CN114926522B - 基于ais系统和视频技术的目标船舶探测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于AIS系统和视频技术的目标船舶探测系统及方法，在主控系统内以球机所在经纬度为原点建立自定义坐标系，获取船舶的AIS信息，根据AIS信息将船舶的坐标映射至自定义坐标系，主控系统控制球机将球机视野的中线与船舶对齐，并跟随船舶的运动轨迹转动，获取船舶的图像，根据船舶坐标和船舶的图像校核船舶最高点高程，若超出规定高程，则报警。通过采用AIS信息及视频技术的组合，能够快速、精确的判断船舶最高点高程，大幅提高航空器的安全。

Description

基于AIS系统和视频技术的目标船舶探测系统及方法
技术领域
本发明涉及航空器安全领域，特别是一种基于AIS系统和视频技术的目标船舶探测系统及方法。
背景技术
在航空器场周边存在水运航道的情况下，航道内行驶的超高船舶会影响航空器起降安全。当船舶通航保护区内船舶不高于标高48米时，船舶和航空器可自由通航，互不影响。当船舶通航保护区内船舶高于标高48米时，会触发安全运行机制，需要对航空器采取一定的控制措施，避免航空器与船舶产生冲突。船舶水线以上高度和航空器起飞转态如图1所示。因此，有必要在航空器起降航迹保护区和缓冲区相关的江段关键位置设置探测设备，对区域的船舶进行探测，根据目标船舶的航行状况。由于河道宽广，现有的球机在检测过程中，不能实时目标船舶的航行状况，给船舶监控带来不变，无法实时了解船舶的航行状况。而且由于水位变化以及船舶AIS信息的误差，通过视频技术获取船舶的实际最高点高程是非常困难的，现有技术中未见相关方案。在专利文献CN215117822U记载了水上船舶指挥调度装置，其中记载了采用AIS设备和视频监控模块的方案，还记载了在水上建筑物的预警高度处的激光发射器和激光接收器，通过反射的激光检测船舶是否超出预设高度。但是对于宽阔的水域而言，在预警高度，例如标高48米设置水上建筑物是非常困难而且不太现实的，该水上建筑物自身就容易构成安全隐患。而且激光漫反射的检测距离通常小于500米。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于AIS系统和视频技术的目标船舶探测系统及方法，能够利用AIS系统和视频技术精确获得通行船舶的最高点高程。优选的方案中，能够利用激光传感器或激光扫描仪对船舶的相关参数进行修正。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于AIS系统和视频技术的目标船舶探测系统，在主控系统内以球机所在经纬度为原点建立自定义坐标系，获取船舶的AIS信息，根据AIS信息将船舶的坐标映射至自定义坐标系，主控系统控制球机将球机视野的中线与船舶对齐，并跟随船舶的运动轨迹转动，获取船舶的图像，根据船舶坐标和船舶的图像校核船舶最高点高程，若超出规定高程，则报警。
优选的方案中，将船舶的AIS信息中的经纬度与球机所在经纬度求差，即得到船舶坐标的绝对值；根据航道所在球机相位，得到船舶坐标符号，即将船舶映射到自定义坐标系内。
优选的方案中，将球机的运动轨迹设定为沿着预设的水平面转动，而不俯仰转动，将球机获取的图像以水平和竖直中线划分为四个象限，对球机图像水平中线的高程进行标定，对船舶图像的水平中线以上高度以像素数值进行标定，根据坐标计算得到船舶与球机的距离，根据三角函数计算得到船舶最高点高程。
优选的方案中，对于存在俯仰倾角的球机，在计算中引入水位参数，利用水位参数修正坐标倾角误差。
优选的方案中，在船舶进入预设的航道一侧的位置设有激光传感器，与激光传感器相对的另一侧位置设有激光源或反光板，当船舶进入预设的航道即阻断激光路径，激光传感器接收到阻断信号后，主控系统即控制球机开始追踪船舶。
优选的方案中，还设有激光扫描仪，激光扫描仪位于激光传感器附近，当激光传感器接收到阻断信号，主控系统控制激光扫描仪动作，生成船舶的激光点云数据，将激光点云数据的坐标转换至自定义坐标系，并将激光点云数据在自定义坐标系内的坐标与AIS信息映射至自定义坐标系的坐标进行比对，以修正AIS信息的误差。
优选的方案中，根据船舶的AIS信息，计算船舶在航道内的速度和轨迹，根据船舶速度计算球机的转动速度，对船舶进行跟踪。
优选的方案中，球机获取画面中的任一竖直线条与船舶图像中的竖直轮廓进行绑定，计算竖直线条与竖直轮廓之间的间距，根据间距变化修正球机的转动速度。
一种用于上述的基于AIS系统和视频技术的目标船舶探测系统的探测方法，包括以下步骤：
S1、在主控系统内以球机所在经纬度为原点建立自定义坐标系；
S2、接收船舶的AIS信息，根据AIS信息将船舶的坐标映射至自定义坐标系内；
将船舶的AIS信息中的经纬度与球机所在经纬度求矢量差，即得到船舶坐标的绝对值；根据航道所在球机相位，得到船舶坐标符号，即将船舶映射到自定义坐标系内；
S3、主控系统控制球机将球机视野的中线与船舶对齐，并跟随船舶的运动轨迹转动，获取船舶的图像；
根据船舶的AIS信息，计算船舶在航道内的速度和轨迹，根据船舶速度计算球机的转动速度，对船舶进行跟踪；
球机获取画面中的任一竖直线条与船舶图像中的竖直轮廓进行绑定，计算竖直线条与竖直轮廓之间的间距，根据间距变化修正球机的转动速度；
S4、根据船舶坐标和船舶的图像校核船舶最高点高程；
将球机的运动轨迹设定为沿着预设的水平面转动，而不俯仰转动，将球机获取的图像以水平和竖直中线划分为四个象限，对球机图像水平中线的高程进行标定，对船舶图像的水平中线以上高度以像素数值进行标定，根据坐标计算得到船舶与球机的距离，根据三角函数计算得到船舶最高点高程；
对于存在俯仰倾角的球机，在计算中引入水位参数，利用水位参数修正坐标倾角误差；
S5、若超出规定高程，则报警。
优选的方案中，还设有激光传感器和激光扫描仪；
激光传感器和激光扫描仪位于航道预设范围的边缘；
当船舶进入预设的航道即阻断激光传感器的激光路径，激光传感器获取阻断信号，在步骤s3中，以获得阻断信号的时间作为启动球机追踪船舶图像的基准时间；
激光扫描仪持续扫描船舶的激光点云数据，并根据激光点云数据的更新获取船舶的行驶速度，以所述行驶速度初步修正球机的转动速度；
球机获取画面中的任一竖直线条与船舶图像中的竖直轮廓进行绑定，计算竖直线条与竖直轮廓之间的间距，根据间距变化修正球机的转动速度；
在船舶与球机距离不同的位置至少做两次标定，在标定过程中，将船舶的最高点高程与船舶图像的高度像素数值对应，通过微分计算，得到船舶图像的高度像素数值与船舶和球机距离以及船舶的最高点高程的对应关系。
本发明提供了一种基于AIS系统和视频技术的目标船舶探测系统及方法，通过采用AIS信息及视频技术的组合，能够快速、精确的判断船舶最高点高程。优选的方案中，通过设置的激光传感器和激光扫描仪，能够对AIS信息的精度进行修正，从而进一步提高船舶最高点高程的精度。本发明的优势在于探测效率极高，能够实时完成船舶最高点高程的判断，大幅提高航空器的安全。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的航空器起飞转态示意图。
图2为本发明的系统的俯视示意图。
图3为本发明的系统的另一优选俯视示意图。
图4为本发明的探测流程图。
图5为本发明的系统的另一优选结构示意图。
图中：船舶1，航道2，球机3，球机视野4，激光传感器5，激光源或反光板6，激光扫描仪7，坐标倾角误差8，水位参数9。
具体实施方式
实施例1：
如图1、2中，一种基于AIS系统和视频技术的目标船舶探测系统，在主控系统内以球机3所在经纬度为原点建立自定义坐标系，俯视为X、Y平面，主视为Z平面，获取船舶1的AIS信息，根据AIS信息将船舶1的坐标映射至自定义坐标系，主控系统控制球机3将球机视野4的中线与船舶1对齐，并跟随船舶1的运动轨迹转动，获取船舶1的图像，根据船舶1坐标和船舶1的图像校核船舶1最高点高程，若超出规定高程，则报警。由此方案，利用超高清图像获取船舶1的图像，并且根据图像计算得出船舶1最高点高程，确保船舶1最高点高程在安全范围内，确保航空器的安全。
优选的方案中，将船舶1的AIS信息中的经纬度与球机3所在经纬度求差，即得到船舶1坐标的绝对值；根据航道2所在球机3相位，相位是指航道2位于自定义坐标系内的位置，得到船舶1坐标符号，即将船舶1映射到自定义坐标系内。此处的映射是指映射到X、Y平面内，暂不考虑Z平面，由此方案，大幅减少运算量，提高实时反馈速度。
优选的方案中，将球机3的运动轨迹设定为沿着预设的水平面转动，而不俯仰转动，将球机3获取的图像以水平和竖直中线划分为四个象限，对球机3图像水平中线的高程进行标定，即对于水平中线与水平面平行的图像，通过以全站仪测量得出图像水平中线的高程，对船舶1图像的水平中线以上高度以像素数值进行标定，即将不同距离下的像素值与相应的高程数值建立对应关系。例如，根据坐标计算得到船舶1与球机3的距离，根据三角函数计算得到船舶1最高点高程。
优选的方案如图5中，对于存在俯仰倾角的球机3，在计算中引入水位参数9，利用水位参数9修正坐标倾角误差8。由于现场条件限制，使球机3的水平中线和水平面平行是特殊的情形，通常很难获得，更多的是球机3存在俯仰倾角。如图5中所示，由于坐标数值中并不考虑倾角误差8，因此获取的图像很容易因倾角误差8而导致船舶图像不准确。通过引入水位参数9，根据水位参数调节相应的俯仰倾角，并根据俯仰倾角和坐标距离以三角函数准确计算出倾角误差8的数值，从而修正船舶图像的误差。
AIS信息中包括坐标信息和发射器安装位置信息，通常AIS信息中的坐标信息的精度是以10米为单位，通常的更新时间设置为3s，因此坐标信息存在较大的误差。优选的方案如图2中，在船舶1进入预设的航道2一侧的位置设有激光传感器5，与激光传感器5相对的另一侧位置设有激光源或反光板，激光源的方案有效监控宽度可达6000米，而反光板的方案有效监控宽度可达3000米，激光传感器5优选NADO激光测距传感器NDRA91。当船舶1进入预设的航道2即阻断激光路径，激光传感器5接收到阻断信号后，主控系统即控制球机3开始追踪船舶1。由于阻断信号的时间具有较高的精度，例如通过全站仪标定激光传感器5的位置精度在3mm/km，从而使激光传感器5的位置具有精确的坐标，以该坐标和船体轮廓数据进行接触，能够大幅修正船舶1的AIS信息的误差，从而使图像的计算更为精确。
优选的方案如图3中，还设有激光扫描仪7，激光扫描仪7位于激光传感器5附近，当激光传感器5接收到阻断信号，主控系统控制激光扫描仪7动作，生成船舶1的激光点云数据，将激光点云数据的坐标转换至自定义坐标系，并将激光点云数据在自定义坐标系内的坐标与AIS信息映射至自定义坐标系的坐标进行比对，以修正AIS信息的误差。激光点云数据能够进一步的精确获取船舶1的轮廓和姿态数据，以及距离数据，通过坐标转移从而精确修正AIS信息的误差。
优选的方案中，根据船舶1的AIS信息，计算船舶1在航道2内的速度和轨迹，根据船舶1速度计算球机3的转动速度，对船舶1进行跟踪。球机3的转动速度采用以下方式获得，获得船舶1与球机3的距离后，以球机3为圆心，以船舶1到球机3的距离为半径做圆，将各个时刻相邻的圆做公共切线，将各段切线相连即获得船舶1运行路径，最新段的切线所对应的转角速度即为当前的转角速度。
优选的方案中，球机3获取画面中的任一竖直线条与船舶1图像中的竖直轮廓进行绑定，计算竖直线条与竖直轮廓之间的间距，根据间距变化修正球机3的转动速度。即若间距增大则球机3转速相应增大，而当间距减小则球机3转速相应减小。
实施例2：
在实施例1的基础上，如图4中，一种用于上述的基于AIS系统和视频技术的目标船舶探测系统的探测方法，包括以下步骤：
S1、在主控系统内以球机3所在经纬度为原点建立自定义坐标系；
S2、接收船舶1的AIS信息，根据AIS信息将船舶1的坐标映射至自定义坐标系内；
将船舶1的AIS信息中的经纬度与球机3所在经纬度求矢量差，即得到船舶1坐标的绝对值；根据航道2所在球机3相位，得到船舶1坐标符号，即将船舶1映射到自定义坐标系内；为减少计算量，在映射过程中不考虑Z平面的参数。
S3、主控系统控制球机3将球机视野4的中线与船舶1对齐，并跟随船舶1的运动轨迹转动，获取船舶1的图像；主控系统可以是单片机、PLC或工控机，或者是上述设备的组合，例如由多个单片机、至少一个PLC和至少一个工控机组成的星型网络结构，单片机用于控制具体的球机3动作，例如跟踪电机的动作，PLC用于采集数值并发送控制指令至单片机，PLC还与工控机通讯，工控机用于完成智能计算，例如对AIS数值的修正，对船舶1的图像的智能识别，尤其是最高高程位置的识别，以及船舶1轮廓的识别。
根据船舶1的AIS信息，计算船舶1在航道2内的速度和轨迹，根据船舶1速度计算球机3的转动速度，对船舶1进行跟踪；
球机3获取画面中的任一竖直线条与船舶1图像中的竖直轮廓进行绑定，计算竖直线条与竖直轮廓之间的间距，根据间距变化修正球机3的转动速度；
S4、根据船舶1坐标和船舶1的图像校核船舶1最高点高程；
将球机3的运动轨迹设定为沿着预设的水平面转动，而不俯仰转动，将球机3获取的图像以水平和竖直中线划分为四个象限，对球机3图像水平中线的高程进行标定，对船舶1图像的水平中线以上高度以像素数值进行标定，根据坐标计算得到船舶1与球机3的距离，根据三角函数计算得到船舶1最高点高程；
对于存在俯仰倾角的球机3，在计算中引入水位参数9，利用水位参数9修正坐标倾角误差8；
S5、若超出规定高程，则报警。
优选的方案中，还设有激光传感器5和激光扫描仪7；
激光传感器5和激光扫描仪7位于航道2预设范围的边缘；此处的预设范围是指船舶通航保护区边缘。
当船舶1进入预设的航道2即阻断激光传感器5的激光路径，激光传感器5获取阻断信号，在步骤s3中，以获得阻断信号的时间作为启动球机3追踪船舶1图像的基准时间；通常涉及多个球机3的，各个球机3的球机视野4应存在足够的重叠部分。以使当前球机3完成探测范围后，由下一球机3接续监控。
激光扫描仪7持续扫描船舶1的激光点云数据，并根据激光点云数据的更新获取船舶1的行驶速度，以所述行驶速度初步修正球机3的转动速度；激光扫描仪7的监控距离通常在500米范围内，例如NADO的DPE-10-500。有图1中，由于起飞轨迹，若船舶1间距超出500米范围。则即便存在误差对航空器安全的影响已经可以忽略不计。
球机3获取画面中的任一竖直线条与船舶1图像中的竖直轮廓进行绑定，计算竖直线条与竖直轮廓之间的间距，根据间距变化修正球机3的转动速度；
在船舶1与球机3距离不同的位置至少做两次标定，两次标定的目的是为了减少测量误差，在标定过程中，将船舶1的最高点高程与船舶1图像的高度像素数值对应，得到船舶1图像的高度像素数值与船舶1和球机3距离以及船舶1的最高点高程的对应关系系数。优选的，本例中高度像素数值采用船舶1图像的水平中线以上的像素数值参与计算，由此能够大幅降低人工智能识别的计算量，即设从水平中线以上的高度像素数值为h0，船舶1和球机3距离为L, d1是水平中线以上的高度像素数值h0与最高点高程的对应关系系数，在实际计算过程中，船舶1的最高点高程H= d1×h0×L,即可精确得出，大幅提高运算速度。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于AIS系统和视频技术的目标船舶探测的方法，其特征是：在主控系统内以球机（3）所在经纬度为原点建立自定义坐标系，获取船舶（1）的AIS信息，根据AIS信息将船舶（1）的坐标映射至自定义坐标系，主控系统控制球机（3）将球机视野（4）的中线与船舶（1）对齐，并跟随船舶（1）的运动轨迹转动，获取船舶（1）的图像，根据船舶（1）坐标和船舶（1）的图像校核船舶（1）最高点高程；
包括以下步骤：
S1、在主控系统内以球机（3）所在经纬度为原点建立自定义坐标系；
S2、接收船舶（1）的AIS信息，根据AIS信息将船舶（1）的坐标映射至自定义坐标系内；
将船舶（1）的AIS信息中的经纬度与球机（3）所在经纬度求矢量差，即得到船舶（1）坐标的绝对值；根据航道（2）所在球机（3）相位，得到船舶（1）坐标符号，即将船舶（1）映射到自定义坐标系内；
S3、主控系统控制球机（3）将球机视野（4）的中线与船舶（1）对齐，并跟随船舶（1）的运动轨迹转动，获取船舶（1）的图像；
根据船舶（1）的AIS信息，计算船舶（1）在航道（2）内的速度和轨迹，根据船舶（1）速度计算球机（3）的转动速度，对船舶（1）进行跟踪；
球机（3）获取画面中的任一竖直线条与船舶（1）图像中的竖直轮廓进行绑定，计算竖直线条与竖直轮廓之间的间距，根据间距变化修正球机（3）的转动速度；
S4、根据船舶（1）坐标和船舶（1）的图像校核船舶（1）最高点高程；
将球机（3）的运动轨迹设定为沿着预设的水平面转动，而不俯仰转动，将球机（3）获取的图像以水平和竖直中线划分为四个象限，对球机（3）图像水平中线的高程进行标定，对船舶（1）图像的水平中线以上高度以像素数值进行标定，根据坐标计算得到船舶（1）与球机（3）的距离，根据三角函数计算得到船舶（1）最高点高程；
对于存在俯仰倾角的球机（3），在计算中引入水位参数（9），利用水位参数（9）修正坐标倾角误差（8）；
还设有激光传感器（5）和激光扫描仪（7）；
激光传感器（5）和激光扫描仪（7）位于航道（2）预设范围的边缘；
当船舶（1）进入预设的航道（2）即阻断激光传感器（5）的激光路径，激光传感器（5）获取阻断信号，在步骤s3中，以获得阻断信号的时间作为启动球机（3）追踪船舶（1）图像的基准时间；
激光扫描仪（7）持续扫描船舶（1）的激光点云数据，并根据激光点云数据的更新获取船舶（1）的行驶速度，以所述行驶速度初步修正球机（3）的转动速度；
球机（3）获取画面中的任一竖直线条与船舶（1）图像中的竖直轮廓进行绑定，计算竖直线条与竖直轮廓之间的间距，根据间距变化修正球机（3）的转动速度；
在船舶（1）与球机（3）距离不同的位置至少做两次标定，在标定过程中，将船舶（1）的最高点高程与船舶（1）图像的高度像素数值对应，通过微分计算，得到船舶（1）图像的高度像素数值与船舶（1）和球机（3）距离以及船舶（1）的最高点高程的对应关系；
S5、若超出规定高程，则报警。
2.一种用于权利要求1所述的一种基于AIS系统和视频技术的目标船舶探测方法的系统，其特征是：激光传感器（5）设置在船舶（1）进入预设的航道（2）一侧，与激光传感器（5）相对的另一侧位置设有激光源或反光板，激光传感器（5）接收到阻断信号后，主控系统即控制球机（3）开始追踪船舶（1）。
3.根据权利要求2所述的一种用于基于AIS系统和视频技术的目标船舶探测方法的系统，其特征是：激光扫描仪（7）位于激光传感器（5）附近，当激光传感器（5）接收到阻断信号，主控系统控制激光扫描仪（7）动作，生成船舶（1）的激光点云数据，将激光点云数据的坐标转换至自定义坐标系，并将激光点云数据在自定义坐标系内的坐标与AIS信息映射至自定义坐标系的坐标进行比对，以修正AIS信息的误差。
4.根据权利要求3所述的一种用于基于AIS系统和视频技术的目标船舶探测方法的系统，其特征是：根据船舶（1）的AIS信息，计算船舶（1）在航道（2）内的速度和轨迹，根据船舶（1）速度计算球机（3）的转动速度，对船舶（1）进行跟踪。
5.根据权利要求4所述的一种用于基于AIS系统和视频技术的目标船舶探测方法的系统，其特征是：球机（3）获取画面中的任一竖直线条与船舶（1）图像中的竖直轮廓进行绑定，计算竖直线条与竖直轮廓之间的间距，根据间距变化修正球机（3）的转动速度。
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