位法进行测距所测量到的实验数据精准度要比脉冲激光测量方法的高，但是计算的整体过程较为麻烦，通常状况下会产生多个未知数的解，这时就需要由多个发射端口发射出具备不同相位值的激光信号。应用相位激光测量距离的实质是在整体的调节过程中，发出的激光束在船舶过程中所形成相位偏移量，偏移量之间的夹角可以测量出中间的时间间隔。在规定下已知激光信号的传播速度，即可求出所间隔的距离D［10］。

图1 脉冲激光测距原理

在理论方面可以影响到测量精度的因素包含相位测量过程中本身所带的误差、调节频率的过程中的光速以及频率误差。在整个的相位激光测距的过程中频率产生的电路将会直接影响所测量的实际参数。相位法激光测距仪器由激光的发射系统、角度反射系统、光源接收系统、综合频率系统、以及混频系统和数字显示系统等部分组成［11］。角度反向装置是由三个互为90°的光学镜面当成反射面，这样特殊的结构能够将投射来的光束按照投射来的原方向反向折回到装置中来。该装置最好的特点是不用考虑入射的角度，在经过反射棱镜之后的光线是与入射光线水平呈现180°角。

激光相位测距是以高数值的频率作为信号，同时兼顾其固有频率，可以多次进行实验针对光束信号所发出的强度值进行调节。与此同时，测定发射出的光线来回一次所产生的延迟信号长短及内部所产生相频延缓。相位激光测量距离以所发射出的整型频率波段的波体长度为基准的测定值。在现阶段来说，相位法激光测距的主要方法有调频连续法、类调频连续法以及条幅连续法［12］。

4 船舶主动避碰系统方案设计

船舶主动避碰系统设计是由控制与数据处理模块、测距模块、键盘、GPS模块、液晶显示模块、报警装置、电机控制模块、通信模块以及电源模块共九部分组成，其系统方框图如图2所示［13］。

图2 系统总体框图

5 船舶主动避碰系统软件设计

5.1 软件结构设计

设备程序首先对整体单元进行初始化，初始化则是对于串口、12864液晶显示、直流电机等初始化。在对CC2530芯片中的51单片机进行初始化以后，会使得其进入到待机的一种形式。在整体系统工作的时候，主控制器会连续不断地接收到来自于串口的数据，经过运行来分析该项数据，与此同时会通过接下来的功能模块来实现固定显示功能。运行后的结果可以实时的将所测定距障碍物距离的相关参数显示在12864液晶上。在这之外，内置的单片机还会对于声光报警装置与L298N电机驱动模块进行控制［14］。系统主流程如图3所示。

图3 系统软件主流程图

5.2 激光测距模块子程序设计

在整体系统中需要用到激光测距传感器用来测量海面以上两船之间的距离。激光测距模块子程序流程如图4所示。

图4 激光测距模块子程序流程图

程序开始后，发射端将会发出多个激光束。遇到障碍物以后激光束则会返回，船体上的接收端接收到返回信号后，数据将会由单片机进行处理。在处理之后会得到测量距离，将测量距离与安全距离进行对比，若安全距离大于显示的数据，则声光报警器中的小灯进行闪烁同时蜂鸣器响铃。若安全距离小于显示的距离，则此时声光报警器模块不工作，船体正常向前航行［15］。同时电机控制模块进行工作，从而改变船体的运行航向。当测量距离大于安全距离时，返回到初始，发射端继续发出激光束重复流程。

6 结语

本设计将CC2530芯片、激光测距传感器、电容式液位传感器、声光报警器、键盘、液晶显示及电机驱动结合在一起，来解决船舶在海面航行时会遇到撞击事故等事故的。在整体系统的设计中，先确定整体系统的控制与数据处理模块是以CC2530芯片为整体控制核心。根据芯片的内部结构特点的基础上提出了总体思路构成，确定了控制核心及各模块的系统组成，其次是对于系统做出硬件与软件的设计方案。

本设计结构清楚明白，经济性与实用性好，非常适用于小型船只的操作运营状况，可以有效地避免碰撞事故的发生。