起放大门感知系统论证研究

1、摘 要登陆船作为主要船艇类型，在战时担任着抢滩登陆、输送兵力物资的重任。敌方往往对登陆的口岸、沙滩予以重兵把守。传统登陆时通常是安排人员站在船首或者大舱前部进行观察，影响观察人员的安全，且仅仅依靠人为判断，信息量较少，结果不精确。本文以登陆船大门为研究对象，提出应用一套起放大门感知系统来解决目前存在的问题，研究论证了该系统的结构及具备的主要功能，为本系统的制造提供了参考依据。 关键词：登陆船；起放大门；感知系统I1绪论本文从起放大门感知系统的功能需求分析入手，从水深测量系统、离岸距离测量系统、岸边坡度测量系统、大门开闭过程状态感知系统、监控系统和备选系统等这些不同的组成部分来研究感知系统的整体

2、设计，以及它的主要的实践功能，然后由硬件到软件的构思，研究多元数据融合决策机制，从理论上探究最优操作方案的可实现性。本文通过研究，对登陆船大门加装感知系统，能够对登陆起放大门进行全方面的感知，创新性改进大门操作方式，完成登陆船大门改良的论证，能够获取更多登陆船的状态信息，实现减小误差，保证登陆的准确性，提高综合安全性能，最大程度的减少战时伤亡。另外，按照事物发展的规律，本文能够为下一步研究探索出一条思路，为后人研究及改进奠定基础。2起放大门感知系统功能需求分析图1 登陆船的登滩样式2.1国内外登陆船（舰）首门控制方案经过前人研究论证，对于登陆船而言，当小于30%船长搁滩，尾锚放下小于180米时

3、既可以保证登陆输送效果，又可以正常退滩1，如图1所示，这就是大门放下方案的重要依据。在国外，从二战开始，各国登陆船、登陆舰开始发展，20世纪六、七十年代以前，国外登陆船与我船艇部队现役登陆船较相似，而后发展出了首门对开式登陆舰、船坞登陆舰、气垫登陆舰等，种种登陆舰放下的跳板与我国陆空军船艇部队登陆船首门类似。 如图5所示，以前苏联曾经服役的“新港”级登陆舰为例，跳板外伸的一般过程时：首先将跳板完全外伸到伸出位置，将跳板的外端放下约11°，然后是跳板后端11b落入主甲板上的凹座12，最后把跳板完全搁放在海滩或浮桥上。跳板收回的一般过程是：将跳板对准中线，提升到中间位置，再将跳板后端11

4、b提出凹座12，再提起跳板使导向滚柱达到上导轨槽26b，最后将跳板收回到主甲板上的存放位置。在左右舷支架12顶上各设有一个操纵跳板运动的控制站，对跳板的收放和升降运动进行电动控制。为了帮助操纵人员对跳板的运动进行正确控制，装有目标指示系统，由灯光指示器、限位开关、中止开关、传感器和联锁开关组成。整个跳板的运动可以由一个士兵操纵控制，也曾考虑过采用全自动控制，但后来因为技术限制和成本原因放弃。(a)(b)（c）图5 新港级登陆船跳板结构美军在海军、海岸警卫队之外，陆军运输兵下属也有一支庞大的船艇舰队，其中登陆船船型主要有LCU-2000多用途登陆船、LCM-8（如图6所示）机械登陆船，其中LCM

5、系列登陆船比较简单，没有此方面的研究，而LCU系列的登陆船正在朝着信息化、智能化的方向发展，美国海岸防卫队（USCG）规定，主要船艇类型就是登陆船，35艘LCU里有31艘需要升级，完成LCU套件改装，在登陆、装卸载方面实现信息化、电子化。英国海军的LCU登陆船亦是如此，图7是其登陆状况。图6 美军服役的LCM登陆船图7 英国服役的LCU登陆船登陆状况2.2起放大门感知系统的需求性目前，登陆船登陆时艏吃水仅靠人工用竹竿进行测量，所以在此以船艇艏吃水为例，分析感知系统的需求性。根据如图8推导h=Ts-LcostanTs-Ltan l=hcot（1）式中： h涉水深度 Ts登陆船艏吃水 L首门长度

6、首门放下时与海平面的夹角 岸坡度 l涉水距离图8 登陆船的涉水深度和距离可知涉水深度取决于艏吃水、首门长度和岸边坡度。艏吃水越小，首门越长，岸坡度越陡，则涉水深度越小，涉水距离取决于涉水深度及海岸坡度。由于海岸坡度是根据战术要求选择的，我们不能改变，首门长度也已经设计好，我们也不能改变，所以希望能够减少艏吃水以减少涉水距离，这就表明精确测量艏吃水数据的重要性。并且，在战时，登陆的速度直接影响着伤亡情况，如果大门放下过早，将会提前将舱内人员、装备暴露在敌火力网之下，海水、泥沙等也会进入大舱内，对人员安全、装备的性能造成影响。如果大门放下延迟，即抵滩后大门没有放至人员装备可以登陆的位置，将会贻误战

7、机。通过对国内外登陆船、登陆舰的首门控制方案进行分析，以及登陆时相关数据的重要性可以推断在诸多因素影响着登陆时大门放下操纵方案的情况下，需要一个全方位多角度的感知系统来完善登陆操作方案以辅助登陆，达到保证部队输送的目的。3起放大门感知系统总体设计感知系统总体上由六个分系统组成，是感知数据的基础来源，本文主要是从系统的设计及选型上进行论证，以分系统具备的各项功能整合成整个感知系统所需的功能。3.1水深测量系统目前，登陆船登陆时船首部位的水深数据主要依靠人工测量，通常是通过竹竿下探估计而得。当前比较世界上使用比较普遍的水位探测技术主要使用激光、电磁波和超声波等方式机型距离的测量。下面分别就这几种技

8、术进行比较，选取最适合本感知系统的水深测量技术。 水下激光测距就是使用激光的传播原理进行相关距离的测定的，影响测量范围的主要影响因素包括发射机器的使用功率和接收机的使用效率，并且与当时的海水状况有直接的关系。现在使用激光进行距离的测定，使用的范围在60米左右，测量的准确程度在0.3米以内，不过当海水的浑浊程度比较高的时候，它的测量的精确程度是比较的差的。现在，西方国家在此方面的研究已经比较的成熟，尤其以加拿大2GRobotics设计的 ULS-100 测量机器为代表，其对于现代激光的使用水平已经非常的高。不过这款机器也存在比较大的缺陷，机器在使用过程中的能量消耗的程度比较的大，使得这款机器的使

9、用成本比较的高，对于相关配套的电器设备的配备的难度比较的大，实战使用的效果比较的差，但是它小巧的外形和良好的测量精度依然是我们进行设计所要追求的效果，具有很好的借鉴效果和一定的改进空间。目前对于水下测量的精确程度达到了厘米甚至更高的精确程度，不过它的适用范围一般在两米以内，由于工作过程中需要进行信号的接收，所以导致能量的消耗量比较的大，这就使得比较远的距离的工作难度会比较的大，因此只适合于距离比较进的场合。水下电磁波测距在工作过程中，电磁波在水中的传播过程是有产生能量递减过程的，这对电磁波在水中的传播造成了不小的麻烦。研究人员为了实现电磁波在水中的无损失或小损失的研究做了比较多的实验，对于实现

10、电磁波的有效使用具有重要的作用，使用谐变磁偶极子辐射来进行相关检测数据的传输，期望实现比较好的使用效果。不过，使用这种形式的测量方式，其最大的工作距离也不过在30米左右，并且测量的精度比较的差。使用此种方式的测量能够实现近距离的水位探测，不过在近海区域内往往会有比较多的水下电子设备，这些设备的使用会对机器造成一定的干扰，严重的会导致机器失灵。对于可能存在的测量失灵的现象，实战中所造成的后果是不可想象的，对于这些干扰的发生有使无法避免的，所以可以得出使用电磁波进行距离测量时不可取的。水下超声波测距是现在一项比较完备的使用技术，超声波具有很好的稳定性能，对于进行水下距离的测量来说是比较合适的一种手

11、段，也是现在现役装备采用它的主要原因，就目前的使用效果来看，它的测量效果还是非常的好的，测量的范围比较的大，测量的精度也比较的高。在现代科技的发展浪潮中，现代光学和数字技术得到了广泛的应用，利用回声原理进行的测距成为现在这个领域发展的重点，已经有了非常多的相关创新成果。在这些创新成果中，使用单波束的回声测距系统和使用多波束的回声测距系统等是现在比较先进的创新成果。与前者比较，多波束测深系统的测量误差的成分比较的复杂，并且不容易察觉，特别是当登录船快要进行登录的时候，这个时候海水的深度比较的浅，到这一定的测量盲区，另一方面，这种形式的测量方式使用成本比较的高，后期的维护和保养的难度比较的大，对于

12、战场环境的适应能力比较的差。多波束测距技术现在一般使用在进行大面积的扫面过程中，对于把握战场的大致情况还是比较合适的，对于测量范围比较小、要求的测量精度比较的场合不太适合。超声波测深仪进行深度测定的准确程度往往是由记录器的使用效果、超声波的幅宽、换能器的使用状况和探测区域的水域状态所决定的，其测量的精度在测量水深的0.5% 1%这个范围之间2。所以综合比较来看，采用超声波浅水测深仪作为本水深测量系统的仪器。经调查比较，如图9所示，推荐选择国内中海达公司的HD-310/370/380便携式测深仪作为船首测深的仪器。其精度高，稳定可靠，采用电子闪存，可存储50-100小时的记录图像数据，还配有US

13、B存储盘，随时可将数据导出。中海达测深仪作为我国在这个领域的最优秀成果，实现了对于这个研究难题的攻克。图9 HD-310全数字单频测深仪其主要性能指标如表1所示：表1 HD-310性能参数工作频率：高频100-750KHz（可调），低频10-50KHz（可调）最大发射功率：高频500W，低频600W测深范围：高频0.3m600m，低频0.5m2000m测深精度：±10mm+0.1%h分辨率:0.01m吃水调整范围：0.0m15m声速调整范围：13701700m/s采样速率：153600次/s（瀑布式显示）CPU：工业嵌入式高速低功耗1.6GHZ内存：工业嵌入式DDR2 1000M存储

14、：内置4GCF卡显示：高亮度12寸液晶显示屏，分辨率1024×768，600cd/平方米外接端口：两个RS-232串口、三个USB口，一个DC/AC电源接口、换能器接口供电电源：直流12V或交流220V环境：工作温度-3060，防水，防震外形规格：440mm×341mm×164mm重量：9kgHD-310/370/380各个部件的组成关系如图10所示：图10 测深仪结构其基本的原理如图11所示，信号发射器安装在船的前方，竖直向下进行信号发射，按照声速向海底进行传播，在通过反射返回到水面，这个时候信号接收机就可以进行信号的就收。传播用时为t，换能器的水下深度为D，从

15、换能器到海底的距离(水深)H按照公式进行计算为： H=12Ct+D（）图11 测深原理3.2离岸距离测量系统目前离岸距离完全依靠目测来获得数据，导致结果不精确，对此采用结合船艇定位系统和海图的形式进行离岸距离的测量，将船艇在GPS或者北斗系统中的位置与登陆地点的直线距离作为离岸距离，输入到要用到本数据的地方去。3.3岸边坡度测量系统如图12所示，探测器在船首A点对准水基线与岸交点B点发射信号，测得距离为s1，另以小角度向岸边发射信号，测得距离为s2，s1与船艇首门夹角为，大门与海平面夹角为，BC距离记为s3，船首与水面接触点为D点。图12 岸边坡度测量设计根据ABC中的三角函数列出方程： s3

16、2=s12+s22-2coss1s2可解出 s3=s12+s22-2coss1s2根据ABC中 s22=s12+s32-2coss1s2可得 cos=s12+s32-s222s1s2则=cos-1s12+s32-s222s1s2在ABD中=-则=- =+-cos-1s12+s12+s22-2coss1s2-s222s1s2 =+-cos-1s1-coss2s2（2）由此推算出的岸边坡度用于判断大门应该放下的角度的重要参考依据。3.4大门开闭程度测量系统大门放下与收起时有两个量度比较关键，一是放下与收起的速度。以271型登陆船为例，再放下大门时由于大门重力下，油缸内的油液很快通过图13中的1-进

17、回油口被压回油箱，因此，放门的速度较快。但当突然停止放门时，大门运动的惯性使钢索受到很大的冲击力，严重时可造成事故，因此应控制放大门的速度3。为此，可调整单向节流阀中的节流阀开度，从而调节放大门速度。但两节流阀开应调整一致，以防两起门油缸受力不均。在1处进行传感器的安装，对两个油缸的压力进行实时监测，并将测量到的数据传递给执行机构，是两个油缸保持一样的受力状态，避免发生意外事故。二是大门放下转过的角度，即反映大门开启到何处的量度。另外，判别大门处于放下状态还是收起状态是一个非关键量度。这三个量度可以通过一个感知系统来解决，现有两种设计。1-进回油口 2-缸体 3-柱塞 4-V形密封圈 5-压紧

18、端盖 6-滑轮架 7-滑轮图13 271型登陆船起大门机油缸结构图3.4.1利用转角传感器进行测量的设计此感知系统关键部分在于大门开启度转向角传感器，它是用来检测大门开启的转动角度和转向方向的。大门放下或者升起都会被转向角传感器检测到，从而使感知系统电控单元发出正确的指令。而首门的开启度以及启闭速度是为首门实现启闭幅度提供依据，使登陆船首门按照船艇指挥员的意图动作。如图14所示，转角传感器主要由光电耦合元件、开孔槽板等元件组成。光电耦合元件就是通过发光二极管以及光敏晶体管组成的。开有小孔的槽板放在二极管和晶体管的中间位置。开孔槽板有许多小孔。当大门运动带动转轴转动时，开孔槽板会跟随转动，能够让

19、光敏晶体管进行先关的信号编辑和对测控信号进行读取，利用倒相的放大作用以及倒相的作用以后，读取到的信号在控制板上被记录下来，被传输到发讯器进行信号的封装，同时产生脉冲信号，利用发讯器将信号翻译成一连串的脉冲信号，当进入显示器的信号被安排成一连串的并排信号，被封存在锁存器中，它的输出信号主要有两个输出路径，一条被送到翻译单元，进行转动角度的显示和控制，另一路送至零位和方向识别电路，驱动显示方向，两路并入接入感知系统，电控单元会以此信号来辨认大门的转向角度、转动方向和转速。图14 转角传感器3.4.2利用位移传感器进行测量的设计如图15所示，大门放下时大门最前端B点以大门与船体连接处O点为圆心，OA

20、长为半径作圆周运动，运动轨迹是，在A点装一个位移传感器，可以测得钢丝绳运动的长度，可以根据公式得出大门放下的转速及角度。L为钢丝绳运动的长度。图15 大门放下时的转角关系 则大门放下的角度为 =LR（3）大门放下的转速为 =dLdR（4）为正值代表大门放下，为负值代表大门收起。3.5监控系统3.5.1视频监控通过安装视频监控，主要可以实现对船艇首部的实时监控，也可以观察到整个大舱内部，尤其在登陆时的大舱人员、装备状况。监控安装在船舯位置，数据传输线沿着舱壁可接到驾驶室实现实时监控，改变以往由人员站在坦克舱首部通过对讲机汇报情况的局面。3.5.2大门紧固状态监控在高速航行过程中一旦大门因为故障突

21、然松开或者掉落，指挥台或者驾驶室通常不能发现能够及时发现，据了解，在船艇部队的登陆船也曾经发生过首门掉落却未及时发现的情况，现研究出一种可以感知大门是否紧固的报警装置。这种报警装置的基本电路原理如图16所示，把报警装置的主要部件安放在固定的舱盖上方，同时把磁性装置放置在外侧的大门上。当处于正常状态的时候，电源开关SW1处于开启状态，这个时候警报装置是处于工作状态的，整个登录船是处在备战状态的。当外侧的大门处于关闭状态的时候，在磁力作用下弹簧被吸到磁铁的下方，这时候警报器被松开，处于正常非警报状态，而当大门松开或掉落时，大门的转动带动了磁铁部件，使得报警器主机与磁铁分开，弹簧失去磁场，回到原先的

22、状态，此时两个连接点之间是断开的，能够形成警报通知，IC1接收到了警报通知以后，通过R1的电阻作用，能够在他的内部构成交变的声音信号，进入到输出端，被输送到VT1，将传输功率扩大，扩大以后的声音信号经过电感的耦合作用，变成一个较高电压的音频信号，这时蜂鸣器处于工作状态进行报警。这个装置使用比较简单，工作比较的稳定，工作的效果比较的好，适合大面积的使用。图16 大门紧固报警器电路3.6应急切换系统本系统的目的是当感知系统发生故障影响操作时，能够切换到手动模式根据传感器反馈的参数进行操作，如果传感装置处于失灵的状态，则能够进行模式的转换实现相应的作业。将图17中的6-单向节流阀替换成电子可调式节流

23、阀，将电子节流阀、电动泵、电液换向阀的接线接入执行系统，使得原有系统与感知系统形成并联状态，当感知系统故障时可以切换成手动模式。图17 271型起放大门液压系统图4起放大门感知系统多源数据融合4.1多源信息融合简介多源信息融合（multi-source information fusion)又称为多传感信息融合（multi-sensor information fusion）是20世纪70年代提出来的，军事应用是该技术诞生的起因。在现实生活中，我们在自然界中的生存就是一个多元信息融合的过程，我们不断的加强对于外部事物的认知程度就是将多种信息进行整合的过程。通过这样的信息整合，我们不断的发挥自身

24、的各种能力，充分的将听、闻、看、触的能力发挥到极致，对于自然的认知能力不断的提高，对于外界的适应能力也在不断的加强；我们的大脑通过对于外部感知信号的接收和处理实现对于自然客观规律的认知，对于理性思维的建立具有重要的作用。对于感性到理想的思维过程就是通过这种信息的不断融合而形成的。现在我们试图利用机器进行这种感觉信号的接收和处理，所以就有了这种现代化的研究学科多源信息融合。最初对于信息融合的研究主要是对一些简单数据的研究上，因此也将这种信息处理的方式成为数据的融合。我们对于传感器的研究主要停留在广义层面上，不但涵盖了传统实物层面上各式各样的传感器系统，也包含能够用于周围环境配对的各式各样的信息获

25、取的方式，以及对于人或动物的各种感觉过程。我国对于多元信息融合的研究比较的晚，对于它的认识程度还比较的的，国内对于它的一致看法也没有形成，这些主要是由于它的适用范围比较的广，但我国的行业间的理解认知的程度差异比较的大。现在国际上对于信息融合的研究认识比较高的还是美国的三军组织研究中心，这是对于信息融合研究最为权威的机构，是这个机构首次将信息融合并应用到现代化的军事建设中，对于加强信息化的建设具有重要的意义4。多传感器系统的优点有以下的一个方面：增强系统的生存能力使用多个传感器进行测量虽然造成了一定的浪费，但是对于保证测量的精度和对于环境的适应能力具有重要的作用，当我们在进行数据的收集的时候，由

26、于地理环境的原因或者所受到的外部干扰原因的作用，多个传感器能够在某几个无法实现正常工作的时候实现数据的获取；扩展空间覆盖范围多个传感器能够实现对于测定区域的扩大，各个传感器之间往往存在相互重合的区域，不过各个不同传感区域的重合，最终会扩大整体的传感面积； 扩展时间覆盖范围通过使用多个传感器，能够实现不同传感器之间的协同作业，对于各个时间段上的先关数据的获取，不同的传感器的数据获取状况不同，这就从另一个方面上扩大了探测的时间范围；提高可信度由于多个传感器的工作，对于某一个传感器出现的失误，可以通过其他传感器来进行辨别，这样就大大减小了失误的放生；降低信息的模糊度将多个传感器的数据进行统计分析，对

27、于提高测量的准确性降低信息的模糊性具有重要的作用；降低成本、减轻质量、缩小空间通过使用多个传感器，对于传感装置的选取就变得更加的便捷和多样，能够达到降低成本，减小质量和缩小使用空间的作用。通过使用信息融合进行多个方面的分析和研究，对于这些方面的探索可以得出进行多元数据分析的重要作用，对于保证测量的精度和实现现代化的作战具有重要的意义，使我们进行改进登陆船的起放大门的重要依据方法。4.2多源数据融合原理多个传感器的数据研究系统是通过增加传感器的数量，利用各个传感器的相互的协调作用，实现团体作战的优势，互补时间和空间上的不足，最终对信息进行总结决策，形成一套执行方案。单传感器的数据处理方式就是对信

28、息的单层处理过程，它的数据处理和分析的能力都比较的差，无法实现对于众多数据的综合考量和分析，没有相互对比的参考项，研究结果不具有代表性，对于偶然性事件的避免程度比较的低，对于数据的准确程度的评判依据比较的少。多传感器的数据处理能够对目标体进行比较全面的测量和分析，其中的研究结果是通过多个数据的比较得出的，具有很大的代表意义。使用多个传感器进行数据与信号的处理分析与单个传感器存在直接的差异，前者能够对大数据进行研究和处理，进行都中形式的信息处理，涵盖了数据层、特征层和决策层等，更重要的是，多源数据融合比人工数据测量和指挥更加智能化。4.3多源数据融合过程如图18所示，在系统进入正常工作状态后就开

29、始进行数据的采集以及融合计算。图18 系统工作流程数据融合过程的主要过程是数据获取、信息输送、信息的处理和得出结论这几个主要的步骤，基本可以通过图19进行表示。图19 数据融合过程因为所要测定的物体往往是形状各异的不具有电性的物体，所以应该把这些物体进行电信号的转换，并通过A/D的转换把其翻译成能够被计算机识别和处理的数字信号。通过数字化的装换以后，在外部环境的作用下，往往会受到一些干扰成分的作用，使用预处理的方式对收集到的信号进行过滤处理，从而得到最终的使用数据。对于经过了预处理的数据，进一步进行信号的获取，对具有一定特征的信号进行整合分析和运算，得到最终的输出结果 5。(l)信号的获取它的

30、获取方式比较的多，主要是对于特定状况使用各不一样的传感器来进行相应的工作，比如说前面提高的各种各样的传感器。一般是进行来获得电信号，然后通过A/D的转换以后输入到计算机中，进行相应的处理工作。(2)信号预处理在进行数据的调取的时候，检测环境的不同使得获取的数据往往会掺杂着其他一些不相关的信号。同样，通过A/D转换以后的数据往往会有一些杂音，这些对于转换过程也是一个影响因素。所以，在进行数据的处理以前，应该对输出的信号进行适当的处理，最大程度的减小噪音的干扰，保证信号的整洁程度。(3)特征提取通过获取传感器的最初数据来进行信息的获取，主要是研究对象的物理特征。4.3.1缓解液压冲击大门放下突然停止时的冲击分为两种，一种是直接冲击，一种是间接冲击。直接冲击（即t<）时，管道内压力的增大值 =c（5）间接冲击（即t>）时，管道内压力的增大值 =c t（6）式（5）和式（6）中，为液压冲击压力，Pa；c为压力冲击波在管道中的传播速度，m/s；为液体密度，kg/m2；为关闭或开启液流通道前、后管道内液流速度之差，m/s2；=2L/c为当管道长度为L时，冲击波往返所需时间，s；t为关闭或开启液流通道的时间，s6。如果不考虑粘性以及管径的变化影响，冲击波在管道内的传播速度可以按下式计算 c=E01+(E0dE)（7）式（7）中，E0为油液体积弹性模量，Pa，一般可取E0=7