一种两船横向液货补给错位角测量装置设计

2015-03-30于清超杨国文

传感器与微系统 2015年7期

王岭，魏威，于清超，陈曦，董峰，杨国文

(1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津300072;2.天津航海仪器研究所，天津300456)

0 引言

海上横向液货补给是指通过补给船左右舷的门架对海上作业的船舶进行的液货补给。海上补给通常在复杂的海洋环境情况下进行，补给作业期间要求补给船与接收船间保持同向、同速航行，而且两船间错位角要保持在一定的安全阈值内。因此，在横向液货补给过程中，对两船间错位角的实时、准确测量成为关系到补给作业是否能安全进行的重要环节之一。

目前，海上补给船通常利用六分仪全程手动测量，此人工测量方式很难适应在恶劣的海况下长时间的实时精确测量［1，2］。因此，研发一种自动错位角测量装置成为迫在眉睫的需求。鉴于计算机和光电技术的迅猛发展，进行了常规的激光测距、图像自动识别测量技术和激光扫描技术的方案论证工作。其中，带有伺服跟踪系统的激光测距技术需要在被补给船上放置一合作目标，这使得海上补给受到很大的条件限制［3］;基于CCD 视频成像的目标自动识别技术，则受限于夜间补给作业时光场分布的不均匀性，很难达到理想的识别效果;而激光扫描法是通过激光扫描的方式形成被补给船的激光点阵［4，5］，由于数据量太大，时效性差，且性价比较低。

基于以上方式的论证分析，本文采用了结构简单，性能可靠的机电测量方法。通过实验表明:该装置具有无需合作目标、不受光场分布影响的特点，不仅结构简单、性能稳定可靠，而且测量过程全自动，精度较高，实时性强。

1 基本原理

两船间横向液货补给的工作过程如图1 所示。补给船与被补给船进入补给阵位后，补给船用手持式撇缆枪将引缆发射至被补给船，绞车通过引缆将承载索牵引至被补给船，并将输液管线接头上的环形缆挂接在被补给船液货接收口的快速脱钩上，实现补给船和被补给船上的油口对接，进行液货补给。

图1 两船间补给工作过程示意图Fig 1 Diagram of replenishment process between two ships

错位角测量装置安置在承载索动滑轮的正上方，通过划线器和刚性连接杆与承载索实现连接。随着测量船与补给船之间错位角的变化，承载索通过刚性机构将角度的变化转换为测量装置中弹簧的横向位置变化，弹簧则将角度信息以压力的形式传递给拉力传感器，从而实现两船错位角的测量。

2 几何模型

从功效来讲，改装置主要是避免因承载索与补给船纵向法矢量的角度过大，而引起的承载索绷断，降低人身与设备的损伤。在此规定:两船间错位角为连接两船的承载索与补给船纵向法矢量的角度在海平面上的投影角度。当缆绳与补给船纵向法矢量平行时为初始0 值，并以此法矢量为初始方位，顺时针角度值为正，逆时针角度值为负。

根据错位角测量装置的安装位置建立几何模型如图2所示。O'为测量装置的角点位置，O 为承载索的上方接触点，OO'之间的距离为h。OD'为错位角等于0 时的承载索位置;O'D'为错位角测量装置的刚性连接杆;其中，OD'在水平面内的投影方向为OD 矢量方向。△OAB 所在平面为与海平面平行的水平面;△OA'B'所在平面为承载索的工作平面;△O'A'B'所在平面为刚性连接杆的工作平面。通过拉压传感器直接线性测得的角度值为∠A'O'B'，而待测错位角为∠A'OB'在水平面内的投影值为∠A'O″B'，其角度的标识如图3 所示。

在△O'A'B'中，∠A'O'B'=β'，A'O'=O'B'=l，则

在△O'OD'中，∠O'OD'=90°+θ，OO'=h，则

图2 错位角测量装置几何模型Fig 2 Geometry model for deviation angle measuring device

在△OA'B'中，结合式(2)和式(3)，可得承载索工作平面内，承载索的转动角度为

为求得水平面内的水平错位角，将△OA'B'向水平面内做投影，可得原点O 的垂足为O″，由此在△O″A'B'所在平面内可得

在△O″A'B'中，可求得两船间错位角为

图3 水平面内错位角几何量示意图Fig 3 Diagram of horizontal plane geometrical deviation angle

3 系统设计

测量装置的弹簧拉压机构采用对称的注射器套筒工作模式。在刚性连接杆零值附近的移动过程中，首先要保证两组弹簧受力主轴线的同轴性，以降低在工作过程中因摩擦力带来的误差。

3.1 传感器的选择

3.1.1 拉压传感器的选择

拉压传感器是整个系统的信息转换核心部件，其测量范围、测量精度及其工作的稳定性直接决定了系统的完善与否。本系统采用应变式拉压传感器。

3.1.2 弹簧设计

弹簧是测量装置拉压传感器与承载索的直接纽带，将承载索的角度信息以线位移的形式转换为对应的应变力，从而通过拉压传感器转换为相应的电信号输出。因此，弹簧的选择、设计直接关系着整个系统的测量精度。

基于虎克定律和错位角测量装置的几何约束条件，弹簧在最大拉压应力为20 N 的条件下，产生的最大形变量应控制在12 cm 以内。为满足测量系统在±30°的测量范围要求，对弹簧的结构尺寸进行合理的计算、设计。

3.2 电路设计

为了将传感器输出的电信号转换为可以显示的角度数字信息，设计其后续的处理电路框图如图4 所示。

图4 后续电路处理框图Fig 4 Processing block diagram of subsequent circuit

该系统工作温度为－25 ～+65 ℃，为消除温差变化给系统带来的影响，同时提高测量系统的灵敏度的考虑，本装置采用全桥电路对电阻的相对变化进行测量，此外，该机构还具有温度补偿作用和非线性校正作用。在拉压传感器满量程压力20 N 的作用下，假定设备在测量时其位置与角度为线性关系，在满足系统的测量精度下设计其输出的电压值为6 μV。为了实现A/D 转换的最低电压输入要求，选用AD620AR 和AD823AN 对直流电桥输出的原始信号进行了两级放大，使输出的电平信号在［－4，+4］V 之间。

在测量过程中，承载锁会受电机振动、波浪高频分量和风外载荷的影响出现干扰信号。因此，需要对信号进行必要的低频滤波处理［6，7］，为此，基于AD823AN构建低通滤波器对放大后的输出信号进行上限截止频率为10 Hz 的信号滤波，以消除以上外界因素的影响。

本A/D 转换采用的外置高电平的处理模式，在A/D转换方面，基于测量量程和测量精度的综合考虑，通过中央处理单元根据测量原型对实际的两船间错位角信息进行解算。为此，基于AD823AN 对输出信号进行了［－4，+4］V与［1.5，3.5］V 之间的对应电平转换，然后基于第一节的测量原理通过PIC16F877T 直接对输出信号进行A/D 的转换和角度解析，最后通过数码管对测量角度进行数字显示。