本发明涉及桥梁防撞技术领域，更具体地，涉及一种基于坐标系定位跟踪的桥梁警示方法及系统。
背景技术：
在高速发展的当今时代，物流的重要不言而喻，可是在船舶运输过程中，总是避免不了船舶与桥梁的碰撞事件的发生，究其原因，是船舶在通过桥梁时航行速度过快，航行的位置不够精确，能见度低，航道浮标位置发生偏移等原因，以至于不能很好的对船舶进行准确的引导。
现有技术的桥梁警示方法存在预警的距离短，从发出预警至碰撞发生之间的时间短，收到预警后的船舶规避危险的时间不足的问题。现有技术对船舶位置采用摄像机确定，易受到环境的影响，在环境恶劣的情况下，不能对船舶与障碍物、船舶与船舶之间进行碰撞预警。
技术实现要素：
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种能定位航道中船舶具体位置并能对其进行碰撞预警，预警准确性高的基于坐标系定位跟踪的桥梁警示方法。
提供一种基于坐标系定位跟踪的桥梁警示方法，包括以下步骤：
s1.对航道建立平面坐标系；
s2.对平面坐标系进行区域划分,分为有效坐标区域、非航道区域、桥墩保护区域以及可通行区域；
s3.对船在平面坐标系中位置进行确定，并判断所在区域；
s4.测定船速；
s5.根据船的位置和船速进行报警。
进一步地，所述步骤s1中，以桥梁所在直线为y轴，沿河道垂直桥梁方向为x轴，以桥梁所在安装激光系统处为原点。
进一步地，所述步骤s3包括以下步骤：
s31.检测原点到船的距离l、船与原点的连线同x轴的角度a；
s32.根据步骤s31计算出船的坐标(cosa*l，sina*l)；
s33.根据船的坐标确定船所在区域。
通过设置在桥梁上的测距仪进行距离检测。
进一步地，所述步骤s4中，
s41.测量检测到船的时间，当第n+1次检测到船，所用时间为t＝tn+1—tn；
s42.测量此时原点到船的距离ln，船与原点的连线同x轴的夹角an；计算船的坐标为(cosan*ln，sinan*ln)；
s43.计算船的速度为v＝(cosa*l-cosan*ln)/t。
进一步地，所述步骤s5包括：
s51.若船速v大于预先设定的最大速度阈值时，警示船只减速；
s52.若船在桥墩保护区域或非航道区域，警示船只离开当前位置；
s53.当检测到航道区域的物体速度小于预先设定的最小速度阈值时，警示船只航道有障碍物，并警示船只减速。
进一步地，所述步骤s51中，最大速度阈值的计算方法如下：
检测出水流速度为vs；船进入时位置(x1，yn)；
船需要改变区域最大位移yn＝(y3+y2)/2；
转向角度az；
vs*(y2+y3)/500*2。
进一步地，所述警示方法通过显示屏或语音进行警示。
进一步地，根据坐标系建立可视灯屏坐标区域以提示船只在航道中的位置。
本发明的另一目的在于提供一种应用了上述基于坐标系定位跟踪的桥梁警示方法的系统。包括测距仪、控制器和控制屏；所述测距仪包括设置在桥体桥洞的最高处用于测量船舶的第一激光测距仪，设置在桥体垂直高度低于第一激光测距仪处用于测量障碍物的第二激光测距仪；所述桥梁警示系统还包括设置在桥体的巨型显示屏和语音报警器；所述测距仪的测距信号发送至控制器，控制器通过预先设定的航道坐标系判断航道物体的坐标位置，并通过控制屏显示在巨型显示屏上。本系统通过设置在桥体不同高度的测距仪分别对船舶和障碍物进行检测，并通过函数公式自动推算出物体在航道坐标系中的位置，采用巨型显示屏显示和/或语音提示实现碰撞预警。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明通过建立坐标系，实现对航道中船舶的定位跟踪；可以对来往船只进行指导、示警，并且可以让船舶操作者知道船舶在运河中的位置，以保证船舶通过桥梁时的速度、航向的准确性；同时，能够及时发现航道中大型的漂浮物，并加以提示，及时封锁航道、以保证船舶在航道中的安全。本警示系统主要运用在航运、船舶的分流，大型物件的精准码垛；并且，在可见度低、大风、大雨等恶劣环境下也能正常工作。
附图说明
图1为实施例1带有激光调平装置的激光测距仪的正面立体结构示意图。
图2为实施例1带有激光调平装置的激光测距仪的反面立体结构示意图。
图3为激光调平装置安装座结构示意图。
图4为航道坐标系示意图。
图5为航道区域划分示意图。
图6为船速测定示意图。
图7为led灯屏坐标区域划分示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种基于坐标系定位跟踪的桥梁警示系统，包括测距仪、控制器和控制屏；测距仪包括设置在桥体桥洞的最高处用于测量船舶的第一激光测距仪，设置在桥体垂直高度低于第一激光测距仪处用于测量障碍物的第二激光测距仪；所述桥梁警示系统还包括设置在桥体的巨型显示屏和语音报警器；所述控制器设置在桥墩工作室，测距仪的测距信号发送至控制器，控制器通过预先设定的航道坐标系判断航道物体的坐标位置，并通过控制屏显示在巨型显示屏上。
测距仪为激光测距仪、微波测距仪、声纳测距仪的一种。本实施例中，测距仪采用激光测距仪，由于激光束水平位置精度会随使用时间降低，需要经常进行校准。为了自动矫正激光测距仪的激光束水平位置，激光测距仪上设有激光调平装置。
激光调平装置包括驱动机构、单自由度的重力加速度计4以及用于固定激光测距仪的激光发射头3位置的安装在驱动器1的输出端的失电制动器。
驱动机构包括驱动器1、激光发射头旋转座2；驱动器1的输出端连接激光发射头旋转座2；驱动器1可以为电机、气缸、液压缸中的一种。本实施例中，驱动器1为带自锁功能的电机，电机驱动轴通过联轴器6与激光发射头旋转座2连接。重力加速度计4为石英重力加速度计。激光发射头3安装在激光发射头旋转座2上；重力加速度计4与激光测距仪的激光发射头3同轴安装。激光发射头旋转座2为t型，其t型的横部与电机驱动轴的输出端连接，t型的竖部设有与激光发射头的直径相匹配的通孔，激光发射头3通过通孔与激光发射头旋转座2垂直设置。激光发射头1可在与电机驱动轴的垂直面旋转。还包括l型安装基座5；驱动机构的输出端通过l型安装基座5上设置的通孔与激光发射头3连接。激光调平装置还包括用于调整激光发射头位置和重力加速度计位置同轴心的激光头微调装置以及千分尺(图中未画出)；如图3所示，激光头微调装置包括安装座8，激光发射头3通过安装座8与重力加速度计4连接；激光发射头3与安装座8的连接侧设有凹部31，安装座8设有凸部81，凹部31的间隙宽度大于凸部81宽度，安装座8的凸部81设置在凹部31之中；激光头微调装置还包括两对对称设置的用于调整凸部在凹部位置的调整螺钉7。千分尺的滑动部固定在安装座8上，用于测定微调距离。与控制器连接的用于控制电源开断的开关，通过控制器定时控制开关的开断对激光调平装置通断电。也可以通过手动控制开关的开断实现通断电。如此，可以避免长时间不必要的通电，保证其工作寿命，同时，周期性进行激光发射头水平矫正，保证了激光束的测量精度。
激光调平装置工作原理如下：通过调节调整螺钉7调节激光发射头3与重力加速度计4的相对位置，使其同轴心。控制器控制电机旋转180度，重力加速度计4通过转位进行误差消除，找到零位；控制器接收重力加速度计4的加速度信号，并根据加速度信号控制电机运动状态；当控制器接收到重力加速度计4的零位信号，控制电机停止，并锁定停止位置。此时，激光发射头调整为水平位置。本激光调平装置的采用闭环控制，调平精度高，角度误差小于0.1mil；并且结构简洁、安装方便。
装有本激光调平装置的激光测距仪发射的激光束在1000m内的高度误差小于10cm，通过周期性通断电，通电后自动找正水平位置，无需人工控制，能保证激光束的精度长期稳定。
基于坐标系定位跟踪的桥梁警示方法如下。
s1.如图4所示，预先对航道建立平面坐标系，确定原点o、x轴、y轴；
以桥梁所在直线为y轴，沿河道垂直桥梁方向为x轴，以激光测距仪所在处为原点。
s2.如图5所示，对平面坐标系进行区域划分,分为有效坐标区域、非航道区域、桥墩保护区域以及可通行区域；所述各区域分界线相互平行。有效坐标区域(0，0)到(x1,y3)；非航道区域(0，0)到(x1,y1)；桥墩保护区域(x1,y1)到(x1,y2)；可通行区域(x1,y2)到(x1,y3)。
s3.对物体在平面坐标系中位置进行确定，并判断所在区域；
s31.检测原点到物体的距离l、船与原点的连线同x轴的角度a；当激光测距仪在有效坐标系内检测船时，会自动反馈出这两个数据；
s32.根据步骤s31计算出船的坐标(cosa*l，sina*l)；
s33.根据船的坐标确定船所在区域。
s4.如图6所示，测定船速；
s41.测量检测到船的时间，当第n+1次检测到船，所用时间为t＝tn+1—tn；
s42.测量此时原点到船的距离ln，船与原点的连线同x轴的夹角an；计算船的坐标为(cosan*ln，sinan*ln)；
s43.计算船的速度为v＝(cosa*l-cosan*ln)/t。
s5.根据船的位置和船速进行报警。
通过设置在桥梁上的测距仪进行距离检测。
s51.若船速v大于预先设定的最大速度阈值时，警示船只减速；
最大速度阈值的计算方法如下：
检测出水流速度为vs；船进入时位置(x1，yn)；
本实施例中，测量有效距离x1＝600m；过桥的安全距离为100m；船只要在500m内调整好通过桥梁的行驶态即可；即500为坐标系x轴最大数值。
船需要改变区域最大位移yn＝(y3+y2)/2；
船舶可行驶的最大转向角度az：船只转向的方向和x轴的夹角；
v<＝vs*(y2+y3)/500*2。
若船速v>vmax,提示“船已超速，请减速”。
推导出在此航行区最大速度v，在可视条件恶劣的情况下取v/2。
s52.若船在桥墩保护区域或非航道区域，警示船只离开当前位置；
若船在桥墩保护区域或非航道区域，提示“你在桥墩保护区域/非航道区域，请尽快离开”。
s53.当检测到航道区域的物体速度小于预先设定的最小速度阈值时，警示船只航道有障碍物，并警示船只减速。
通过第一激光测距仪检测船舶距离，通过第二激光测距仪检测障碍物距离；当第一激光测距仪未检测到物体，而第二激光测距仪检测到物体，则判断该物体为障碍物；当第一激光测距仪和第二激光测距仪在同一扫描角度的同一距离均检测到物体，则判断该物体为船舶。第一激光测距仪和第二激光测距仪安装的高度可以根据具体情况进行设定。
当有检测到物体速度v>vmin时，桥墩工作室报警，提示“航道有障碍物，请尽快处理”，并将此航道变为非航道区域，并提示后面的船减速，重新寻找可通行航道。
上述警示方法可通过显示屏和/或语音报警器进行警示。
本实施例中，巨型显示屏为设置在桥墩巨型led灯屏。
如图7所示，根据坐标系建立可视灯屏坐标区域，以提示船舶在航道中的位置。
本实施例中，通过设置在桥体不同高度的测距仪分别对船舶和障碍物进行检测。使用本桥梁警示系统，能够详细定位航道中物体的具体位置，不仅桥墩工作室的控制屏能看到，船舶的操作者也可以通过巨型显示屏和/或语音得知。本实施例预警准确、可靠性高，有效减少了航道中碰撞事件的发生。
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。