0 引　言

现代船舶发展越来越趋向于大型化、专业化，出现了各种新型大型船舶，如超大型油船、集装箱船等。随着船舶尺寸的增大，船舶营运条件的复杂化，船舶的安全营运问题尤显突出^[1]。为对海上航行船舶的安全状态进行更加准确的评估需要获取船舶的运动姿态参数。此外自航模试验中需要获取船模航行过程中的纵摇和升沉位移等姿态参数。因此，人们对船舶运动测量系统的研究愈加重视，并且有更多的研究成果和产品不断呈现。

国内外学者们分别基于机械式、磁测式、GPS式和惯性测量等方面对船舶运动测量系统进行初步研究^[2]。本文设计与实现了基于MEMS技术的波高倾斜一体化传感器的船舶运动姿态测量系统^[3-6]。该系统不但结构紧凑、小型化、集成化、易装卸，而且具有量程大、分辨率高、实时性强等特点，有着理想的应用前景。

1 基本原理

惯性测量以牛顿力学定律为基础，利用惯性测量元件（加速度传感器）测量载体相对于惯性空间的运动参数^[7]。将内部含有重力加速度传感器的船舶运动姿态测量硬件系统固定在船体上，当船体的升沉运动状态发生改变时，所对应的垂直加速度也随之变化，重力加速度传感器检测到垂直加速度的变化，并输出相应的信号量。最后，再对加速度传感器输出的信号量进行2次积分即可得到船体的升沉数据信息。

同时，在将船舶运动姿态测量硬件系统固定在船体上时，必须保证波高倾斜一体化传感器的Y轴与船舶的首尾线方向一致，这样它的X轴就与船舶的左右舷方向一致。当船体运动的倾斜姿态发生变化时，波高倾斜一体化传感器中内含的双轴倾角传感器能输出分别反映船舶纵摇和横摇的姿态信息信号量，经过姿态解算便可得到船舶的纵摇和横摇的数据信息。

2 技术指标

表1所示为船舶运动姿态测量系统的技术指标。

3 系统硬件设计 3.1 系统框架

船舶运动姿态测量系统基于MEMS的波高倾斜一体化传感器技术、嵌入式技术和C++面向对象程序设计技术等来实现系统功能。如图1所示，主要由波高倾斜一体化传感器模块、信息采集模块、微控制器模块、存储显示模块等组成。其中，波高倾斜一体化传感器模块由基于MEMS技术的加速度传感器和双轴倾角传感器等组成，信息采集模块由放大电路、滤波电路、二次积分电路和A/D转换电路等组成，微控制器模块由微控制器及其外围硬件设备等组成，存储显示模块由PC机数据接收处理软件等组成。

3.2 加速度传感

采用定制加速度传感器，它是基于MEMS技术的加速度传感器，具有信号处理与温度补偿功能，性能优异。其供电电源为8～32 V，输出为0.5～4.5 V，精确度为0.5%，工作温度范围为–40 ℃～+125 ℃。该传感器适用于物体低频运动监控，是船舶升沉运动测量的极佳选择。

3.3 双轴倾角传感器

双轴倾角传感器选用定制型双轴倾角传感器，该传感器设计以高稳定硅MEMS电容式倾斜传感器元件为中心平台，能提供适宜的分辨率，较高的精度和较快的响应速度，并且信号完全由较高的模拟电平输出。其供电电源为6～30 V，测量角度范围为–75 ℃～+75°，角分辨率0.05° rms，工作温度范围为–40 ℃～+105 ℃。因此使用定制型双轴倾角传感器来测量船舶的纵摇、横摇非常简便实用。

3.4 系统工作流程图

船舶运动姿态测量系统工作流程如图2所示。

1）首先船舶运动姿态测量系统进行初始化。

2）将采集到的纵摇横摇信号量进行硬件放大和滤波，同时将采集到的升沉信息进行放大、二次积分和滤波处理。

3）由单片机控制A/D转换器的采样间隔，将采集到的模拟量转换成数字量。

4）将纵摇、横摇和升沉位移的数字量信息分别进行数字滤波和相应计算。

5）将计算后得到的纵摇横摇和升沉位移数据由串口发送到PC机数据接收处理软件。

3.5 系统硬件实物图

如图3所示，整个船舶运动姿态测量系统放置在一个高230 mm、直径190 mm的钢质圆柱体中，仪器总重量为8 kg。钢质圆柱体的下方有安装孔方便安装固定在船体上，圆柱体上面有提手方便携带，同时配有一根带水密插头的四芯屏蔽电缆，经钢质圆柱体上方引出将得到的数据送入PC机数据接收处理软件中进行实时显示、存储与分析。

4 数据接收处理软件设计

船舶运动姿态测量系统的数据接收处理软件采用Visual C++2010开发，Visual C++2010的界面设计优秀、数据处理功能强大可以高效的进行Windows应用程序开发。数据接收处理软件主要负责将系统采集的船舶升沉数据、船舶纵摇数据和船舶横摇数据实时显示、存储与分析等。具体的软件流程如图4所示。

数据接收处理软件开发时，首先基于VC++创建一个对话框的工程，使用Visual C++2010提供的MSComm控件来实现串行通信功能，这样就不用花费大量时间去学习复杂的API函数，自己编写串口通信程序。因此使用MSComm控件来实现串行通信，在编程时非常方便和高效^[8-10]。

如图5所示，数据接收处理软件采用图形化界面设计便于用户对船舶运动数据的观察与分析。通过自定义绘图类实现船舶升沉数据曲线、船舶纵摇数据曲线和船舶横摇数据曲线的绘制。使用自定义绘图类实现数据曲线的绘制相比使用诸如TeeChart 、ProEssentials等绘图控件绘制更加的灵活与方便。需要注意的是由于使用自定义绘图类实现数据曲线的绘制和MSComm控件的事件驱动方式实现串口通信，每当串口发生事件时，MSComm控件将激发OnComm事件，由应用程序响应OnComm事件进行数据的处理与绘图曲线数据的送显，绘图曲线数据送显时一定要及时将串口接收缓冲区的数据处理后全部送显，不然会出现明显的数据曲线延迟现象。

当用户选择存储数据时，数据接收处理软件就会将数据存储到以存储起始时刻命名的txt文本文件中。这样用户就可以使用数据接收处理软件对得到的船舶升沉数据进行功率谱分析^[11]，并且还可以对历史数据进行回放显示等。

5 系统测试 5.1 升沉运动测试

在实验室的船舶升沉运动模拟旋转测试平台上对该系统的相对升沉位移数据进行了一系列的对比测试。如图6所示，是船舶运动姿态测量系统在0.8 m相对升沉位移测试时，由上位机软件所绘制的图像。经过一系列的测试，得到的测试结果表明：船舶运动姿态测量系统满足相对升沉测量范围和相对升沉测量精度等系统测量指标，从而完成船舶运动姿态测量系统的升沉运动测试。

5.2 纵倾倾角与横倾倾角测试

在实验室的倾斜测试台上分别对船舶运动姿态测量系统的纵倾倾角（纵摇）和横倾倾角（横摇）进行一系列的对比测试。如图7所示，是船舶运动姿态测量系统在5°横倾倾角（横摇）测试时，由上位机软件所绘制的图像。在测试时，首先将船舶运动姿态测量系统放置在水平测试台上，并使波高倾斜一体化传感器的一个轴与测试台的倾斜测试方向一致，规定这个轴为X轴即测试时输出的角度为横倾倾角（横摇）。然后，测试台每倾斜1°记录此时系统输出的横摇数据，每次测试测试台分别从0°倾斜到20°和从0°倾斜到–20°，记录下40个数据。这样的测试共进行5次，将5次的测试结果取平均值作为最后的测试结果。同样的完成对波高倾斜一体化传感器的Y轴即测试时输出的角度为纵倾倾角（纵摇）的测试。

表1和表2分别为横倾倾角（横摇）和纵倾倾角（纵摇）的部分测试结果。可以看出，使用船舶运动姿态测量系统测出来的斜面倾角与测试台的标准斜面倾角基本吻合，满足横倾倾角（横摇）和纵倾倾角（纵摇）测量范围及横倾倾角（横摇）和纵倾倾角（纵摇）测量精度等系统测量指标。从而完成船舶运动姿态测量系统的横倾倾角（横摇）与纵倾倾角（纵摇）测试。

5.3 海上试验

图8所示为船舶运动姿态测量系统在海上某试验装置实测的部分数据。该试验为期3个月，对船舶运动姿态测量系统进行连续不间断测试。经海上试验测试船舶运动姿态测量系统性能稳定，各项技术指标均满足设计要求。

6 结　语

基于MEMS技术的波高倾斜一体化传感器的船舶运动姿态测量系统，其结构具有小型化、集成化、易装卸等特点，而且其还具有生产成本低、适用范围广等特点。由于对波高倾斜一体化传感器中内含的加速度传感器和双轴倾角传感器采集的信号进行了有效的硬件滤波和软件滤波，使系统的抗干扰性大大提高。船舶运动姿态测量系统的数据接收处理软件采用图形化的操控显示界面，使操作变得简便，同时采用面向对象的编程思想，既提高了编程效率，又极大地方便软件的升级与维护。

　　船舶运动姿态测量系统的测试结果显示：系统具有较好的实时性与准确性，并具有较强的抗干扰性，具有理想的应用前景。