Разработка автоматизированной системы измерения и обработки углов кренования судна

<jats:p>В статье представлены результаты разработки автоматизированной системы для измерения и обработки углов кренования судна, построенной на базе промышленного MEMS-инклинометра и 32-битного микроконтроллера. Проведён теоретический анализ погрешностей традиционных методов (маятниковые вески, механический инклинограф) и электронных средств измерения. Выполнен анализ погрешностей классического метода кренования на основе данных десяти судов различных типов, показавший, что даже при идеальных условиях погрешность определения аппликаты центра тяжести судна может достигать нескольких десятков сантиметров из-за систематических ошибок, связанных с изменением метацентра и погрешностями гидростатических данных. Сравнение с альтернативными методами определения центра тяжести судна подтверждает наличие этих систематических ошибок. Предложенная автоматизированная электронная система измерения и обработки углов кренования позволяет минимизировать как случайные, так и систематические составляющие погрешности за счёт автоматизации, цифровой фильтрации и статистически обоснованной обработки, что согласуется с выводами современных исследований в данной области. Разработанный комплекс обеспечивает полную автоматизацию измерений, исключает субъективные ошибки оператора и может служить доступной альтернативой дорогостоящим коммерческим системам. Разработана структурная и электрическая схемы устройства, реализован алгоритм цифровой фильтрации на основе экспоненциального скользящего среднего для подавления низкочастотных помех. Создано микропрограммное обеспечение для автономной регистрации данных на карту памяти и приложение для ПК для постобработки, включающее статистическую обработку по методу наименьших квадратов. Стендовые испытания подтвердили статическую точность системы с максимальной абсолютной погрешностью 0,004°, что значительно превышает требования РМРС.</jats:p> <jats:p>This article presents the results of the development of an automated system for measuring and processing a ship’s heeling angles, based on a commercial MEMS inclinometer and a 32-bit microcontroller. A theoretical analysis of the errors in traditional methods (pendulum weights, mechanical inclinometers) and electronic measuring devices was conducted. An analysis of the errors in the classical heeling method was performed based on data from ten vessels of various types, which showed that even under ideal conditions, the error in determining the ship’s center of gravity can reach several tens of centimeters due to systematic errors associated with changes in the metacenter and errors in hydrostatic data. A comparison with alternative methods confirms the presence of these systematic errors. The proposed automated electronic system for measuring and processing heeling angles minimizes both random and systematic error components through automation, digital filtering, and statistically sound processing, which is consistent with the conclusions of recent studies in this field. The developed system ensures full automation of measurements, eliminates subjective operator errors, and can serve as an affordable alternative to expensive commercial systems. The device’s block diagram and electrical schematic have been developed, and a digital filtering algorithm based on the exponential moving average (EMA) has been implemented to suppress low-frequency noise. Firmware was created for autonomous data logging to a memory card, along with a desktop application for post-processing, including statistical analysis using the least squares method. Bench tests confirmed the system’s static accuracy with a maximum absolute error of 0.004°, which significantly exceeds the requirements of the Russian Maritime Register of Shipping.</jats:p>