CN113721262A - 基于激光雷达检测船舶航向和高度的桥梁防碰撞预警方法 - Google Patents

基于激光雷达检测船舶航向和高度的桥梁防碰撞预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于激光雷达检测船舶航向和高度的桥梁防碰撞预警方法，利用两个激光雷达同时检测船舶的航向和高度；在检测航向时，利用每一座桥梁位置固定、航行区域固定的特性，指定了固定的检测区域，通过对检测区域体素化，使得激光雷达的点云数据可以使用体素进行滤波和聚类，滤波减少了点云的噪点，聚类能提取出每一艘船舶的位置，以便进行船舶运动轨迹的拟合，求出船舶航向；在检测高度时，对激光雷达的点云数据增加大小和时间的约束，大小约束是指点云的空间大小必须超过阈值，时间约束是指点云必须被连续探测到，且连续探测时长必须超过阈值，通过大小和时间的约束能够排除意外情况导致的检测失败，使得方法更具有鲁棒性。

Description

基于激光雷达检测船舶航向和高度的桥梁防碰撞预警方法
技术领域
本发明涉及桥梁防碰撞领域，具体涉及一种基于激光雷达检测船舶航向和高度的桥梁防碰撞预警方法。
背景技术
随着水运行业的发展，桥梁的基础安全是大桥桥梁保护业永恒的也是最重要的主题之一。由于航道桥梁通航净高有限、船舶驾驶员操作失误等因素，经常发生船舶在航行过程中因超过通航净高或者船舶偏航而导致碰撞桥梁的事故。传统的被动式防撞手段，存在建设和维护管理成本高、抗撞能力有限等缺陷，特别是对于大型船舶，防撞效果不佳。而现有的主动型防碰撞系统也存在各种问题，例如采用摄像机实时监控，用图像识别船舶时，受到光照、雨雾、遮挡等环境因素影响较大，导致识别效果不好；采用激光测距仪作为测量传感器时，激光能量极易被水散射，容易丢失反射光束，且在江面宽阔的情况下部署时存在较大困难。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种基于激光雷达检测船舶航向和高度的桥梁防碰撞预警方法。
基于激光雷达检测船舶航向和高度的桥梁防碰撞预警方法，在桥梁上安装两个激光雷达，利用两个激光雷达同时检测船舶的航向和高度，其中激光雷达一用于检测船舶航向，激光雷达二用于检测船舶高度；
检测船舶航向的步骤包括：
第一步，获取激光雷达一的点云数据，并根据激光雷达一的坐标及朝向角度，将点云转换到墨卡托坐标系中；
第二步，使用四边形检测区域过滤点云，去除检测区域外的点，将剩余点组成新点云，然后判断新点云的数量是否为0，如果为0返回第一步；
第三步，分配新点云到体素化的检测区域，将含有3个以上点的体素内的点组成新点云，判断重新组成的新点云的数量是否为0，如果为0返回第一步；
第四步，寻找相互连通的体素，将其中的点云视为一个整体，计算并记录这些点云的坐标均值和探测时间；
第五步，取最近一段时间内的坐标均值，用最小二乘法拟合船舶的运动轨迹，计算船舶航向；
第六步，判断船舶航向与桥梁垂直方向的夹角是否超过阈值，如果是则碰撞预警，否则返回第一步；
检测船舶高度的步骤包括：
第一步，获取激光雷达二的点云数据，并根据激光雷达二的坐标及朝向角度，将点云转换到墨卡托坐标系中；
第二步，使用四边形检测区域过滤点云，去除检测区域外的点，将剩余点组成新点云，然后判断新点云的数量是否为0，如果为0返回第一步；
第三步，计算新点云中两个点之间的最大距离，判断这个距离是否大于阈值，如果不是，则返回第一步；
第四步，记录新点云的探测时间，判断新点云的连续探测时长是否超过阈值，如果是则碰撞预警，否则返回第一步。
优选的，所述激光雷达一安装时保证其可以扫描到船舶，所述激光雷达二安装于桥墩上的净通航高度。
优选的，检测船舶航向的第四步中所述的连通是指上下左右和对角的八连通。
优选的，检测船舶航向的第六步中所述夹角的阈值为5度。
优选的，检测船舶高度的第三步中所述最大距离的阈值为2米，第四步中所述连续探测时长的阈值为10秒。
优选的，检测船舶的航向和高度之前，需要分别获取桥梁的朝向角度、激光雷达一和激光雷达二的坐标及朝向角度、四边形检测区域的四个顶点坐标在墨卡托坐标系中的参数；然后通过四边形检测区域的四个顶点坐标，将检测区域体素化。
优选的，所述参数可以通过测量相应点的经纬度，再转换到墨卡托坐标系获得。
本发明的有益效果是：本方法仅仅使用激光雷达就能够识别船舶的航向和高度，在检测航向的方法中，利用了每一座桥梁位置固定、航行区域固定的特性，指定了固定的检测区域，然后通过对检测区域体素化，使得激光雷达的点云数据可以使用体素进行点云的滤波和聚类，滤波帮助本方法减少了点云的噪点，聚类帮助本方法提取出每一艘船舶的位置，以便进行船舶运动轨迹的拟合，求出船舶航向；在检测高度的方法中，对激光雷达的点云数据增加大小和时间的约束，大小约束是指点云的空间大小必须超过阈值，时间约束是指点云必须被连续探测到，并且连续探测时长必须超过阈值，通过大小和时间的约束能够排除意外情况导致的检测失败(比如有一只鸟或者无人机飞入检测区域等情况)，使得方法更具有鲁棒性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例中激光雷达的安装示意图；
图2为本发明实施例中四边形检测区域的示意图；
图3为本发明实施例中检测区域体素化的示意图；
图4为本发明实施例的方法流程图；
图5为本发明实施例中点云的体素滤波和聚类示例。
具体实施方式
下面将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它实施例，都属于本发明保护的范围。
安装示例
如图1所示，本发明需在桥梁上安装两个激光雷达，一个用于检测船舶的航向，以下称激光雷达一，安装时保证其可以扫描到船舶；另一个用于检测船舶的高度，以下称激光雷达二，安装于桥墩上的净通航高度。
参数获取
检测船舶的航向和高度之前，需要获取一些在墨卡托坐标系中的参数，分别是桥梁的朝向角度、激光雷达一和激光雷达二的坐标及朝向角度、四边形检测区域的四个顶点坐标，这些参数可以通过测量相应点的经纬度，再转换到墨卡托坐标系获得。四边形检测区域如图2所示，然后，通过四边形检测区域的四个顶点坐标，将检测区域体素化，如图3所示。
检测方法
如图4所示，本发明能同时检测船舶的航向和高度，主机可分两条线程同时进行。
检测航向的步骤如下：
第一步，获取激光雷达一的点云数据，并根据激光雷达一的坐标及朝向角度，将点云转换到墨卡托坐标系中。
第二步，使用四边形检测区域过滤点云，去除检测区域外的点，将剩余点组成新点云，然后判断新点云的数量是否为0，如果为0返回第一步。
第三步，分配新点云到体素化的检测区域，将含有3个以上点的体素内的点组成新点云，如图5所示，判断重新组成的新点云的数量是否为0，如果为0返回第一步。
第四步，寻找相互连通的体素(连通是指上下左右和对角的八连通)，将其中的点云视为一个整体(即一艘船舶)，如图5所示，计算并记录这些点云的坐标均值和探测时间。
第五步，取最近一段时间(如10秒)内的坐标均值，用最小二乘法拟合船舶的运动轨迹，计算船舶航向。
第六步，判断船舶航向与桥梁垂直方向的夹角是否超过阈值5度，如果是则碰撞预警，否则返回第一步。
检测高度的步骤如下：
第一步，获取激光雷达二的点云数据，并根据激光雷达二的坐标及朝向角度，将点云转换到墨卡托坐标系中。
第二步，使用四边形检测区域过滤点云，去除检测区域外的点，将剩余点组成新点云，然后判断新点云的数量是否为0，如果为0返回第一步。
第三步，计算新点云中两个点之间的最大距离，判断这个距离是否大于阈值2米，如果不是，则返回第一步。
第四步，记录新点云的探测时间，判断新点云从被探测到开始到现在的连续探测时长是否超过阈值10秒，如果是则碰撞预警，否则返回第一步。
本发明提供的防碰撞预警方法仅仅使用激光雷达就能够识别船舶的航向和高度。在检测航向的方法中，利用了每一座桥梁位置固定、航行区域固定的特性，指定了固定的检测区域，然后通过对检测区域体素化，使得激光雷达的点云数据可以使用体素进行点云的滤波和聚类，滤波帮助本方法减少了点云的噪点，聚类帮助本方法提取出每一艘船舶的位置，以便进行船舶运动轨迹的拟合，求出船舶航向。在检测高度的方法中，对激光雷达的点云数据增加大小和时间的约束，大小约束是指点云的空间大小必须超过阈值2米，时间约束是指点云必须被连续探测到，并且连续探测时长必须超过阈值10秒，通过大小和时间的约束能够排除意外情况导致的检测失败(比如有一只鸟或者无人机飞入检测区域等情况)，使得方法更具有鲁棒性。
上述方法同样适用于海事雷达、毫米波雷达等其它硬件。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

Claims (7)

1.一种基于激光雷达检测船舶航向和高度的桥梁防碰撞预警方法，其特征在于，在桥梁上安装两个激光雷达，利用两个激光雷达同时检测船舶的航向和高度，其中激光雷达一用于检测船舶航向，激光雷达二用于检测船舶高度；
检测船舶航向的步骤包括：
第一步，获取激光雷达一的点云数据，并根据激光雷达一的坐标及朝向角度，将点云转换到墨卡托坐标系中；
第二步，使用四边形检测区域过滤点云，去除检测区域外的点，将剩余点组成新点云，然后判断新点云的数量是否为0，如果为0返回第一步；
第三步，分配新点云到体素化的检测区域，将含有3个以上点的体素内的点组成新点云，判断重新组成的新点云的数量是否为0，如果为0返回第一步；
第四步，寻找相互连通的体素，将其中的点云视为一个整体，计算并记录这些点云的坐标均值和探测时间；
第五步，取最近一段时间内的坐标均值，用最小二乘法拟合船舶的运动轨迹，计算船舶航向；
第六步，判断船舶航向与桥梁垂直方向的夹角是否超过阈值，如果是则碰撞预警，否则返回第一步；
检测船舶高度的步骤包括：
第一步，获取激光雷达二的点云数据，并根据激光雷达二的坐标及朝向角度，将点云转换到墨卡托坐标系中；
第二步，使用四边形检测区域过滤点云，去除检测区域外的点，将剩余点组成新点云，然后判断新点云的数量是否为0，如果为0返回第一步；
第三步，计算新点云中两个点之间的最大距离，判断这个距离是否大于阈值，如果不是，则返回第一步；
第四步，记录新点云的探测时间，判断新点云的连续探测时长是否超过阈值，如果是则碰撞预警，否则返回第一步。
2.根据权利要求1所述的基于激光雷达检测船舶航向和高度的桥梁防碰撞预警方法，其特征在于：所述激光雷达一安装时保证其可以扫描到船舶，所述激光雷达二安装于桥墩上的净通航高度。
3.根据权利要求2所述的基于激光雷达检测船舶航向和高度的桥梁防碰撞预警方法，其特征在于：检测船舶航向的第四步中所述的连通是指上下左右和对角的八连通。
4.根据权利要求3所述的基于激光雷达检测船舶航向和高度的桥梁防碰撞预警方法，其特征在于：检测船舶航向的第六步中所述夹角的阈值为5度。
5.根据权利要求2所述的基于激光雷达检测船舶航向和高度的桥梁防碰撞预警方法，其特征在于：检测船舶高度的第三步中所述最大距离的阈值为2米，第四步中所述连续探测时长的阈值为10秒。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的基于激光雷达检测船舶航向和高度的桥梁防碰撞预警方法，其特征在于：检测船舶的航向和高度之前，需要分别获取桥梁的朝向角度、激光雷达一和激光雷达二的坐标及朝向角度、四边形检测区域的四个顶点坐标在墨卡托坐标系中的参数；然后通过四边形检测区域的四个顶点坐标，将检测区域体素化。
7.根据权利要求6所述的基于激光雷达检测船舶航向和高度的桥梁防碰撞预警方法，其特征在于：所述参数可以通过测量相应点的经纬度，再转换到墨卡托坐标系获得。
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