CN106683490A - 基于图像处理的船舶停泊控制系统及控制方法 - Google Patents

基于图像处理的船舶停泊控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于图像处理的船舶停泊控制系统及制方法，所述控制方法包括：S1、获取船舶的图像信息；S2、根据图像信息获取船舶的航向角修正量以导引船舶达预定航道内；S3、根据图像信息获取船舶的距离信息，根据距离信息判断船舶是否已抵达待泊区，若是，则进行船舶停泊，若否，返回步骤S2。本发明在船舶和岸上架设标记物，建立岸上图像视觉系统提供船舶方位及距离信息，利用图像估测航向，以取代TCM2的提供的航向信息，达到进港及停泊全程皆由图像处理提供导航信息的自动化航行控制，其控制方便，且误差角度小，控制精度较高。

Description

基于图像处理的船舶停泊控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及船舶停泊及计算机控制技术领域，特别是涉及一种基于图像处理的船舶停泊控制系统及控制方法。
背景技术
由于船舶进出港口或限制水域航行时，需要较佳的精确度以及即时反应能力，因此通常通过引水(领港)人员对港区的了解与丰富的操船经验来完成。以船舶的停泊作业来说，当船舶在进港的时候，需要在狭小的空间内让船舶维持在固定的航道上，进港时又会有风、浪、流外界因素的干扰，而导致船只偏离航道，因此须不断进行航向、船位修正。
进入21世纪以后，船舶与港口的建设迅速走向大型化，随着船舶尺度的持续增大，越来越多的泊位建立在离岸的开敞式或半开敞式码头，由此，船舶被迫暴露在更加严峻的环境中，引发船舶运动的多样性并影响船舶卸货和安全系泊；另一方面，在强风和急流的冲击下，船舶对码头防撞设施的冲击十分强烈，如果不做好应对措施，一旦发生事故，后果是不堪设想的。因此，应用现代图像处理技术来减少船舶运动并确保最高效地利用船舶系泊设备保障系泊船舶安全是十分重要的。
图像识别最早的研究在心理学领域可以追溯到上个世纪50年代，在工程领域的可以追溯到上个世纪60年代，其它的一些比较早期的研究包括达尔文的关于情感的面部表达的研究和Gaiton的关于车辆侧面特征的研究。最早的自动图像识别研究论文见于1965年Chan&Bledsoe在PanoramieResearehIne发表的技术报告，到现在已经有三十多年的历史。70年代，美、英等发达国家开始重视图像识别的研究工作并取得进展。自动图像识别技术(AFR)的研究，以Kelly和Kanade构造了第一个自动图像识别系统为起点。1972年，ooldstion，Hannon和Lesk用几何特征的参数来表示车辆正面图像，他们采用21维的特征矢量表示车辆面部特征，并设计了基于这一特征表示的识别系统。Kaya和Kobayashi则采用统计识别方法，用欧氏距离来表征车辆特征。更进一步地，T.Kanad(M.Nagao)设计了一个高速且有一定知识导引的半自动回溯识别系统，该系统实现了快速、实时地处理，是一个很大的进步。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于图像处理的船舶停泊控制系统及控制方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于图像处理的船舶停泊控制系统及控制方法。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种基于图像处理的船舶停泊控制系统，所述系统包括：
叠标，包括设于岸上的第一叠标及设于船舶上的第二叠标，所述第二叠标包括位于船舶上的上叠标和下叠标，所述上叠标的水平高度高于下叠标的水平高度；
图像视觉系统，用于根据图像处理技术提供船舶方位及距离信息。
作为本发明的进一步改进，所述下叠标在船舶的左边或右边，所述下叠标在上叠标的左边或右边。
作为本发明的进一步改进，所述图像视觉系统包括：
图像采集单元，用于获取船舶的图像信息；
图像处理单元，用于根据船舶的图像信息计算船舶方位及距离信息；
数据传输单元，用于传输舵令控制信息以导引船舶达预定航道内。
作为本发明的进一步改进，所述图像采集单元为CCD摄像机，所述数据传输单元包括无线传输装置。
相应地，一种基于图像处理的船舶停泊控制系统的控制方法，所述控制方法包括：
S1、获取船舶的图像信息；
S2、根据图像信息获取船舶的航向角修正量以导引船舶达预定航道内；
S3、根据图像信息获取船舶的距离信息，根据距离信息判断船舶是否已抵达待泊区，若是，则进行船舶停泊，若否，返回步骤S2。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S2具体为：
S21、将x1与xc相减的值，乘以比例kx所得角度θ1为：(x1-xc)kx＝θ1，其中，x1为进港时下叠标几何中心在图像坐标水平轴的值，xc为进港时图像采集单元中心在图像坐标水平轴的值；
S22、将x1与x2相减的值，乘以比例kx所得角度为θ2：(x1-x2)kx＝θ2，其中，x2为进港时上叠标几何中心在图像坐标水平轴的值；
S23、将θ1与θ2相加，即为航向角修正量Δψ：θ1+θ2＝Δψ。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S21中，若下叠标在船舶的左边，则θ1为负值；若下叠标在船舶的右边，则θ1为正值。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S22中，若上叠标在下叠标的右边，即预定航道在船舶的左边，则θ2为负值；若上叠标在下叠标的左边，即预定航道在船舶的右边，则θ2为正值。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中，船舶的距离信息为xa为其中，ya为进港时上叠标与下叠标几何中心间的真实长度，xd为进港时上叠标与下叠标的间距，(y1a-y2a)ky＝θya，y2a为进港时上叠标几何中心在图像坐标垂直轴的值，y1a为进港时下叠标几何中心在图像坐标垂直轴的值。
本发明的有益效果是：
本发明在船舶和岸上架设标记物，建立岸上图像视觉系统提供船舶方位及距离信息，利用图像估测航向，以取代TCM2的提供的航向信息，达到进港及停泊全程皆由图像处理提供导航信息的自动化航行控制，其控制方便，且误差角度小，控制精度较高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于图像处理的船舶停泊控制系统的模块示意图；
图2为本发明基于图像处理的船舶停泊控制方法的流程示意图；
图3为本发明一具体实施方式中θ1的正负示意图；
图4为本发明一具体实施方式中θ2为负的示意图；
图5为本发明一具体实施方式中θ2为正的示意图；
图6为本发明一具体实施方式中航向角修正量的计算示意图；
图7为本发明一具体实施方式中距离估测侧视示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示，本发明公开了一种基于图像处理的船舶停泊控制系统，该系统包括：
叠标，包括设于岸上的第一叠标及设于船舶上的第二叠标，第二叠标包括位于船舶10上的上叠标11和下叠标12，上叠标的水平高度高于下叠标的水平高度；
图像视觉系统，用于根据图像处理技术提供船舶方位及距离信息。
其中，下叠标在船舶的左边或右边，下叠标在上叠标的左边或右边。
进一步地，图像视觉系统包括：
图像采集单元21，用于获取船舶的图像信息；
图像处理单元22，用于根据船舶的图像信息计算船舶方位及距离信息；
数据传输单元(未图示)，用于传输舵令控制信息以导引船舶达预定航道内。
优选地，图像采集单元为CCD摄像机，数据传输单元包括无线传输装置。
相应地，参图2所示，本发明还公开了一种基于图像处理的船舶停泊控制系统的控制方法，该控制方法包括：
S1、获取船舶的图像信息；
S2、根据图像信息获取船舶的航向角修正量以导引船舶达预定航道内；
S3、根据图像信息获取船舶的距离信息，根据距离信息判断船舶是否已抵达待泊区，若是，则进行船舶停泊，若否，返回步骤S2。
本发明以岸上架设标记物(即第一叠标)，利用两标记形成一直线与CCD中心的夹角关系来计算出舵角控制量关系。但由于停泊时有侧风干扰船体，使船舶侧移并且CCD常常发生出镜的时间过长，以及测推器的电压输出不稳情况，导致算出的停泊距离有误判。本发明主要在船上架设第一叠标，建立岸上图像视觉系统提供船舶方位及距离信息及利用图像估测航向，以取代TCM2的提供的航向信息，达到进港及停泊全程皆由图像处理提供导航信息的自动化航行控制。
本专利使用岸上CCD摄像机采集图片，通过图像处理技术中，得到图像航向角的新方法，其与TCM2获得的方位角，有相同趋势，且误差角度在20度内，因此达成能以图像判断出的航向角取代TCM2方位角，使船舶进行停泊工作。其中，停泊时所设定的待泊区域，都要在CCD图像显示的范围内，确保船只能够顺利进港。
在控制方法的步骤S2，航向角修正量的计算方式具体如下:
(1)将x1与xc相减的值，乘以比例kx所得角度(以θ1表示)，如图3及(1)式示。
(x1-xc)kx＝θ1 (1)
其中，x1为进港时下叠标几何中心在图像坐标水平轴的值，xc为进港时CCD中心在图像坐标水平轴的值。由于本实施方式所用的CCD采变焦2倍，所以水平视角由47.31度减为18.021度。
若下叠标在船舶的左边，则θ1为负值。反的，若下叠标在船舶的右边，则θ1为正值。
(2)将x1与x2相减的值，乘以比例kx所得角度(以θ2表示)，如(2)式所示。
(x1-x2)kx＝θ2 (2)
其中，x2为进港时上叠标几何中心在图像坐标水平轴的值。若上叠标在下叠标的右边，即预定航道在船舶的左边，则θ2为负值。反的，若上叠标在下叠标的左边，即预定航道在船舶的右边，则θ2为正值。如图4、图5所示。
(3)将θ1与θ2相加，即为航向角修正量Δψ，如(3)式示。
θ1+θ2＝Δψ (3)
正号表示右舵命令，反的负号为左舵命令。由(3)式所得的角度Δψ相当于船头与预定航道在线某点的夹角大小，其将作为船舶舵角命令计算的依据。据此，可导引船舶朝预定航道在线某点行进，使其航行于预定航道内。
以实验船舶在预定航道左边的例子，如图6所示。下叠标在船舶的左边，θ1为负值。上叠标在下叠标的左边，表示预定航道在实验船舶的右边，θ2为正值。将θ1与θ2相加得航向角修正量Δψ(负值，代表左舵命令)，使船舶打左舵朝预定航道在线某点(图5的A点)行进，使其航行于预定航道内。
本发明的步骤S3中，利用叠标布置的几何关系，及图像处理信息进行距离估测。首先，依据y1a与y2a相减的值，乘以比例ky所得角度(以θya表示)，如(4)式示。
(y1a-y2a)ky＝θya (4)
其中，y2a为进港时上叠标几何中心在图像坐标垂直轴的值，y1a为进港时下叠标几何中心在图像坐标垂直轴的值。
由于本实施方式所用的CCD采变焦2倍，所以垂直视角由36.32度测量为13.8287度。另由图7的几何关系可得下式：
其中，ya为进港时上下叠标几何中心间的真实长度，其值为155公分，xd为进港时上下叠标之间距，其值为270公分，两者的值可预先测量得知。最后由式(5)可计算出xa，其即为进港时船舶与岸上目标物的估测距离。
本发明即利用(5)式，已知ya、θya与xd值后，计算出xa以得出进港时船舶与第一组目标物的估测距离。进一步地，本发明中亦利用GPS记录实船与岸上目标物的真实距离，以检验在此所提距离估测法的误差大小。
本发明的实验环境采用两台计算机皆于xPC Target的环境下运作，一台为HostPC、一台为Target PC。其中的Host PC执行图像处理所得出的航向角修正量与距离命令的下达，而Target PC则执行自Host PC传达的航向角修正量与距离命令，控制船舶硬件。
船舶硬件多数沿用学院所使用的船舶设备，其中设备部分的更新为船头及船尾加装了黄色与蓝色圆桶，两圆桶的规格为直径30公分、高为50公分。目的在停泊时，由岸上图像处理技术，经几何运算后，取得两圆桶在图像中构成的航向信息与离岸距离。计算机与无线网络天线置放于码头的斜坡，摄像机架设位置取决于船舶停泊点的位置。船上软件系统采取MATLAB/SIMULINK/xPC Target作为要架构，另在船头尾增加硬件部分的黄色和蓝色圆桶叠标。为接收岸上图像处理计算机数据，使用一台研华EKI-1352无线网络AP，来取代TCM2并接在xPC Target PC RS-232端口上。
以人工的方式设定船舶于已知航向姿态后，利用岸上计算机采集图像中船舶航向角。将图像处理解算完的航向角，通过无线网卡传送航向角信息至船舶上xPC Target PC的EKI-1352无线AP接收，做为后续停泊控制器回授信息的用。控制船舶至泊席附近的待泊区再执行停泊动作。从图像画面来看其船舶姿态，船头会先朝向右前方再左转超过90度，最后修正与岸壁平行。因此先在岸上假设在水域航行的姿态，让船头朝向左，再逆时针转为正中，最后再转为船头朝向右。岸上实验场地其TCM2角度值变化为37度至217度。以217度去扣除掉图像计算所测出的角度值(η)即可得到图像航向角。
由上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明在船舶和岸上架设标记物，建立岸上图像视觉系统提供船舶方位及距离信息，利用图像估测航向，以取代TCM2的提供的航向信息，达到进港及停泊全程皆由图像处理提供导航信息的自动化航行控制，其控制方便，且误差角度小，控制精度较高。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种基于图像处理的船舶停泊控制系统，其特征在于，所述系统包括：
叠标，包括设于岸上的第一叠标及设于船舶上的第二叠标，所述第二叠标包括位于船舶上的上叠标和下叠标，所述上叠标的水平高度高于下叠标的水平高度；
图像视觉系统，用于根据图像处理技术提供船舶方位及距离信息。
2.根据权利要求1所述的基于图像处理的船舶停泊控制系统，其特征在于，所述下叠标在船舶的左边或右边，所述下叠标在上叠标的左边或右边。
3.根据权利要求1所述的基于图像处理的船舶停泊控制系统，其特征在于，所述图像视觉系统包括：
图像采集单元，用于获取船舶的图像信息；
图像处理单元，用于根据船舶的图像信息计算船舶方位及距离信息；
数据传输单元，用于传输舵令控制信息以导引船舶达预定航道内。
4.根据权利要求3所述的基于图像处理的船舶停泊控制系统，其特征在于，所述图像采集单元为CCD摄像机，所述数据传输单元包括无线传输装置。
5.一种根据权利要求1～4中任一项所述的基于图像处理的船舶停泊控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
S1、获取船舶的图像信息；
S2、根据图像信息获取船舶的航向角修正量以导引船舶达预定航道内；
S3、根据图像信息获取船舶的距离信息，根据距离信息判断船舶是否已抵达待泊区，若是，则进行船舶停泊，若否，返回步骤S2。
6.根据权利要求5所述的基于图像处理的船舶停泊控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
S21、将x1与xc相减的值，乘以比例kx所得角度θ1为：(x1-xc)kx＝θ1，其中，x1为进港时下叠标几何中心在图像坐标水平轴的值，xc为进港时图像采集单元中心在图像坐标水平轴的值；
S22、将x1与x2相减的值，乘以比例kx所得角度为θ2：(x1-x2)kx＝θ2，其中，x2为进港时上叠标几何中心在图像坐标水平轴的值；
S23、将θ1与θ2相加，即为航向角修正量Δψ：θ1+θ2＝Δψ。
7.根据权利要求6所述的基于图像处理的船舶停泊控制方法，其特征在于，所述步骤S21中，若下叠标在船舶的左边，则θ1为负值；若下叠标在船舶的右边，则θ1为正值。
8.根据权利要求6所述的基于图像处理的船舶停泊控制方法，其特征在于，所述步骤S22中，若上叠标在下叠标的右边，即预定航道在船舶的左边，则θ2为负值；若上叠标在下叠标的左边，即预定航道在船舶的右边，则θ2为正值。
9.根据权利要求5所述的基于图像处理的船舶停泊控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，船舶的距离信息为xa为其中，ya为进港时上叠标与下叠标几何中心间的真实长度，xd为进港时上叠标与下叠标的间距，(y1a-y2a)ky＝θya，y2a为进港时上叠标几何中心在图像坐标垂直轴的值，y1a为进港时下叠标几何中心在图像坐标垂直轴的值。
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