沈益駿,劉新,王濤,屠卡濱,張鳥飛,陳雯

(1.舟山海關(guān)綜合技術(shù)服務(wù)中心,浙江 舟山 316000;2.張家港海關(guān),江蘇 張家港 215600;3.嵊泗海關(guān)綜合技術(shù)服務(wù)中心,浙江 嵊泗 202450)

1 設(shè)計(jì)思路

利用岸基系統(tǒng),遠(yuǎn)程控制小型無人船,運(yùn)用激光雷達(dá)避障、卡爾曼濾波器運(yùn)算、圖像傳輸?shù)燃夹g(shù)和原理,使其安全到達(dá)指定位置,并把水尺畫面穩(wěn)定傳回并由圖像識(shí)別軟件智能讀出水尺數(shù)據(jù)。模擬工作場景見圖1。

圖1 無人船工作場景模擬

手持遙控裝置,操控?zé)o人船至散貨船水尺標(biāo)記位置,通過攝像頭傳回圖像,同時(shí)后臺(tái)開始錄像存儲(chǔ)與圖像識(shí)別,經(jīng)圖像識(shí)別軟件及后臺(tái)計(jì)算,自動(dòng)給出該處水尺的數(shù)值,則該位置的水尺觀測完成,無人船開往船舶下個(gè)水尺標(biāo)記處,繼續(xù)進(jìn)行同樣的操作。待被測船舶六面水尺全部完成讀取后,根據(jù)相應(yīng)公式進(jìn)行修正計(jì)算,最后得出該船舶此時(shí)所裝載的貨物重量。

2 小型無人船設(shè)計(jì)

小型無人船主要由水上平臺(tái)、岸基站系統(tǒng)、圖像處理3部分組成,見圖2。

圖2 無人船基本構(gòu)成設(shè)計(jì)和實(shí)物

無人船水上平臺(tái)設(shè)計(jì)需考慮平穩(wěn)行駛的需求,由于使用環(huán)境主要是在江海,為避免金屬材質(zhì)船板受海水腐蝕,其全部采用塑料材質(zhì)。由于亞克力具有較高的透光率,為達(dá)到良好的攝錄效果且起到保護(hù)作用,攝像頭部分則由該材質(zhì)密封覆蓋;岸基站系統(tǒng)主要有地面站和手持遙控器組成,為經(jīng)濟(jì)實(shí)用,選擇手持遙控器為主;軟件系統(tǒng)則以配套自行研制的圖像處理軟件。

2.1 水上平臺(tái)研制

該無人船船體總長1.2 m、寬度0.8 m,船體總高0.7 m(包括凸起部分),吃水0.12 m,船體自重12 kg,船體為塑料材質(zhì),滿載工作航速為1.5 m/s,鋰電池作為電源,續(xù)航力不少于2 h。

2.1.1 動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)

無人船由一對(duì)電機(jī)為其提供動(dòng)力,電機(jī)直徑30 mm、長度45 mm。為確保耐用,為其做了全密封防水外殼,防水深度可達(dá)50 m。電機(jī)工作電壓為12 V,由鋰電池為其提供動(dòng)力。螺旋槳為厚度2 mm的3葉正反漿,直徑4 cm;正反漿搭配使用,可實(shí)現(xiàn)無人船的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。具體參數(shù)見表1。

【評(píng)析】在本課的設(shè)計(jì)中，首先挖掘?qū)?shù)幾何意義的知識(shí)背景，設(shè)置貼近學(xué)生實(shí)際的坐“過山車”時(shí)視線的變化，來幫助學(xué)生感性認(rèn)識(shí)在上升或下降與視線的斜率之間的關(guān)系；其次借助超級(jí)畫板,從幾何直觀來演示遞增與遞減時(shí),切線斜率符號(hào)變化情況；再結(jié)合函數(shù)單調(diào)性定義和導(dǎo)數(shù)定義從理性的角度去探索函數(shù)單調(diào)性和導(dǎo)數(shù)正負(fù)的關(guān)系，讓學(xué)生從感性到理性去認(rèn)識(shí)和理解函數(shù)單調(diào)性和導(dǎo)數(shù)正負(fù)之間本質(zhì)關(guān)系，并歸納總結(jié)出一般性結(jié)論，真正發(fā)展了學(xué)生思維能力.

表1 電機(jī)參數(shù)

2.1.2 避障功能設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)無人船不僅可以手持遙控器進(jìn)行遙控操作,也可通過地面站遙控。因此,在人眼看不見的情況下,為防止碰撞損壞,須具備基本的避障功能[1]。無人船所處工作環(huán)境較復(fù)雜,水分、鹽分高,且水面常有漂浮物,為達(dá)到經(jīng)久耐用的目的,經(jīng)反復(fù)試驗(yàn),最終選擇激光雷達(dá)結(jié)合處理器的避障方案。具體如下：5枚激光雷達(dá)設(shè)置在船頭位置,分別對(duì)應(yīng)右、右前、前、左前、左共計(jì)5個(gè)方向。5組數(shù)據(jù)經(jīng)處理器處理,做出避障反應(yīng)。如遇到障礙物,無人船則運(yùn)用內(nèi)置處理器系統(tǒng)自動(dòng)操控電機(jī),通過調(diào)整左右電機(jī)速率,改變無人船行進(jìn)方向,進(jìn)而躲避障礙物。如無法避讓,則處理器給出指令,電機(jī)立即倒轉(zhuǎn),無人船做出緊急倒車處置,及時(shí)避免撞擊。

2.2 岸基站系統(tǒng)研制

岸基站系統(tǒng)主要由地面站(電腦)和手持遙控器組成。工作人員手持遙控器滿足0.3 km遙控操作距離;地面站滿足2 km遙控操作距離。水尺計(jì)重所用無人船均在工作人員視野范圍內(nèi)進(jìn)行。

2.2.1 遙控控制

無人船的手持遙控由4通道無線控制模塊構(gòu)成。該模塊由無線發(fā)射和接收模塊兩部分組成,結(jié)合一對(duì)電機(jī),分別控制無人船的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。模塊參數(shù)見表2。

表2 模塊參數(shù)

2.2.2 無線圖像傳輸

無線圖像傳輸根據(jù)調(diào)制方式不同分為數(shù)字和模擬兩種方式。該無人船用途為觀測船舶水尺,所以要求運(yùn)用的技術(shù)需具備傳輸穩(wěn)定特點(diǎn),尤其是裝運(yùn)帶有磁性的礦產(chǎn)品船舶要具備抗磁干擾,且反應(yīng)快、延遲低等特點(diǎn)。經(jīng)綜合考慮,該無人船采用被廣泛應(yīng)用的CV5200遠(yuǎn)距離WIFI自組網(wǎng)圖像輸出解決方案。自組網(wǎng)不依賴現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施,可減低岸基系統(tǒng)組建的壓力,且使無人船整套系統(tǒng)易于攜帶和搬運(yùn)。每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)是用戶接入點(diǎn),也是路由選擇點(diǎn),能有效解決路徑衰弱和干擾問題。

2.3 圖像處理識(shí)別

水尺圖像處理則采用文獻(xiàn)[2]所述的基于圖像處理的船舶水尺標(biāo)志識(shí)別方法。該方法開發(fā)的軟件工作流程見圖3,具體可分為3步：①對(duì)無人船傳至的水尺圖像進(jìn)行縱向顏色梯度處理,準(zhǔn)確識(shí)別水線位置;②基于軟件庫標(biāo)準(zhǔn)水尺標(biāo)志樣本圖像,進(jìn)行自動(dòng)匹配,無人船的水尺圖像經(jīng)二值化處理后與樣本圖像進(jìn)行自動(dòng)匹配,匹配成功則進(jìn)入下一環(huán)節(jié),匹配失敗則換圖像重新匹配;③根據(jù)設(shè)計(jì)的計(jì)算公式自動(dòng)算得船舶吃水值。本無人船在岸基系統(tǒng)上安裝圖像識(shí)別軟件,并通過技術(shù)處理,實(shí)現(xiàn)無人船傳輸?shù)乃邎D像進(jìn)入自行研發(fā)的水尺圖像識(shí)別軟件,經(jīng)軟件分析、識(shí)別,自動(dòng)給出水尺吃水?dāng)?shù)值。

圖3 圖像處理工作流程

3 使用方法

圖4 無人船操作流程

具體使用方法如下：待船舶靠港且系纜完畢后,由檢驗(yàn)員利用特制支架將無人船由船舶泊位平穩(wěn)放置在海面上,檢驗(yàn)員手持帶平板的遙控器,通過實(shí)時(shí)傳輸圖像,航行至船舶水尺標(biāo)記處。無人船已配置5枚激光雷達(dá),但是仍可能存在無法識(shí)別或者遺漏的盲區(qū),如在這些范圍內(nèi)存有障礙物,無人船則會(huì)自動(dòng)緊急避障,避免造成經(jīng)濟(jì)損失。在到達(dá)指定位置后,調(diào)整無人船位置,使船舶水尺標(biāo)記位于屏幕中間位置,并占整個(gè)畫幅的1/3,持續(xù)保持2～3 min。在保持階段,平板自動(dòng)啟動(dòng)圖像處理軟件,并給出吃水?dāng)?shù)值,同時(shí)自動(dòng)錄制為AVI格式的高清視頻,以備事后查看、確認(rèn)。船舶六面水尺查看完畢,則遙控?zé)o人船回至投放點(diǎn),由支架將其送回岸邊,水尺計(jì)重中的觀測水尺環(huán)節(jié)結(jié)束。

4 水尺計(jì)重?cái)?shù)據(jù)處理

4.1 排水量計(jì)算

排水量的計(jì)算依據(jù)拱陷校正[3]后的平均吃水以及相關(guān)圖表進(jìn)行查算。

4.1.1 計(jì)算相應(yīng)排水量

根據(jù)拱陷校正后平均吃水D/M,在船舶排水量表上查算相應(yīng)的排水量,在圖表中查找最近接D/M的吃水點(diǎn),其對(duì)應(yīng)的排水量或載重量數(shù)作為基數(shù)Δ1。

4.1.2 排水量的縱傾校正

當(dāng)船舶產(chǎn)生縱傾時(shí),由于此時(shí)吃水線和平浮時(shí)不一樣,其船艏和船艉部分所增減的出水、入水體積也不一樣,如果按平浮狀態(tài)的排水量表查算,顯然與實(shí)際排水量不符。因此必須對(duì)前述查算的相應(yīng)排水量進(jìn)行校正,以計(jì)算出縱傾校正后的排水量。校正方法采用國際上通用的根本氏校正[4]公式。

(1)

式中：δΔ1為排水量的第一項(xiàng)縱傾校正值,t;TC為校正后船舶吃水差,m;Xf為D/M處漂心距船舯距離,m;TPC為D/M相應(yīng)處的每厘米吃水噸數(shù),t;Lbp為垂線間長,m。

(2)

縱傾校正后,船舶總排水量為

Δ3=Δ1+δΔ1+δΔ2

(3)

式中：Δ3為縱傾校正后的排水量。

4.2 貨物重量計(jì)算

排水量經(jīng)港水密度校正、壓載水的測量和計(jì)算、淡水和燃油的測量和計(jì)算后,將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式(6)進(jìn)行計(jì)算,最終得出無人船看水尺后貨物的總重量[5]。

(4)

式中：WL為裝貨重量,t;WD為卸貨重量,t;A為裝或卸前校正的排水量,t;a為裝或卸前船用物料及其他貨物等的總重量,t;B為裝或卸貨后校正后的排水量,t;b為裝或卸貨后船用物料及其他貨物等的總重量,t。

5 試驗(yàn)測試

2022年3—4月份,在舟山某港區(qū)對(duì)在此靠港卸貨的國際散貨船進(jìn)行測試,測試的目的是為檢驗(yàn)其數(shù)據(jù)是否真實(shí)靠、工作效能是否顯著提升。測試方法如下：在規(guī)定時(shí)間內(nèi)有序隨機(jī)選擇其中10艘次船舶的艏、舯、艉共計(jì)6處為水尺觀測目標(biāo)。為確保測試數(shù)據(jù)可信,測試時(shí),分成兩組并同時(shí)進(jìn)行,并做好完成時(shí)間記錄,第一組為使用無人船觀測水尺,第二組為傳統(tǒng)水尺計(jì)重作業(yè)目測方式進(jìn)行。記錄觀測數(shù)據(jù)并運(yùn)用文中上述排水量等公式計(jì)算貨物重量。目測水尺精度公制為0.01 m,無人船則為0.001 m。數(shù)據(jù)對(duì)比測試見表3,時(shí)效性對(duì)比測試見表4。

表3 無人船與人工觀測方法測試數(shù)據(jù)

表4 工作時(shí)效測試數(shù)據(jù)

無人船較人工觀測水尺的差異率N為

(5)

式中：M、K分別為自動(dòng)裝置和人工測量值,m。

由表3和表4可見,10船次國際散貨船在無人船和傳統(tǒng)人工觀測平均水尺的差異范圍在0.001～0.005 m之間,平均差異率為0.003%,完全符合船舶制表的準(zhǔn)確度在0.1%以內(nèi),水尺計(jì)重的準(zhǔn)確度可在0.5%以內(nèi)要求,無人船較人工觀測水尺方式,效能提高34%以上。

6 結(jié)論

基于水尺計(jì)重專用,改良水上平臺(tái),船身采用塑料等材質(zhì),使無人船堅(jiān)固、耐用;利用岸基系統(tǒng),遠(yuǎn)程操控?zé)o人船,運(yùn)用激光雷達(dá)避障、圖像傳輸?shù)燃夹g(shù),使其可精準(zhǔn)到達(dá)指定位置;為無人船研制的水尺圖像識(shí)別軟件可智能給出吃水?dāng)?shù)值。

測試結(jié)果表明,運(yùn)用無人船觀測船舶水尺,其誤差在規(guī)定范圍內(nèi),且較傳統(tǒng)人工水尺計(jì)重模式,效能得到顯著提升。