本發(fā)明涉及船舶停泊及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于圖像處理的船舶停泊控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

由于船舶進(jìn)出港口或限制水域航行時(shí)，需要較佳的精確度以及即時(shí)反應(yīng)能力，因此通常通過(guò)引水(領(lǐng)港)人員對(duì)港區(qū)的了解與豐富的操船經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成。以船舶的停泊作業(yè)來(lái)說(shuō)，當(dāng)船舶在進(jìn)港的時(shí)候，需要在狹小的空間內(nèi)讓船舶維持在固定的航道上，進(jìn)港時(shí)又會(huì)有風(fēng)、浪、流外界因素的干擾，而導(dǎo)致船只偏離航道，因此須不斷進(jìn)行航向、船位修正。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，船舶與港口的建設(shè)迅速走向大型化，隨著船舶尺度的持續(xù)增大，越來(lái)越多的泊位建立在離岸的開(kāi)敞式或半開(kāi)敞式碼頭，由此，船舶被迫暴露在更加嚴(yán)峻的環(huán)境中，引發(fā)船舶運(yùn)動(dòng)的多樣性并影響船舶卸貨和安全系泊；另一方面，在強(qiáng)風(fēng)和急流的沖擊下，船舶對(duì)碼頭防撞設(shè)施的沖擊十分強(qiáng)烈，如果不做好應(yīng)對(duì)措施，一旦發(fā)生事故，后果是不堪設(shè)想的。因此，應(yīng)用現(xiàn)代圖像處理技術(shù)來(lái)減少船舶運(yùn)動(dòng)并確保最高效地利用船舶系泊設(shè)備保障系泊船舶安全是十分重要的。

圖像識(shí)別最早的研究在心理學(xué)領(lǐng)域可以追溯到上個(gè)世紀(jì)50年代，在工程領(lǐng)域的可以追溯到上個(gè)世紀(jì)60年代，其它的一些比較早期的研究包括達(dá)爾文的關(guān)于情感的面部表達(dá)的研究和Gaiton的關(guān)于車(chē)輛側(cè)面特征的研究。最早的自動(dòng)圖像識(shí)別研究論文見(jiàn)于1965年Chan&Bledsoe在PanoramieResearehIne發(fā)表的技術(shù)報(bào)告，到現(xiàn)在已經(jīng)有三十多年的歷史。70年代，美、英等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始重視圖像識(shí)別的研究工作并取得進(jìn)展。自動(dòng)圖像識(shí)別技術(shù)(AFR)的研究，以Kelly和Kanade構(gòu)造了第一個(gè)自動(dòng)圖像識(shí)別系統(tǒng)為起點(diǎn)。1972年，ooldstion，Hannon和Lesk用幾何特征的參數(shù)來(lái)表示車(chē)輛正面圖像，他們采用21維的特征矢量表示車(chē)輛面部特征，并設(shè)計(jì)了基于這一特征表示的識(shí)別系統(tǒng)。Kaya和Kobayashi則采用統(tǒng)計(jì)識(shí)別方法，用歐氏距離來(lái)表征車(chē)輛特征。更進(jìn)一步地，T.Kanad(M.Nagao)設(shè)計(jì)了一個(gè)高速且有一定知識(shí)導(dǎo)引的半自動(dòng)回溯識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了快速、實(shí)時(shí)地處理，是一個(gè)很大的進(jìn)步。

因此，針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，有必要提供一種基于圖像處理的船舶停泊控制系統(tǒng)及控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于圖像處理的船舶停泊控制系統(tǒng)及控制方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下：

一種基于圖像處理的船舶停泊控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

疊標(biāo)，包括設(shè)于岸上的第一疊標(biāo)及設(shè)于船舶上的第二疊標(biāo)，所述第二疊標(biāo)包括位于船舶上的上疊標(biāo)和下疊標(biāo)，所述上疊標(biāo)的水平高度高于下疊標(biāo)的水平高度；

圖像視覺(jué)系統(tǒng)，用于根據(jù)圖像處理技術(shù)提供船舶方位及距離信息。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述下疊標(biāo)在船舶的左邊或右邊，所述下疊標(biāo)在上疊標(biāo)的左邊或右邊。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述圖像視覺(jué)系統(tǒng)包括：

圖像采集單元，用于獲取船舶的圖像信息；

圖像處理單元，用于根據(jù)船舶的圖像信息計(jì)算船舶方位及距離信息；

數(shù)據(jù)傳輸單元，用于傳輸舵令控制信息以導(dǎo)引船舶達(dá)預(yù)定航道內(nèi)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述圖像采集單元為CCD攝像機(jī)，所述數(shù)據(jù)傳輸單元包括無(wú)線(xiàn)傳輸裝置。

相應(yīng)地，一種基于圖像處理的船舶停泊控制系統(tǒng)的控制方法，所述控制方法包括：

S1、獲取船舶的圖像信息；

S2、根據(jù)圖像信息獲取船舶的航向角修正量以導(dǎo)引船舶達(dá)預(yù)定航道內(nèi)；

S3、根據(jù)圖像信息獲取船舶的距離信息，根據(jù)距離信息判斷船舶是否已抵達(dá)待泊區(qū)，若是，則進(jìn)行船舶停泊，若否，返回步驟S2。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟S2具體為：

S21、將x₁與x_c相減的值，乘以比例k_x所得角度θ₁為：(x₁-x_c)k_x＝θ₁，其中，x₁為進(jìn)港時(shí)下疊標(biāo)幾何中心在圖像坐標(biāo)水平軸的值，x_c為進(jìn)港時(shí)圖像采集單元中心在圖像坐標(biāo)水平軸的值；

S22、將x₁與x₂相減的值，乘以比例k_x所得角度為θ₂：(x₁-x₂)k_x＝θ₂，其中，x₂為進(jìn)港時(shí)上疊標(biāo)幾何中心在圖像坐標(biāo)水平軸的值；

S23、將θ₁與θ₂相加，即為航向角修正量Δψ：θ₁+θ₂＝Δψ。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟S21中，若下疊標(biāo)在船舶的左邊，則θ₁為負(fù)值；若下疊標(biāo)在船舶的右邊，則θ₁為正值。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟S22中，若上疊標(biāo)在下疊標(biāo)的右邊，即預(yù)定航道在船舶的左邊，則θ₂為負(fù)值；若上疊標(biāo)在下疊標(biāo)的左邊，即預(yù)定航道在船舶的右邊，則θ₂為正值。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟S3中，船舶的距離信息為x_a為其中，y_a為進(jìn)港時(shí)上疊標(biāo)與下疊標(biāo)幾何中心間的真實(shí)長(zhǎng)度，x_d為進(jìn)港時(shí)上疊標(biāo)與下疊標(biāo)的間距，(y_1a-y_2a)k_y＝θ_ya，y_2a為進(jìn)港時(shí)上疊標(biāo)幾何中心在圖像坐標(biāo)垂直軸的值，y_1a為進(jìn)港時(shí)下疊標(biāo)幾何中心在圖像坐標(biāo)垂直軸的值。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明在船舶和岸上架設(shè)標(biāo)記物，建立岸上圖像視覺(jué)系統(tǒng)提供船舶方位及距離信息，利用圖像估測(cè)航向，以取代TCM2的提供的航向信息，達(dá)到進(jìn)港及停泊全程皆由圖像處理提供導(dǎo)航信息的自動(dòng)化航行控制，其控制方便，且誤差角度小，控制精度較高。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明基于圖像處理的船舶停泊控制系統(tǒng)的模塊示意圖；

圖2為本發(fā)明基于圖像處理的船舶停泊控制方法的流程示意圖；

圖3為本發(fā)明一具體實(shí)施方式中θ₁的正負(fù)示意圖；

圖4為本發(fā)明一具體實(shí)施方式中θ₂為負(fù)的示意圖；

圖5為本發(fā)明一具體實(shí)施方式中θ₂為正的示意圖；

圖6為本發(fā)明一具體實(shí)施方式中航向角修正量的計(jì)算示意圖；

圖7為本發(fā)明一具體實(shí)施方式中距離估測(cè)側(cè)視示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參圖1所示，本發(fā)明公開(kāi)了一種基于圖像處理的船舶停泊控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

疊標(biāo)，包括設(shè)于岸上的第一疊標(biāo)及設(shè)于船舶上的第二疊標(biāo)，第二疊標(biāo)包括位于船舶10上的上疊標(biāo)11和下疊標(biāo)12，上疊標(biāo)的水平高度高于下疊標(biāo)的水平高度；

圖像視覺(jué)系統(tǒng)，用于根據(jù)圖像處理技術(shù)提供船舶方位及距離信息。

其中，下疊標(biāo)在船舶的左邊或右邊，下疊標(biāo)在上疊標(biāo)的左邊或右邊。

進(jìn)一步地，圖像視覺(jué)系統(tǒng)包括：

圖像采集單元21，用于獲取船舶的圖像信息；

圖像處理單元22，用于根據(jù)船舶的圖像信息計(jì)算船舶方位及距離信息；

數(shù)據(jù)傳輸單元(未圖示)，用于傳輸舵令控制信息以導(dǎo)引船舶達(dá)預(yù)定航道內(nèi)。

優(yōu)選地，圖像采集單元為CCD攝像機(jī)，數(shù)據(jù)傳輸單元包括無(wú)線(xiàn)傳輸裝置。

相應(yīng)地，參圖2所示，本發(fā)明還公開(kāi)了一種基于圖像處理的船舶停泊控制系統(tǒng)的控制方法，該控制方法包括：

S1、獲取船舶的圖像信息；

S2、根據(jù)圖像信息獲取船舶的航向角修正量以導(dǎo)引船舶達(dá)預(yù)定航道內(nèi)；

S3、根據(jù)圖像信息獲取船舶的距離信息，根據(jù)距離信息判斷船舶是否已抵達(dá)待泊區(qū)，若是，則進(jìn)行船舶停泊，若否，返回步驟S2。

本發(fā)明以岸上架設(shè)標(biāo)記物(即第一疊標(biāo))，利用兩標(biāo)記形成一直線(xiàn)與CCD中心的夾角關(guān)系來(lái)計(jì)算出舵角控制量關(guān)系。但由于停泊時(shí)有側(cè)風(fēng)干擾船體，使船舶側(cè)移并且CCD常常發(fā)生出鏡的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，以及測(cè)推器的電壓輸出不穩(wěn)情況，導(dǎo)致算出的停泊距離有誤判。本發(fā)明主要在船上架設(shè)第一疊標(biāo)，建立岸上圖像視覺(jué)系統(tǒng)提供船舶方位及距離信息及利用圖像估測(cè)航向，以取代TCM2的提供的航向信息，達(dá)到進(jìn)港及停泊全程皆由圖像處理提供導(dǎo)航信息的自動(dòng)化航行控制。

本專(zhuān)利使用岸上CCD攝像機(jī)采集圖片，通過(guò)圖像處理技術(shù)中，得到圖像航向角的新方法，其與TCM2獲得的方位角，有相同趨勢(shì)，且誤差角度在20度內(nèi)，因此達(dá)成能以圖像判斷出的航向角取代TCM2方位角，使船舶進(jìn)行停泊工作。其中，停泊時(shí)所設(shè)定的待泊區(qū)域，都要在CCD圖像顯示的范圍內(nèi)，確保船只能夠順利進(jìn)港。

在控制方法的步驟S2，航向角修正量的計(jì)算方式具體如下:

(1)將x₁與x_c相減的值，乘以比例k_x所得角度(以θ₁表示)，如圖3及(1)式示。

(x₁-x_c)k_x＝θ₁ (1)

其中，x₁為進(jìn)港時(shí)下疊標(biāo)幾何中心在圖像坐標(biāo)水平軸的值，x_c為進(jìn)港時(shí)CCD中心在圖像坐標(biāo)水平軸的值。由于本實(shí)施方式所用的CCD采變焦2倍，所以水平視角由47.31度減為18.021度。

若下疊標(biāo)在船舶的左邊，則θ₁為負(fù)值。反的，若下疊標(biāo)在船舶的右邊，則θ₁為正值。

(2)將x₁與x₂相減的值，乘以比例k_x所得角度(以θ₂表示)，如(2)式所示。

(x₁-x₂)k_x＝θ₂ (2)

其中，x₂為進(jìn)港時(shí)上疊標(biāo)幾何中心在圖像坐標(biāo)水平軸的值。若上疊標(biāo)在下疊標(biāo)的右邊，即預(yù)定航道在船舶的左邊，則θ₂為負(fù)值。反的，若上疊標(biāo)在下疊標(biāo)的左邊，即預(yù)定航道在船舶的右邊，則θ₂為正值。如圖4、圖5所示。

(3)將θ₁與θ₂相加，即為航向角修正量Δψ，如(3)式示。

θ₁+θ₂＝Δψ (3)

正號(hào)表示右舵命令，反的負(fù)號(hào)為左舵命令。由(3)式所得的角度Δψ相當(dāng)于船頭與預(yù)定航道在線(xiàn)某點(diǎn)的夾角大小，其將作為船舶舵角命令計(jì)算的依據(jù)。據(jù)此，可導(dǎo)引船舶朝預(yù)定航道在線(xiàn)某點(diǎn)行進(jìn)，使其航行于預(yù)定航道內(nèi)。

以實(shí)驗(yàn)船舶在預(yù)定航道左邊的例子，如圖6所示。下疊標(biāo)在船舶的左邊，θ₁為負(fù)值。上疊標(biāo)在下疊標(biāo)的左邊，表示預(yù)定航道在實(shí)驗(yàn)船舶的右邊，θ₂為正值。將θ₁與θ₂相加得航向角修正量Δψ(負(fù)值，代表左舵命令)，使船舶打左舵朝預(yù)定航道在線(xiàn)某點(diǎn)(圖5的A點(diǎn))行進(jìn)，使其航行于預(yù)定航道內(nèi)。

本發(fā)明的步驟S3中，利用疊標(biāo)布置的幾何關(guān)系，及圖像處理信息進(jìn)行距離估測(cè)。首先，依據(jù)y_1a與y_2a相減的值，乘以比例k_y所得角度(以θ_ya表示)，如(4)式示。

(y_1a-y_2a)k_y＝θ_ya (4)

其中，y_2a為進(jìn)港時(shí)上疊標(biāo)幾何中心在圖像坐標(biāo)垂直軸的值，y_1a為進(jìn)港時(shí)下疊標(biāo)幾何中心在圖像坐標(biāo)垂直軸的值。

由于本實(shí)施方式所用的CCD采變焦2倍，所以垂直視角由36.32度測(cè)量為13.8287度。另由圖7的幾何關(guān)系可得下式：

其中，y_a為進(jìn)港時(shí)上下疊標(biāo)幾何中心間的真實(shí)長(zhǎng)度，其值為155公分，x_d為進(jìn)港時(shí)上下疊標(biāo)之間距，其值為270公分，兩者的值可預(yù)先測(cè)量得知。最后由式(5)可計(jì)算出x_a，其即為進(jìn)港時(shí)船舶與岸上目標(biāo)物的估測(cè)距離。

本發(fā)明即利用(5)式，已知y_a、θ_ya與x_d值后，計(jì)算出x_a以得出進(jìn)港時(shí)船舶與第一組目標(biāo)物的估測(cè)距離。進(jìn)一步地，本發(fā)明中亦利用GPS記錄實(shí)船與岸上目標(biāo)物的真實(shí)距離，以檢驗(yàn)在此所提距離估測(cè)法的誤差大小。

本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)環(huán)境采用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)皆于xPC Target的環(huán)境下運(yùn)作，一臺(tái)為Host PC、一臺(tái)為T(mén)arget PC。其中的Host PC執(zhí)行圖像處理所得出的航向角修正量與距離命令的下達(dá)，而Target PC則執(zhí)行自Host PC傳達(dá)的航向角修正量與距離命令，控制船舶硬件。

船舶硬件多數(shù)沿用學(xué)院所使用的船舶設(shè)備，其中設(shè)備部分的更新為船頭及船尾加裝了黃色與藍(lán)色圓桶，兩圓桶的規(guī)格為直徑30公分、高為50公分。目的在停泊時(shí)，由岸上圖像處理技術(shù)，經(jīng)幾何運(yùn)算后，取得兩圓桶在圖像中構(gòu)成的航向信息與離岸距離。計(jì)算機(jī)與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)天線(xiàn)置放于碼頭的斜坡，攝像機(jī)架設(shè)位置取決于船舶停泊點(diǎn)的位置。船上軟件系統(tǒng)采取MATLAB/SIMULINK/xPC Target作為要架構(gòu)，另在船頭尾增加硬件部分的黃色和藍(lán)色圓桶疊標(biāo)。為接收岸上圖像處理計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，使用一臺(tái)研華EKI-1352無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)AP，來(lái)取代TCM2并接在xPC Target PC RS-232端口上。

以人工的方式設(shè)定船舶于已知航向姿態(tài)后，利用岸上計(jì)算機(jī)采集圖像中船舶航向角。將圖像處理解算完的航向角，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡傳送航向角信息至船舶上x(chóng)PC Target PC的EKI-1352無(wú)線(xiàn)AP接收，做為后續(xù)停泊控制器回授信息的用?？刂拼爸敛聪浇拇磪^(qū)再執(zhí)行停泊動(dòng)作。從圖像畫(huà)面來(lái)看其船舶姿態(tài)，船頭會(huì)先朝向右前方再左轉(zhuǎn)超過(guò)90度，最后修正與岸壁平行。因此先在岸上假設(shè)在水域航行的姿態(tài)，讓船頭朝向左，再逆時(shí)針轉(zhuǎn)為正中，最后再轉(zhuǎn)為船頭朝向右。岸上實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地其TCM2角度值變化為37度至217度。以217度去扣除掉圖像計(jì)算所測(cè)出的角度值(η)即可得到圖像航向角。

由上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明在船舶和岸上架設(shè)標(biāo)記物，建立岸上圖像視覺(jué)系統(tǒng)提供船舶方位及距離信息，利用圖像估測(cè)航向，以取代TCM2的提供的航向信息，達(dá)到進(jìn)港及停泊全程皆由圖像處理提供導(dǎo)航信息的自動(dòng)化航行控制，其控制方便，且誤差角度小，控制精度較高。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無(wú)論從哪一點(diǎn)來(lái)看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說(shuō)明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說(shuō)明書(shū)按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說(shuō)明書(shū)的這種敘述方式僅僅是為清楚起見(jiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說(shuō)明書(shū)作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。