CN104297758B - 一种基于2d脉冲式激光雷达的辅助靠泊装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于2D脉冲式激光雷达的辅助靠泊装置及其方法，所述辅助靠泊装置包括数据采集单元、数据处理单元以及数据发布显示单元，其特征在于：所述数据采集单元，包括2D脉冲式激光雷达以及广角摄像机；所述数据处理单元包括前期处理模块、数据存储模块、对比分析模块、后期处理模块等；所述数据发布显示单元包括码头现场显示模块和控制中心大屏幕显示模块。本发明利用2D脉冲式激光雷达以及广角摄像机实现两种视频数据的采集，结合数据处理单元对上述数据进行相应的处理，以实现对靠泊过程的自动监控以及船舶运动姿态发布的功能，同时本发明具有布置简单，容错性高，可操作强的特点。

Description

一种基于2D脉冲式激光雷达的辅助靠泊装置及其方法

技术领域

本发明涉及船舶引航靠泊技术领域，具体的说是涉及一种基于2D脉冲式激光雷达的辅助靠泊装置及其方法。

背景技术

目前，市面的激光靠泊装置多采用平行相距激光探头，根据亮点的反射回波探测船舶离岸距离，测算船舶速度，靠泊角度。这种方法受到船舶外壳形状限制，测算速度不准确，靠泊角度误差较大，受到船舶长度限制，激光探头的布置间距不能太大，否则无法同时投射到同一船舶上，而布置间距过小，则测算精度又会降低。由于受码头货物装卸、缆绳作业限制，这种激光探头的安装会妨碍正常的生产作业，重新布置需要对结算单元的参数重设，增加工作量，不利于自动化管理，同时也为靠泊管理带来一定的困难以及风险。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种新型的辅助靠泊装置，该装置依靠2D成像技术，将激光雷达数据与视频数据进行集成，不仅能及时获得多点离岸距离和最近点，而且能自动计算船舶速度靠泊角度等船舶运动参数，并直观的呈现给港务管理人员，以及携带无线功能的PDA设备的船舶引航员，达到辅助靠泊的目的。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种基于2D脉冲式激光雷达的辅助靠泊装置，包括数据采集单元、数据处理单元以及数据发布显示单元，其特征在于：

所述数据采集单元，用于实时采集码头靠泊现场数据，包括用于采集码头靠泊现场的脉冲视频图像数据的2D脉冲式激光雷达以及用于采集码头靠泊环境的视频图像环境数据的广角摄像机；

所述数据采集单元通过局域网将上述码头靠泊现场数据传输至所述数据处理单元；

所述数据处理单元包括用于对接收到的脉冲视频图像数据进行滤波处理，获得2D脉冲式激光雷达按照扫描范围分割的脉冲视频图像数据以及对广角摄 像机采集的视频图像环境数据进行角度修正处理的前期处理模块；预设历史数据库，用于实时将经过前期处理后的视频图像数据存储到历史数据库，便于分析判断模块随时调用历史数据库中存储的视频图像数据进行数据回放的数据存储模块；用于对比分析经过前期处理后的脉冲视频图像数据与历史数据库中的脉冲视频图像数据，判断当前时间段内是否有船舶进行靠泊作业的对比分析模块；用于在判断有船舶进行靠泊作业时，对经过前期处理后的脉冲视频图像数据进行参数处理，获得当前船舶靠泊运行参数以及同时对经过前期处理后的脉冲视频图像数据进行空间坐标变换处理，并对变换后的2D图像进行岸线修正，获得当前船舶靠泊岸线参数的后期处理模块以及用于实时将上述船舶靠泊运行参数以及船舶靠泊岸线参数显示发布于数据发布显示单元的数据显示输出模块。

所述数据显示输出模块还用于调用数据存储模块内的视频图像数据，将视频图像环境数据作为视频图像输出的底层数据，将脉冲视频图像数据作为可视化显示数据，进行可视化显示集成处理后进行输出显示。

所述的后期处理模块对经过前期处理后的脉冲视频图像数据进行参数处理包括对连续的脉冲视频图像数据中的运动物标进行检测，获得当前船舶靠泊运行参数即获得当前船舶运动的速度和方向、靠泊角度并与船舶回波截面大小结合，计算船舶长度等，并通过上述船舶靠泊运行参数计算包括船舶靠泊位置，最靠近岸壁的危险点，船舶靠泊速度在内的涉及船舶安全的数据，输出到数据发布显示单元；所述的后期处理模块对经过前期处理后的脉冲视频图像数据进行空间坐标变换处理包括对视频图像按照旋转角度范围进行坐标变换，将极坐标变换成直角坐标，获得包含运动物标的有界函数后进行岸线修正，获得当前船舶靠泊岸线参数。

所述数据发布显示单元包括码头现场显示模块和控制中心大屏幕显示模块。

相对应的，本发明的目的是要提供一种基于2D脉冲式激光雷达的辅助靠泊方法：

首先实时采集码头靠泊现场数据，包括利用2D脉冲式激光雷达采集码头靠泊现场的脉冲视频图像数据以及利用采集码头靠泊环境的视频图像环境数据；

对接收到的脉冲视频图像数据进行滤波处理，获得2D脉冲式激光雷达按照扫描范围分割的脉冲视频图像数据以及对接收到的广角摄像机采集的视频图像 环境数据进行角度修正处理；

预设历史数据库，实时将经过上述处理后的视频图像数据存储到历史数据库中；

调用历史数据库中存储的视频图像数据，对比分析当前经过滤波处理的脉冲视频图像数据与历史数据库中的脉冲视频图像数据，判断当前时间段内是否有船舶进行靠泊作业；

在判断有船舶进行靠泊作业时，对经过滤波的脉冲视频图像数据进行参数处理，获得当前船舶靠泊运行参数，同时对该脉冲视频图像数据进行空间坐标变换处理，并对变换后的2D图像进行岸线修正，获得当前船舶靠泊岸线参数；

实时显示发布上述船舶靠泊运行参数以及船舶靠泊岸线参数。

所述的方法还包括调用进行滤波处理的脉冲视频图像数据以及进行角度修正处理的视频图像环境数据；将上述视频图像环境数据作为视频图像输出的底层数据，将脉冲视频图像数据作为可视化显示数据，进行可视化显示集成处理。

对所述的脉冲视频图像数据进行参数处理包括对连续的脉冲视频图像数据中的运动物标进行检测，获得当前船舶靠泊运行参数即获得当前船舶运动的速度和方向、靠泊角度并与船舶回波截面大小结合，计算船舶长度等并通过上述船舶靠泊运行参数计算船舶靠泊位置，最靠近岸壁的危险点，船舶靠泊速度等涉及船舶安全的数据，输出到数据发布显示单元；对所述的脉冲视频图像数据进行空间坐标变换处理包括对视频图像按照旋转角度范围进行坐标变换，将极坐标变换成直角坐标，获得包含运动物标的有界函数后进行岸线修正，获得当前船舶靠泊岸线参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明能够有效克服现有激光辅助靠泊设备中激光探头布置不灵活，测量参数有限，测量效果差，可视化程度低的不足等缺陷；利用2D脉冲式激光雷达以及广角摄像机实现两种视频数据的采集，结合数据处理单元可以对靠泊过程实现自动监控，船舶运动姿态发布的功能，同时具有布置简单，容错性高，可操作强的特点。

附图说明

图1是基于2D脉冲式激光雷达的辅助靠泊装置结构示意图；

图2是基于2D脉冲式激光雷达的辅助靠泊方法流程示意图；

图3是基于2D脉冲式激光雷达的辅助靠泊装置或者方法输出的数据显示示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明基于2D脉冲式激光雷达的辅助靠泊装置包括2D脉冲式激光雷达，广角摄像机，局域网，数据处理单元即本例的数据处理工控机，Internet发布网络，码头现场显示模块和控制中心大屏幕显示模块；所述的2D脉冲式激光雷达和广角摄像机分别采集码头现场数据，通过所述的局域网发送到数据处理工控机，处理后数据分别发送到码头现场显示模块和控制中心大屏幕显示模块。

所述的2D脉冲式激光雷达和广角摄像机观测范围设置为大于180°，并且两者的观测范围一致，均安装在码头泊位现场；2D脉冲式激光雷达以脉冲波形式发射激光扫描观测范围内的扇形区域，接收来自海面船舶物标和背景物标的反射回波，并通过局域网，发送到数据处理工控机，用于实时采集码头靠泊现场数据包括用于采集码头靠泊现场的脉冲视频图像数据；广角摄像机录入与2D脉冲式激光雷达相同扇形区域的现场环境视频，并通过局域网，发送到数据处理工控机，用于采集码头靠泊环境的视频图像环境数据。其中2D脉冲式激光雷达可选用SICK公司的LD LRS5100，最远检测距离250m，扫描角度Max:300°,可以在设置参数中调整，角度分辨率0.125/0.25/0.5°/1.0°。

所述的局域网可以采用有线网络或无线网络传输。

所述的数据处理工控机能够接入内部局域网和外部网络，数据前期处理模块对接收到的2D脉冲式激光雷达的数据使用大津阈值法进行滤波处理，获得按照扫描范围分割的视频图像(自变量为时间，变量为距离)并将该视频图像存储在数据存储模块中的历史数据库中，便于调用分析上述数据，进而判断环境参数是否发生改变，便于确定是否有靠泊或者离泊的船舶；数据处理工控机的对比分析模块将该视频图像与数据存储模块中的历史数据对比(主要是图像匹配度，判断实时图像与历史图像的差异度)，从而判断是否有船舶正在进行靠泊作业；若有船舶正在进行靠泊作业，后期处理模块对该视频图像进参数处理，计算物标运动速度和方向以及关键位置与岸壁的距离等参数，同时后期处理模块对该视频图像进行空间坐标变换，并对变换后的2D图像做岸线修正，获得关于岸线和离岸距离的区域函数，计算区域函数峰值(极小值)，确定最小接近距离；其中所述大津阈值法进行滤波处理是指设定该视频图像的灰度图像灰度级是L， 则灰度范围为[0,L-1]，利用OTSU(大津阈值)算法计算图像的最佳阈值为：

t＝Max[w0(t)*(u0(t)-u)^2+w1(t)*(u1(t)-u)^2)]

其中的变量说明：当分割的阈值为t时，w0为背景比例，u0为背景均值，w1为前景比例，u1为前景均值，u为整幅图像的均值。

进一步的，所述的后期处理模块对该视频图像进参数处理可以使用matlab软件进行运动目标检测来实现，优选背景差值法；具体的，检测运动物体需要无运动物体的背景图像，而待检测的视频图像序列中的每帧图像一般都有运动物体，因此需要提取背景；背景图像提取出来后，将每一帧图像与背景图像作差，然后二值化，得到前景像素构成的运动点团图像，确定运动点团的中心位置，并根据每帧图像的时间间隔中心位置的变化，获得船舶运动的速度和方向等参数；所述的后期处理模块对经过前期处理后的脉冲视频图像数据进行空间坐标变换处理包括对视频图像按照旋转角度范围进行坐标变换，将极坐标变换成直角坐标，获得包含运动物标的有界函数后进行岸线修正，使用分水岭算法查找函数峰值，获得船舶靠泊过程中的危险点，并计算危险点的离岸距离，即获得当前船舶靠泊岸线所需的参数。

数据处理工控机的数据前期处理模块还对接收到的广角摄像机的数据进行角度修正，即对广角摄像机的视频图像进行图像变形进行矫正，与2D脉冲式激光雷达的视频图像进行图像匹配，运动目标获取等操作；

数据显示输出模块输出到数据发布中心的数据是以进行角度修正的广角摄像机的视频数据为底层，将进行参数处理以及行空间坐标变换处理后的输出数据以可视化的图层显示，呈现在码头监控中心大屏幕上，具有交互过程，当点击视频图像上任意点时，能即时获得该点物标的离岸距离；

所述的控制中心大屏幕显示模块安装在码头调度控制室，所述的码头LED显示器(码头现场显示模块)安装在码头泊位现场，可以与2D脉冲式激光雷达和广角摄像机安装在同一位置。

如图3，数据处理工控机将得到的船舶运动参数(诸如包括船舶回波截面大小，船舶运动速度和方向，靠泊角度)，环境参数(船舶靠泊过程的危险点)以及视频信息集成(即将视频数据和雷达图像数据叠加显示)，显示给港务管理人员；通过网络发布，发送给PDA程序终端，显示给船舶操作人员。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于2D脉冲式激光雷达的辅助靠泊装置，包括数据采集单元、数据处理单元以及数据发布显示单元，其特征在于：

包括2D脉冲式激光雷达，广角摄像机，局域网，数据处理单元即本例的数据处理工控机，Internet发布网络，码头现场显示模块和控制中心大屏幕显示模块；所述的2D脉冲式激光雷达和广角摄像机分别采集码头现场数据，通过所述的局域网发送到数据处理工控机，处理后数据分别发送到码头现场显示模块和控制中心大屏幕显示模块；

所述的2D脉冲式激光雷达和广角摄像机观测范围设置为大于180°，并且两者的观测范围一致，均安装在码头泊位现场；2D脉冲式激光雷达以脉冲波形式发射激光扫描观测范围内的扇形区域，接收来自海面船舶物标和背景物标的反射回波，并通过局域网，发送到数据处理工控机，用于实时采集码头靠泊现场数据包括用于采集码头靠泊现场的脉冲视频图像数据；广角摄像机录入与2D脉冲式激光雷达相同扇形区域的现场环境视频，并通过局域网，发送到数据处理工控机，用于采集码头靠泊环境的视频图像环境数据；

所述的局域网可以采用有线网络或无线网络传输；

所述的数据处理工控机能够接入内部局域网和外部网络，数据前期处理模块对接收到的2D脉冲式激光雷达的数据使用大津阈值法进行滤波处理，获得按照扫描范围分割的视频图像并将该视频图像存储在数据存储模块中的历史数据库中，便于调用分析上述数据，进而判断环境参数是否发生改变，便于确定是否有靠泊或者离泊的船舶；数据处理工控机的对比分析模块将该视频图像与数据存储模块中的历史数据对比，从而判断是否有船舶正在进行靠泊作业；若有船舶正在进行靠泊作业，后期处理模块对该视频图像进参数处理，计算物标运动速度和方向以及关键位置与岸壁的距离等参数，同时后期处理模块对该视频图像进行空间坐标变换，并对变换后的2D图像做岸线修正，获得关于岸线和离岸距离的区域函数，计算区域函数峰值，确定最小接近距离；其中所述大津阈值法进行滤波处理是指设定该视频图像的灰度图像灰度级是L，则灰度范围为[0,L-1]，利用大津阈值算法计算图像的最佳阈值为：

t＝Max[w0(t)*(u0(t)-u)^2+w1(t)*(u1(t)-u)^2)]

其中的变量说明：当分割的阈值为t时，w0为背景比例，u0为背景均值，w1为前景比例，u1为前景均值，u为整幅图像的均值。

2.一种基于2D脉冲式激光雷达的辅助靠泊方法，其特征在于：包括如下步骤：

首先实时采集码头靠泊现场数据，包括利用2D脉冲式激光雷达采集码头靠泊现场的脉冲视频图像数据以及利用采集码头靠泊环境的视频图像环境数据；

对接收到的脉冲视频图像数据进行滤波处理，获得2D脉冲式激光雷达按照扫描范围分割的脉冲视频图像数据以及对接收到的广角摄像机采集的视频图像环境数据进行角度修正处理；

预设历史数据库，实时将经过上述处理后的视频图像数据存储到历史数据库中；

调用历史数据库中存储的视频图像数据，对比分析当前经过滤波处理的脉冲视频图像数据与历史数据库中的脉冲视频图像数据，判断当前时间段内是否有船舶进行靠泊作业；

在判断有船舶进行靠泊作业时，对经过滤波的脉冲视频图像数据进行参数处理，获得当前船舶靠泊运行参数，同时对该脉冲视频图像数据进行空间坐标变换处理，并对变换后的2D图像进行岸线修正，获得当前船舶靠泊岸线参数；

实时显示发布上述船舶靠泊运行参数以及船舶靠泊岸线参数；

所述的方法还包括调用进行滤波处理的脉冲视频图像数据以及进行角度修正处理的视频图像环境数据；将上述视频图像环境数据作为视频图像输出的底层数据，将脉冲视频图像数据作为可视化显示数据，进行可视化显示集成处理；

对所述的脉冲视频图像数据进行参数处理包括对连续的脉冲视频图像数据中的运动物标进行检测，获得当前船舶靠泊运行参数即获得当前船舶运动的速度和方向、靠泊角度并与船舶回波截面大小结合，计算船舶长度等并通过上述船舶靠泊运行参数计算船舶靠泊位置，最靠近岸壁的危险点，船舶靠泊速度等涉及船舶安全的数据，输出到数据发布显示单元；对所述的脉冲视频图像数据进行空间坐标变换处理包括对视频图像按照旋转角度范围进行坐标变换，将极坐标变换成直角坐标，获得包含运动物标的有界函数后进行岸线修正，获得当前船舶靠泊岸线参数。