CN108445880A - 基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊系统和方法。该系统包括：环境感知模块、导航避障模块、控制模块、GPS/IMU模块、自主停泊模块。环境感知模块由电子海图、摄像头和激光雷达组成，电子海图提供静态障碍物信息，摄像头和激光雷达负责获取停泊位与动态障碍物信息；导航避障模块根据障碍物信息以及无人艇停泊位信息，对无人艇进行路径规划；控制模块负责控制无人艇依次行驶到所规划出的一系列目标点；GPS/IMU模块获得无人艇的位置和姿态信息，将这些信息提供给导航避障模块和控制模块使用；自主停泊模块通过摄像头和激光雷达对停泊标识进行检测与识别，并进行数据融合。通过实验验证，本发明能够稳定可靠地完成无人艇自主停泊任务。

Description

基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊系统和方法
技术领域
本发明涉及一种基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊系统和方法，属于数据融合和无人艇应用技术领域。
背景技术
水面无人艇是能够进行无人操作的自主水面平台，其不仅可以用来执行军事、探索等具有危险性的任务，也能执行一些基础性的任务来降低水面作业的运营成本。其上可以通过搭载GPS、惯导、雷达等传感设备，从而实现自主导航、自主避障及自主追踪等功能。具体在军事上可以完成侦查、巡逻、作战等任务，而在民用领域则可以执行水质检测，海上救援等任务。
视觉传感器主要由捕捉检查对象物体（拍摄）用的摄像头以及处理所拍摄图像的处理器组成。图像处理设备通过对所拍摄的图像信息进行分析处理，从而检测出拍摄对象的数量、位置关系、形状等特点。在水面无人艇上视觉传感器主要用于水面目标检测，识别与跟踪。其识别出的信息较为直观，并且能够检测出障碍物的类别。不过其容易受到环境干扰，其稳定性不高。激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器在无人设备上用的最多的传感设备，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。不过也存在难以对障碍物进行跟踪，并且近距离存在盲区的不足。而通过将两者所探测到的数据进行融合，可以起到扬长避短的作用，从而构建出更加可靠的环境感知设备。
水面无人艇如果需要实现完全的自主性，不仅要在执行任务时能够自主地依据实际的任务需求来进行任务相关的操作，而在完成任务之后也能实现自主的、无人工干预的停泊。无人艇在拥有了自主停泊的功能之后，才能称得上是真正的无人操纵的水面无人艇。一般无人艇的停泊均是依靠设置一个最终的路径点，然后驱动水面无人艇前往并最终停止在所设的最终路径点上。这种做法限制了无人艇自主性能，从而阻碍了无人艇进一步的应用发展。而如果无人艇有一种依据泊位标识来自主停泊的系统，将会促进拥有大规模水面无人艇的无人艇控制中心的出现和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊系统和方法，解决了无人艇自动识别泊位并自主停泊的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊系统，包括无人艇、导航避障模块、控制模块、GPS/IMU模块、环境感知模块、自主停泊模块；所述环境感知模块由电子海图以及激光传感器、视觉传感器组成，前者安装在无人艇内部，读取大陆、岛礁的静态障碍物信息，后两者通过支架安装在无人艇甲板前方，识别停泊标识以及探测其它船只、舰艇的动态障碍物信息；所述GPS/IMU 模块安装于无人艇尾部，获得无人艇的位置和姿态信息，这些信息提供给导航避障模块和控制模块使用；所述导航避障模块安装于所述无人艇内部，根据环境感知模块所获得的障碍物信息及无人艇的自主停泊任务信息，计算出无人艇所要到达的目标点；所述控制模块安装在无人艇内部，其控制无人艇依次到达所规划出的一系列目标点；所述自主停泊模块实现停泊位置标识的多尺度边缘特征模板的创建，对视觉传感器拍摄的视频帧进行实时模板匹配，从而获得停泊位实时角度信息；结合角度信息，激光传感器检测并获取停泊位对应角度的实时距离信息；环境感知模块将实时的角度与距离信息传输给控制模块，并结合导航避障模块进行路径规划，最终完成无人艇的自主停泊。
一种基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊方法，使用上述的系统，具体步骤如下：
S01，启动自主停泊任务，将无人艇航行到停泊港口入口处；
S02，自主停泊模块创建停泊位置标识的多尺度边缘特征模板；
S03，无人艇沿着航道前行，使用视觉传感器检测停泊位图像，自主停泊模块进行实时模板匹配与相似度计算来判断是否找到停泊位置标识，如果计算出相似度大于置信度阈值，则执行S04，否则继续执行S03；
S04，自主停泊模块根据边缘模版匹配算法得到停泊位坐标位置在视觉传感器中的图像坐标，再标定得到停泊位在世界坐标系中的实时角度参数a；
S05，结合视觉传感器得到的实时角度参数a，激光传感器在相应角度检测到无人艇停泊位目标，测出实时的距离参数d，结合实时的角度参数a和距离参数d，无人艇做出决策，行驶到相应的停泊位；
S06，判断是否到达停泊位置，到达则停止，否则发送下一阶段的中间目标点给导航避障模块，从而控制模块驱动无人艇继续向着停泊位航行，并执行S03。
与现有技术相比，本发明的突出特点是：
本发明系统和方法可靠合理，有效提高了无人艇停泊的自主性，也促进了拥有大规模无人艇的无人艇控制中心的智能化发展。
附图说明
图1是本发明的无人艇自主停泊系统的装配示意图。
图2是本发明的无人艇自主停泊系统的模块框图及其流程。
图3是本发明的无人艇自主停泊方法的工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例作进一步的说明。
如图1和图2所示，一种基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊系统，包括无人艇1、导航避障模块5、控制模块6、GPS/IMU模块4、环境感知模块3、自主停泊模块2；所述环境感知模块3由电子海图以及激光传感器7、视觉传感器8组成，前者安装在无人艇1内部，读取大陆、岛礁的静态障碍物信息，后两者通过支架安装在无人艇1甲板前方，识别停泊位标识以及探测其它船只、舰艇的动态障碍物信息；所述GPS/IMU 模块4安装于无人艇1尾部，获得无人艇1的位置和姿态信息，这些信息提供给导航避障模块5和控制模块6使用；所述导航避障模块5安装于所述无人艇1内部，根据环境感知模块3所获得的障碍物信息及无人艇1的自主停泊任务信息，计算出无人艇1所要到达的目标点；所述控制模块6安装在无人艇1内部，其控制无人艇1依次到达所规划出的一系列目标点；所述自主停泊模块2实现停泊位置标识的多尺度边缘特征模板的创建，对视觉传感器8拍摄的视频帧进行实时模板匹配，从而获得停泊位实时角度信息；结合角度信息，激光传感器7检测并获取停泊位对应角度的实时距离信息；环境感知模块3将实时的角度与距离信息传输给控制模块6，并结合导航避障模块5进行路径规划，最终完成无人艇1的自主停泊。
如图3所示，一种基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊方法，使用上述的系统，具体步骤如下：
S01，启动自主停泊任务，将无人艇1航行到停泊港口入口处。
S02，自主停泊模块2创建停泊位置标识的多尺度边缘特征模板；具体可分为两个步骤：1、利用边缘检测算子比如Canny算子来检测出无人艇停泊位标识模板的边缘特征。2、利用图像尺度金字塔对边缘特征进行多尺度边缘特征模板创建。
S03，无人艇1沿着航道前行，使用摄像头检测停泊位图像，自主停泊模块2进行实时模板匹配与相似度计算来判断是否找到停泊位置标识。具体可分为两个步骤：1、将摄像头拍摄到的停泊标识图像利用多尺度的无人艇停泊标识模板进行匹配。使用模板模型对无人艇拍摄到的视频帧，从图像左上角利用滑窗法开始遍历搜索并依次进行模型相似度度量，得到相似度最大的坐标位置，视频帧中此位置即为出现停泊标识位概率最大的位置。2、将识别出的模型相似度与置信度阈值进行比较，若大于阈值则认为该位置为无人艇停泊位置。如果计算出相似度大于置信度阈值则执行S04，否则继续执行S03。
S04，自主停泊模块2根据边缘模版匹配算法得到停泊位坐标位置在视觉传感器中的图像坐标，再标定得到停泊位在世界坐标系中的实时角度参数a。
S05，结合摄像头得到的实时角度参数a，激光传感器7在相应角度检测到无人艇1停泊位目标，测出实时的距离参数d，结合实时的角度参数a和距离参数d，无人艇1做出决策，行驶到相应的停泊位。
S06，判断是否到达停泊位置，到达则停止，否则发送下一阶段的中间目标点给导航避障模块5，从而控制模块6驱动无人艇1继续向着停泊位航行，并执行S03。

Claims (2)

1.一种基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊系统，其特征在于，包括无人艇（1）、导航避障模块（5）、控制模块（6）、GPS/IMU模块（4）、环境感知模块（3）、自主停泊模块（2）；所述环境感知模块（3）由电子海图以及激光传感器（7）、视觉传感器（8）组成，前者安装在无人艇（1）内部，读取大陆、岛礁的静态障碍物信息，后两者通过支架安装在无人艇（1）甲板前方，识别停泊位标识以及探测其它船只、舰艇的动态障碍物信息；所述GPS/IMU 模块（4）安装于无人艇（1）尾部，获得无人艇（1）的位置和姿态信息，这些信息提供给导航避障模块（5）和控制模块（6）使用；所述导航避障模块（5）安装于所述无人艇（1）内部，根据环境感知模块（3）所获得的障碍物信息及无人艇（1）的自主停泊任务信息，计算出无人艇（1）所要到达的目标点；所述控制模块（6）安装在无人艇（1）内部，其控制无人艇（1）依次到达所规划出的一系列目标点；所述自主停泊模块（2）实现停泊位置标识的多尺度边缘特征模板的创建，对视觉传感器（8）拍摄的视频帧进行实时模板匹配，从而获得停泊位实时角度信息；结合角度信息，激光传感器（7）检测并获取停泊位对应角度的实时距离信息；环境感知模块（3）将实时的角度与距离信息传输给控制模块（6），并结合导航避障模块（5）进行路径规划，最终完成无人艇（1）的自主停泊。
2.一种基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊方法，使用权利要求1所述的系统，其特征在于，具体步骤如下：
S01，启动自主停泊任务，将无人艇（1）航行到停泊港口入口处；
S02，自主停泊模块（2）创建停泊位置标识的多尺度边缘特征模板；
S03，无人艇（1）沿着航道前行，使用视觉传感器（8）检测停泊位图像，自主停泊模块（2）进行实时模板匹配与相似度计算来判断是否找到停泊位置标识，如果计算出相似度大于置信度阈值，则执行S04，否则继续执行S03；
S04，自主停泊模块（2）根据边缘模版匹配算法得到停泊位坐标位置在视觉传感器（8）中的图像坐标，再标定得到停泊位在世界坐标系中的实时角度参数a；
S05，结合视觉传感器（8）得到的实时角度参数a，激光传感器（7）在相应角度检测到无人艇（1）停泊位目标，测出实时的距离参数d，结合实时的角度参数a和距离参数d，无人艇（1）做出决策，行驶到相应的停泊位；
S06，判断是否到达停泊位置，到达则停止，否则发送下一阶段的中间目标点给导航避障模块（5），从而控制模块（6）驱动无人艇（1）继续向着停泊位航行，并执行S03。
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