一种船舶实时姿态感知系统技术方案

本发明专利技术公开了一种船舶实时姿态感知系统，包括倾斜角度传感器、数据采集模块、数据分析模块和船舶姿态感知模块；所述倾斜角度传感器由高分子材料管、金属电极、导线和液体构成；所述高分子材料管、金属电极和液体组成基于液固接触起电的摩擦纳米发电机。本发明专利技术通过对船舶的横、纵倾角进行实时的监测，能够获得某一时刻倾斜角度传感的倾斜角度，进而通过数据采集模块、数据分析模块实现对船舶姿态的实时监测。该倾斜角度传感不需要外加电源，能够实现自驱动，解决了倾斜角度传感的供电问题。本发明专利技术的倾斜角度传感，是一种在传感部件处能够实现自驱动的信号发生装置，为实现船舶物联网以及大数据的发展，提供了关键技术解决方案。

A Real-time Attitude Sensing System for Ships

The invention discloses a real-time attitude sensing system for ships, which includes a tilt angle sensor, a data acquisition module, a data analysis module and a ship attitude sensing module; the tilt angle sensor consists of a polymer material tube, a metal electrode, a wire and a liquid; the polymer material tube, a metal electrode and a liquid constitute a friction nano-generator based on liquid-solid contact electrification. \u3002 By real-time monitoring of the ship's horizontal and longitudinal inclination angles, the tilt angle can be obtained at a certain time, and then the real-time monitoring of the ship's attitude can be realized through data acquisition module and data analysis module. The tilt angle sensor does not need additional power supply, and can realize self-driving, which solves the power supply problem of tilt angle sensor. The tilt angle sensor of the present invention is a self-driving signal generator at the sensing component, and provides a key technical solution for the development of the ship Internet of Things and large data.

【技术实现步骤摘要】
一种船舶实时姿态感知系统
本专利技术涉及船舶姿态感知领域，尤其涉及一种船舶实时姿态感知系统。
技术介绍
船舶在海浪中航行受到海浪、海风等环境因素干扰，不可避免的产生摇摆，尤其在恶劣的海况条件下，对舰船的停泊、航行造成很大的安全隐患。如果能对船舶的运动姿态或运动趋势进行实时监测感知，对于船舶操纵、控制和船舶其他一些功能具有重要意义。因此，船舶姿态的监控对船舶航行安全保障起着非常重要的作用。船舶姿态感知系统需要配合使用大量传感器，目前市场上的传感器均需要用电供能，无法实现自驱动。这对于船舶上布置大量传感器的情况，具有增加船舶功耗、布置供电线路困难等缺点。如中国专利CN201621016138.1公开的“一种船舶姿态3D实时监测系统”，该系统包括传感器、测控柜、交换机、2D计算机模块和3D计算机模块，测控柜内安装有信号采集模块和用于给该监测系统供电的UPS电源，传感器和信号采集模块通过信号线连接，信号采集模块和交换机通过网络线连接，交换机和2D计算机模块、3D计算机模块通过网络线连接。该监测系统同时拥有2D计算机模块和3D计算机模块，两种计算机模块既相互独立又相互冗余，可以在船舶的不同位置同时显示船舶实时姿态的2D和动态3D图形，增强了监测系统的可靠性，降低了操作人员的工作难度，提高了工作效率。但该监测系统的传感器需要外接电源，具有无法实现自驱动的缺点。
技术实现思路
为解决现有技术存在的上述问题，本专利技术要设计一种船舶实时姿态感知系统，该系统能够感知船舶横倾、纵倾的实时角度，并且传感器部分无需外部电源，能够实现自驱动；降低船舶功耗的同时，解决传感器的供电问题。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种船舶实时姿态感知系统，包括倾斜角度传感器、数据采集模块、数据分析模块和船舶姿态感知模块；所述倾斜角度传感器由高分子材料管、金属电极、导线和液体构成；所述高分子材料管、金属电极和液体组成基于液固接触起电的摩擦纳米发电机；所述高分子材料管为U型管，所述U型管两侧的竖直部分贴有多段金属电极；所述U型管两侧的多段电极呈对称分布；所述高分子材料管内具有超疏水性的微纳结构层，具有自清洁的功能；所述高分子材料管开口处设置防水透气膜；所述高分子材料管中密封有液体；所述防水透气膜能够密封U型管内部液体，但允许气体进出；所述金属电极围绕高分子材料管一周并紧贴于高分子材料管的外表面；所述倾斜角度传感器固定安装在船舶内部；所述倾斜角度传感器沿船舶横倾方向和纵倾方向分别安装；所述倾斜角度传感器水平安装在船舶平台上；所述数据采集模块采集倾斜角度传感器的数据，将其传入数据分析模块，经数据分析模块分析后，船舶姿态感知模块将船舶姿态实时显示在显示界面上。进一步地，所述倾斜角度传感器的多段金属电极之间留有空隙。所述多段金属电极宽度相同，相邻金属电极之间的空隙宽度相同。进一步地，所述倾斜角度传感器的金属电极的材料包括金、银、铂、铝、镍、铜、钦或铬，或者为含有金、银、铂、铝、镍、铜、钦和铬的一种或多种的合金材料。进一步地，所述倾斜角度传感器的金属电极的材料也可以替代为石墨、导电氧化物或导电高分子中的一种或一种以上材料。进一步地，所述倾斜角度传感器的多段金属电极分别与导线相连，所述倾斜角度传感器的U型管同侧电极相连的导线连接到一起。进一步地，所述倾斜角度传感器的高分子材料包括聚四氟乙烯、氟乙烯丙烯共聚物、聚全氟乙丙烯、四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚酞亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或苯胺甲醛树脂代替。进一步地，所述倾斜角度传感器的微纳结构层包括纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和或微米球状结构，或者由纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和或微米球状结构形成的阵列。进一步地，所述倾斜角度传感器的液体为水、去离子水、水溶液、甲酸、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙酸、二甲基亚砜、二甲基甲酞胺、乙睛、丙酮、己烷、苯、甲苯、二乙醚、氯仿、乙酸乙酯、四氢呋喃或二氯甲烷。进一步地，所述倾斜角度传感器的高分子材料管横截面为圆形、方形或异形。进一步地，所述防水透气膜只允许空气透过，不允许内部液体流过或蒸发。进一步地，所述内部液体无气泡。进一步地，所述船舶姿态感知系统的工作方法，包括以下步骤：A、数据采集模块采集倾斜角度传感器的数据，将数据传给数据分析模块；数据分析模块分别对某一时刻信号的波形进行分析，得出此刻U型管内部的液位，进而进行分析U型管的倾斜姿态；所述U型管内部的液位即ΔH值，倾斜角度由计算公式α＝arctan(2ΔH/L)得出，根据倾斜角度传感器不同时刻的ΔH值，得出实时的倾斜角度α；B、数据分析模块通过对横倾、纵倾方向上的U型管倾斜姿态进行综合分析，得到某一时刻船舶在大洋中的横倾角和纵倾角，进而模拟出船舶在这一时刻的姿态。C、船舶姿态感知模块将上述过程中分析出来的船舶姿态信息通过可视化界面，在驾驶舱、集控室、船员生活区的PC端实时显示，实现船舶姿态从数据采集、分析到可视化的进程。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术通过对船舶的横、纵倾角进行实时的监测，能够获得某一时刻倾斜角度传感的倾斜角度，进而通过数据采集模块、数据分析模块实现对船舶姿态的实时监测。该倾斜角度传感不需要外加电源，能够实现自驱动，解决了倾斜角度传感的供电问题。2、本专利技术通过聚四氟乙烯等高分子材料、液体、金属电极组成基于液固接触起电的摩擦纳米发电机，应用于倾斜角度传感，是一种在传感部件处能够实现自驱动的信号发生装置，在倾斜角度传感处无需外加电源，信号输出明显且稳定，是一种高稳定性的倾斜角度传感器。该倾斜角度传感为实现船舶物联网以及大数据的发展，提供了关键技术解决方案。3、本专利技术可通过设计电极宽度和电极之间空隙宽度来调节倾斜角度传感器的精度，电极宽度和电极之间空隙宽度越小，倾斜角度传感器的精度越高。4、本专利技术的倾斜角度传感器也可以用于水下ROV、仿生机器鱼、水下航行器、海工作业平台、海洋工程船舶、海底管道、海底电缆等其他海工装备。附图说明图1是船舶姿态感知系统工作方法图。图2是倾斜角度传感器结构示意图。图3是倾斜角度传感器工作原理图。图4是倾斜角度传感器液面高度位置图。图5是倾斜角度传感器输出信号图。图6是倾斜角度计算方法原理图。图7是船舶纵倾条件下倾斜角度传感器工作示意图。图8是船舶横倾条件下倾斜角度传感器工作示意图。图9是船舶姿态计算流程图。图中：1-金属电极；2-U形管；3-导线；4-液体；5-防水透气膜。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1-2所示，一种船舶实时姿态感知系统，包括倾斜角度传感器、数据采集模块、数据分析模块和船舶姿态感知模块；所述倾斜角度传感器由高分子材料管、金属电极1、导线3和液体4构成；所述高分子材料管、金属电极1和液体4组成基于液固接触本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种船舶实时姿态感知系统，其特征在于：包括倾斜角度传感器、数据采集模块、数据分析模块和船舶姿态感知模块；所述倾斜角度传感器由高分子材料管、金属电极(1)、导线(3)和液体(4)构成；所述高分子材料管、金属电极(1)和液体(4)组成基于液固接触起电的摩擦纳米发电机；所述高分子材料管为U型管(2)，所述U型管(2)两侧的竖直部分贴有多段金属电极(1)；所述U型管(2)两侧的多段电极呈对称分布；所述高分子材料管内具有超疏水性的微纳结构层，具有自清洁的功能；所述高分子材料管开口处密封有防水透气膜(5)；所述高分子材料管中密封有液体(4)；所述金属电极(1)围绕高分子材料管一周并紧贴于高分子材料管的外表面；所述倾斜角度传感器固定安装在船舶内部；所述倾斜角度传感器沿船舶横倾方向和纵倾方向分别安装；所述数据采集模块采集倾斜角度传感器的数据，将其传入数据分析模块，经数据分析模块分析后，船舶姿态感知模块将船舶姿态实时显示在显示界面上。

【技术特征摘要】
1.一种船舶实时姿态感知系统，其特征在于：包括倾斜角度传感器、数据采集模块、数据分析模块和船舶姿态感知模块；所述倾斜角度传感器由高分子材料管、金属电极(1)、导线(3)和液体(4)构成；所述高分子材料管、金属电极(1)和液体(4)组成基于液固接触起电的摩擦纳米发电机；所述高分子材料管为U型管(2)，所述U型管(2)两侧的竖直部分贴有多段金属电极(1)；所述U型管(2)两侧的多段电极呈对称分布；所述高分子材料管内具有超疏水性的微纳结构层，具有自清洁的功能；所述高分子材料管开口处密封有防水透气膜(5)；所述高分子材料管中密封有液体(4)；所述金属电极(1)围绕高分子材料管一周并紧贴于高分子材料管的外表面；所述倾斜角度传感器固定安装在船舶内部；所述倾斜角度传感器沿船舶横倾方向和纵倾方向分别安装；所述数据采集模块采集倾斜角度传感器的数据，将其传入数据分析模块，经数据分析模块分析后，船舶姿态感知模块将船舶姿态实时显示在显示界面上。2.根据权利要求1所述的一种船舶实时姿态感知系统，其特征在于：所述倾斜角度传感器的多段金属电极之间留有空隙；所述多段金属电极宽度相同，相邻金属电极之间的空隙宽度相同。3.根据权利要求1所述的一种船舶实时姿态感知系统，其特征在于：所述倾斜角度传感器的金属电极(1)的材料包括金、银、铂、铝、镍、铜、钦或铬，或者为含有金、银、铂、铝、镍、铜、钦和铬的一种或多种的合金材料。4.根据权利要求1所述的一种船舶实时姿态感知系统，其特征在于：所述倾斜角度传感器的金属电极(1)的材料替代为石墨、导电氧化物或导电高分子中的一种或一种以上的材料。5.根据权利要求1所述的一种船舶实时姿态感知系统，其特征在于：所述倾斜角度传感器的多段金属电极分别与导线(3)相连，所述倾斜角度传感器的U型管(2)同侧电极相连的导线(3)连接到一起。6.根据权利要求1所述的一种船舶实时姿态感知系统，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐敏义，王松，李文祥，范忠杰，潘新祥，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21