基于单片机的船舶避碰系统的设计

刘晓玲

【摘 要】现在的交通运输中，船舶是一种非常重要的运输工具。虽然水运交通有着其他交通无可比拟的优点，但是船舶事故也是时有发生。因此船舶避碰一直是各领域研究的核心。本文使用AT89C52单片机作为核心芯片，通过激光测距仪的测量，进行在显示屏上显示相应的信息，由此研发了船舶避碰系统。

【关键词】单片机；船舶；避碰；激光测距仪

0 引言

当代社会中，交通的发展越来越快，出现了各种不同的交通工具，在以前的社会中就起着非常重要作用的船舶，现在还在为人类的进一步发展作出巨大的贡献。虽然水运交通有着其他交通无可比拟的优点，但是船舶事故也是时有发生，而且风险较大。如果发生船舶碰撞事故，结果会造成经济损失和环境污染，更严重的会造成船上人员的伤亡。因此，在船舶航行的过程中如何避免碰撞、实现避碰主动化以及智能预警是非常必要的。

该系统是通过激光测距仪来测量本船与目标物之间的距离，当目标物与本船达到设定距离安全值的时候，单片机会操控显示声光报警，船上的工作人员根据液晶显示器提供的数据来进行相应的操作，因此实现了船舶的避碰。

1 船舶主动避碰技术发展

船舶避碰技术发展较早，在 20 世纪中期西方发达国家就已研究了船舶避碰系统，现在各个国家都研发了相应的产品。现在国内和国外在使用的有自动雷达标绘仪（APRA），AIS（自动识别系统）和避碰专家系统。

APRA作为现代大型船舶上用于防撞避碰的主要仪器，主要特点是在捕捉目标、判断危险、及时报警、决定目标等方面具有一定的效能，ARPA的另一个主要的优点是当船舶周围的目标物较多时，使用ARPA非常方便，可以及时准确的将全部目标的信息都显示的雷达显示屏上，减小了人工标绘所需的时间，实现了安全避让。但APRA也有一定的缺点：一是，海浪、雨雪、邻近同频雷达及机内噪声都会对雷达的性能产生影响；二是，船舶在航行中的摇摆同样会影响雷达的性能、可靠性及精度。

船舶自动识别系统（AIS，Automatic Identification System）是继ARPA之后发展起来的助航系统，AIS具有如下功能：识别船只；协助跟踪目标；简化信息的沟通；提供额外的信息和避免碰撞。但也存在一些问题：只有两艘船舶都安装了AIS设备，并且在设备都打开的状态下，才能够在双方的AIS显示屏上显示出来，而未安装AIS的船舶和障碍物则不能显示；AIS设备相对来说价位较高，很多中小型船舶都没有这个经济实力；由于AIS的局限性，使的AIS不能单独使用，必须配有相应的ARPA。

避碰专家系统是船舶避碰领域中比较前沿的问题，国内外专家已经取得了一些成就。避碰专家系统的综合学科的应用，其中涉及到的有人工神经网络学、模糊数学和遗传算法，这就对该系统的研究提出了重大的挑战。当然研究出的避碰专家系统也要遵循《海上避碰规则》，并且要使避碰专家系统满足不同船舶的自身属性。目前，还没有完善的避碰专家系统，该系统目前处于研究阶段。

而对于一般的中小型船舶来说，由于当前的避碰设备都比较昂贵，难以普及。因此需要研发一种价位相对较低，而且能够满足中小型船舶需求的船舶避碰系统。

2 系统总体设计

本系统主要实现的功能是通过单片机控制，不断向外发射激光脉冲，探测本船周围的目标物，然后将收集来的信息送入到单片机中，由单片机进行处理，进而将处理后的本船与目标物之间的距离以及目标物的速度信息显示到液晶显示器上。若本船与目标船舶的距离小于系统设定的安全距离，则报警单元装置发出声光报警，船员根据声光报警的提示来调整本船的运行情况，选择合理的路线来顺利地避开障碍物，实现了安全航行。

本系统需要研发一个电动底座，并由单片机控制电机使底座能够水平旋转，这样就能够测量船舶周围360°范围内的目标物，而不是其中一面的目标，扩大了该系统的测量范围。因此这样能够对本船周围的环境得到更好的监控，从而使得船舶碰撞事故几率得到大幅度地降低。该主动避碰的系统图如图1所示：

3 激光测距原理

激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数1%。

激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法。目前，激光测距系统大多采用脉冲激光测距的方法，该系统采用激光脉冲距离测量法来实现船舶与船舶之间的距离。

4 系统硬件设计

硬件的核心是单片机AT89c52芯片，该芯片的主要功能是：8KB的Flash程序存储器、256B的数据存储器、3个定时器、8个中断源。

1）输入部分：硬件的输入部分普通的按键开关组成，分别执行控制系统的开关和工作模式，还有声光警报电路部分的选择模式和警报解除设置。

2）显示部分：硬件的显示部分是由LED显示屏组成，当单片机处理到相应的信息时，就能够从显示器上显示出来，显示的信息一般包括障碍物的距离、高度和当前系统的工作状态。

3）通信部分：该部分主要是完成由单片机发出指令给激光测距仪，或者是由激光测距仪测来的数据发送给单片机，完成数据的传送。通信部分主要是由串行接口和MAX232芯片。

4）动态执行部分：该部分主要是由电机驱动部分和电动底座部分组成，由单片机来进行控制电机，使得电动底座能够水平旋转，完成对周围目标物的测量。

5）声光报警部分：该系统的设计是当显示器上显示的本船与目标物之间的距离小于系统设定的安全值时，系统会发出声光报警。该部分主要是由发光二极管和蜂鸣装置组成，当显示的值小于安全值是，声光报警电路会发出相应的光及响声，以提示船上的工作人员来选择相应的操作。

5 结语

本文首先研究了现在大型船舶上常用的几种避碰设备的优缺点，然后基于激光测距仪设计了一种适用于中小型船舶的避碰系统。

该系统是基于AT89C52芯片作为主电路，在显示屏上显示出使用激光脉冲测距方法测量船舶附近的目标的信息，而且系统还设计了显示和声光报警等功能。本文对硬件电路进行了分析和设计，下一步需要搭建实际的实验平台进行验证。

【参考文献】

[1]张宇.通用船舶自动识别系统（AIS）及其关键技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2004.

[2]全文兴.水上交通事故统计、分析、预测方法的研究[D].大连：大连海事大学，2009.

[3]张金奋.船舶碰撞风险评价与避碰方法研究[D].武汉：武汉理工大学，2013.

[责任编辑：杨玉洁]