一種基于激光雷達的船舶靠泊檢測系統和方法與流程

本發明涉及船舶靠泊技術領域，具體地，涉及一種基于激光雷達的船舶靠泊檢測系統和方法。

背景技術：

船舶靠泊的速度和角度直接影響船舶能否安全靠泊。早期，船舶的安全靠泊主要依靠船員的駕船經驗，可靠性較差。而隨著船只的逐漸增大，單純依靠船員經驗的方法已經難以讓現代船只特別是大型的船只安全靠泊，因此在全球部分發達的港口都開始陸續安裝各種測速儀，輔助各種船舶的安全停泊靠岸，解決了許多大型船只的安全停泊問題。但是這些測速裝置主要是岸基式的測速裝置，測量對象主要是大型的船舶，并不適用于小型的船舶。同時，這種岸基測速裝置并不適用于安裝在一些小型碼頭上，因此靈活性較差，使用范圍有限。由于無人船舶只能通過自動或是人工控制實現靠泊，而且其靠泊的碼頭形式不一，若碼頭未安裝靠岸輔助裝置，則無人船幾乎無法安全靠泊。因此，需要一種不依賴特定碼頭形式而可以安裝于船體上的靠泊檢測系統，實時獲取碼頭和船舶之間的相對信息，從而輔助有人或者無人駕駛船舶安全靠泊。

目前存在的船舶靠泊檢測系統都存在一定的不足。如基于雷達、空氣聲波和激光測距等的靠泊技術。雷達、空氣聲波以及一維的激光測距傳感器的都只能獲取少量的環境信息，抗干擾能力和對環境的適應能力較差，當船舶劇烈晃動或碼頭幾何結構不常見時，很容易丟失目標或出現錯誤檢測的情況。如2011年11月9日公布的公開號為CN102236327A的發明專利“一種船舶激光靠泊監測系統”，是基于兩個固定間距的激光測距儀實現對船頭船尾的間距測量距離，其檢測范圍有限，獲取的環境信息較少。而在2014年7月2日公布的公開號為CN103901806A的發明專利“一種智能船舶靠泊輔助系統及方法”，雖然其采用激光掃描儀作為主傳感器，但是此系統固定安裝于碼頭某位置，無法小型化安裝于船舶上，因此無法適用于所有的船舶停靠，特別是當船舶靠泊于沒有安裝此系統的碼頭時，無法保證船舶安全靠泊。

最近幾年，隨著激光雷達技術的發展，多線激光雷達成本越來越低，體積越來越小，多線激光雷達可以獲取豐富的環境信息，生成周邊環境的點云數據。由于多線激光雷達是一種主動傳感器，可以在夜晚等條件下使用，因此基于激光雷達的船舶靠泊檢測技術在船舶靠泊領域會有非常廣闊的應用前景。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種不依賴于碼頭形式、可靠性高的安裝于船舶上的基于激光雷達的船舶靠泊檢測系統和方法，利用多線激光雷達獲取碼頭的點云數據的方法解決目前船舶靠泊檢測系統獲取環境信息有限，環境適應能力差，抗干擾能力不強，以及成本過高的問題。

根據本發明的第一方面，提供一種基于激光雷達的船舶靠泊檢測系統，所述系統包括：點云數據采集子系統和數據處理子系統，所述點云數據采集子系統與所述數據處理子系統之間采用有線或無線的連接方式；

所述點云數據采集子系統包括三維點云數據采集模塊，所述三維點云數據采集模塊實時采集多線激光雷達的原始數據，并將采集到的多線激光雷達的原始數據通過有線或者無線的傳輸方式發送到數據處理子系統；

所述數據處理子系統包括數據處理模塊、數據存儲模塊和數據傳輸模塊，其中：所述數據處理模塊實時對三維點云數據采集模塊輸出的多線激光雷達原始數據進行處理，獲取實時的三維點云數據、碼頭輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預警信息，并將三維點云數據、碼頭輪廓、船舶到碼頭之間的距離和角度、預警信息通過有線或者無線的方式分別傳輸給數據傳輸模塊和數據存儲模塊；所述數據存儲模塊實時保存數據處理模塊傳輸的三維點云數據、碼頭輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預警信息；所述數據傳輸模塊將數據處理模塊傳輸的三維點云數據、碼頭輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預警信息通過有線或者無線的方式傳輸給外界客戶，從而輔助船舶進行靠泊，或傳輸到顯示終端輔助艦載操作員進行安全作業。

優選地，所述的三維點云數據采集模塊包括至少一臺多線激光雷達，所述多線激光雷達用于實時采集激光點的距離信息。

更優選地，所述的多線激光雷達以一定頻率和相位發出和接收激光束，通過發射和接收到激光束的時間差計算出激光束探測到的點離多線激光雷達的距離值。

優選地，所述的數據處理模塊實時對三維點云數據采集模塊輸出的多線激光雷達原始數據進行處理，具體的：

將多線激光雷達原始數據轉化為三維點云數據，在三維點云數據中提取出碼頭輪廓，并計算出船舶到碼頭之間的距離和角度。

更優選地，所述的數據處理模塊對碼頭輪廓、船舶到碼頭之間的距離和角度進行分析，推導出船舶在靠泊時的預警信息。

更優選地，所述的預警信息多級推導規則如下：

當船舶與碼頭的距離小于L3米時，發出三級預警；

當船舶與碼頭的距離小于L2米時，發出二級預警；

當船舶與碼頭的距離小于L1米時，發出一級預警；

其中：L1<L2<L3。

根據本發明的第二方面，提供一種基于激光雷達的船舶靠泊檢測系統的方法，所述方法包括如下步驟：

步驟1：三維點云數據采集模塊實時采集的多線激光雷達的原始數據；

步驟2：三維點云數據采集模塊通過有線或者無線的傳輸方式將步驟1中采集到的多線激光雷達的原始數據發送到數據處理模塊；

步驟3：數據處理模塊實時地將步驟2三維點云數據采集模塊傳輸的多線激光雷達的原始數據轉化為三維點云數據，通過三維點云數據提取出碼頭輪廓，同時計算船舶到碼頭的距離和角度，并分析得出預警信息；并將三維點云數據、碼頭輪廓、船舶到碼頭之間的距離和角度、預警信息通過有線或者無線的方式分別傳輸給數據傳輸模塊和數據存儲模塊；

步驟4：數據存儲模塊實時保存步驟3數據處理模塊傳輸的三維點云數據、碼頭輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預警信息；

步驟5：數據傳輸模塊實時地將步驟3數據處理模塊傳輸的三維點云數據、碼頭輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預警信息，通過有線或者無線的方式發送給外界，外界利用該信息輔助船舶在碼頭靠泊；或者傳輸到顯示終端，輔助艦載操作員進行安全作業；

步驟6：重復步驟1到步驟5，進行數據的實時更新，從而實現輔助靠泊操作整個過程。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1、本發明通過多線激光雷達技術、點云處理技術、網絡技術等的綜合運用來輔助船舶在碼頭靠泊，相對于攝像頭等被動傳感器方案，本發明的適應性更強，使用的天氣范圍更廣；同時本發明安裝于船體上，不依賴于碼頭形式，適用于任何形式的泊位和船型，有很好的通用性。

2、通過本發明可以獲取三維點云信息、碼頭的輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預警信息；本發明能夠存儲以上信息，并同時將上述信息通過有線或無線的方式傳輸給外界用戶；本發明可以將上述信息傳輸給外界客戶端如無人船舶系統，來輔助無人船舶碼頭停靠；也可以輸出到顯示終端輔助艦載操作員安全作業。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為本發明一較優實施例的系統架構圖；

圖2為本發明一較優實施例的數據流程圖；

圖3為本發明一較優實施例的安裝示意圖；

圖中：1為點云數據采集子系統；2為數據處理子系統。

圖4為本發明一較優實施例的激光雷達掃描碼頭示意圖；

圖中：11為激光雷達上掃描邊緣；12為激光雷達下掃描邊緣；13為多線激光雷達掃描線；14為碼頭。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。

如圖1所示，一種基于激光雷達的船舶靠泊檢測系統，所述系統由點云數據采集子系統1和數據處理子系統2構成，其中：所述點云數據采集子系統1和數據處理子系統2之間采用有線或無線的連接方式；所述數據處理子系統2通過有線或無線傳輸的方式將處理信息傳輸給外界客戶端如無人船控制系統以輔助船舶在碼頭靠泊，或輸出到顯示終端輔助艦載操作員進行安全作業。

本實施例中，所述點云數據采集子系統1，包括三維點云數據采集模塊，所述三維點云數據采集模塊由一臺多線激光雷達組成，通過多線激光雷達用于實時采集激光點的距離信息，以實現三維點云數據采集功能。

本實施例中，所述多線激光雷達以一定頻率和相位發出和接收激光束，通過發射和接收到激光束的時間差計算出激光束探測到的點離多線激光雷達的距離值。

本實施例中，所述數據處理子系統2，包括：數據處理模塊、數據存儲模塊和數據傳輸模塊。所述數據處理子系統2采用工控機或高性能嵌入式設備來實現數據處理模塊、數據存儲模塊和數據傳輸模塊的功能。

如圖2所示，為系統的數據流程圖，其中涉及三維點云數據采集模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊和數據傳輸模塊；

所述三維點云數據采集模塊由一臺多線激光雷達組成，當檢測系統開始實時工作時，三維點云數據采集模塊將采集到的多線激光雷達的原始數據通過有線或無線的方式傳輸給數據處理模塊和數據存儲模塊；

所述數據處理模塊將多線激光雷達原始數據轉化為三維點云數據形式，應用計算機模式識別技術在三維點云數據中提取出碼頭輪廓，并計算出船舶到碼頭之間的距離和角度，對船舶到碼頭之間的距離和角度進行分析，推導出船舶在靠泊時的預警信息；并將三維點云數據、碼頭輪廓、船舶到碼頭之間的距離和角度、預警信息通過有線或者無線的方式分別傳輸給數據傳輸模塊和數據存儲模塊；

所述數據存儲模塊將三維點云數據、碼頭輪廓、船舶到碼頭的距離以及角度信息、預警信息存儲在本地硬盤中；

所述數據傳輸模塊將三維點云數據、碼頭輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預警信息通過有線或無線的方式傳輸給外界客戶端如無人船控制系統以輔助船舶在碼頭靠泊，或輸出到顯示終端輔助艦載操作員進行安全作業。

作為一優選的實施方式，對于所述碼頭輪廓的提取，首先將碼頭建模為平面模型，在三維點云數據中采用RANSAC算法、點云投影、降采樣、濾波技術獲取碼頭迎水面輪廓。

作為一優選的實施方式，所述預警信息的多級推導規則如下：

當船舶與碼頭的距離小于L3米時發出三級預警；

當船舶與碼頭的距離小于L2米時發出二級預警；

當船舶與碼頭的距離小于L1米時發出一級預警；

其中L1<L2<L3。

如圖3所示，為部分實施例中所述系統的安裝示意圖；其中：

將所述點云數據采集子系統1通過螺絲安裝在船舶主桅桿的云臺上，離船身具有一定的高度；所述點云數據采集子系統1安裝時，多線激光雷達的環形掃描平面的法線平行于水平面；

所述數據處理子系統2可以放置在桅桿上，也可以放置船舶上其他任意可行的位置；通過有線或無線的方式連接數據處理子系統2，即可獲取到三維點云數據、碼頭的輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預警信息。

如圖4所示，為所述系統的激光雷達掃描碼頭示意圖；其中：11為激光雷達上掃描邊緣，12為激光雷達下掃描邊緣，在船身上下顛簸時，仍能保證掃描到碼頭平面；多線激光雷達掃描線13的平行于水平面，可以保證獲取到碼頭14的點云信息。

在另一實施例中，基于上述系統實現的一種基于激光雷達的船舶靠泊檢測系統的檢測方法，包括如下步驟：

步驟1：三維點云數據采集模塊實時采集的多線激光雷達的原始數據；

步驟2：三維點云數據采集模塊通過有線或者無線的傳輸方式將步驟1中采集到的多線激光雷達的原始數據發送到數據處理模塊；

步驟3：數據處理模塊實時地將步驟2三維點云數據采集模塊采集的多線激光雷達的原始數據轉化為三維點云，通過點云數據提取碼頭輪廓，同時計算船舶到碼頭的距離和角度，并分析得出預警信息；并將三維點云數據、碼頭輪廓、船舶到碼頭之間的距離和角度、預警信息通過有線或者無線的方式分別傳輸給數據傳輸模塊和數據存儲模塊；

步驟4：數據存儲模塊實時保存步驟3數據處理模塊處理得到的三維點云數據、提取的碼頭輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預警信息；

步驟5：數據傳輸模塊實時地將步驟3數據處理模塊處理得到的三維點云數據、提取的碼頭輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預警信息通過有線或者無線的方式發送給外界，外界利用這些信息輔助船舶在碼頭靠泊；或者輸出到顯示終端輔助艦載操作員進行安全作業；

步驟6：重復步驟1到步驟5，進行數據的實時更新，從而實現輔助靠泊操作整個過程。

本發明通過多線激光雷達技術、點云處理技術、網絡技術等的綜合運用來輔助船舶在碼頭靠泊。相對于攝像頭等被動傳感器方案，本發明的適應性更強，使用的天氣范圍更廣。同時本發明安裝于船體上，不依賴于碼頭形式，適用于任何形式的泊位和船型，有很好的通用性。通過本發明可以獲取三維點云信息、碼頭的輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預警信息。本發明能夠存儲以上信息，并同時將上述信息通過有線或無線的方式傳輸給外界用戶。本發明可以將上述信息傳輸給外界客戶端如無人船舶系統，來輔助無人船舶碼頭停靠；也可以輸出到顯示終端輔助艦載操作員安全作業。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。