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基于图像处理的船舶停泊控制系统及控制方法.pdf

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基于 图像 处理 船舶 停泊 控制系统 控制 方法
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摘要
申请专利号:

CN201710026020.X

申请日:

2017.01.13

公开号:

CN106683490A

公开日:

2017.05.17

当前法律状态:

实审

?#34892;?#24615;:

审中

法?#19978;?#24773;: ?#25269;?#23457;查的生效IPC(主分类):G08G 3/00申请日:20170113|||公开
IPC分类号: G08G3/00 主分类号: G08G3/00
申请人: 江苏信息职?#23548;?#26415;学院
发明人: 叶春; 张蓉
地址: 214000 江苏省无锡市钱藕路1号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 无锡万里知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 32263 代理人: 王传林
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法律状态
申请(专利)号:

CN201710026020.X

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.06.09|||2017.05.17

法律状态类?#20572;?/td>

?#25269;?#23457;查的生效|||公开

摘要

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。

权利要求书

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?#31995;?#26631;和下叠标,所述?#31995;?#26631;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?#20918;擼?#25152;述下叠标在?#31995;?#26631;的左边或?#20918;摺?br />
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?#34892;?#22312;图像坐标水平轴的值,xc为进港时图像采集单元?#34892;?#22312;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?#34892;?#22312;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?#20918;擼?#21017;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?#31995;?#26631;在下叠标的?#20918;擼?#21363;预定航道在船舶的左边,则θ2为负值;若?#31995;?#26631;在下叠
标的左边,即预定航道在船舶的?#20918;擼?#21017;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?#31995;?#26631;与下叠标几何?#34892;?#38388;的
真实长度,xd为进港时?#31995;?#26631;与下叠标的间距,(y1a-y2a)ky=θya,y2a为进港时?#31995;?#26631;几何中
心在图像坐标垂直轴的值,y1a为进港时下叠标几何?#34892;?#22312;图像坐标垂直轴的值。

说明书

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?#36947;?br />说,当船舶在进港的时候,需要在?#21015;?#30340;空间内让船舶维持在固定的航道上,进港时?#21482;?#26377;
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?#25345;校?#24341;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?#22270;?#27969;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?#28304;?#26045;,一旦发生事?#21097;?#21518;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?#31181;?#35201;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?#22659;?#36742;正面图像,他们采用21维的特征矢
量表?#22659;?#36742;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?#31995;?#26631;和下叠标,所述?#31995;?#26631;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?#20918;擼?#25152;述下叠标在?#31995;?br />标的左边或?#20918;摺?br />

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?#34892;?#22312;图像坐标水平轴的值,xc为进港时图像采集单元?#34892;?#22312;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?#34892;?#22312;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?#20918;擼?#21017;θ1为正值。

作为本发明的进一步改进,所述步骤S22中,若?#31995;?#26631;在下叠标的?#20918;擼?#21363;预定航
道在船舶的左边,则θ2为负值;若?#31995;?#26631;在下叠标的左边,即预定航道在船舶的?#20918;擼?#21017;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?#31995;?#26631;与下叠标几何?#34892;?#38388;的真实长度,xd为进港时?#31995;?br />标与下叠标的间距,(y1a-y2a)ky=θya,y2a为进港时?#31995;?#26631;几何?#34892;?#22312;图像坐标垂直轴的值,
y1a为进港时下叠标几何?#34892;?#22312;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?#22791;?#22909;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,?#21152;?#24403;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?#31995;?#26631;11和下叠标12,?#31995;?#26631;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?#20918;擼?#19979;叠标在?#31995;?#26631;的左边或?#20918;摺?br />

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?#34892;?#30340;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?#28388;?#20986;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?#34892;?#22312;图像坐标水平轴的值,xc为进港时CCD?#34892;?#22312;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?#21462;?br />

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?#20918;擼?#21017;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?#31995;?#26631;几何?#34892;?#22312;图像坐标水平轴的值。若?#31995;?#26631;在下叠标的?#20918;擼?br />即预定航道在船舶的左边,则θ2为负值。反的,若?#31995;?#26631;在下叠标的左边,即预定航道在船
舶的?#20918;擼?#21017;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?#21494;?#21629;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。
?#31995;?#26631;在下叠标的左边,表示预定航道在实验船舶的?#20918;擼?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?#31995;?#26631;几何?#34892;?#22312;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
?#21462;?#21478;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?#34892;?#38388;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Host
PC、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?#24067;?br />

船舶?#24067;?#22810;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,?#30342;?#26742;的规格为?#26412;?0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?#30342;?#26742;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?#24067;?#37096;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?#24403;?#21270;为37度至217?#21462;?#20197;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?#38468;冢?#32780;?#20197;?br />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。

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本文标题:基于图像处理的船舶停泊控制系统及控制方法.pdf
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