引航员作为船舶引航的主要人员, 是一种高难度的技术性职业。在引航员引航作业过程中, 登离船产生的风险因素最为集中, 也是容易发生事故的环节之一。据统计, 每年引航员登离轮事故致死率达到十万分之五十四, 与各行业平均职业工伤致死率相比高出将近10倍; 据国内各引航站不完全统计, 引航员落水、扭伤等事故时有发生, 该原因发生的事故风险概率在万分之一左右。因此引航员登离船过程是一项高风险的作业, 引航员工作中安全问题已经成为引航工作中需要关注的重要问题^[1]。

目前市场上自动锁紧装置采用机械原理制造而成, 如图 1所示, 发生坠落时, 自锁器连杆在冲击载荷作用下转动, 带动凸轮等机构锁紧锁夹, 使两个锁夹与置于其间间隙中的安全绳的压力、摩擦力瞬间增大, 从而实现自锁^[2-3]。

然而, 该安全防护锁紧装置在使用过程中, 需要人员在上下移动过程中需要靠手动移动锁紧器位置, 这不可避免地在使用中造成不便, 特别是在引航作业中其缺点更加明显, 因此, 本研究提供一种自动跟随引航员运动的安全防护装置。该装置包括姿态监控装置和攀爬防护装置, 如图 2所示, 其中姿态监控装置佩戴于人体腰间, 其重量仅0.3 kg, 大小为95 mm×45 mm×10 mm, 装置小巧而轻便, 引航员佩戴使用时并无负担。所述攀爬防护装置需从船上引下一根牵引绳, 将攀爬防护装置穿过牵引绳即可使用。引航员登离船过程中, 攀爬防护装置无需人体进行携带, 其能自动识别引航员的上升和下降, 并跟随引航员移动。

1 引航员安全防护装置 1.1 姿态监控装置 1.1.1 概述

姿态监控装置包括MCU(Microcontroller Unit)、电源供电模块、姿态监测模块及通讯传输模块。

姿态监控装置佩戴十分简单, 只需将其佩戴于引航员腰间即可。在引航员攀爬过程中, 姿态监测模块实时监测人体的姿态状况, 并将姿态信息实时传送至MCU微处理器进行姿态解析, 将解除出的人体攀爬步数通过通讯传输模块送至攀爬防护装置, 攀爬防护装置解析完姿态信息后, 实现引航员和攀爬防护装置的自动移动。

1.1.2 MCU微处理器

本次研究微处理器采用ST公司的STM32F103 C8T6芯片, 该芯片是基于ARM(Advanced RISC Machine)架构32位Cortex-M3内核的处理器, 其Cortex-M3内核满足集功耗低、实时性强、代码效率高的工业级嵌入式产品领域的特点。该芯片最高可达72 MHz工作频率, 1.25 DMips/MHz的存储器周期访问时间, 内置高速高达512 K字节的闪存和64 K字节的静态随机存取存储器, 三路12位us级A/D转换器、四个16位通用定时器、两路IIC(Inter-Integrated Circuit)接口、三路SPI(Serial Peripheral Interface)接口、两路USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)通讯口、12通道DMA((Direct Memory Access)控制器等, 满足本次研究应用要求^[4]。

STM32F103C8T6芯片配置SPI总线后, 接收MPU9250发送的姿态信号。随后将姿态信号送至FIR滤波器进行滤波处理, 将处理好信号进行步数判断分析并获取攀爬的步数信息。最后, 将处理好步数信息通过USART串口发送给姿态监控装置; 除此之外, 该芯片还具有实时监控电源电量和OLED(Organic Light- Emitting Diode)显示屏人机交互等功能。

1.1.3 电源供电模块

姿态监控装置采用3.7 V、500 mAh锂电池提供电源, 续航能力可达5 h, 可供引航员登离船多次使用。该模块通过USB接口实现电池充电功能, 电池充电模块采用TP4056芯片, 充电过程中具有充电检测灯, 装置充电中则红指示灯亮, 充满电后绿指示灯亮。该电压通过XC6202芯片输出3.3V电压, 可同时给予MCU、蓝牙、姿态监控装置、OLED显示屏等相关模块稳定的3.3 V电压。

锂电池工作环境为–20~60℃, 该环境先可保证锂电池正常供电, TP4056芯片工作环境温度为–40℃~ 85℃, 该环境温度下芯片工作的电压波动为±0.002V, XC6202芯片工作环境温度为–40℃~85℃, 该环境温度下芯片工作的电压波动为±0.02V, 考虑到该装置使用的MCU微处理器工作电压范围为2~3.6 V, 因此, 电源供电模块可在–20~60℃的环境下进行使用, 符合引航员登离船工作需求。

1.1.4 姿态监测模块

姿态监测模块核心芯片为MPU9250, 该芯片具有加速度计、陀螺仪和地磁计三个高精度传感器, 可清晰地捕捉到引航员动作时的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场。该模块通过IIC(Inter-Integrated Circuit)总线与MCU微处理器进行数据通讯和传输, 最高数据传输率可达200 Hz, 将原始人体姿态信号经卡尔曼滤波处理, 消除白噪声和杂波等影响后, 再将其送至FIR((Finite Impulse Response)滤波器滤除低频信号^[5-8], 该信号能够较为清晰的显示出人体攀爬过程, 如图 3所示。通过设定信号的波峰、波谷、相应的点数阈值及面积阈值, 解决引航员身体随船起降产生的幅度影响以及引航员攀爬软梯过程中身体的倾斜和抖动影响, 最终可以识别出引航员登离船的步数, 实现装置和引航员的同步移动。

将滤波后信号进行步数算法判断后, 即可计算出人体攀爬过程中的步数信息。

1.1.5 通讯传输模块

通讯传输模块采用无线传输方式进行信号发送和接收, 其中无线传输模块采用蓝牙HC-08模块, 该模块是基于Bluetooth Specification V4.0 BLE (Bluetooth Low Energy)蓝牙协议的数传模块。无线工作频段为2.4 GHz, 调制方式为高斯频移键控。模块最大发射功率为4 dBm, 接收灵敏度–93 dBm。该模块采用3.3 V电源供电, 该模块的TX与Rx脚与MCU微处理器的USART引脚相连, 配置该模块为主机工作模式, 配置攀爬防护装置上的蓝牙为从机模式, 若未进行主从机蓝牙配对, 模块指示灯每1 s闪烁一次, 配对成功后指示灯处于常亮状态, 此时即可将接收到的步数指令和姿态信息以无线方式发送到攀爬防护装置从机蓝牙上, 实现信息的无线通讯功能。

1.2 攀爬防护装置 1.2.1 概述

攀爬防护装置包括MCU微处理器、电源供电模块、通讯传输模块、电机驱动模块及电动锁紧模块。

攀爬防护装置和人体佩戴的安全带挂钩相连, 并将攀爬防护装置穿在牵引绳上, 牵引绳适用范围为10~18cm, 用户可根据需求自行选择尺寸。在引航员攀爬过程中, 通讯传输模块检测并接收来自姿态监控装置的信号, 捕捉后送至MCU微处理器进行信号解析, 解析后即可判断出引航员的运动姿态, 并通过MCU微处理器控制电机驱动模块驱动两个直流电机转动, 最终实现攀爬防护装置沿牵引绳上升和下降, 实现与引航员同步上升下降移动。当有突发事故导致引航员即将坠落时, 攀爬防护装置启动, 此时机械锁紧装置动作对引航员进行坠落保护; 与此同时, 电动锁紧装置动作, 对引航员实行坠落防护保护, 从而达到双重保护的作用。当突发事故解决后, 引航员可以通过解除按钮, 取消电子锁紧保护和机械锁紧保护, 进而可以继续登离船作业。

1.2.2 MCU微处理器

攀爬防护装置MCU微处理器与姿态监控装置微处理器型号相同。STM32F103C8T6芯片通过控制两路串口实现蓝牙的无线数据传输和串口的有线数据传输; 通过控制两路IIC接口实现显示屏和姿态监测功能; 通过SPI总线实现存储器(FLASH)实时数据存储功能; 通过ADC(Analog-to-Digital Converter)数据采集实现电池电量的显示功能; 通过丰富的I/O口实现按键人机交互功能; 通过RTC(Real-Time Clock)实现实时时钟的显示功能; 通过4路定时器精确实现us级计时及电控锁紧装置控制。

1.2.3 电源供电模块

电池供电部分是引航员防坠落装置的基础, 电源供电模块采用24 V/13 600 mAh聚合物电池供电, 可使用外接充电器进行充电, 经测试, 该电源能够为攀爬防护装置供电达3.5 h, 足以满足引航员多次登离船风险作业。除此之外, 该模块还配置低电量报警功能, 实现电源的实时监测及对使用者的电量提醒。该电压为相关元器件和两路直流电机供电并提供大功率, 以保证直流电机和芯片的稳定工作; 经过LM2575D2T-5将24 V转移成5 V电压为电控锁紧装置供电; 通过AM1117芯片将5 V电压转移成3.3 V电压供MCU、OLED、蓝牙、串口等相关模块供电。

1.2.4 通讯传输模块

通讯传输部分包括两部分:一是USB串口通讯电路, 二是无线蓝牙通讯电路, 其通讯连接图如图 4所示。其中USB串口通讯电路用于连接电脑等上位机软件, 通过输入指令进行数据查询和参数设置等功能; 攀爬防护装置的无线蓝牙配置^[9]为从机蓝牙, 其接收姿态监控装置主机蓝牙发送的信息和指令, 上电配对成功后即可实现互相通讯。

1.2.5 电机驱动模块

电机驱动模块能够驱动两个24 V/30 W、150转的直流电机, 可使6 kg攀爬防护装置实现上升和下降。电机通过MCU发送的驱动信号, 经过光耦电路进行传送, 防止了电源尖峰电压造成的影响, 通过控制P和N互补MOS管实现H桥, 进而驱动电机正反转和启停功能^[10], 其H桥电路图如图 5所示。

除此之外, 该驱动模块实现了欠压保护功能, 每路电机驱动电路额定输出电流能够达到7 A, 能够提供两路电机进行同时驱动。

1.2.6 电动锁紧模块

电动锁紧具备速度快和扭矩大的功能, 其采用舵机进行控制, 能够实现0.98 Nm的锁紧扭矩, 当人体坠落时, 可以迅速推动机械装置锁紧杆, 使其与牵引绳间的摩擦力增大, 实现安全防护作用, 且电动锁紧模块可在人体坠落时迅速做出反应, 反应速度仅为0.2 s, 及时防止人体的坠落。

MCU微处理器中的定时器提供给该模块20 ms的脉冲信号, 并通过调节定时器的时基改变定时器占空比从而实现电动锁紧模块的移动行程。

1.2.7 应急处理模块

应急处理模块用于装置运行过程中应急事件的处理, 该模块可在装置通讯连接发生故障时解决引航员和攀爬防护装置同步移动问题。

该模块采用船型开关控制, 当引航员使用过程中发生故障时, 可通过按动船型开关, 给予MCU微处理器应急处理指令, MCU识别指令后, 驱动电机驱动模块动作, 实现攀爬防护装置自动攀爬移动, 进而解决通讯故障下装置的同步移动功能。

1.3 系统软件设计

安全防护装置系统软件采用RVMDK5.0 (RealViewMDK5.0)环境下的C语言进行开发, 该软件的程序设计采用功能模块化的设计方式实现, 保证测试过程中的调试便利和编写方便。模块主要包括:系统参数配置模块、姿态数据接收模块、姿态数据处理模块、姿态数据判断模块、数据存储处理模块、指令发送模块、电量显示模块及显示刷屏模块, 其具体流程图和模块间连接关系如图 6所示。

2 试验分析

通过对引航员防坠落装置进行测试, 检测该装置是否能够实现对引航员的人身安全防护和智能便携控制, 试验场地配备软梯、牵引绳、安全带等, 以模拟引航员登离船过程中的试验场景, 如图 7所示。

鉴于安全防护装置涉及引航员登离船过程中的安全、步数判断精确性及电子通讯传输等问题, 因此分别从承重性、姿态监控性能、通讯传输性能三个方面对该装置进行试验分析。

2.1 承重性试验分析

使用攀爬防护装置分别模拟引航员登离船坠落过程, 设置坠落距离为50 cm, 测试该装置承重性, 每组测试10次, 测试结果见表 1。

测试结果表明, 该装置能够承受200 kg以内重量的物体进行坠落防护, 考虑到正常引航员的体重在200 kg以内, 因此测试结果符合要求, 满足承重需求。

2.2 姿态监控性能试验分析

使用攀爬防护装置通过攀爬软梯分别模拟引航员登离船坠落过程, 分别攀爬不同的软梯阶数, 每组测试八次, 测试结果见表 2。

测试结果显示, 攀爬防护装置能够较为精确地跟踪人体姿态特征, 判断出人体攀爬软梯过程中的软梯阶数, 符合设计需求。

2.3 通讯传输性能试验分析

使用人体姿态监控装置与攀爬防护装置进行通讯设置, 设置成功后, 分别测试相应的数据指令, 如图 8所示, 监测指令传输过程中的丢包率, 测试结果见表 3。

测试结果表明, 攀爬防护装置与姿态监控装置的传输通讯丢包率随着传输距离的增加而增加, 考虑到攀爬防护装置与姿态监控装置在使用中的实时距离为3 m以内, 因此丢包率符合使用需求。

考虑到引航员登离船过程中低温可能对通讯传输的稳定造成影响, 在传输距离为5 m条件下, 改变环境温度, 检测攀爬防护装置和姿态监控装置发送指令过程中的丢包率, 测试结果见表 4。

测试结果表明, 攀爬防护装置与姿态监控装置传输通讯丢包率随着温度的降低而增加, 其中最大丢包率达到1.50%, 考虑到在步数判断程序中数据传输的频率需求, 该丢包率符合该项目需求。

3 结论

本研究针对引航员登离船过程中的安全性和便捷性问题, 研制了一套安全防护装置, 该装置佩戴轻便、简单, 操作方便、智能, 实现了引航员登离船过程中安全防护装置自动跟随保护功能。通过对该装置的承重性能、姿态监控性能和通讯传输性能等方面的测试分析表明, 该装置能够符合登离船防护需求, 实现了登离船过程的安全性、便携性和智能化。