一种基于激光雷达的船舶靠泊检测系统和方法与流程

本发明涉及船舶靠泊技术领域，具体地，涉及一种基于激光雷达的船舶靠泊检测系统和方法。

背景技术：

船舶靠泊的速度和角度直接影响船舶能否安全靠泊。早期，船舶的安全靠泊主要依靠船员的驾船经验，可靠性较差。而随着船只的逐渐增大，单纯依靠船员经验的方法已经难以让现代船只特别是大型的船只安全靠泊，因此在全球部分发达的港口都开始陆续安装各种测速仪，辅助各种船舶的安全停泊靠岸，解决了许多大型船只的安全停泊问题。但是这些测速装置主要是岸基式的测速装置，测量对象主要是大型的船舶，并不适用于小型的船舶。同时，这种岸基测速装置并不适用于安装在一些小型码头上，因此灵活性较差，使用范围有限。由于无人船舶只能通过自动或是人工控制实现靠泊，而且其靠泊的码头形式不一，若码头未安装靠岸辅助装置，则无人船几乎无法安全靠泊。因此，需要一种不依赖特定码头形式而可以安装于船体上的靠泊检测系统，实时获取码头和船舶之间的相对信息，从而辅助有人或者无人驾驶船舶安全靠泊。

目前存在的船舶靠泊检测系统都存在一定的不足。如基于雷达、空气声波和激光测距等的靠泊技术。雷达、空气声波以及一维的激光测距传感器的都只能获取少量的环境信息，抗干扰能力和对环境的适应能力较差，当船舶剧烈晃动或码头几何结构不常见时，很容易丢失目标或出现错误检测的情况。如2011年11月9日公布的公开号为CN102236327A的发明专利“一种船舶激光靠泊监测系统”，是基于两个固定间距的激光测距仪实现对船头船尾的间距测量距离，其检测范围有限，获取的环境信息较少。而在2014年7月2日公布的公开号为CN103901806A的发明专利“一种智能船舶靠泊辅助系统及方法”，虽然其采用激光扫描仪作为主传感器，但是此系统固定安装于码头某位置，无法小型化安装于船舶上，因此无法适用于所有的船舶停靠，特别是当船舶靠泊于没有安装此系统的码头时，无法保证船舶安全靠泊。

最近几年，随着激光雷达技术的发展，多线激光雷达成本越来越低，体积越来越小，多线激光雷达可以获取丰富的环境信息，生成周边环境的点云数据。由于多线激光雷达是一种主动传感器，可以在夜晚等条件下使用，因此基于激光雷达的船舶靠泊检测技术在船舶靠泊领域会有非常广阔的应用前景。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种不依赖于码头形式、可靠性高的安装于船舶上的基于激光雷达的船舶靠泊检测系统和方法，利用多线激光雷达获取码头的点云数据的方法解决目前船舶靠泊检测系统获取环境信息有限，环境适应能力差，抗干扰能力不强，以及成本过高的问题。

根据本发明的第一方面，提供一种基于激光雷达的船舶靠泊检测系统，所述系统包括：点云数据采集子系统和数据处理子系统，所述点云数据采集子系统与所述数据处理子系统之间采用有线或无线的连接方式；

所述点云数据采集子系统包括三维点云数据采集模块，所述三维点云数据采集模块实时采集多线激光雷达的原始数据，并将采集到的多线激光雷达的原始数据通过有线或者无线的传输方式发送到数据处理子系统；

所述数据处理子系统包括数据处理模块、数据存储模块和数据传输模块，其中：所述数据处理模块实时对三维点云数据采集模块输出的多线激光雷达原始数据进行处理，获取实时的三维点云数据、码头轮廓、船舶到码头的距离和角度以及预警信息，并将三维点云数据、码头轮廓、船舶到码头之间的距离和角度、预警信息通过有线或者无线的方式分别传输给数据传输模块和数据存储模块；所述数据存储模块实时保存数据处理模块传输的三维点云数据、码头轮廓、船舶到码头的距离和角度以及预警信息；所述数据传输模块将数据处理模块传输的三维点云数据、码头轮廓、船舶到码头的距离和角度以及预警信息通过有线或者无线的方式传输给外界客户，从而辅助船舶进行靠泊，或传输到显示终端辅助舰载操作员进行安全作业。

优选地，所述的三维点云数据采集模块包括至少一台多线激光雷达，所述多线激光雷达用于实时采集激光点的距离信息。

更优选地，所述的多线激光雷达以一定频率和相位发出和接收激光束，通过发射和接收到激光束的时间差计算出激光束探测到的点离多线激光雷达的距离值。

优选地，所述的数据处理模块实时对三维点云数据采集模块输出的多线激光雷达原始数据进行处理，具体的：

将多线激光雷达原始数据转化为三维点云数据，在三维点云数据中提取出码头轮廓，并计算出船舶到码头之间的距离和角度。

更优选地，所述的数据处理模块对码头轮廓、船舶到码头之间的距离和角度进行分析，推导出船舶在靠泊时的预警信息。

更优选地，所述的预警信息多级推导规则如下：

当船舶与码头的距离小于L3米时，发出三级预警；

当船舶与码头的距离小于L2米时，发出二级预警；

当船舶与码头的距离小于L1米时，发出一级预警；

其中：L1<L2<L3。

根据本发明的第二方面，提供一种基于激光雷达的船舶靠泊检测系统的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：三维点云数据采集模块实时采集的多线激光雷达的原始数据；

步骤2：三维点云数据采集模块通过有线或者无线的传输方式将步骤1中采集到的多线激光雷达的原始数据发送到数据处理模块；

步骤3：数据处理模块实时地将步骤2三维点云数据采集模块传输的多线激光雷达的原始数据转化为三维点云数据，通过三维点云数据提取出码头轮廓，同时计算船舶到码头的距离和角度，并分析得出预警信息；并将三维点云数据、码头轮廓、船舶到码头之间的距离和角度、预警信息通过有线或者无线的方式分别传输给数据传输模块和数据存储模块；

步骤4：数据存储模块实时保存步骤3数据处理模块传输的三维点云数据、码头轮廓、船舶到码头的距离和角度以及预警信息；

步骤5：数据传输模块实时地将步骤3数据处理模块传输的三维点云数据、码头轮廓、船舶到码头的距离和角度以及预警信息，通过有线或者无线的方式发送给外界，外界利用该信息辅助船舶在码头靠泊；或者传输到显示终端，辅助舰载操作员进行安全作业；

步骤6：重复步骤1到步骤5，进行数据的实时更新，从而实现辅助靠泊操作整个过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过多线激光雷达技术、点云处理技术、网络技术等的综合运用来辅助船舶在码头靠泊，相对于摄像头等被动传感器方案，本发明的适应性更强，使用的天气范围更广；同时本发明安装于船体上，不依赖于码头形式，适用于任何形式的泊位和船型，有很好的通用性。

2、通过本发明可以获取三维点云信息、码头的轮廓、船舶到码头的距离和角度以及预警信息；本发明能够存储以上信息，并同时将上述信息通过有线或无线的方式传输给外界用户；本发明可以将上述信息传输给外界客户端如无人船舶系统，来辅助无人船舶码头停靠；也可以输出到显示终端辅助舰载操作员安全作业。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一较优实施例的系统架构图；

图2为本发明一较优实施例的数据流程图；

图3为本发明一较优实施例的安装示意图；

图中：1为点云数据采集子系统；2为数据处理子系统。

图4为本发明一较优实施例的激光雷达扫描码头示意图；

图中：11为激光雷达上扫描边缘；12为激光雷达下扫描边缘；13为多线激光雷达扫描线；14为码头。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于激光雷达的船舶靠泊检测系统，所述系统由点云数据采集子系统1和数据处理子系统2构成，其中：所述点云数据采集子系统1和数据处理子系统2之间采用有线或无线的连接方式；所述数据处理子系统2通过有线或无线传输的方式将处理信息传输给外界客户端如无人船控制系统以辅助船舶在码头靠泊，或输出到显示终端辅助舰载操作员进行安全作业。

本实施例中，所述点云数据采集子系统1，包括三维点云数据采集模块，所述三维点云数据采集模块由一台多线激光雷达组成，通过多线激光雷达用于实时采集激光点的距离信息，以实现三维点云数据采集功能。

本实施例中，所述多线激光雷达以一定频率和相位发出和接收激光束，通过发射和接收到激光束的时间差计算出激光束探测到的点离多线激光雷达的距离值。

本实施例中，所述数据处理子系统2，包括：数据处理模块、数据存储模块和数据传输模块。所述数据处理子系统2采用工控机或高性能嵌入式设备来实现数据处理模块、数据存储模块和数据传输模块的功能。

如图2所示，为系统的数据流程图，其中涉及三维点云数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和数据传输模块；

所述三维点云数据采集模块由一台多线激光雷达组成，当检测系统开始实时工作时，三维点云数据采集模块将采集到的多线激光雷达的原始数据通过有线或无线的方式传输给数据处理模块和数据存储模块；

所述数据处理模块将多线激光雷达原始数据转化为三维点云数据形式，应用计算机模式识别技术在三维点云数据中提取出码头轮廓，并计算出船舶到码头之间的距离和角度，对船舶到码头之间的距离和角度进行分析，推导出船舶在靠泊时的预警信息；并将三维点云数据、码头轮廓、船舶到码头之间的距离和角度、预警信息通过有线或者无线的方式分别传输给数据传输模块和数据存储模块；

所述数据存储模块将三维点云数据、码头轮廓、船舶到码头的距离以及角度信息、预警信息存储在本地硬盘中；

所述数据传输模块将三维点云数据、码头轮廓、船舶到码头的距离和角度以及预警信息通过有线或无线的方式传输给外界客户端如无人船控制系统以辅助船舶在码头靠泊，或输出到显示终端辅助舰载操作员进行安全作业。

作为一优选的实施方式，对于所述码头轮廓的提取，首先将码头建模为平面模型，在三维点云数据中采用RANSAC算法、点云投影、降采样、滤波技术获取码头迎水面轮廓。

作为一优选的实施方式，所述预警信息的多级推导规则如下：

当船舶与码头的距离小于L3米时发出三级预警；

当船舶与码头的距离小于L2米时发出二级预警；

当船舶与码头的距离小于L1米时发出一级预警；

其中L1<L2<L3。

如图3所示，为部分实施例中所述系统的安装示意图；其中：

将所述点云数据采集子系统1通过螺丝安装在船舶主桅杆的云台上，离船身具有一定的高度；所述点云数据采集子系统1安装时，多线激光雷达的环形扫描平面的法线平行于水平面；

所述数据处理子系统2可以放置在桅杆上，也可以放置船舶上其他任意可行的位置；通过有线或无线的方式连接数据处理子系统2，即可获取到三维点云数据、码头的轮廓、船舶到码头的距离和角度以及预警信息。

如图4所示，为所述系统的激光雷达扫描码头示意图；其中：11为激光雷达上扫描边缘，12为激光雷达下扫描边缘，在船身上下颠簸时，仍能保证扫描到码头平面；多线激光雷达扫描线13的平行于水平面，可以保证获取到码头14的点云信息。

在另一实施例中，基于上述系统实现的一种基于激光雷达的船舶靠泊检测系统的检测方法，包括如下步骤：

步骤1：三维点云数据采集模块实时采集的多线激光雷达的原始数据；

步骤2：三维点云数据采集模块通过有线或者无线的传输方式将步骤1中采集到的多线激光雷达的原始数据发送到数据处理模块；

步骤3：数据处理模块实时地将步骤2三维点云数据采集模块采集的多线激光雷达的原始数据转化为三维点云，通过点云数据提取码头轮廓，同时计算船舶到码头的距离和角度，并分析得出预警信息；并将三维点云数据、码头轮廓、船舶到码头之间的距离和角度、预警信息通过有线或者无线的方式分别传输给数据传输模块和数据存储模块；

步骤4：数据存储模块实时保存步骤3数据处理模块处理得到的三维点云数据、提取的码头轮廓、船舶到码头的距离和角度以及预警信息；

步骤5：数据传输模块实时地将步骤3数据处理模块处理得到的三维点云数据、提取的码头轮廓、船舶到码头的距离和角度以及预警信息通过有线或者无线的方式发送给外界，外界利用这些信息辅助船舶在码头靠泊；或者输出到显示终端辅助舰载操作员进行安全作业；

步骤6：重复步骤1到步骤5，进行数据的实时更新，从而实现辅助靠泊操作整个过程。

本发明通过多线激光雷达技术、点云处理技术、网络技术等的综合运用来辅助船舶在码头靠泊。相对于摄像头等被动传感器方案，本发明的适应性更强，使用的天气范围更广。同时本发明安装于船体上，不依赖于码头形式，适用于任何形式的泊位和船型，有很好的通用性。通过本发明可以获取三维点云信息、码头的轮廓、船舶到码头的距离和角度以及预警信息。本发明能够存储以上信息，并同时将上述信息通过有线或无线的方式传输给外界用户。本发明可以将上述信息传输给外界客户端如无人船舶系统，来辅助无人船舶码头停靠；也可以输出到显示终端辅助舰载操作员安全作业。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。