一种基于远程倾斜数据采集的船舶稳性校核系统及方法

文献发布时间：2024-04-18 19:59:31

技术领域

本发明属于新造船或改装船完工交付前稳性校核技术领域，尤其涉及一种基于远程倾斜数据采集的船舶稳性校核系统及方法。

背景技术

舶倾斜试验是通过船舶横倾来验证船舶完工后实际重心高度的一种最最有效方法，倾斜试验数据的准确性关系到船舶重心位置的准确性，进一步影响船舶稳性计算的准确性，直接关乎船舶安全，倾斜试验数据真实性、准确性至关重要。传统倾斜试验方法是依靠人工按照一定顺序移动船舶上的重物，使船舶产生较小角度的横倾。通过人工分别读取悬挂在船上摆锤数据及船舶吃水来计算得到船舶的垂向重心位置。

对于传统试验方法：试验参与人员、获取的数据：

通过上表可以看出试验人员至少5人，还不算若干重物搬运人员和若干数据记录人员。通常船舶倾斜试验参与人员约10人左右，参与人员多。倾斜试验通常进行时间长，常常一整天时间。长时间的试验，试验人员容易疲劳，劳动强度大。人员移动会对试验结果准确性造成不利影响。人工读取试验数据，往往依赖人员经验，精度不好控制，误差较大。

再者，传统试验在重块搬运方式上通常选用吊机或者人工搬运的方式也存在一定局限性和不足：例如：通过岸壁吊机搬运重块，重块起吊、安放、固定都要有人员参与。因重块体积重量大，试验摆放位置精度要求高，次数多、数量多。调运摆放重块工作不仅耗时耗力，也考验着试验人员体力、耐力、精力，甚至稍不小心容易造成试验的伤害事故。

对于大型船舶，如船宽超过50M，往往会超出岸边吊机的臂长范围，这种情况下无法采用吊机移动重块的方式进行倾斜试验。

在采集数据方面：传统倾斜试验方式也存在不足，主要体现在：

1、摆锤读数

传统倾斜试验耗费大量人力，劳动强大，读摆锤的人要下入货舱底部，工作环境差，读取摆锤数值，认为判断摆锤平衡后才能读取读数，读数存在误差。

2、船舶吃水读数

试验人员要乘坐小艇到达试验船水尺位置，读取试验船吃水读数，小船容易晃荡，且非常危险，也容易发生事故。

因此，使用传统设备及试验方法在获取试验数据时存在缺陷有：参与人试验员多，耗时长、误差大，数据精度受读取试验数据的人工经验影响。

移动重块耗时过长，往往会影响倾斜试验的进程，传统方式完成一次倾斜试验往往会耗时一整天时间。甚至如遇到试验过程中天气突变，不得不停止试验，等天气转好时重新进行倾斜试验。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于远程倾斜数据采集的船舶稳性校核系统及方法，实现了船舶稳性校核数据的自动化获取，提高船舶稳性校核试验的精度与效率。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种基于远程倾斜数据采集的船舶稳性校核系统，包括通过网络连接实现数据的远程传输与控制的远程控制端和试验船上的试验设备端，用于采集船舶的稳性试验数据的所述试验设备端包括重块搬运智能小车、摆锤自动读数装置和吃水自动读数装置；

所述重块搬运智能小车移动船舷上的重块，利用重块在船舷左、右两侧分布的重量差使船舶产生横倾，并在船舶处于横倾姿态时，分别通过所述摆锤自动读数装置和所述吃水自动读数装置获取船舶的摆锤数据和吃水数据，根据摆锤数据得出的船舶横倾角度和吃水数据通过所述远程控制端计算出船舶的垂向重心位置。

进一步地，包括与所述重块搬运智能小车协同作业的无人机，通过所述无人机对重块搬运智能小车的位置进行校验。

进一步地，包括具有液压支腿的托盘，所述重块搬运智能小车移动至托盘底部并处于承托托盘的状态时，具有液压支腿的托盘与重块搬运智能小车组合成升降平台车，重块通过所述升降平台车的托盘承载。

进一步地，所述升降平台车可通过液压支腿的腿宽差以及升降高度差实现不同尺寸托盘承载重块的层叠布置。

进一步地，所述摆锤自动读数装置点光源、透镜和CCD传感器；所述点光源位于摆锤线的后方，所述透镜位于点光源与摆锤线之间，且点光源设置在透镜的焦点位置，所述CCD传感器布置在接收摆锤线的阴影投射路径上；所述点光源产生的光经过透镜形成平行光线，平行光线照射摆锤线产生的阴影投射于CCD传感器上时，产生CCD灰度扫描。

进一步地，所述吃水自动读数装置包括亚克力吃水观察筒、导轨和高速相机；所述亚克力吃水观察筒通过外侧的磁条吸附于船舶外板表面，亚克力吃水观察筒的筒口位于水面之上，筒底位于水面之下，且筒底开设有导水孔；所述导轨沿亚克力吃水观察筒的内筒壁竖向安装，滑移设置在导轨上的所述高速相机可在筒内随筒内水面高度升降而升降。

进一步地，所述吃水自动读数装置包括与高速相机对应的浮体，浮于所述筒内水面的浮体通过硬支撑与高速相机相连，通过浮体跟随筒内水面的上、下浮动带动高速相机升降，使高速相机与筒内水面保持恒定的拍摄距离。

进一步地，所述亚克力吃水观察筒筒底的导水孔通过导水管连接有带孔的重锤，所述导水管往筒外水面以下延伸。

进一步地，所述导水管为软管结构，软管结构的所述导水管通过重锤的下坠带动向筒外水面以下延伸。

一种基于远程倾斜数据采集的船舶稳性校核系统的船舶稳性校核方法，具体步骤如下：

步骤S1：将移动重块装载到重块搬运智能小车上，规划W

测试并确定无人运行状态正常；

搭建摆锤，测试并确定摆锤自动读数装置读数正常；

将吃水自动读数装置安装到相应吃水标记附近，并调试合格；

以及搭建重块搬运智能小车、无人机、摆锤自动读数装置、吃水自动读数装置的网络传输连接，并进行调试；

步骤S2：船舶在初始的SHIFT0状态时，W

船舶状态由SHIFT0转变为SHIFT1，为第一回合，远程控制重块搬运智能小车W

船舶状态由SHIFT1转变为SHIFT2，为第二回合，远程控制重块搬运智能小车W

船舶状态由SHIFT2转变为SHIFT3，为第三回合，远程控制重块搬运智能小车W

船舶状态由SHIFT3转变为SHIFT4，为第四回合，远程控制重块搬运智能小车W

船舶状态由SHIFT4转变为SHIFT5，为第五回合，远程控制重块搬运智能小车W

船舶状态由SHIFT5转变为SHIFT6，为第六回合，远程控制重块搬运智能小车W

船舶状态由SHIFT6转变为SHIFT7，为第七回合，远程控制重块搬运智能小车W

船舶状态由SHIFT7转变为SHIFT8，为第八回合，远程控制重块搬运智能小车W

步骤S3：在每一回合中，重块搬运智能小车移动完成后，启动无人机，查看重块搬运智能小车的停放位置，如果位置与规划位置有偏移，则远程控制重块搬运智能小车进行微调，确保停止位置精准到位；

步骤S4：在每一回合中，无人机查看确保重块搬运智能小车的位置精准无误后，开始记录摆锤读数，并拍摄船舶吃水视频，将在每一回合中获得的摆锤读数及船舶吃水视频传送至远程控制端，由远程控制端进行数据分析与计算获得每一回合中船舶的垂向重心位置。

有益效果：本发明实现对船舶稳性校核试验的数据全程自动化采集、传输以及分析，以实现试验数据采集的智能化和数据及时共享，提高了试验效率和精度，缩短了试验周期，减轻试验人员的劳动强度。

附图说明

附图1为船舶稳性校核系统的结构框图；

附图2为重块层叠布置的结构示意图；

附图3为摆锤自动读数装置的结构示意图；

附图4为吃水自动读数装置的结构示意图；

附图5为W

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图1所示，一种基于远程倾斜数据采集的船舶稳性校核系统，包括通过网络连接实现数据的远程传输与控制的远程控制端和试验船上的试验设备端，用于采集船舶的稳性试验数据的所述试验设备端包括重块搬运智能小车、摆锤自动读数装置和吃水自动读数装置；所述重块搬运智能小车移动船舷上的重块，利用重块在船舷左、右两侧分布的重量差使船舶产生横倾，并在船舶处于横倾姿态时，分别通过所述摆锤自动读数装置和所述吃水自动读数装置获取船舶的摆锤数据和吃水数据，根据摆锤数据得出的船舶横倾角度和吃水数据通过所述远程控制端计算出船舶的垂向重心位置。本发明实现对船舶稳性校核试验的数据全程自动化采集、传输以及分析，以实现试验数据采集的智能化和数据及时共享，提高了试验效率和精度，缩短了试验周期，减轻试验人员的劳动强度。

此外，实现远程控制进行试验，试验过程中实时数据传送，数据及时处理，做到试验完成，即可出试验报告和分析结果，自动读取数据，避免了人工读数的误差。

本发明包括与所述重块搬运智能小车协同作业的无人机，通过所述无人机对重块搬运智能小车的位置进行校验。

采用重块搬运智能小车运输重块，每个重块10T。重块搬运智能小车主要通过硬件与软件的协作，上位机远程调度等方式可实现自主感知及自动驾驶。首先通过单片机编程实现重块搬运智能小车的运动控制及数据交互输送；其次利用jetson nano运算平台通过集成传统的视觉算法、同步定位与建立图像SLAM及AI算法实现小车对周边环境的感知和运输路线的规划；最后通过Visual Studio开发搬运车控系统软件，在试验系统远程控制端的PC端，试验人员可实现对车辆的远程调度与管理。

STM32单片机为运动控制平台，配备了线性激光雷达、视觉摄像头、imu惯导元件、编码器等传感器。该智能搬运车系统以ROS作为基础框架，分为三个层次：运动控制层、ROS传输层、ROS决策层。在运动控制层中，通过底层单片机设计，实现重块搬运智能小车的运动控制。在ROS传输层中，实现运算平台与硬件、PC端应用程序的数据传输，提供ROS决策层执行所需数据。在ROS决策层中整合主流视觉算法完成AGV的视觉感知。最终操纵员可以通过PC端的调度软件，发送目标位置至搬运车，AGV智能搬运车能自主运行至目标位置。在小车运行过程中实现交通信息识别、主动避障等环境感知功能。

重块搬运智能小车的最大载荷为10T。小车采用智能模式，可以远程在PC端完成小车的自主调度，小车可自主判断，辨别方向、速度、以及避开障碍物等。可完成区域扫描仪：在规定有效作用范围内，可以设定距离，如在2m距离范围内，RGV障碍物传感器将使RGV减速行驶，并发出声光信号提醒人车注意避让，在1m的距离范围内，它将使RGV停止行驶，当障碍物解除后，RGV将自动恢复正常行驶。

试验过程中，可通过远程调度层的方式实现重块搬运智能小车的远程监控管理。试验员可从应用程序连接重块搬运智能小车，获取重块搬运智能小车的实时信息，并且通过应用程序发送目标位置指引小车到达指定地点，实现远程交互功能，远程调度小车的运转状态，便于调度与管理，发送指令给重块搬运智能小车使其自动移动到下一个指定位置。

采用该重块搬运智能小车移动重块的优点是：试验过程中，一个重块对应一辆重块搬运智能小车，重块提前吊装到重块搬运智能小车上，试验过程中要移动重块，直接发送指令给重块搬运智能小车，试验全程没有重块的吊装和装卸。相比传统吊机的方式，采用重块搬运智能小车的优点是减少吊装重块的时间，提高试验效率，避免了吊装装卸对试验人员的伤害事故。

在本发明中，作为优化，倾斜船舶大小不同，所需要移动的重块数量也不同，单辆重块搬运智能小车装载2t重块，可进行不同小车的组合，如同一位置两辆重块搬运智能小车的组合。

如附图2所示，作为优化，本发明包括具有液压支腿1的托盘2，所述重块搬运智能小车移动至托盘2底部并处于承托托盘2的状态时，具有液压支腿1的托盘2与重块搬运智能小车组合成升降平台车，重块通过所述升降平台车的托盘2承载。液压支腿1是具备自调节功能的，它可以通过液压系统来实现稳固的支撑功能，当面对坑洼的状况时，液压支腿1便开始发挥它的作用，从而让整体的稳定性得以保持。液压支腿1的延伸是一个自调节的过程，这里无需人为干预，如果升降平台车因为某一侧的坑洼倾斜时，这一侧的液压支腿1便会延伸支撑，让倾斜的升降平台车归于正常，这是一个微调的过程，液压支腿1通常位于升降平台车的两侧，一共有四支，以提供最佳的支撑和平衡。重块搬运智能小车可以进入托盘2底部，当重块搬运智能小车到达托盘2位置时，液压支腿1升起，直接托起承载重块的托盘，为节省船上存放重块所占的空间，所述升降平台车12可通过液压支腿1的腿宽差以及升降高度差实现不同尺寸托盘2承载重块的层叠布置。

传统试验中所用的摆锤材料采用的是铅材料，仅仅利用自身重量将垂线拉直，读数完全靠人工。因摆锤左右来回摆动，首先要等摆锤稳定，当摆锤摆到最大位置时，瞬间记录摆锤的最大位移，人工读数精度依赖读数人的经验，而且传统倾斜试验时间较长，约一整天时间，长时间读数，人为每次读数选用标准很难统一，误差较大。在本发明中，如附图3所示，所述摆锤自动读数装置点光源3、透镜4和CCD传感器5；所述点光源3位于摆锤线6的后方，所述透镜4位于点光源3与摆锤线6之间，且点光源3设置在透镜4的焦点位置，所述CCD传感器5布置在接收摆锤线6的阴影7投射路径上；所述点光源3产生的光经过透镜4形成平行光线，平行光线照射摆锤线6产生的阴影7投射于CCD传感器5上时，产生CCD灰度扫描。使用高分辨率线性阵列CCD光电成像仪作为内核传感器，即CCD传感器5，当平行光线产生的摆锤线的阴影投射到CCD传感器上时，就会产生CCD灰度扫描，然后，系统通过分析这些扫描结果来确定这些垂直线阴影位置。然后，通过计算相应的数据，确定这些摆锤线的移动位置坐标。最后，通过数据通信或D/A转换输出观测结果。

船舶吃水通常为测量人员乘船测量，利用水尺进行目测读数，但因风浪的影响，水面和水尺的交界面上下晃荡，所以目测很难获得准确的读数，而且船舶吃水读数又是一件既危险又非常依赖试验人员经验的工作。在本发明中，如附图4所示，所述吃水自动读数装置包括亚克力吃水观察筒8、导轨9和高速相机10；所述亚克力吃水观察筒8通过外侧的磁条16吸附于船舶外板表面，亚克力吃水观察筒8的筒口位于水面之上，筒底位于水面之下，且筒底开设有导水孔80；所述导轨9沿亚克力吃水观察筒8的内筒壁竖向安装，滑移设置在导轨9上的所述高速相机10可在筒内随筒内水面11高度升降而升降。

所述吃水自动读数装置包括与高速相机10对应的浮体12，浮于所述筒内水面11的浮体12通过硬支撑13与高速相机10相连，通过浮体12跟随筒内水面11的上、下浮动带动高速相机10升降，使高速相机10与筒内水面11保持恒定的拍摄距离，从而使高速相机10实现自动追踪筒内水面11的近水面拍摄功能，减小误差。

所述亚克力吃水观察筒8筒底的导水孔80通过导水管17连接有带孔的重锤14，所述导水管17往筒外水面15以下延伸。更为具体的，所述导水管17为软管结构，软管结构的所述导水管17通过重锤14的下坠带动向筒外水面15以下延伸，一般重锤14一颗沉入水面以下2m，根据连通器的原理，筒内液面和真是海绵页面相同，高速相机10对筒内水面进行拍摄即可。

拍摄视频后，可以通过以下步骤将吃水信息通过图像识别，提取出船舶的吃水信息：拍摄视频—生成吃水数字模板信息—吃水数字标记识别—水线信息提取—水线评估—吃水计算。

如附图5所示，一种基于远程倾斜数据采集的船舶稳性校核系统的船舶稳性校核方法，具体步骤如下：