用于監(jiān)測船舶穩(wěn)定性的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于監(jiān)測船舶穩(wěn)定性的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013 年 5 月 13 日提交的題為“System and Method f or MonitoringStability of a Vessel” 的美國臨時申請 No. 61/822，765 在美國 35 U. S. C § 119(e)下的權(quán)益，所述申請以引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及用于測量和監(jiān)測海上船舶穩(wěn)定性的方法和裝置的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0004]穩(wěn)定性是船舶向一個方向或另一個方向旋轉(zhuǎn)以矯正自身或者倒頭的傾向。維持海上船舶的穩(wěn)定性對于避免船舶傾覆是至關(guān)重要的。在船舶失去穩(wěn)定性并且因此失去矯正自身的能力時，傾覆可能發(fā)生。船舶的穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)測量值是其定傾中心高度或者GM值，所述定傾中心高度或者GM值被限定為船舶的重心G和其定傾中心Μ之間的距離。安全規(guī)則需要最低的定傾中心高度。對于橫向的搖擺運(yùn)動和縱向的俯仰運(yùn)動，GM被分別地計算。
[0005]船舶的橫搖具有固有頻率，所述固有頻率類似鐘擺由物塊的尺寸以及通過其該物塊被懸掛在引力場中的擺動臂的長度來確定。GM基本上是那個擺動臂的長度?？筛鶕?jù)GM以及船舶環(huán)繞通過重心的縱軸的回轉(zhuǎn)半徑計算搖動的周期。
[0006]船舶的定傾中心Μ在很大程度上被船舶的結(jié)構(gòu)固定。這由船舶的慣性阻力和船舶的體積之間的比率確定?？捎上率?、根據(jù)ΚΜ計算從龍骨Κ到定傾中心Μ之間的垂直距離：
[0007]KM = ΚΒ+ΒΜ
[0008]BM = I/V
[0009]其中ΚΒ是從龍骨Κ到浮力中心Β的距離，所述浮力中心Β是船體排水的水的體積的中心，ΒΜ是從浮力中心Β到定傾中心Μ的距離，I是以米為單位的水線面的面積二階矩的四次方，并且V是以立方米為單位的排水的體積。
[0010]船舶的重心G的位置取決于如船員和貨物負(fù)載和移動、燃油消耗量、船舶外部上結(jié)冰、水的吸收等的許多因素而變化。G的位置變化改變船舶的GM值并且因此改變所述船舶的穩(wěn)定性。如果G移動至高于定傾中心Μ的點(diǎn)，GM變成負(fù)值并且船將不校正自身并處于傾覆的危險之中。因?yàn)镚M可由于移動的船員和貨物、燃油消耗量、結(jié)冰等等持續(xù)變化，出于安全原因，考慮船舶中的燃料和貨物的重量和分布，持續(xù)監(jiān)測和重新計算GM是重要的。
[0011]能夠持續(xù)計算船舶的GM的儀器在美國專利No. 1，860, 345中描述。在那個專利中示出的裝置包括用于通過確定陀螺儀的軸承上的最大力來測量船舶的最大搖動速率的陀螺儀、以及用于測量船舶的最大搖動角的擺。所述設(shè)備在機(jī)械上是復(fù)雜的，并且只有在仔細(xì)校準(zhǔn)的情況下才能有效工作。美國專利No. 2，341，563公開用于確定船的定傾中心高度的包括擺的機(jī)電式設(shè)備。美國專利No. 3，982，424也公開用于確定船的定傾中心高度的包括包含懸錘精密陀螺儀的搖動傳感器的機(jī)電式設(shè)備。這些系統(tǒng)對于自動監(jiān)測和報警不是自動的。
[0012]美國專利No. 4，549，267和No. 4，647，928公開用于海上船舶的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定性系統(tǒng)。前述自動化系統(tǒng)趨于適合于大型遠(yuǎn)洋船舶并且是復(fù)雜且昂貴的。更小的船也需要穩(wěn)定性系統(tǒng)的安全性，所以存在對可在如漁船的小型船舶上實(shí)現(xiàn)的廉價且簡單的系統(tǒng)的需要。
[0013]相關(guān)技術(shù)的前述實(shí)例和與此相關(guān)的局限性旨在為說明性的且非排他性的。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，通過閱讀說明書和研究附圖，將清楚了解相關(guān)技術(shù)的其他限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]結(jié)合示例性和說明性而非限制范圍的系統(tǒng)、工具和方法來描述和說明下面的實(shí)施方式及其各個方面。在各種實(shí)施方式中，上文描述的問題中的一個或多個已經(jīng)被減少或消除，而其他的實(shí)施方式涉及其他的改進(jìn)。
[0015]所述實(shí)施方式因此提供準(zhǔn)確但足夠簡單以在如漁船的小型船舶上實(shí)現(xiàn)的自動化穩(wěn)定性系統(tǒng)。它通過結(jié)合數(shù)字磁力計、數(shù)字加速度計和數(shù)字陀螺儀的測量值來提供這些。此夕卜，可提供GPS以提供時間和速度修正。
[0016]除上文描述的示例性方面和實(shí)施方式外，其他方面和實(shí)施方式通過參考附圖及研究以下詳述將變得清楚。
【附圖說明】
[0017]在附圖的參照的圖示中說明示例性實(shí)施方式。本文公開的實(shí)施方式和各個圖旨在被視為說明性的而非限制性的。
[0018]圖1為設(shè)置有本發(fā)明的系統(tǒng)的船舶的示意圖。
[0019]圖2為示出用于搖動測試和動態(tài)穩(wěn)定性監(jiān)測的自相關(guān)的過程的流程圖。
[0020]圖3為示出使用用于搖動測試和動態(tài)穩(wěn)定性監(jiān)測的Welch法的快速傅里葉變換過程的流程圖。
[0021]圖4為示出用于平均斜度實(shí)驗(yàn)?zāi)_本的過程的流程圖。
[0022]圖5為示出用于最大搖動角值的過程的流程圖。
[0023]圖6為示出用于根據(jù)搖動周期來計算GM(定傾中心高度)的過程的流程圖。
[0024]圖7為示出用于電源管理過程的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]在下述整個描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)，以向本領(lǐng)域技術(shù)人員提供透徹了解。然而，可能沒有示出或詳細(xì)描述眾所周知的元件，以免不必要地使本公開變得模糊。因此，本描述和附圖應(yīng)視為說明性的，而非限制性的。
[0026]所述實(shí)施方式可包含便攜式計算設(shè)備，以將物流船舶信息同步至聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)?？商峁┦褂脽o線網(wǎng)絡(luò)的嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)、蜂窩以及衛(wèi)星RF通信的組合。這些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)允許自動交換關(guān)于船舶、貨物和環(huán)境情況的數(shù)據(jù)。
[0027]參看圖1，漂浮在帶有吃水線14的水體12上的船舶10具有船體16、龍骨K、重心G、定傾中心Μ和浮力中心B。主傳感器是提供慣性測量的慣性測量單元（頂1])20。全球定位系統(tǒng)/全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GPS/GNSS)接收器24提供定位數(shù)據(jù)。多個附加傳感器設(shè)備26可被提供用于感測/提供關(guān)于燃料、壓載物和貨物穩(wěn)定性的附加信息，并且處理器28實(shí)施所述系統(tǒng)需要的計算。處理器28具有數(shù)據(jù)存儲器30。也可提供可視或可聽的報警器（未示出）。
[0028]IMU 20優(yōu)選是10D0F頂U(kuò)，所述10D0F頂U(kuò)包含四個集成多軸傳感器：1)三軸數(shù)字加速度計、?)三軸數(shù)字陀螺儀、iii)三軸數(shù)字磁力計和iv)大氣壓傳感器。這提供10度的慣性測量。在這些設(shè)備中使用的一些典型芯片組為：ADXL345數(shù)據(jù)表；L3G4200D數(shù)據(jù)表；HMC5883L數(shù)據(jù)表和BMP085數(shù)據(jù)表。符合形狀因數(shù)并在它們的芯片組中使用這些或類似的芯片的任意10D0F傳感器將在所述系統(tǒng)中起作用。
[0029]處理器28優(yōu)選是具有至少64M RAM或更多的cpu。GPS/GNSS設(shè)備24優(yōu)選為包括集成芯片天線的用于提供獨(dú)立定位的u-blox? GPS/GNSS天線模塊。帶有嵌入式GPS天線的u-blox UP501 GPS接收器模塊啟用導(dǎo)航和位置數(shù)據(jù)。GPS數(shù)據(jù)也用于提供數(shù)據(jù)上的密封且自主的時間戳。這被用于安全性和正當(dāng)性并且防止篡改。
[0030]為了將傳感器信息傳達(dá)至處理器28，使用電池驅(qū)動的無線智能路由器22。這可以是帶有合適的規(guī)格和兼容性的任意智能USB路由器。優(yōu)選的是Comfast :具有50m-200m無線范圍和USB接口的CF-WU710N。智能路由器22還可將本地移動設(shè)備或計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接至全球監(jiān)測系統(tǒng)。用于感測/提供關(guān)于燃料、壓載物和貨物穩(wěn)定性的附加信息的設(shè)備26可包括雷達(dá)傳感器以及用于測量溫度、濕度、應(yīng)變力和背景輻射水平的其他的由用戶限定的變換器。
[0031]來自所述傳感器的數(shù)據(jù)輸入因此包括：GPS位置記錄、慣性運(yùn)動、溫度、濕度、應(yīng)變力和背景輻射水平。映射系統(tǒng)可自動聚集多個船舶的傳感器數(shù)據(jù)和導(dǎo)航歷史。此外，此類系統(tǒng)可被獨(dú)立使用或者與自動式導(dǎo)航或警報通知系統(tǒng)結(jié)合使用。
[0032]船舶的監(jiān)督監(jiān)測系統(tǒng)可訂閱遠(yuǎn)程服務(wù)結(jié)構(gòu)，以在操作中更新、擴(kuò)展和/或修改所述設(shè)備的能力。所述網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可包括商業(yè)軟件應(yīng)用、硬件供應(yīng)和用于遠(yuǎn)程位置報告的維護(hù)資產(chǎn)管理。
[0033]所述系統(tǒng)擴(kuò)展報警器的概念，以通知本地和遠(yuǎn)程的操作員異常的船舶操作和/或情況。例如，這些警報狀態(tài)可報告超過船舶的規(guī)定容量、指示操作異常，或者一般的安全警報狀態(tài)。
[0034]監(jiān)測設(shè)備可以可選地包括用于確保不間斷操作的便攜式獨(dú)立電源。所述設(shè)備還通過本地的有