專利名稱：用于水上運載工具的防撞報警系統(tǒng)以及防撞分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于水上運載工具的防撞報警系統(tǒng)以及一種通過處理來自安裝在水上運載工具上的全向光學傳感器的圖像的防撞分析方法。本發(fā)明主要、但不局限用于，船只和海軍標靶。
背景技術(shù)：
在下面的說明中，水上運載工具以船為例。
碰撞的風險在海上很難控制，這主要源于瞭望手段不足。在海上運輸領(lǐng)域，平均每年有600次碰撞。當碰撞牽涉到油輪或者化學品運輸船時，這些碰撞的結(jié)果對環(huán)境的影響往往是非常嚴重的。
在海上客運領(lǐng)域，船只(渡輪、滾裝船等)極易受到傷害。
在漁業(yè)領(lǐng)域，每年發(fā)生大約3000次碰撞。由于船只的尺寸小，受害人數(shù)量很高。
在游艇領(lǐng)域，碰撞也十分頻繁。
海上的碰撞主要是由于缺少瞭望。人為失誤是70％到90％事故的起因，或是警惕性不足，或是值班船長的疏忽，或是例行公事和對風險的評估不足。當船只處于“優(yōu)先”情況下，在能見度很好的條件下時，經(jīng)?？吹降氖侨狈栊浴Ｓ捎谫Y質(zhì)不夠，對規(guī)則的無知，或者甚至是完全無能力的值班船長也可以引起事故。由于全體船員(機動，維護，商業(yè)活動，等等)減少而導致值班船長的數(shù)量不足也經(jīng)常發(fā)生，導致值班船長工作過度和過度疲勞。這些事故也可以因為很少使用雷達系統(tǒng)而導致。
目前，大多數(shù)商船具有雷達系統(tǒng)來作為防撞裝置。這個系統(tǒng)提供精確和可靠的信息，但是為了作為可有效利用的防撞系統(tǒng)，其需要嚴格應(yīng)用一套程序?，F(xiàn)在，這個程序往往很少應(yīng)用。
還有自動雷達測繪輔助型系統(tǒng)(Automatic Radar Plotting Aid，ARPA)，其分析雷達提供的信號。這些系統(tǒng)具有較高的誤報率。其結(jié)果是結(jié)合有該系統(tǒng)的報警裝置經(jīng)常被關(guān)閉。
一種自動辨別系統(tǒng)(AIS)也已經(jīng)被開發(fā)出來，其必須在2010年以前裝備在所有的高危險船只(客運船、危險貨物運輸船)上。當這種系統(tǒng)與精確的定位系統(tǒng)例如GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))結(jié)合時，被證實是非常有效的。但是，AIS沒有考慮數(shù)量更多的的未安裝該系統(tǒng)的船只的交通。
現(xiàn)今，只有雷達被真正考慮用來處理碰撞的危險。這個裝置因缺乏冗余設(shè)備而不夠完善。
本發(fā)明的目的是通過提供完全自動的防撞報警系統(tǒng)和防撞分析方法來客服這些不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種安裝在水上運載工具上的防撞報警系統(tǒng)，包含-至少一個光學傳感器，其至少部分覆蓋該水上運載工具的水平線，-圖像處理裝置，其用于從該光學傳感器提供的圖像中實時提取海面上至少一個可見物體的位置信息，-防撞的分析裝置，其周期性計算可見物體位置信息的演變，并且根據(jù)可見物體位置信息的演變評估該水上運載工具與該可見物體碰撞的風險。
依照本發(fā)明的一個實施例，該光學傳感器包含至少一個攝像機，其相對水上運載工具固定，并且至少連續(xù)地覆蓋水平線實質(zhì)上的一部分。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該光學傳感器包含至少一個攝像機，其視野能通過旋轉(zhuǎn)適應(yīng)覆蓋水平線。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該光學傳感器包含-攝像機，其包含具有實質(zhì)上朝向垂直方向的光軸的鏡頭，-由馬達驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)組件，其具有排列在鏡頭的視野中、并且相對鏡頭光軸成實質(zhì)上的45°的鏡子，以及
-用于測量該旋轉(zhuǎn)組件角坐標的裝置根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該系統(tǒng)包含-由用作支架的底座構(gòu)成的殼體，以及-安裝在穩(wěn)定裝置上的穩(wěn)定容器，其被用作該光學傳感器的支架。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該穩(wěn)定裝置包含萬向節(jié)和陀螺轉(zhuǎn)子。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該傳感器包含可繞垂直軸被旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的單線纜攝像機。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該系統(tǒng)包含-殼體-保持在殼體內(nèi)并且被垂直軸馬達驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)組件，-用于保護具有開口的旋轉(zhuǎn)組件的保護罩，-安裝在旋轉(zhuǎn)組件上的數(shù)碼攝像機，其包含單線纜探測元件，-鏡頭，通過旋轉(zhuǎn)組件的旋轉(zhuǎn)，其光軸能夠掃描水平線。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該傳感器包含用排風扇通風以保護該鏡頭的保護玻璃。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，圖像處理集成電路卡安裝在該旋轉(zhuǎn)組件內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該系統(tǒng)包含用于測量旋轉(zhuǎn)組件角坐標的測量裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，光學傳感器的數(shù)字輸出數(shù)據(jù)通過旋轉(zhuǎn)接觸器傳輸，該旋轉(zhuǎn)接觸器也確保旋轉(zhuǎn)組件單元的電源連接。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該系統(tǒng)包含用于與羅盤接口連接的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該系統(tǒng)包含用于與其他傳感器接口連接的裝置和利用其他傳感器所提供的信息執(zhí)行一致性分析的分析裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該系統(tǒng)包含發(fā)出發(fā)現(xiàn)危險物體信號的發(fā)信號裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，每一個可見物體的位置信息包含該物體的方位角和尺寸。
本發(fā)明還涉及一種用于水上運載工具的防撞報警系統(tǒng)中的防撞報警方法，該防撞報警系統(tǒng)至少包含至少一個至少能部分覆蓋該水上運載工具的水平線的光學傳感器。根據(jù)本發(fā)明，該方法包括步驟-從光學傳感器提供的圖像中實時提取海面上至少一個可見物體的的位置信息，-周期性計算該可見物體的位置信息的演變，以及-根據(jù)該可見物體位置信息的演變評估該水上運載工具與該可見物體碰撞的風險，如果存在該水上運載工具與該可見物體碰撞的風險時，則該物體被認為是危險的。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該方法包含顯示有關(guān)每一危險物體信息的步驟，以及一發(fā)現(xiàn)新的危險物體就發(fā)送報警信號的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該方法包含步驟a)對該光學傳感器提供的圖像中有用的部分進行取景，b)測量該圖像至少一部分的平均光強，c)將每一像素與平均光強進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果為每一像素分配一個二進制值，d)查找組成鄰近像素組的給定值的像素，每一鄰近像素組構(gòu)成一個可見物體，并測量該可見物體的位置和尺寸，e)根據(jù)連續(xù)的圖像中可見物體位置和/或尺寸的變化確定危險物體。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該方法包含評估連續(xù)圖像中每一像素組的余輝，并根據(jù)其余輝確定構(gòu)成可見物體的組的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，對有用部分的取景包含自動探測地平線。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，對每一圖像執(zhí)行步驟d)和e)。


本發(fā)明的這些以及其他目的、特征和優(yōu)點將在以下給出相關(guān)、但不限于以下附圖本發(fā)明實施例的描述中更詳細地說明，其中-圖1表示安裝在船只上的本發(fā)明的系統(tǒng)，-圖2以方框圖的形式表示本發(fā)明系統(tǒng)的功能，-圖3A和圖3B表示本發(fā)明系統(tǒng)的第一實施例。
-圖4A和圖4B表示本發(fā)明系統(tǒng)的第二實施例。
-圖5A和圖5B表示本發(fā)明系統(tǒng)的第三實施例。
-圖6A和圖6B表示運用根據(jù)本發(fā)明的方法分析碰撞風險的原理。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的該系統(tǒng)包含-一套光學傳感器10，這里，配置在船12的上部構(gòu)造中，-計算機13，被嵌入在船只的航行駕駛臺中。
如圖2所示，本發(fā)明的系統(tǒng)從功能的觀點包含兩個部分，即光學部分SO和應(yīng)變部分ST，光學部分包含-一個或多個光學傳感器10，其至少部分覆蓋該水上運載工具的水平線，-用于將傳感器與計算機接口連接的接口裝置IFC，該計算機執(zhí)行傳感器提供的圖像的獲取并控制傳感器，以及-提取物體位置信息的圖像處理裝置IMP。
該應(yīng)變部分ST包括-防撞分析機構(gòu)ACOL，其執(zhí)行每一可見物體位置信息演變的周期性計算，并評估該水上運載工具與每一可見物體碰撞風險，以及-人工/機械接口IHM，它可以結(jié)合到該水上運載工具的控制器中，或遠程接口，其包括發(fā)出發(fā)現(xiàn)危險物體信號的發(fā)信號裝置。
該套光學傳感器10的優(yōu)點是覆蓋整個水平線，整個360°，或者后者中重要的部分。根據(jù)船只的構(gòu)造，具體說是上部構(gòu)造的尺寸，其最好可以具有單個或數(shù)個傳感器。理想情況下，在一個大型貨船上，3個傳感器，在船的前部一個，上部構(gòu)造的每側(cè)一個，能夠完整覆蓋整個水平線，包括位于航行駕駛臺上的觀察者被上層建筑遮擋住的附近區(qū)域。
在本發(fā)明的第一實施例中，每一傳感器包含一個其視野能夠通過旋轉(zhuǎn)覆蓋水平線的攝像機。在本發(fā)明的第二實施例中，每一傳感器包含一個單線纜攝像機，其可以適應(yīng)于安裝在固定支架上。在本發(fā)明的第三實施例中，每一傳感器包含一個或一個以上的攝像機，其相對于水上運載工具固定，并連續(xù)覆蓋水平線至少實質(zhì)上的一部分。
給定運輸船的運動后，必須找出在攝像機分辨率與穩(wěn)定性需求之間的最佳折衷，可以考慮兩個解決方案-將攝像機安裝在穩(wěn)定平臺上，用以集中水平線附近有用區(qū)域的圖像，-或者，利用有關(guān)船姿(橫搖和縱搖的角度)的一條信息僅處理圖像的有用部分(位于地平線上方或下方的像素中一個特定距離上的點)。該信息也可以來自一個外部的傳感器(姿態(tài)控制單元)，或是當水平線可見時，來自圖像處理(水平線的探測)。
在圖3A和3B所示的第一實施例中，光學傳感器10包含一個攝像機，其視野可以通過旋轉(zhuǎn)導向，覆蓋水平線。該攝像機安裝在一個由回旋裝置穩(wěn)定的平臺上。該傳感器10包含-由作為支架的底座22和透明的穹頂形防護罩23組成的殼體21，-安裝在由萬向節(jié)25和電動馬達27驅(qū)動的陀螺轉(zhuǎn)子26所組成的穩(wěn)定裝置上的穩(wěn)定容器24，-固定在該穩(wěn)定的容器上的攝像機28，其具有一個面向天空的鏡頭29，-安裝在該穩(wěn)定的容器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)組件30，其通過一個位于該穩(wěn)定容器底部的繞豎軸旋轉(zhuǎn)的馬達31驅(qū)動，并在它的上部具有一個鏡子32和一個遮日光屏33，鏡子的45°方向可使鏡子32的光軸通過旋轉(zhuǎn)組件30的旋轉(zhuǎn)能夠掃描水平面，光線被鏡子32反射得以到達攝像機的鏡頭，該馬達31通過齒輪減速機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)組件，以及-一個用于測量旋轉(zhuǎn)組件角坐標的測量裝置，或解析器，34，有可能結(jié)合到馬達30中，如果后者的技術(shù)允許(步進馬達)的話。
根據(jù)所使用的材料(合金和/或合成物)，整個殼體21的總重量可以少于2公斤且體積小于2公升。
在轉(zhuǎn)速為9,900rpm的陀螺轉(zhuǎn)子26的原型試驗中，99％的情況下，當該容器的角速度小于60mrad/s(milliradians per second毫弧度每秒)時能夠確保穩(wěn)定性。該穩(wěn)定裝置提供1/1,000秒的綜合周期、少于1/8像素的“移動”、+/-25°的船只橫搖/縱搖公差。這一性能能夠通過工業(yè)化制造的產(chǎn)品(機械操作，調(diào)節(jié)，和容許公差)和旋轉(zhuǎn)速度為15000rpm的陀螺轉(zhuǎn)子進一步提高。
該攝像機28例如具有以下特征-可以提供實時的標準格式(JPEG)的操作的1/3英寸的CCD單元，-一個XGA高分辨率視頻格式(1,024×768像素)，提供鏡頭29的開放角(36°對角線)和尋找角分辨率的最佳折衷，-一個具有9mm焦距的鏡頭29。
在如圖4A和4B所示的第二實施例中，該光學傳感器10包含一個單線纜攝像機，其可以適應(yīng)安裝在一個固定的支架上。
更準確地說，該光學傳感器包含-安裝在船的桅桿上的圓柱形殼體41，-旋轉(zhuǎn)組件42，其通過滾珠軸承43保持在該殼體41中，并由一個位于該殼體底部的豎軸旋轉(zhuǎn)的馬達44驅(qū)動，該旋轉(zhuǎn)組件的上部包含一個圓柱形的具有一個矩形窗口49的保護蓋子45，該窗口可使光線能夠穿過該蓋子到達鏡頭，-安裝在該旋轉(zhuǎn)組件42上的數(shù)碼攝像機46及偏置在該攝像機機身上的單線纜探測元件47；該探測元件典型地包含512到8192個處于垂線上的光敏基本單元，-鏡頭48，典型地具有30到55度的開口角，以能使其光軸通過旋轉(zhuǎn)組件42的旋轉(zhuǎn)掃描水平線的方式布置，以及
-遮光器50，在系統(tǒng)關(guān)閉時擋住該矩形開口49，以保護傳感器的內(nèi)部免于噴濺和雨淋；該遮光器利用一個磁性控制器51驅(qū)動。
當該系統(tǒng)開啟時，鏡頭48通過一個保護玻璃52來防止雨滴落點穿過該矩形開口49，利用換氣扇53進行通風，換氣扇將由該旋轉(zhuǎn)組件或該殼體的不同的熱源(旋轉(zhuǎn)馬達，電子設(shè)備和攝像機)加熱的空氣吹進烘干噴嘴54。
結(jié)合了計算機和有關(guān)的防撞報警系統(tǒng)電路的集成電路卡56安裝在旋轉(zhuǎn)組件42的內(nèi)部。
旋轉(zhuǎn)組件42還具有用來測量該旋轉(zhuǎn)組件角坐標的方位編碼器57。
防撞報警系統(tǒng)的數(shù)字輸出數(shù)據(jù)通過旋轉(zhuǎn)接觸器58傳輸，旋轉(zhuǎn)接觸器也將來自船的羅盤的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，也確保旋轉(zhuǎn)組件42單元的電源連接。
在第二實施例中，環(huán)繞傳感器10 360°的大海全景圖像是通過掃描由單線纜傳感器的旋轉(zhuǎn)決定的光學部分而產(chǎn)生的，選擇該部分的垂直開口角，使其即使在橫搖/縱搖運動時也可以覆蓋有用的仰角范圍。
圖像的角分辨率依賴于水平和垂直角分辨率。
該圖像的水平角分辨率根據(jù)旋轉(zhuǎn)的速度和行掃描頻率而變化?，F(xiàn)有線性攝像機的線掃描頻率典型地在6到87Hz范圍。在實踐中，掃描頻率的限定取決于照明條件和光敏性。對于旋轉(zhuǎn)速度典型的范圍在每秒旋轉(zhuǎn)0.12到2周，水平分辨率是在0.01到2mrad/像素(milliradians per pixel毫弧度每像素)之間。
該垂直角分辨率由該傳感器像素的數(shù)量和鏡頭的開放角決定。對于像素數(shù)量范圍在512到8192和垂直開放角在4到45度來說，垂直分辨率在0.01到1.5mrad/像素之間。
在如圖5A和5B所示的第三實施例中，光學傳感器10包含一套固定的攝像機。更準確地說，該光學傳感器包含-安裝在船的上部構(gòu)造上并包含一個玻璃開口的殼體61-安裝在該殼體61上的一個或多個數(shù)碼攝像機63(典型的為4個)，-用于每個攝像機63的鏡頭64，該套鏡頭以其掃描的區(qū)域覆蓋水平線實質(zhì)上的一部分(典型的為187°)的方式布置，以及
-接線及多路裝置65，其可使來自所有攝像機的圖像能夠同時處理。該設(shè)備能夠一體化成一個集成電路卡執(zhí)行圖像處理部分。
在該第三實施例中，該圖像的分辨率與運輸船的平臺移動相關(guān)聯(lián)。典型地，在橫搖運動限制在+/-10°的大型船上，利用一個清晰度為1280×1024像素的攝像機和8至12mm鏡頭能夠獲得所需的分辨率，在全照明條件下，將探測范圍提高到10000米。
位于光學傳感器和有關(guān)計算機之間的光學傳感器的接口(電子電路和卡，和/或軟件，和/或有線連接，和/或無線連接)適合于結(jié)構(gòu)選擇。因此該接口包含-一個結(jié)合在計算機內(nèi)的接口，-一個結(jié)合在傳感器內(nèi)的接口，-一個包含在中間容器中的接口。
與光學傳感器的接口確保具有兩個功能-獲得圖像，以及在該傳感器具有旋轉(zhuǎn)組件的情況下，獲得方位測量結(jié)果，以及-控制該傳感器，也就是該攝像機的掌控，以及在該傳感器具有旋轉(zhuǎn)組件的情況下，對方位馬達的掌控。
在上述第一實施例中及如圖3A和3B所示，光學傳感器10包含一個光學視野能夠通過旋轉(zhuǎn)覆蓋水平線的攝像機，接口IFC是結(jié)合在該計算機內(nèi)的一個電子電路。
在上述第二實施例中及如圖4B和4B所示，光學傳感器10使用一個旋轉(zhuǎn)的單線纜攝像機，該接口IFC是一個電路，其結(jié)合在安裝在旋轉(zhuǎn)組件42上的集成電路卡56內(nèi)。
在上述第三實施例中及如圖5A和5B所示，該光學傳感器10包含一套固定的攝像機，該接口IFC是一個結(jié)合在該連線及多路裝置65中的集成電路卡內(nèi)。
由圖像處理裝置IMP執(zhí)行的圖像處理方法可從該光學傳感器10所提供的每個圖像中實時提取海面上可見物體的位置信息，同時排除波浪和泡沫。
該圖像處理包含步驟
-對光學傳感器10提供的圖片中有用的部分取景，-測量該圖片至少一部分的平均光強，-將每一像素與平均光強進行比較，并依該差別素是高于還是低于光強閾值來為每一像素分配一個二進制值，-查找組成鄰近像素組的給定值的像素，每一鄰近像素組構(gòu)成一個可見物體，以及-測量該可見物體的位置和尺寸。
對有用的位置取景可以包含自動探測地平線。其還可以包括對圖像的校正以使該地平線保持與該圖像的底緣平行。
該圖像有用的部分自身可以被分成幾部分，例如根據(jù)每個像素與地平線之間的距離，該距離粗略的決定相應(yīng)的點與該運輸船的距離。
該光強可以測定，根據(jù)使用的攝像機的類型，只考慮亮度和/或一個或一個以上的三種彩色成分(紅，藍，黃)。
每一像素與平均光強的比較可以采用幾種參數(shù)(閾值，顏色)同時進行。
對可見物體的探測可以包括評估連續(xù)圖像中每組像素的余輝的步驟?？紤]到這個目標，將每一圖像的所有像素組的位置信息存儲到數(shù)據(jù)庫中。比較相同區(qū)域的連續(xù)圖像所對應(yīng)的連續(xù)數(shù)據(jù)庫，就能根據(jù)其余輝，也就是說，根據(jù)一定數(shù)量的圖片中這些組出現(xiàn)的百分比，來確定構(gòu)成可見物體的組。該方法可以去除“未出現(xiàn)”的物體-波浪、倒影、泡沫，而僅保留對應(yīng)于船只的物體或漂浮在表面上的物體。
在第一實施例中，光學傳感器10包含光學視野能夠通過旋轉(zhuǎn)覆蓋水平線的攝像機，對每一圖像執(zhí)行該圖像處理，即典型地每1/15秒一次。該處理過程包含步驟-自動探測地平線，-調(diào)整該圖像使地平線保持與該圖像的底緣平行，-測量居于水平線中心的圖像的至少一部分的平均光強，
-根據(jù)平均光強來比較每一像素與光強閾值的不同，并依該差別是高于還是低于平均光強為每一像素分配一個二進制值，-查找組成鄰近像素組的給定值的像素，-將所有像素組的位置信息記錄到探測組數(shù)據(jù)庫BDG中，-比較由光傳感器提供的每一圖像連續(xù)構(gòu)成的探測組數(shù)據(jù)庫，以及-根據(jù)數(shù)個探測組數(shù)據(jù)庫中的余輝來確定構(gòu)成可見物體的組。
在第二實施例中，圖像處理通過圖像處理裝置IMP首先在與垂直線相應(yīng)的每一個基礎(chǔ)圖像上執(zhí)行，即典型地每1/3000秒一次。該處理包含以下步驟-自動探測地平線，-重新調(diào)整圖像的像素數(shù)以使地平線與圖片的底緣保持恒定的距離，-測量在居于水平線中心的圖像的至少一部分的平均光強，-將每一像素與該平均光強進行比較，并依該差別是高于還是低于光強閾值來為每一像素分配一個二進制值，以及-由連續(xù)的垂直線重新構(gòu)成圖像。
在每個如此重新構(gòu)成的圖像上，也就是典型的每一秒，該圖像處理包含以下步驟-查找組成鄰近像素組的給定值的像素，-將所有像素組的位置信息記錄在探測組數(shù)據(jù)庫BDG中，-比較由每一連續(xù)再生圖像構(gòu)成的該探測組數(shù)據(jù)庫(典型地，比較3至10個圖像)，以及-根據(jù)數(shù)個探測組數(shù)據(jù)庫中的余輝來確定構(gòu)成可見物體的組。
在第三實施例中，該圖像處理是通過該圖像處理機構(gòu)IMP在每一圖像上執(zhí)行，即典型地每秒一次。該圖像處理包含以下步驟-自動探測地平線，-重新校正圖像以使該地平線與圖像的底緣保持平行，
-測量在居于水平線中心的圖像的至少一部分的平均光強，-將每一像素與該平均光強進行比較，并依靠該差別是高于還是低于光強閾值來為每一像素分配一個二進制值，-查找組成鄰近像素組的給定值的像素，-將所有像素組的位置信息記錄在探測組數(shù)據(jù)庫BDG中，-比較由每一連續(xù)圖像構(gòu)成的探測組數(shù)據(jù)庫(典型地，3至10個圖像)，以及-根據(jù)數(shù)個探測組數(shù)據(jù)庫中的余輝確定構(gòu)成可見物體的組。將該可見物體的特征存儲到可見物體數(shù)據(jù)庫BDOV中。
總體上，結(jié)合圖像處理的該光學傳感器具有以下特點-其提供探測信息，也就是物體的存在它的方位角，并在系統(tǒng)有數(shù)個傳感器的情況下，提供物體的距離。
-其能夠在與人眼同樣的能見度條件下，日夜探測可見物，通過適當?shù)膫鞲衅?例如對紅外線敏感)，它能夠在更苛刻的環(huán)境中工作，-在夜晚，該系統(tǒng)可以包含一個紅外線照明裝置，對黑暗障礙物的探測距離可達2000米，-依系統(tǒng)的配置和運輸海上工具的動態(tài)，當探測最靠近的物體時，其探測距離可以達到10000米，-其能定位雷達探測不到的物體，例如小物品和漂浮物，-圖像處理以彩色或黑白都可以完成，-其能夠在如下運動的平臺上工作橫搖(+/-35°)，周期為5到15秒，縱搖(+/-15°)，角速度低于10°/秒。
-其包裝成在防水，機械和電子保護，以及日照，飛沫和防振等方面適合艦船環(huán)境的樣式。
由該防撞分析裝置ACOL執(zhí)行的防撞分析方法包含以下步驟-根據(jù)其在光學傳感器提供的圖像中的位置確定數(shù)據(jù)庫BDOV中每一可見物體的位置信息，-周期性計算每一可見物體位置信息的演變，-根據(jù)可見物體位置的演變，評估該水上運載工具與每一可見物體碰撞的風險。
可見物體的位置信息包括其方位角，它的仰角(與地平線相比較的角位移)，以及，當其距離可以計算出來時，可能包括其距離(在系統(tǒng)包含多個傳感器的情況下)。該信息通過圖像中該物體的外觀尺寸的標示高和/或?qū)挼南袼財?shù)完善。
應(yīng)用本發(fā)明的分析碰撞風險的原理基于可見物體方位角的演變，基于其尺寸的演變，以及當其距離可以計算出來時，可能基于其距離。
更準確地說，該防撞分析方法包含以下步驟-通過每隔30秒分析可見物體數(shù)據(jù)庫來周期性計算每一可見物體的位置和尺寸信息，以過去20分鐘的歷史記錄為基礎(chǔ)的演變。
-提取方位角變化小于1.5°/分鐘(度每分鐘)的物體，-提取尺寸增加和/或距離(當它被計算出來)減少的物體，以及-建立含有前兩步中提取的可見物體特征的危險物體的數(shù)據(jù)庫BDOD。
該可見物體方位角演變的分析可以用作評估碰撞風險的基礎(chǔ)，如圖6A和6B所示，這些圖表示船的軌跡1和可見物體的推測軌跡2。軌跡1，2上形成的點表示在t1到t9時刻該船和該可見物體各自的位置。
圖6A表示可見物體被認為是危險時的情況。圖中可見，該可見物體的方位角與船的方位角相比是不變的。
圖6B表示可見物體被認為是不危險的情況。在該情況下，該可見物體與船的方位角不是不變的。
每一可見物體的尺寸的變化也被考慮作為用來評估碰撞風險的信息。當然，如果船和可見物體沿平行的軌跡而行并且速度相同，該物體的方位角與船比較是不變的，盡管該物體不會對船構(gòu)成威脅。此外，如果可見物體的表觀尺寸增加，就意味著其正在靠近該船。
如果該船裝備有與雷達系統(tǒng)連接的ARPA自動機器，則還可以進一步提供用于獲取由“ARPA”機器人和“AIS”蹤跡考慮的方位角和雷達回波距離。然后就可以將雷達回波的位置和AIS蹤跡與危險物體數(shù)據(jù)庫BDOD比較，以比較每一外部軌跡與一個危險物體相及逆向比較。因此該危險物體數(shù)據(jù)庫能夠收集所有被根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和船的其他件裝備探測出來的危險物體，每一危險物體在數(shù)據(jù)庫中關(guān)聯(lián)一條提示一個或多個探測到每一物體的裝置的信息。
可見物體數(shù)據(jù)庫BDOV和危險物體數(shù)據(jù)庫BDOD是與船上普遍使用的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件相兼容的ANSI編碼結(jié)構(gòu)格式，典型的為NMEA(National MaritimeElectronics Association，國家海洋電子協(xié)會)格式或是XML(eXtended MarkupLanguage可擴展標識語言)格式。在這些數(shù)據(jù)庫中與每一物體結(jié)合的屬性最好包括-第一次探測的時間，-方位角，-角的寬度-當距離可以計算時，與船的距離，-與船的距離的精確性，-余輝，以及-對比度人工/機械接口IHM執(zhí)行向全體船員提供信息和控制系統(tǒng)的功能。向全體船員提供的信息包含-當危險物體數(shù)據(jù)庫包括一個新要素的同時，就發(fā)送報警信號，該信號可以是聲音和/或可視信號和/或適應(yīng)特殊需要(例如合成聲音，或裝載本體裝置的振動)，-顯示危險物體的位置信息，具體說是其尺寸，和情況緊急狀態(tài)(例如碰撞前的距離或時間)的指示，和-記錄可見物體和危險物體數(shù)據(jù)庫的記載。
也可以對人工/機械接口IHM提供一種可能，即根據(jù)操作者的需要在視線內(nèi)實時顯示物體圖像。
當該船包含數(shù)個探測機構(gòu)時，該人工/機械接口IHM還可以顯示用于探測每個物體的一個或多個機構(gòu)的指示。當船裝備有結(jié)合了雷達的ARPA防撞裝置時，該人工/機械接口能夠方便的使來自可見物體和危險物體數(shù)據(jù)庫的信息以圖標方式在ARPA顯示裝置上添加。如果該船裝備有例如根據(jù)ECDIS(Electronic ChartDisplay and Information System，電子海圖顯示和信息系統(tǒng))標準的數(shù)字地圖設(shè)備，，該人工/機械接口能夠以圖表的方式在ECDIS顯示器上添加來自可見物體和危險物體數(shù)據(jù)庫的信息。
控制該系統(tǒng)的功能包括管理系統(tǒng)操作的普通管理指令，和使防撞系統(tǒng)能被維持的指令。
該普通管理指令包含開啟和停止系統(tǒng)的指令，以及如果有的話，使其他探測裝置被考慮選擇的指令。
該維持系統(tǒng)的指令包括開啟，關(guān)閉和設(shè)置每個攝像機的指令，使計算機能夠做內(nèi)部調(diào)整(閾值，參數(shù))的命令，以及啟動用于校準和內(nèi)部調(diào)試該系統(tǒng)的自動程序的指令。
人工/機械界面IHM的輸入端與該可見物體數(shù)據(jù)庫BDOV和該危險物體數(shù)據(jù)庫DBOD聯(lián)接。它可以一體化到該水上運載工具的控制器，或遠程的。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，該人工/機械接口IHM是被一體化到外部導航系統(tǒng)。該報警，顯示和控制功能增強了外部導航系統(tǒng)供ARPA或ECDIS顯示裝置使用的現(xiàn)有接口。
ARPA顯示裝置將船周圍的圓形區(qū)域顯示在監(jiān)視器上。ARPA觀察是連續(xù)地以船為中心的。由于安置在北極(水手羅盤上位于0度的基本點)上的或相對于船的軸線的放射線，并通過一系列的定距環(huán)，可以很容易地實現(xiàn)定位。
ECDIS顯示裝置在監(jiān)視器上顯示一個符合國際標準的矩形地理圖。該地圖由其中心的地理位置，其比例，投影的類型(一般而言為墨卡托(Mercator))及其方向(通常是北極或根據(jù)船的軸線)而形成特征。由于表示恒定緯度和經(jīng)度的格子，在該地圖上更容易定位。
這兩種顯示裝置以特殊符號的形式顯示可見物體和危險物體。因此，可以直觀地評估碰撞的風險。
根據(jù)操作者的干涉，可見物體的圖像能夠呈現(xiàn)在監(jiān)視器的一個窗口中。該圖像典型地每秒刷新，可以實時直觀評估探測到的船的演變。
當根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)從數(shù)個傳感器接收信息時，它也對每一物體的由不同傳感器所提供的物體方位角的角位移執(zhí)行測量，而且也計算物體的距離。
作為結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的防撞系統(tǒng)能夠為現(xiàn)有裝置提供一定的補充。因而，它提供誤報率相對較低的的可靠信號。
作為這些特征的結(jié)果，本發(fā)明的系統(tǒng)可以用于很多領(lǐng)域，具體說是-被專業(yè)人員雇傭的船只的領(lǐng)域(貿(mào)易，漁業(yè)，遠航，國有船只)，-游艇領(lǐng)域，其可以為全體人員提供安全和舒適，尤其是當缺乏雷達時，-海岸海峽航路領(lǐng)域(浮標、燈塔、照明、碼頭，等等)，在最危險區(qū)域監(jiān)視和控制通行和防撞保險裝置的補充設(shè)備，-海軍標靶領(lǐng)域，即使控制者不能視覺控制標靶部署區(qū)域時，其具有確保永久控制防撞保險裝置的可能性。
此外，在任何水上運載工具上，本發(fā)明的系統(tǒng)使自動記錄所有被探測到的可見物體成為可能，這能夠增強自動存儲在“黑匣子”或航行數(shù)據(jù)記錄儀VDR中的數(shù)據(jù)。
所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可能有各種各樣的其他可選擇的實施方式和應(yīng)用。因此，本發(fā)明不僅限于光學傳感器覆蓋水上運載工具的整個水平線的系統(tǒng)。光學傳感器監(jiān)視的區(qū)域可實際上局限在水上運載工具前方的區(qū)域。這些既不是系統(tǒng)讀取水上運載工具如方位角一類的位置信息的要素，也不是水上運載工具安裝的其他系統(tǒng)提供的信息的要素。實際上，可以確定被發(fā)現(xiàn)的物體與水上運載工具和其路線相關(guān)的位置。此外，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可以不包含任何人工/機械接口，僅僅向水上運載工具的其他包含人工/機械接口的系統(tǒng)發(fā)送有關(guān)發(fā)現(xiàn)危險物體的信息。
權(quán)利要求
1.一種用于水上運載工具(12)的防撞報警系統(tǒng)，包含-至少一個光學傳感器(10)，其至少部分覆蓋該水上運載工具的水平線，-圖像處理機構(gòu)(IMP)，用于從該光學傳感器提供的圖像中實時提取至少一個海面上可見物體的位置信息，-防撞分析裝置(ACOL)，其周期性的計算至少一個可見物體位置信息的演變，并且根據(jù)可見物體位置信息的演變評估該水上運載工具與該可見物體碰撞的風險。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是該光學傳感器(10)包含至少一個相對水上運載工具固定的攝像機，其連續(xù)地覆蓋水平線的至少實質(zhì)上的一部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是該光學傳感器(10)包含至少一個視野能適應(yīng)通過旋轉(zhuǎn)覆蓋水平線的攝像機。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征是該光學傳感器(10)包含-攝像機(28)，其包含具有實質(zhì)上朝向垂直的方向的光軸的鏡頭(29)，-由馬達(31)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)組件(30)，其具有排列在鏡頭的視野中、并且相對鏡頭光軸成實質(zhì)上的45°的鏡子(32)，以及-用于測量該旋轉(zhuǎn)組件(30)角坐標的裝置(14)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項所述的系統(tǒng)，其特征是包含-由用作支架的底座(22)構(gòu)成的殼體(21)，以及-安裝在穩(wěn)定裝置(25、26)上的穩(wěn)定的容器(24)，其被用做該光學傳感器(10)的支架。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征是該穩(wěn)定裝置包含萬向節(jié)(25)和陀螺轉(zhuǎn)子(26)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征是該傳感器(10)包含可繞垂直軸被旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的單線纜攝像機。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征是包含-殼體(41)-保持在殼體(41)內(nèi)并且被垂直軸馬達(44)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)組件(42)，-用于保護具有開口(49)的旋轉(zhuǎn)組件的保護罩(45)，-安裝在該旋轉(zhuǎn)組件上的數(shù)碼攝像機(46)，其包含單線纜探測單元(47)，-鏡頭(48)，通過旋轉(zhuǎn)組件的旋轉(zhuǎn)，其光軸能夠掃描水平線。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征是該傳感器(10)包含利用排風扇(53)通風以保護鏡頭(48)的保護玻璃(52).
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的系統(tǒng)，其特征是圖像處理集成電路卡(56)安裝在該旋轉(zhuǎn)組件(42)內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10任一項所述的系統(tǒng)，其特征是包含用于測量該旋轉(zhuǎn)組件(42)的角坐標的測量裝置(57)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11任一項所述的系統(tǒng)，其特征是該光學傳感器(10)的數(shù)字輸出數(shù)據(jù)通過旋轉(zhuǎn)接觸器(58)傳輸，該旋轉(zhuǎn)接觸器也確保旋轉(zhuǎn)組件單元的電源連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求1到12任一項所述的系統(tǒng)，其特征是包含用于與羅盤接口連接的裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求1到13任一項所述的系統(tǒng)，其特征是包含用于與其他傳感器接口連接的裝置和利用其他傳感器所提供的信息執(zhí)行一致性分析的分析裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求1到14任一項的系統(tǒng)，其特征是包含發(fā)出發(fā)現(xiàn)危險物體信號的發(fā)信號裝置(IHM)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1到15任一項所述的系統(tǒng)，其特征是該每一可見物體的位置信息包含該物體的方位角和尺寸。
17.一種用于水上運載工具(12)的防撞報警系統(tǒng)中的防撞報警方法，其包含至少一個能部分覆蓋該水上運載工具的水平線的光學傳感器(10)，其特征在于包含以下步驟-從光學傳感器(10)提供的圖像中實時提取該的海面上至少一個可見物體的位置信息，-周期性計算該可見物體的位置信息的演變，以及-根據(jù)該可見物體位置信息的演變評估該水上運載工具與該可見物體碰撞的風險，如果存在該水上運載工具與該可見物體碰撞的風險時，則該物體被認為是危險的。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征是包含顯示有關(guān)每一危險物體信息的步驟，以及一發(fā)現(xiàn)新的危險物體就發(fā)送報警信號的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18的所述方法，其特征是包含以下步驟a)對該光學傳感器(10)提供的圖像中有用的部分進行取景，b)測量該圖像至少一部分的平均光強，c)將每一像素與平均光強進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果為每一像素分配一個二進制值，d)查找組成鄰近像素組的給定值的像素，每一鄰近像素組構(gòu)成一個可見物體，且測量該可見物體的位置和尺寸，e)根據(jù)連續(xù)圖像中該可見物體的位置和/或尺寸的變化確定危險物體。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征是包含評估連續(xù)圖像中每一像素組的余輝，并根據(jù)其余輝確定構(gòu)成可見物體的組的步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的方法，其特征是對有用部分的取景包含自動探測地平線。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征是對每一圖像執(zhí)行步驟d)和e)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于水上運載工具的防撞報警系統(tǒng)(12)，包含至少一個光學傳感器(10)，其至少部分覆蓋該水上運載工具的水平線；用于實時提取海面上可見物體的每一圖像位置信息的圖像處理裝置；以及防撞分析裝置，該裝置周期性計算每一可見物體位置信息的演變，并且根據(jù)該可見物體位置信息的演變評估每一可見與該水上運載工具碰撞的風險。本發(fā)明可應(yīng)用于所有的無論是有人操控的還是其他的水上運載工具，同樣也可用于救生器材。
文檔編號G01S17/93GK101057159SQ200580032966
公開日2007年10月17日 申請日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月29日
發(fā)明者菲利浦·瓦魁特 申請人:錫安航運公司