CN112946685A - 一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测系统及其方法，若干个码头靠泊安全监测装置分别间隔分布的安装在岸基的龙门架上，码头靠泊安全监测装置包括数据采集端、天线、配电箱和延伸臂，配电箱安装在龙门架靠水一侧的支腿下部分，RTK定位设备和天线安装在配电箱的上部，延伸臂的一端连接在配电箱的侧边，三维激光雷达安装在延伸臂的另一端上部，摄像头安装在延伸臂的另一端下部。本发明监测系统的码头靠泊安全监测装置采取RTK定位设备与摄像头扫描地标两种定位系统，提高装置的定位精度；利用多个三维多点激光雷达空时扫描船舶，扩大了监测范围；雷达点云数据提取技术可将船舶的点云数据从整体的点云数据中提取出来，节省系统算力。
Description
技术领域
本发明涉及船舶停泊安全技术领域,尤其是一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测系统及其方法。
背景技术
随着海上交通运输业的快速发展，为提高运输效率、降低费用，海运船舶建造大型化。由于船舶的大型化，停泊速度或靠拢角度大，环境复杂等因素造成码头损坏事故时有发生，当前船舶停靠多依赖船长和引航员的经验，估算船舶停靠状态，这种依靠经验进行停靠的方法存在一定偏差，给船舶的停靠带来一定的安全隐患，因此有必要研究相关问题与解决技术，在港口、码头安装监控设备监测船舶停靠速度、角度数据以辅助船舶安全停泊。
随着科技的发展，国内外一些先进港口和船舶引进各种监测设备来辅助船舶安全停靠，从停泊监测设备的安装位置不同分为两种：
一种是船载式，监测设备根据其在船上位置，给出安装位的离岸距离，至少要求测量出船舶上两个特定点位。当前，多采用卫星定位作为系统信息来源，由于需要根据船舶外形将组合定位机安放在特定位置，又要防止GPS信号被遮挡，同时定位机对传输定位信息的通信网络依赖大，并没有真正突破设备工作范围受船舶离岸距离的限制。
另一种是岸基式，监测设备安装在岸基上，通过测量靠岸船舶与岸基之间的距离，估算船舶的靠岸状态参数信息。目前，多使用二维激光测距技术，虽然激光测距的精度较高，但是由于停靠船舶长度不同对激光探头的距离要求不同，而且对于非定点停泊，导致点式激光寻找目标困难，同时激光设备要求泊位安装条件较高，使得系统整体测量精度角度，推广应用受到限制。
因此，对于上述问题有必要提出一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测系统及其方法。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测系统及其方法，以解决上述问题。
一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测系统，包括移动轨、若干个龙门架和若干个码头靠泊安全监测装置，所述移动轨安装在码头岸基上，若干个所述龙门架分别呈间隔分布的安装在移动轨上，所述码头靠泊安全监测装置安装在龙门架上，所述码头靠泊安全监测装置包括数据采集端、天线、配电箱和延伸臂，所述数据采集端包括RTK定位设备、三维激光雷达和摄像头，所述配电箱安装在龙门架靠水一侧的支腿下部分，所述RTK定位设备和天线安装在配电箱的上部，所述延伸臂的一端连接在配电箱的侧边，所述三维激光雷达安装在延伸臂的另一端上部，所述摄像头安装在延伸臂的另一端下部，所述配电箱内设置有电路模块，所述RTK定位设备、三维激光雷达、摄像头和天线均电连接于所述电路模块，所述天线和电路模块均连接数据处理模块，所述数据处理模块连接数据发布端。
其中数据采集端与数据处理模块间采用有线或无线网络连接；数据处理模块与数据发布端采用有线或无线网络连接。
其中数据发布端包括手机端和电脑端。
优选地，所述配电箱通过螺栓安装在龙门架的支腿上。
优选地，所述配电箱安装在龙门架位置距离地面1-2m。
优选地，所述三维激光雷达采用80线雷达。
一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测方法，其监测方法步骤为：
(1)当码头靠泊安全监测装置中数据采集端的三维激光雷达监测到有靠泊船舶进入到抵泊区内时，靠泊安全监测装置开始工作，持续监测船舶的动态；
(2)码头靠泊安全监测装置在龙门架可移动作用下自动调整位置，尽可能使被监测船舶位于三维激光雷达监测组的监测范围中心；
(3)RTK定位设备开始工作，定位码头靠泊安全监测装置的位置，三维激光雷达对船舶进行扫描，得到雷达点云数据，点云中每个点代表船舶上某一点在监测坐标系下的坐标位置，并将三维激光雷达的监测数据和摄像头的拍摄数据，通过天线一同上传的数据处理模块；
(4)数据处理模块辅以摄像头的拍摄数据，修正RTK定位设备的定位数据，通过测量获得雷达探测中心距离码头岸基平面的垂直高度H；雷达探测点到码头岸线的水平距离R；通过坐标变换，就可以间接地获得被监测船舶相对码头的方位信息；
(5)通过建立船舶运动参数数信息提取的算法模型，处理实时获取的船舶三维点云数据，将数个三维激光雷达的雷达点云数据进行整合，得到范围更大，精度更高的雷达扫描图；
(6)将数据处理模块处理好的数据发送到数据发布端；船舶驾驶员根据数据分布端的信息进行安全辅助靠岸，码头调度控制中心根据数据分布端的信息监控及指导船舶安全靠岸。
其中数据采集端用于采集码头靠泊安全监测装置的位置数据、雷达点云数据以及地标米尺的图像信息。
其中数据处理模块通过建立船舶运动参数数信息提取的算法模型，从雷达点云数据中提取被监测船舶的信息；然后通过坐标变换，得到被监测船舶的位置信息，实现船舶实时监测。
其中数据处理模块将采集到RTK定位设备的定位数据辅以地标米尺的图像信息进行对码头靠泊安全监测装置自身的定位数据进行修正，然后通过建立船舶运动参数数信息提取的算法模型，处理实时获取的船舶三维点云数据；最后，将获得的雷达探测中心距离码头岸基平面的垂直高度和雷达探测点到码头岸线的水平距离进行坐标变换，得到船舶相对码头的方位信息。
与现有技术相比，本发明有益效果：
1本发明监测系统的码头靠泊安全监测装置设置有RTK定位设备与摄像头扫描地标两种定位系统，双定位系统可以有效保证定位的精度，提高装置工作时的稳定性。
2、本发明监测系统系统设置有多个三维激光雷达，多个三维激光雷达同时对被监测船舶进行扫描，较传统的单三维激光雷达扫描，测距的精度更高、范围更广。
3、本发明的码头靠泊安全监测方法可以将多个三维激光雷达收集的雷达点云数据进行合并与提纯，得到范围更广、更清晰的雷达点云图，可以扩大监测的范围。
4、本发明码头靠泊安全监测方法可以从采集的初步三维激光雷达点云数据中提取出船舶数据，是船舶的定位于监测更准确，节省系统算力；
5、本发明监测系统充分利用激光测距高效性、准确性等优势的基础上解决了二维点式激光靠泊监测系统寻找目标能力差，导致监测系统整体准确性不高的问题，该技术增强了应对不同泊位、船型的适用性；解决了现有技术中存在的不足，大大提高了船舶靠泊的安全性。
附图说明
图1本发明的基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测系统结构框图；
图2是发明的码头靠泊安全监测装置结构图；
图3是本发明的码头靠泊安全监测装置在码头岸基上分布状态结构图；
图4是本发明的船舶泊位前水域分布示意图；
图5是本发明的多个三维激光雷达监控船舶靠泊侧视结构图；
图6是本发明的多个三维激光雷达监控船舶靠泊俯视图。
图中附图标记：1、码头岸基；2、移动轨；3、龙门架；4、配电箱；5、延伸臂；6、RTK定位设备；7、三维激光雷达；8、摄像头；9、天线；10、码头靠泊安全监测装置。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1并结合图2至图6所示，一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测系统，包括移动轨2、若干个龙门架3和若干个码头靠泊安全监测装置10，所述移动轨2安装在码头岸基上1，若干个所述龙门架3分别呈间隔分布的安装在移动轨2上，所述码头靠泊安全监测装置10安装在龙门架3上，所述码头靠泊安全监测装置10包括数据采集端、天线9、配电箱4和延伸臂5，所述数据采集端包括RTK定位设备6、三维激光雷达7和摄像头8，所述配电箱4安装在龙门架3靠水一侧的支腿下部分，所述RTK定位设备6和天线9安装在配电箱4的上部，所述延伸臂5的一端连接在配电箱4的侧边，所述三维激光雷达7安装在延伸臂5的另一端上部，所述摄像头8安装在延伸臂5的另一端下部，所述配电箱4内设置有电路模块，所述RTK定位设备6、三维激光雷达7、摄像头8和天线9均电连接于所述电路模块，所述天线9和电路模块均连接数据处理模块，所述数据处理模块连接数据发布端。
其中RTK(Real-time kinematic，实时动态差分技术)定位设备6为实时动态差分定位设备。
其中数据处理模块为控制模块、动态视频模拟系统、激光雷达建模仿真分析系统组成。
其中数据采集端与数据处理模块间采用有线或无线网络连接；数据处理模块与数据发布端采用有线或无线网络连接。
其中数据发布端包括手机终端和电脑终端。
将三维激光雷达7安装在配电箱4外的延伸臂5上，获得更大的雷达扫描范围。
进一步的，所述配电箱4通过螺栓安装在龙门架3的支腿上。
采用进一步的技术方案有益效果：便于拆装。
进一步的，所述配电箱4安装在龙门架3位置距离地面1-2m。
进一步的，所述三维激光雷达7采用80线激光雷达。
采用进一步的技术方案有益效果：采用80线的雷达，其监测距离可以达到220米左右；工作时，数个三维激光雷达7同时启动，对监测船舶进行扫描，将得到的雷达点云数据进行处理与合成，得到较清晰的大范围雷达图。
一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测方法，其监测方法步骤为：
(1)当码头靠泊安全监测装置中数据采集端的三维激光雷达监测到有靠泊船舶进入到抵泊区内时，靠泊安全监测装置开始工作，持续监测船舶的动态；
(2)码头靠泊安全监测装置在龙门架可移动作用下自动调整位置，尽可能使被监测船舶位于三维激光雷达监测组的监测范围中心；
(3)RTK定位设备开始工作，定位码头靠泊安全监测装置的位置，三维激光雷达对船舶进行扫描，得到雷达点云数据，点云中每个点代表船舶上某一点在监测坐标系下的坐标位置，并将三维激光雷达的监测数据和摄像头的拍摄数据，通过天线一同上传的数据处理模块；
(4)数据处理模块辅以摄像头的拍摄数据，修正RTK定位设备的定位数据，通过测量获得雷达探测中心距离码头岸基平面的垂直高度H；雷达探测点到码头岸线的水平距离R；通过坐标变换，就可以间接地获得被监测船舶相对码头的方位信息；
(5)通过建立船舶运动参数数信息提取的算法模型，处理实时获取的船舶三维点云数据，将数个三维激光雷达的雷达点云数据进行整合，得到范围更大，精度更高的雷达扫描图；
(6)将数据处理模块处理好的数据发送到数据发布端；船舶驾驶员根据数据分布端的信息进行安全辅助靠岸，码头调度控制中心根据数据分布端的信息监控及指导船舶安全靠岸。
其中数据采集端用于采集码头靠泊安全监测装置的位置数据、雷达点云数据以及地标米尺的图像信息。
其中数据处理模块通过建立船舶运动参数数信息提取的算法模型，从雷达点云数据中提取被监测船舶的信息；然后通过坐标变换，得到被监测船舶的位置信息，实现船舶实时监测。
其中数据处理模块将采集到RTK定位设备的定位数据辅以地标米尺的图像信息进行对码头靠泊安全监测装置自身的定位数据进行修正，然后通过建立船舶运动参数数信息提取的算法模型，处理实时获取的船舶三维点云数据；最后，将获得的雷达探测中心距离码头岸基平面的垂直高度和雷达探测点到码头岸线的水平距离进行坐标变换，得到船舶相对码头的方位信息。
其中岸基上设置有移动轨，码头靠泊安全监测装置安装在龙门架上，龙门架通过滚动装置安装在移动轨上。
与现有技术相比，本发明有益效果：
1本发明监测系统的码头靠泊安全监测装置设置有RTK定位设备与摄像头扫描地标两种定位系统，双定位系统可以有效保证定位的精度，提高装置工作时的稳定性。
2、本发明监测系统系统设置有多个三维激光雷达，多个三维激光雷达同时对被监测船舶进行扫描，较传统的单三维激光雷达扫描，测距的精度更高、范围更广。
3、本发明的码头靠泊安全监测方法可以将多个三维激光雷达收集的雷达点云数据进行合并与提纯，得到范围更广、更清晰的雷达点云图，可以扩大监测的范围。
4、本发明码头靠泊安全监测方法可以从采集的初步三维激光雷达点云数据中提取出船舶数据，是船舶的定位于监测更准确，节省系统算力；
5、本发明监测系统充分利用激光测距高效性、准确性等优势的基础上解决了二维点式激光靠泊监测系统寻找目标能力差，导致监测系统整体准确性不高的问题，该技术增强了应对不同泊位、船型的适用性；解决了现有技术中存在的不足，大大提高了船舶靠泊的安全性。
实施例：
如图4至图6所示，其监测工作流程为：当码头靠泊安全监测装置中数据采集端的三维激光雷达监测到有靠泊船舶进入到抵泊区内但未进入靠岸区时(如图4所示)，靠泊安全监测装置开始工作，持续监测船舶的动态；码头靠泊安全监测装置在龙门架可移动作用下自动调整位置，尽可能使被监测船舶位于三维激光雷达监测组的监测范围中心；RTK定位设备开始工作，定位码头靠泊安全监测装置的位置，三维激光雷达对船舶进行扫描，得到雷达点云数据，点云中每个点代表船舶上某一点在监测坐标系下的坐标位置，并将三维激光雷达的监测数据和摄像头的拍摄数据，通过天线一同上传的数据处理模块；数据处理模块辅以摄像头的拍摄数据，修正RTK定位设备的定位数据，通过测量获得雷达探测中心距离码头岸基平面的垂直高度H(如图5所示)；雷达探测点到码头岸线的水平距离R(如图6所示)；通过坐标变换，就可以间接地获得被监测船舶相对码头的方位信息；通过建立船舶运动参数数信息提取的算法模型，处理实时获取的船舶三维点云数据，将数个三维激光雷达的雷达点云数据进行整合，得到范围更大，精度更高的雷达扫描图；将数据处理模块处理好的数据发送到数据发布端；船舶驾驶员根据数据分布端的信息进行安全辅助靠岸，码头调度控制中心根据数据分布端的信息监控及指导船舶安全靠岸。其中数据采集端用于采集码头靠泊安全监测装置的位置数据、雷达点云数据以及地标米尺的图像信息。其中数据处理模块通过建立船舶运动参数数信息提取的算法模型，从雷达点云数据中提取被监测船舶的信息；然后通过坐标变换，得到被监测船舶的位置信息，实现船舶实时监测。
其中数据处理模块将采集到RTK定位设备的定位数据辅以地标米尺的图像信息进行对码头靠泊安全监测装置自身的定位数据进行修正，然后通过建立船舶运动参数数信息提取的算法模型，处理实时获取的船舶三维点云数据；最后，将获得的雷达探测中心距离码头岸基平面的垂直高度和雷达探测点到码头岸线的水平距离进行坐标变换，得到船舶相对码头的方位信息。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测系统，其特征在于：包括移动轨(2)、若干个龙门架(3)和若干个码头靠泊安全监测装置(10)，所述移动轨(2)安装在码头岸基上(1)，若干个所述龙门架(3)分别呈间隔分布的安装在移动轨(2)上，所述码头靠泊安全监测装置(10)安装在龙门架(3)上，所述码头靠泊安全监测装置(10)包括数据采集端、天线(9)、配电箱(4)和延伸臂(5)，所述数据采集端包括RTK定位设备(6)、三维激光雷达(7)和摄像头(8)，所述配电箱(4)安装在龙门架(3)靠水一侧的支腿下部分，所述RTK定位设备(6)和天线(9)安装在配电箱(4)的上部，所述延伸臂(5)的一端连接在配电箱(4)的侧边，所述三维激光雷达(7)安装在延伸臂(5)的另一端上部，所述摄像头(8)安装在延伸臂(5)的另一端下部，所述配电箱(4)内设置有电路模块，所述RTK定位设备(6)、三维激光雷达(7)、摄像头(8)和天线(9)均电连接于所述电路模块，所述天线(9)和电路模块均连接数据处理模块，所述数据处理模块连接数据发布端。
2.如权利要求1所述的一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测系统，其特征在于：其中数据采集端与数据处理模块间采用有线或无线网络连接；数据处理模块与数据发布端采用有线或无线网络连接。
3.如权利要求1所述的一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测系统，其特征在于：其中数据发布端包括手机终端和电脑终端。
4.如权利要求1所述的一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测系统，其特征在于：所述配电箱(4)通过螺栓安装在龙门架(3)的支腿上。
5.如权利要求1所述的一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测系统，其特征在于：所述配电箱(4)安装在龙门架(3)位置距离地面1-2m。
6.如权利要求1所述的一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测系统，其特征在于：所述三维激光雷达(6)采用80线激光雷达。
7.如权利要求1-6任一所述的一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测系统的监测方法，其特征在于：其监测方法步骤为：
(1)当码头靠泊安全监测装置中数据采集端的三维激光雷达监测到有靠泊船舶进入到抵泊区内未进入靠岸区时，靠泊安全监测装置开始工作，持续监测船舶的动态；
(2)码头靠泊安全监测装置在龙门架可移动作用下自动调整位置，尽可能使被监测船舶位于三维激光雷达监测组的监测范围中心；
(3)RTK定位设备开始工作，定位码头靠泊安全监测装置的位置，三维激光雷达对船舶进行扫描，得到雷达点云数据，点云中每个点代表船舶上某一点在监测坐标系下的坐标位置，并将三维激光雷达的监测数据和摄像头的拍摄数据，通过天线一同上传的数据处理模块；
(4)数据处理模块辅以摄像头的拍摄数据，修正RTK定位设备的定位数据，通过测量获得雷达探测中心距离码头岸基平面的垂直高度；雷达探测点到码头岸线的水平距离；通过坐标变换，就可以间接地获得被监测船舶相对码头的方位信息；
(5)通过建立船舶运动参数数信息提取的算法模型，处理实时获取的船舶三维点云数据，将数个三维激光雷达的雷达点云数据进行整合，得到范围更大，精度更高的雷达扫描图；
(6)将数据处理模块处理好的数据发送到数据发布端；船舶驾驶员根据数据分布端的信息进行安全辅助靠岸，码头调度控制中心根据数据分布端的信息监控及指导船舶安全靠岸。
8.如权利要求7所述的一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测方法，其特征在于：其中数据采集端用于采集码头靠泊安全监测装置的位置数据、雷达点云数据以及地标米尺的图像信息。
9.如权利要求7所述的一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测方法，其特征在于：其中数据处理模块通过建立船舶运动参数数信息提取的算法模型，从雷达点云数据中提取被监测船舶的信息；然后通过坐标变换，得到被监测船舶的位置信息，实现船舶实时监测。
10.如权利要求7所述的一种基于三维激光雷达的码头靠泊安全监测方法，其特征在于：其中数据处理模块将采集到RTK定位设备的定位数据辅以地标米尺的图像信息进行对码头靠泊安全监测装置自身的定位数据进行修正，然后通过建立船舶运动参数数信息提取的算法模型，处理实时获取的船舶三维点云数据；最后，将获得的雷达探测中心距离码头岸基平面的垂直高度和雷达探测点到码头岸线的水平距离进行坐标变换，得到船舶相对码头的方位信息。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN113447922A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-09-28 | 武汉理工港航科技研究院有限公司 | 基于雷达捕捉和激光跟踪的岸基靠泊系统、方法及设备 |
| CN113702976A (zh) * | 2021-08-20 | 2021-11-26 | 河北环鼎石油设备有限责任公司 | 一种船舶靠泊的自动检测识别装置及识别方法 |
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- 2021-04-28 CN CN202110466814.4A patent/CN112946685A/zh not_active Withdrawn
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20210611 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |