劉曉玲

【摘 要】現(xiàn)在的交通運(yùn)輸中，船舶是一種非常重要的運(yùn)輸工具。雖然水運(yùn)交通有著其他交通無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是船舶事故也是時(shí)有發(fā)生。因此船舶避碰一直是各領(lǐng)域研究的核心。本文使用AT89C52單片機(jī)作為核心芯片，通過激光測(cè)距儀的測(cè)量，進(jìn)行在顯示屏上顯示相應(yīng)的信息，由此研發(fā)了船舶避碰系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；船舶；避碰；激光測(cè)距儀

0 引言

當(dāng)代社會(huì)中，交通的發(fā)展越來越快，出現(xiàn)了各種不同的交通工具，在以前的社會(huì)中就起著非常重要作用的船舶，現(xiàn)在還在為人類的進(jìn)一步發(fā)展作出巨大的貢獻(xiàn)。雖然水運(yùn)交通有著其他交通無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是船舶事故也是時(shí)有發(fā)生，而且風(fēng)險(xiǎn)較大。如果發(fā)生船舶碰撞事故，結(jié)果會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，更嚴(yán)重的會(huì)造成船上人員的傷亡。因此，在船舶航行的過程中如何避免碰撞、實(shí)現(xiàn)避碰主動(dòng)化以及智能預(yù)警是非常必要的。

該系統(tǒng)是通過激光測(cè)距儀來測(cè)量本船與目標(biāo)物之間的距離，當(dāng)目標(biāo)物與本船達(dá)到設(shè)定距離安全值的時(shí)候，單片機(jī)會(huì)操控顯示聲光報(bào)警，船上的工作人員根據(jù)液晶顯示器提供的數(shù)據(jù)來進(jìn)行相應(yīng)的操作，因此實(shí)現(xiàn)了船舶的避碰。

1 船舶主動(dòng)避碰技術(shù)發(fā)展

船舶避碰技術(shù)發(fā)展較早，在 20 世紀(jì)中期西方發(fā)達(dá)國(guó)家就已研究了船舶避碰系統(tǒng)，現(xiàn)在各個(gè)國(guó)家都研發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)品?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)和國(guó)外在使用的有自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀（APRA），AIS（自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）和避碰專家系統(tǒng)。

APRA作為現(xiàn)代大型船舶上用于防撞避碰的主要儀器，主要特點(diǎn)是在捕捉目標(biāo)、判斷危險(xiǎn)、及時(shí)報(bào)警、決定目標(biāo)等方面具有一定的效能，ARPA的另一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)船舶周圍的目標(biāo)物較多時(shí)，使用ARPA非常方便，可以及時(shí)準(zhǔn)確的將全部目標(biāo)的信息都顯示的雷達(dá)顯示屏上，減小了人工標(biāo)繪所需的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了安全避讓。但APRA也有一定的缺點(diǎn)：一是，海浪、雨雪、鄰近同頻雷達(dá)及機(jī)內(nèi)噪聲都會(huì)對(duì)雷達(dá)的性能產(chǎn)生影響；二是，船舶在航行中的搖擺同樣會(huì)影響雷達(dá)的性能、可靠性及精度。

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS，Automatic Identification System）是繼ARPA之后發(fā)展起來的助航系統(tǒng)，AIS具有如下功能：識(shí)別船只；協(xié)助跟蹤目標(biāo)；簡(jiǎn)化信息的溝通；提供額外的信息和避免碰撞。但也存在一些問題：只有兩艘船舶都安裝了AIS設(shè)備，并且在設(shè)備都打開的狀態(tài)下，才能夠在雙方的AIS顯示屏上顯示出來，而未安裝AIS的船舶和障礙物則不能顯示；AIS設(shè)備相對(duì)來說價(jià)位較高，很多中小型船舶都沒有這個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)力；由于AIS的局限性，使的AIS不能單獨(dú)使用，必須配有相應(yīng)的ARPA。

避碰專家系統(tǒng)是船舶避碰領(lǐng)域中比較前沿的問題，國(guó)內(nèi)外專家已經(jīng)取得了一些成就。避碰專家系統(tǒng)的綜合學(xué)科的應(yīng)用，其中涉及到的有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)、模糊數(shù)學(xué)和遺傳算法，這就對(duì)該系統(tǒng)的研究提出了重大的挑戰(zhàn)。當(dāng)然研究出的避碰專家系統(tǒng)也要遵循《海上避碰規(guī)則》，并且要使避碰專家系統(tǒng)滿足不同船舶的自身屬性。目前，還沒有完善的避碰專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前處于研究階段。

而對(duì)于一般的中小型船舶來說，由于當(dāng)前的避碰設(shè)備都比較昂貴，難以普及。因此需要研發(fā)一種價(jià)位相對(duì)較低，而且能夠滿足中小型船舶需求的船舶避碰系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能是通過單片機(jī)控制，不斷向外發(fā)射激光脈沖，探測(cè)本船周圍的目標(biāo)物，然后將收集來的信息送入到單片機(jī)中，由單片機(jī)進(jìn)行處理，進(jìn)而將處理后的本船與目標(biāo)物之間的距離以及目標(biāo)物的速度信息顯示到液晶顯示器上。若本船與目標(biāo)船舶的距離小于系統(tǒng)設(shè)定的安全距離，則報(bào)警單元裝置發(fā)出聲光報(bào)警，船員根據(jù)聲光報(bào)警的提示來調(diào)整本船的運(yùn)行情況，選擇合理的路線來順利地避開障礙物，實(shí)現(xiàn)了安全航行。

本系統(tǒng)需要研發(fā)一個(gè)電動(dòng)底座，并由單片機(jī)控制電機(jī)使底座能夠水平旋轉(zhuǎn)，這樣就能夠測(cè)量船舶周圍360°范圍內(nèi)的目標(biāo)物，而不是其中一面的目標(biāo)，擴(kuò)大了該系統(tǒng)的測(cè)量范圍。因此這樣能夠?qū)Ρ敬車沫h(huán)境得到更好的監(jiān)控，從而使得船舶碰撞事故幾率得到大幅度地降低。該主動(dòng)避碰的系統(tǒng)圖如圖1所示：

3 激光測(cè)距原理

激光測(cè)距儀是利用激光對(duì)目標(biāo)的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定的儀器。激光測(cè)距儀重量輕、體積小、操作簡(jiǎn)單速度快而準(zhǔn)確，其誤差僅為其它光學(xué)測(cè)距儀的五分之一到數(shù)1%。

激光測(cè)距儀一般采用兩種方式來測(cè)量距離：脈沖法和相位法。目前，激光測(cè)距系統(tǒng)大多采用脈沖激光測(cè)距的方法，該系統(tǒng)采用激光脈沖距離測(cè)量法來實(shí)現(xiàn)船舶與船舶之間的距離。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件的核心是單片機(jī)AT89c52芯片，該芯片的主要功能是：8KB的Flash程序存儲(chǔ)器、256B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、3個(gè)定時(shí)器、8個(gè)中斷源。

1）輸入部分：硬件的輸入部分普通的按鍵開關(guān)組成，分別執(zhí)行控制系統(tǒng)的開關(guān)和工作模式，還有聲光警報(bào)電路部分的選擇模式和警報(bào)解除設(shè)置。

2）顯示部分：硬件的顯示部分是由LED顯示屏組成，當(dāng)單片機(jī)處理到相應(yīng)的信息時(shí)，就能夠從顯示器上顯示出來，顯示的信息一般包括障礙物的距離、高度和當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3）通信部分：該部分主要是完成由單片機(jī)發(fā)出指令給激光測(cè)距儀，或者是由激光測(cè)距儀測(cè)來的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，完成數(shù)據(jù)的傳送。通信部分主要是由串行接口和MAX232芯片。

4）動(dòng)態(tài)執(zhí)行部分：該部分主要是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和電動(dòng)底座部分組成，由單片機(jī)來進(jìn)行控制電機(jī)，使得電動(dòng)底座能夠水平旋轉(zhuǎn)，完成對(duì)周圍目標(biāo)物的測(cè)量。

5）聲光報(bào)警部分：該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是當(dāng)顯示器上顯示的本船與目標(biāo)物之間的距離小于系統(tǒng)設(shè)定的安全值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。該部分主要是由發(fā)光二極管和蜂鳴裝置組成，當(dāng)顯示的值小于安全值是，聲光報(bào)警電路會(huì)發(fā)出相應(yīng)的光及響聲，以提示船上的工作人員來選擇相應(yīng)的操作。

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先研究了現(xiàn)在大型船舶上常用的幾種避碰設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，然后基于激光測(cè)距儀設(shè)計(jì)了一種適用于中小型船舶的避碰系統(tǒng)。

該系統(tǒng)是基于AT89C52芯片作為主電路，在顯示屏上顯示出使用激光脈沖測(cè)距方法測(cè)量船舶附近的目標(biāo)的信息，而且系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了顯示和聲光報(bào)警等功能。本文對(duì)硬件電路進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，下一步需要搭建實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]