一种船用双气囊主动防撞系统及防撞方法

技术领域

本发明涉及船舶防撞设备，尤其涉及一种船用双气囊主动防撞系统及防撞方法。

背景技术

近年来，海上经济的迅速发展促使海上船舶数量不断增加。航道内船舶的密度越来越高，进而导致船舶在航行过程中发生碰撞事故的几率逐渐上升。船舶碰撞事故往往伴随着结构破损、燃油泄漏、环境污染的问题发生，造成经济损失的同时，对海洋生态环境造成严重的威胁。

与直接撞击结构物相比，防撞装置能明显减小撞击力峰值，增加撞击力到达峰值的时间，延长撞击力作用时间。碰撞是一个复杂的非线性动态响应过程，通过研究船舶防撞设施结构的动态响应过程，分析得到不同防撞设施的吸能效果。

目前，针对防撞系统的研究主要集中在桥梁上，主要有护舷方式、绳索方式、缓冲体方式、浮体系泊方式等几种形式，不同的防撞系统形式都有各自的优点及限制条件。然而，现有的防撞系统仍然存在许多问题，如防撞系统在船舶撞击桥梁的过程中损毁较为严重、防撞装置的安装以及后期维修费用在投资成本中所占比例较大，防撞装置的材料吸能效果较差。

目前对于防撞装置的研究主要集中在河运桥梁方面，防撞装置不仅要考虑到防撞效果，还要考虑到装置是否满足通航要求、装置的经济因素、维护成本、安装便捷性、自身结构损伤变形等因素。

在现有的防撞设计方案中，对于船本身的防撞系统研究较少，防撞方法较为简单且防撞效果并不理想，缺乏一种包括预警、分析决策、精准防撞、防止二次损伤和防侧翻的主动防撞系统。

发明内容

发明目的：为了改进现有技术的不足之处,本发明提出一种船用双气囊主动防撞系统及防撞方法，在本船与目标船的航行过程中，通过预警、锁定、警告与躲避、防撞、防二次损伤和防侧翻来进行主动防撞，减轻了碰撞对本船的一次、二次损伤，并且安装在本船两舷的防二次损伤辅气囊协同使用进而防止了本船侧翻，提高了本船和目标船的安全性。

技术方案：本发明船用双气囊主动防撞系统包括双气囊及主动触发系统、气囊滑动机构和综合分析系统；

双气囊及主动触发系统包括防撞主气囊、防二次损伤辅气囊和充气机构；

气囊滑动机构包括第一滑轨和第二滑轨，第一滑轨和第二滑轨上设有定位传感器；综合分析系统通过定位传感器控制防撞主气囊和防二次损伤辅气囊移动；

综合分析系统包括摄像头、船舶航行数据计算分析系统和决策系统。

第一滑轨位于第二滑轨上方，防撞主气囊在第一滑轨上移动，防二次损伤辅气囊在第二滑轨上移动。

决策系统提供避碰方案，该避碰方案包括采取紧急措施直接避免碰撞，以及预判两个船碰撞损伤最小的撞击位置。

摄像头位于舷侧来获取船舶周围的图像，并分析计算出目标船的速度与方向角。

综合分析系统获取的信息包括本船的航速、航向、预计航行轨迹，目标船的航速、航向、双方船的实时距离。

本发明船用双气囊主动防撞方法包括以下步骤：

(1)预警：在本船两侧安装船用双气囊主动防撞系统，本船在航行过程中，对将出现在本船预计航行路线上的目标船进行标注，并关注目标船的航行状态；

(2)锁定：发现一目标船与本船将有碰撞后，摄像头锁定目标船，并通过摄像头分析出目标船的航速和航向；

(3)警告与躲避：本船提醒并警告目标船采取措施避免碰撞，本船通过综合分析系统计算出躲避方案及路线，并改变本船的航向和航速；

(4)防撞：当综合分析系统计算的结果为碰撞无法躲避时，综合分析系统根据摄像头采集的实时图像来实时计算出预计撞击位置，防撞主气囊滑动至预判的撞击位置后来回滑动并在本船与目标船碰撞前主动触发；

(5)防二次损伤：在本船与目标船碰撞之后，本船与目标船的航行状态改变，摄像头继续采集实时图像；综合分析系统实时计算出碰撞后本船与目标船的相对位置，并确定防二次损伤辅气囊是否主动触发；

(6)防侧翻：在本船与目标船碰撞后，本船侧倾，综合分析系统在获取碰撞后本船的倾斜角、角速度、角加速度后，计算出如果不采取其它措施时是否发生侧翻，并确定是否控制防二次损伤辅气囊主动触发。

步骤(4)中，在本船与目标船碰撞前，防撞主气囊定位至预判的撞击位置，且防撞主气囊主动触发，承受碰撞带来的冲击。

步骤(5)中，综合分析系统计算出本船与目标船将发生二次碰撞，则二次损伤辅气囊滑动至指定位置并主动触发。

步骤(6)中，若综合分析系统计算出发生侧翻，则未被撞击一侧的防二次损伤辅气囊主动触发，防止船只发生侧翻。

步骤(6)中，防二次损伤辅气囊滑动至防撞主气囊保护的位置之外并主动触发。

工作原理：本发明主动防撞系统的双气囊在本船日常航行时收纳于气囊滑轨内，当主动防撞系统的摄像头采集的图像经综合分析系统判定需要紧急避碰时，防撞主气囊滑动至预判撞击区域主动炸开，防二次损伤辅气囊也滑动至另一预判的位置，防止第一次撞击后两船被强迫改变航向而发生的第二次碰撞对船体造成损伤。本发明减轻了碰撞对本船的一次、二次损伤，并且安装在本船两舷的防二次损伤辅气囊协同使用进而防止船舶侧翻。

有益效果：与现有技术相比，本发明的综合分析系统分析得出碰撞无法躲避，只能承受撞击时，防撞主气囊滑动至预判撞击位置并主动触发。两船发生碰撞之后，综合分析系统根据冲击作用的强度来判断是否需要主动触发另一侧的防二次损伤辅气囊主触发以避免船舶侧翻，保证了船的安全，

附图说明

图1为本发明船用双气囊主动防撞系统在本船上的安装示意图；

图2为防二次损伤辅气囊在本船上的安装示意图；

图3为本发明船用双气囊主动防撞方法实施步骤图；

图4为船用双气囊主动防撞系统实施示意图；

图5为本船和目标船的碰撞区域示意图。

具体实施方式

如图1至图5所示，在船舶左右两侧分别安装本发明船用双气囊主动防撞系统，该系统包括双气囊及主动触发系统、气囊滑动机构及综合分析系统。双气囊及主动触发系统包括防撞主气囊1、防二次损伤辅气囊2和充气机构，防撞主气囊1用于应对目标船与本船的第一次直接撞击；防二次损伤辅气囊2用于第一次撞击后，即将发生的第二次碰撞对本船的船体造成的损伤。

气囊滑动机构包括主气囊的第一滑轨3、第二滑轨4，第一滑轨和第二滑轨上设有定位传感器，在接收到综合分析系统的指令后，防撞主气囊1在第一滑轨3上滑动至预判撞击区或指定位置，防二次损伤辅气囊2在第二滑轨4上移动至预判撞击区或指定位置。防撞主气囊的第一滑轨3布置于防二次损伤辅气囊的第二滑轨4的上方，整个气囊滑动机构布置于舷侧。

综合分析系统包括双目摄像头、船舶航行数据计算分析系统和决策系统，该综合分析系统的作用是获取船舶周围图像和做出避碰方案。

本发明的双气囊包括防撞主气囊1和防二次损伤辅气囊2，本实施例中，防撞主气囊炸开后的尺寸数据为L1(长度)×D1(宽度)×T1(厚度)，防二次损伤辅气囊炸开后的尺寸数据为L2(长度)×D2(宽度)×T2(厚度)，其中L1D2,T1>T2。

防撞主气囊1用于缓冲船舶间的碰撞，因而需要更厚更宽，但是撞击的区域在长度上不会太长，因而不需要太长。防二次损伤辅气囊用于应对在第一次撞击后发生的二次碰撞或剐蹭，因而长度需要更长，二次碰撞或剐蹭其作用强度较低，而厚度和宽度不需要太大。

本发明的摄像头采用双目摄像头，该双目摄像头安装在舷侧，用于获取船舶周围的图像，并分析计算出撞来船舶的速度与方向角。船舶航行数据计算分析系统主要为船舶自身本有设备，其作用为分析预报出船舶的航行轨迹。决策系统的作用为选择避碰方案，避碰方案分为两类，一是采取紧急措施直接避免碰撞，二是根据两船航行状况预判一个对两船损伤最小的撞击位置。

综合分析系统首先获取的信息包括本船的航速、航向、预计航行轨迹，目标船的航速、航向、双方船的实时距离，有了上述数据，则计算出能否采取紧急措施避免碰撞，如果撞击无法避免，则预判出撞击位置。

当综合分析系统分析计算的结果为碰撞无法躲避，只能承受撞击时，防撞主气囊滑动至预判撞击位置之后，两船发生碰撞之前，防撞主气囊主动触发。而防二次损伤辅气囊是否触发，需要综合分析系统进行第二次计算，在两船发生碰撞之后，两船的航行状态都发生改变，如果后续发生二次的碰撞或剐蹭，则防二次损伤辅气囊主动触发。

防撞主气囊滑动至预判撞击位置并不是一次完成的，在碰撞发生之前，两船的船舶操纵者必然会采取紧急措施避免碰撞，因而两船的航速、航向都会发生急剧变化，因此防撞主气囊需要在滑轨上一定范围内不停的滑动，在撞击发生之前固定并主动触发。

在两船发生碰撞之后，综合分析系统进行第二次计算，如果后续发生二次的碰撞或剐蹭，防二次损伤辅气囊滑动至防撞主气囊未能保护到的位置并主动炸出。

当分析计算的结果为碰撞无法躲避，只能承受撞击时，防撞主气囊滑动至预判撞击位置并主动触发。两船发生碰撞之后，综合分析系统根据冲击作用的强度来判断是否需要主动触发另一侧的防二次损伤辅气囊主触发以避免船舶侧翻。

为了更好的保证船的安全，主动触发的气囊最少为一个，即只有被撞击一侧的防撞主气囊炸开。主动触发的气囊最多为三个，分别为被撞击一侧防撞主气囊、被撞击一侧防二次损伤辅气囊和未被撞击一侧防二次损伤辅气囊，其主要作用依次为：缓冲撞击对船舶的损伤、应对二次碰撞和剐蹭、防止船只侧翻，进而完善了本发明防撞装置对二次损伤及防侧翻问题的考虑。

本发明船用双气囊主动防撞方法包括以下步骤：

(1)预警：在本船两侧安装船用双气囊主动防撞系统，本船在正常航行过程中，对设定范围内将出现在本船预计航行路线上的目标船进行标注，并关注目标船的航行状态。

(2)锁定：发现某一目标船与本船有碰撞的危险后，双目摄像头锁定此目标船，并通过双目摄像头分析计算出此目标船的航速和航向。

(3)警告与躲避：本船提醒并警告目标船采取措施避免碰撞，本船通过综合分析系统计算出躲避方案及路线，并改变本船的航向和航速。

(4)防撞：当综合分析系统计算的结果为碰撞无法躲避，只能承受撞击时，根据双目摄像头采集的实时图像，综合分析系统实时计算出预计撞击位置，防撞主气囊立刻滑动至预判撞击位置后在设定范围内快速来回滑动，在两船发生碰撞之前，防撞主气囊精准定位至预判撞击位置，防撞主气囊主动触发，承受碰撞带来的冲击。

(5)防二次损伤：在本船与目标船碰撞之后，本船与目标船的航行状态发生改变，双目摄像头继续采集实时图像，综合分析系统实时计算出碰撞发生后两船全船的相对位置，如果计算结果为将会发生二次碰撞或剐蹭，则防二次损伤辅气囊滑动至指定位置并主动触发。

(6)防侧翻：在两船发生碰撞之后，本船侧倾，综合分析系统在获取碰撞发生后本船的倾斜角、角速度、角加速度后，计算出如果不采取其他紧急措施是否会发生侧翻，并确定是否控制防二次损伤辅气囊主动触发；如果计算结果为将发生侧翻，则未被撞击一侧的防二次损伤辅气囊主动触发，防止船只发生侧翻。