便携式引航设备技术方案V300222.docx
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便携式引航设备技术方案V300222
便携式引航测距设备技术方案
一、使用需求
引航测距系统主要完成对入港船只靠岸距离的实时测量和靠岸全过程的实时摄像,并将测量数据和图像同步传输到领航员的手持电脑中,以便显示。
二、技术指标
(一)功能指标
●能够完成中距离、低速移动船舶距离的实时测量及计算
●能够完成实时图像采集
●岸基测量设备能够将实时距离测量数据与图像发送到便携式接收设备中
●领航员(位于被引航船舶)能够同步接收靠岸距离测量数据与靠岸全程图像
●设备可手动设置工作参数
●可使用电池或市电做为工作电源,同时可显示电量或剩余工作时间
(二)性能指标
1)设备
●重量(不含三脚架):
岸基测量设备小于10kg/台,领航员便携接收设备小于9kg/台
●架设时间:
小于30s
●开机启动时间:
小于10s
●工作温度:
-20~60°C
●电池工作时间:
连续工作不小于4小时,并具有电量指示
●充电时间:
小于6小时
2)测距
●最大测量距离:
小于500m
●测距精度:
距离小于100m时,精度为10cm
●测距数据更新速度:
小于1s
3)图像采集
●图像输入接口:
CVBS、HDMI、SDI
●图像分辨率:
D1标清或HD1080、720P、576、480
●摄像头及测距模块旋转角度:
方位角±90°;俯仰角-60°~90°
4)图像传输
●传输频率:
300~900MHz可选,可预设4~8个标准频率
●调制方式:
COFDM,2K
●信号带宽:
大于4MHz
●传输距离:
1000m
5)测距数据传输
●传输频率:
433.05-434.79MHz,可预设8个标准频率
●调制方式:
GFSK
●信号带宽:
1200/9600/19200/38400Bd
●传输距离:
1000m
6)显示参数
●设备整机工作状态
●工作频率或预设工作频率编号
●当前电量或剩余工作时间
●测距模块测量的船舶距离
●岸基固定架设点序号(岸基测量设备)
7)设置参数
●发射模块工作频率(岸基测量设备)
●岸基固定架设点序号
三、总体设计
(一)测距方法
在港口泊位岸边,每隔一定距离设立一个岸基固定点。
事先采用精确的测绘方法,绘出固定点到海岸的垂直标线。
如下图:
固定点之间的间隔不要求等距,按照泊位实际情况来划定;各个固定点距离海岸的垂直距离也不一定要求等长,可按照实际地理情况来设计。
岸基设备架设完成后,调整设备位置和机头方位角。
首先将设备机头俯视,再逐渐抬起机头,如果设备的红外光标始终在垂直标线上滑动,可保证激光测距仪光束垂直于岸基。
垂直标线越长,测距垂直校正的精度越高。
但标线也不能无限长,它受激光测距仪的测量距离和海岸地理环境限制。
对固定点进行编号,与其垂直标线长度进行一一对应。
测量的距离减去标线长度即为船舶距海岸实际的距离。
(二)通信设计
系统通信部由两台岸基测量设备和一台领航员便携接收设备组成。
两台岸基测量设备分别置于与船头、船尾垂直的岸基上,领航员便携接收设备由领航员携行到被引航船只上使用。
岸基测量设备与领航员便携接收设备工作距离最小为1000m。
每台岸基测量设备发送图像与距离测量数据,分别采用不同的信道。
其中图像数据采用COFDM调制方式,带宽为2M~6MBd,RF在300~900MHz任意选择,但要求与距离测量数据及其它岸基测量设备的工作频率避开。
距离测量数据的发送采用GFSK调制方式,波特率为1200/9600/19200/38400bps可选,选用433MHz的ISM频率,也要求与其它岸基测量设备的数据通道避开。
领航员便携接收设备需要完成同时4个通道的接收,包括两个图像通道与两个数据通道的接收。
四、系统组成
系统由三部分组成,包括架设在港口岸基的两台岸基测量设备和领航员便携接收设备。
其中两台岸基测量设备内部组成完全相同。
系统如下图所示:
(一)岸基测量设备
岸基测量设备内部集成有摄像头、测距模块、发射模块、数传模块、控制显示模块。
设备内部原理构成如下:
控制模块完成对图像发射模块、数传模块工作频率的设置,以及完成岸基固定点编号的设置。
同时将测量的船舶距海岸的距离、岸基编号进行封装编码后传输到数传模块。
摄像头与测距仪始终具有相同的指向,在测量船头船尾的距离时,能够实时观察相关情况。
摄像头为D1标清格式,采用CVBS接口与发射模块连接。
图像发射模块工作频段为300MHz~900MHz,为方便操作,设定了4~8个预置频率,供用户按键选择。
也可手动设置其它频率,但一定保证领航员便携接收设备采用相同频率,并与同时工作的其它设备及数传模块工作频率区别开来。
测距模块完成对靠岸船舶距离的测量。
测距数据通过RS-232接口传输到控制模块,经控制模块编码打包或结合陀螺仪角度数据计算后(如果安装有陀螺仪),传送到低速数传模块。
图像发射模块和数传模块的RF经合路输出到同一个天线发射。
低速数传模块的RF采用433MHz的ISM频率(433.05-434.79MHz,中心频率为433.92MHz),共有8个频道,不需要专门申请。
下图为数传模块示意图:
其具体指标如下:
●有效无线传输距离:
大于1000米
●工作频率:
ISM开放频段433MHz
●直流12V供电,平均工作电流小于50mA
●体积:
115×74×60mm,E型导轨卡槽安装
●通信接口:
RS232/RS485,1200/9600/19200/38400bps
●支持标准串口协议
电源采用锂电池,要求连续工作时间不小于4小时。
设备内部设计有充电模块。
充电模块不仅完成对锂电池的充电,并可为整机设备供电。
电池具有电量自动检测功能,能够告知主机剩余电量。
锂电池指标如下:
●容量:
6600mA
●工作电压:
12v
●体积:
19.5*71*165mm。
(二)领航员便携接收设备
领航员便携接收设备完成对4个信道数据的实时接收,并将数据转换为USB接口和网络接口输出,供电脑显示。
其构成框图如下:
接收到的RF信号经分路后,分别送到4个接收模块进行相关数据解调译码。
恢复的两路图像数据经合路后,采用USB2.0接口输出,测量数据采用网络接口输出。
合路数据包含同步帧头和信道标示,可方便用户进行显示的二次开发。
控制模块完成对4个信道的频率设置,同时显示电源电量。
电源模块完成对设备供电,具体设计同上。
五、结构设计
设备为便携式架构,体积小、重量轻,方便移动与运输。
使用折叠式三脚架作为支撑和固定,也可直接置于地面工作。
设备未使用时,固定于特制的包装箱内。
包装箱上安装有便携把手,方便操作者搬运。
包装箱上也设计有充电接口,在开箱与不开箱的情况下设备均可进行充电。
打开包装箱后,操作者可在30s内完成设备安装。
设备底部采用三脚架固定,架设于岸基指定位置。
岸基测量设备与领航员便携接收设备采用相同的主机结构设计。
岸基测量设备内需要安装摄像头和测距模块,增加了一个绿色机头。
岸基测量设备架设后的示意图如下(不含天线):
其中主机部分主要安装了设备的电路模块。
岸基测量设备的主机包括有:
图像发射模块、数传模块,控制显示模块、合路器、电源模块。
领航员便携接收设备的主机包括分路器、两个图像接收模块、两个数传模块、两个合路模块、控制显示模块和电源。
吸盘天线直接置于主机顶上
岸基测量设备增加的机头部分,安装有摄像头与测距模块。
下图为设备结构效果图。
主机红色部分为电源开关键和电源指示灯。
触摸屏完成对设备的整机控制和参数显示;这一部分也可采用液晶显示和普通按键设置。
六、项目周期及预算
(一)项目周期
项目确定后,完成周期为两个半月(75天),具体计划如下:
序号
完成工作
时间(天)
1
物资采购
18
2
结构设计、加工
控制软件设计
30
3
设备安装、调试
10
4
功能、性能测试
10
5
环境试验
7
75
(二)经费预算
略
七、设备实施方案及模块选型
(一)岸基测量设备
设备电气实施框图
1、天线发射模块及其控制模块、功放、COFDM天线可由发射模块供应商统一提供。
由于COFDM发射模块需要加功放模块,而功放模块有中心频率及带宽限制,所以图像发射的RF不可能任意选择。
带宽一般为RF的10%,所以一台岸基设备的发射频率一般只能在30MHz以内选择。
可以考虑将COFDM发射的频率控制在433MHz左右,这样数传模块的发射可以与图像发射的RF合路到一个天线发射。
从外形上简化设计。
所以在结构设计时,内部要考虑功分器的位置,同时外部接口需要考虑两个RF接口。
但这样,会增加系统设计复杂度和难度,功分器的引入会增加成本。
2、标清摄像头采用SDI或HDSDI接口
3、测距模块采用RS232接口控制,由主机发出查询信息后得到反馈。
响应时间一般为0.1s,232接口速率为9600bps
4、数传模块及其控制模块、数传天线由同一厂家提供。
数传模块输入为SPI接口,输出为SMA射频接口。
数传模块及其控制可能内部未考虑信道编码,需要在单片机中自行开发。
5、电源
电源使用情况:
模块
电压(V)
功耗
摄像头
12V
图像发射模块、控制、功放
12V
测距模块
12V
数传模块、控制
3.3
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