基于姿态传感器的船舶真风观测系统研制

作     者：王君悦 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘寿生

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 082402[工学-轮机工程] 0802[工学-机械工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：风速风向 多传感器 船载观测 RT-Thread 实时测量 

摘      要：海面风向、风速数据的准确性很大程度上决定了船舶航行过程的安全,也是各种海洋作业的基础,对于气象观测、船舶操纵、预防灾害等具有重要意义。但通常情况下,海上航行的船舶在测风的过程中,由于船舶自身的摇摆所造成的空间运动和航行所导致的各项误差,会造成最终真实风速风向数据测量的不准确。为解决现有的志愿船船舶真风测量不够精确的问题,本文对船舶运动补偿方法以及船舶真风测量方法进行研究,提出一种基于姿态传感器的船舶运动补偿真风观测系统,具体内容如下:首先,分析船舶相对风、航行风、真风的矢量计算和基于旋转矩阵的船舶运动姿态补偿算法,得出影响真风测量的因素主要有风向、风速、航速、航向、横摇角、纵摇角、艏摇角。对系统的功能进行剖析,具体包括真风相关基础数据的采集以及对采集到的基础数据进行处理,在此基础上,确定观测系统的框架,具体分为舱外、舱内两部分:以STM32单片机为主控核心,RT-Thread国产实时操作系统为基础,辅以各种采集传感器的舱外部分,以及搭载了船舶真风观测系统数据接收与处理功能的上位机舱内部分。其次,进行相关的硬件选型并进行电路设计以满足真风解算所需要各项数据的采集。运用三维风速风向传感器WindMaster测量实时风速风向,六轴姿态传感器MPU6050扩展磁力计并配合GPS分别测出船舶在航行过程中的空间姿态角变化和船舶的航速、航向,并对各器件的电路部分进行合理的设计。为更好地实现数据传输,选用LORA模块通过协议进行数据打包传输。然后,为了实时采集相应数据完成传输,以进一步进行真风的解算工作,设计并编写上位机软件以及基于RT-Thread的船舶真风观测系统软件。对于船舶真风观测系统,在硬件层面上首先需要进行初始化、硬件驱动设计。配置线程的优先级以及时间片等,以实现多线程任务之间的实时与同步;舱内上位机部分的设计,需具备无线数据接收与解包、实时显示、真风解算、曲线对比的功能。最后,对船舶真风观测系统进行系统功能性的测试、真风模拟实验及实地实验。功能性的测试确保船舶真风观测系统运行正常,无线通信稳定,各传感器采集数据准确。真风模拟实验分别验证船舶相对风、航行风、真风的矢量计算和基于旋转矩阵的船舶运动姿态补偿算法的准确性和可靠性。分别在海洋实验站与实船上进行实地实验,实验结果表明,实地实验得到了相对准确的风速风向数据,一定程度上改善了船舶运动对真风观测的影响。