论文部分内容阅读
水路航运自古以来一直是一种十分重要的运输方式，目前随着船舶数量的日益增加，船舶航行时发生危险的概率也在增加。传统的航标灯和导航方法由于存在设备条件和环境条件的限制，夜间时在港口等地方无法为船舶提供精细的航道导引功能，目前人们需要一种新型的水面导航系统在夜间对船舶进行更精确的导航。 本论文提出了一种新颖的水面视觉导航方法。该方法通过放置在船舶目的地处的导航系统照射目标水面，利用导航系统中不同颜色的灯光对水域进行分区，船舶通过所观察到的灯光颜色信息确定目前相对于目的地的方向和位置，并以此确定正确的航向，准确而高效地驶向目的地。本论文设计了两种LED二次光学系统和一种闪烁控制电路来实现灯光导航方法。两种光学系统分别为基于抛物面反射镜和基于矩形集光器的光学系统。通过光学软件进行仿真，两种光学系统均可以照射出矩形光斑，在2000m处的发散角为5.72°，仿真结果符合导航方法的需求。闪烁控制电路利用单片机和DAC芯片及运算放大器实现方波直流电压输出，通过LED驱动电源实现光源的闪烁调制。 根据所设计的两种光学系统，本课题分别制作出了样机，并对样机进行了近距离照射实验测量样机性能。通过实验发现基于抛物面反射镜的光学系统虽然可以实现矩形光斑，但由于其发散角随着距离增大而增大，且体积和重量较大，故不适合用于设计的导航系统中。最终选用基于矩形集光器的光学系统应用在LED水面视觉导航系统中。 本课题对基于矩形集光器的光学系统样机进行了路面和水面两次实验，路面实验现象证明了该光学系统的光束发散角不随距离变化，且不同颜色光斑清晰可辨。水面实验上通过摄像机和GPS设备记录实验现象，证明了由三组该光学系统组成的视觉导航系统可以对照射的目标水域进行分区，且对照射区域内的船舶驶向目的地有很好的导引效果。实验结果证明了视觉导航方法的可行性和LED水面视觉导航系统的实用性。