本發(fā)明涉及船舶靠泊技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于激光雷達的船舶靠泊檢測系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

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(jīng)驗，可靠性較差。而隨著船只的逐漸增大，單純依靠船員經(jīng)驗的方法已經(jīng)難以讓現(xiàn)代船只特別是大型的船只安全靠泊，因此在全球部分發(fā)達的港口都開始陸續(xù)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(xiàn)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(tǒng)，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(tǒng)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(shù)。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(huán)境信息，抗干擾能力和對環(huán)境的適應(yīng)能力較差，當(dāng)船舶劇烈晃動或碼頭幾何結(jié)構(gòu)不常見時，很容易丟失目標(biāo)或出現(xiàn)錯誤檢測的情況。如2011年11月9日公布的公開號為CN102236327A的發(fā)明專利“一種船舶激光靠泊監(jiān)測系統(tǒng)”，是基于兩個固定間距的激光測距儀實現(xiàn)對船頭船尾的間距測量距離，其檢測范圍有限，獲取的環(huán)境信息較少。而在2014年7月2日公布的公開號為CN103901806A的發(fā)明專利“一種智能船舶靠泊輔助系統(tǒng)及方法”，雖然其采用激光掃描儀作為主傳感器，但是此系統(tǒng)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?？?，特別是當(dāng)船舶靠泊于沒有安裝此系統(tǒng)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(shù)的發(fā)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(huán)境信息，生成周邊環(huán)境的點云數(shù)據(jù)。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(shù)在船舶靠泊領(lǐng)域會有非常廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)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(tǒng)和方法，利用多線激光雷達獲取碼頭的點云數(shù)據(jù)的方法解決目前船舶靠泊檢測系統(tǒng)獲取環(huán)境信息有限，環(huán)境適應(yīng)能力差，抗干擾能力不強，以及成本過高的問題。

根據(jù)本發(fā)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(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：點云數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，所述點云數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)之間采用有線或無線的連接方式；

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

所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，其中：所述數(shù)據(jù)處理模塊實時對三維點云數(shù)據(jù)采集模塊輸出的多線激光雷達原始數(shù)據(jù)進行處理，獲取實時的三維點云數(shù)據(jù)、碼頭輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預(yù)警信息，并將三維點云數(shù)據(jù)、碼頭輪廓、船舶到碼頭之間的距離和角度、預(yù)警信息通過有線或者無線的方式分別傳輸給數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊；所述數(shù)據(jù)存儲模塊實時保存數(shù)據(jù)處理模塊傳輸?shù)娜S點云數(shù)據(jù)、碼頭輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預(yù)警信息；所述數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)處理模塊傳輸?shù)娜S點云數(shù)據(jù)、碼頭輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預(yù)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?shù)斤@示終端輔助艦載操作員進行安全作業(yè)。

優(yōu)選地，所述的三維點云數(shù)據(jù)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(yōu)選地，所述的多線激光雷達以一定頻率和相位發(fā)出和接收激光束，通過發(fā)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(yōu)選地，所述的數(shù)據(jù)處理模塊實時對三維點云數(shù)據(jù)采集模塊輸出的多線激光雷達原始數(shù)據(jù)進行處理，具體的：

將多線激光雷達原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維點云數(shù)據(jù)，在三維點云數(shù)據(jù)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(yōu)選地，所述的數(shù)據(jù)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(dǎo)出船舶在靠泊時的預(yù)警信息。

更優(yōu)選地，所述的預(yù)警信息多級推導(dǎo)規(guī)則如下：

當(dāng)船舶與碼頭的距離小于L3米時，發(fā)出三級預(yù)警；

當(dāng)船舶與碼頭的距離小于L2米時，發(fā)出二級預(yù)警；

當(dāng)船舶與碼頭的距離小于L1米時，發(fā)出一級預(yù)警；

其中：L1<L2<L3。

根據(jù)本發(fā)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(tǒng)的方法，所述方法包括如下步驟：

步驟1：三維點云數(shù)據(jù)采集模塊實時采集的多線激光雷達的原始數(shù)據(jù)；

步驟2：三維點云數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊；

步驟3：數(shù)據(jù)處理模塊實時地將步驟2三維點云數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)亩嗑€激光雷達的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維點云數(shù)據(jù)，通過三維點云數(shù)據(jù)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(yù)警信息；并將三維點云數(shù)據(jù)、碼頭輪廓、船舶到碼頭之間的距離和角度、預(yù)警信息通過有線或者無線的方式分別傳輸給數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊；

步驟4：數(shù)據(jù)存儲模塊實時保存步驟3數(shù)據(jù)處理模塊傳輸?shù)娜S點云數(shù)據(jù)、碼頭輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預(yù)警信息；

步驟5：數(shù)據(jù)傳輸模塊實時地將步驟3數(shù)據(jù)處理模塊傳輸?shù)娜S點云數(shù)據(jù)、碼頭輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預(yù)警信息，通過有線或者無線的方式發(fā)送給外界，外界利用該信息輔助船舶在碼頭靠泊；或者傳輸?shù)斤@示終端，輔助艦載操作員進行安全作業(yè)；

步驟6：重復(fù)步驟1到步驟5，進行數(shù)據(jù)的實時更新，從而實現(xiàn)輔助靠泊操作整個過程。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明通過多線激光雷達技術(shù)、點云處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(fā)明的適應(yīng)性更強，使用的天氣范圍更廣；同時本發(fā)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(fā)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(yù)警信息；本發(fā)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(fā)明可以將上述信息傳輸給外界客戶端如無人船舶系統(tǒng)，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(yè)。

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(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明一較優(yōu)實施例的系統(tǒng)架構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明一較優(yōu)實施例的數(shù)據(jù)流程圖；

圖3為本發(fā)明一較優(yōu)實施例的安裝示意圖；

圖中：1為點云數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；2為數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。

圖4為本發(fā)明一較優(yōu)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(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)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(tǒng)，所述系統(tǒng)由點云數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)1和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)2構(gòu)成，其中：所述點云數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)1和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)2之間采用有線或無線的連接方式；所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)2通過有線或無線傳輸?shù)姆绞綄⑻幚硇畔鬏斀o外界客戶端如無人船控制系統(tǒng)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(yè)。

本實施例中，所述點云數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)1，包括三維點云數(shù)據(jù)采集模塊，所述三維點云數(shù)據(jù)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(xiàn)三維點云數(shù)據(jù)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(fā)出和接收激光束，通過發(fā)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(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)2，包括：數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)2采用工控機或高性能嵌入式設(shè)備來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊的功能。

如圖2所示，為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程圖，其中涉及三維點云數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊；

所述三維點云數(shù)據(jù)采集模塊由一臺多線激光雷達組成，當(dāng)檢測系統(tǒng)開始實時工作時，三維點云數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的多線激光雷達的原始數(shù)據(jù)通過有線或無線的方式傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊；

所述數(shù)據(jù)處理模塊將多線激光雷達原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維點云數(shù)據(jù)形式，應(yīng)用計算機模式識別技術(shù)在三維點云數(shù)據(jù)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(dǎo)出船舶在靠泊時的預(yù)警信息；并將三維點云數(shù)據(jù)、碼頭輪廓、船舶到碼頭之間的距離和角度、預(yù)警信息通過有線或者無線的方式分別傳輸給數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊；

所述數(shù)據(jù)存儲模塊將三維點云數(shù)據(jù)、碼頭輪廓、船舶到碼頭的距離以及角度信息、預(yù)警信息存儲在本地硬盤中；

所述數(shù)據(jù)傳輸模塊將三維點云數(shù)據(jù)、碼頭輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預(yù)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(tǒng)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(yè)。

作為一優(yōu)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(shù)據(jù)中采用RANSAC算法、點云投影、降采樣、濾波技術(shù)獲取碼頭迎水面輪廓。

作為一優(yōu)選的實施方式，所述預(yù)警信息的多級推導(dǎo)規(guī)則如下：

當(dāng)船舶與碼頭的距離小于L3米時發(fā)出三級預(yù)警；

當(dāng)船舶與碼頭的距離小于L2米時發(fā)出二級預(yù)警；

當(dāng)船舶與碼頭的距離小于L1米時發(fā)出一級預(yù)警；

其中L1<L2<L3。

如圖3所示，為部分實施例中所述系統(tǒng)的安裝示意圖；其中：

將所述點云數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)1安裝時，多線激光雷達的環(huán)形掃描平面的法線平行于水平面；

所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)2，即可獲取到三維點云數(shù)據(jù)、碼頭的輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預(yù)警信息。

如圖4所示，為所述系統(tǒng)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(tǒng)實現(xiàn)的一種基于激光雷達的船舶靠泊檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括如下步驟：

步驟1：三維點云數(shù)據(jù)采集模塊實時采集的多線激光雷達的原始數(shù)據(jù)；

步驟2：三維點云數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊；

步驟3：數(shù)據(jù)處理模塊實時地將步驟2三維點云數(shù)據(jù)采集模塊采集的多線激光雷達的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維點云，通過點云數(shù)據(jù)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(yù)警信息；并將三維點云數(shù)據(jù)、碼頭輪廓、船舶到碼頭之間的距離和角度、預(yù)警信息通過有線或者無線的方式分別傳輸給數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊；

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

步驟5：數(shù)據(jù)傳輸模塊實時地將步驟3數(shù)據(jù)處理模塊處理得到的三維點云數(shù)據(jù)、提取的碼頭輪廓、船舶到碼頭的距離和角度以及預(yù)警信息通過有線或者無線的方式發(fā)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(yè)；

步驟6：重復(fù)步驟1到步驟5，進行數(shù)據(jù)的實時更新，從而實現(xiàn)輔助靠泊操作整個過程。

本發(fā)明通過多線激光雷達技術(shù)、點云處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(fā)明的適應(yīng)性更強，使用的天氣范圍更廣。同時本發(fā)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(fā)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(yù)警信息。本發(fā)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(fā)明可以將上述信息傳輸給外界客戶端如無人船舶系統(tǒng)，來輔助無人船舶碼頭?？?；也可以輸出到顯示終端輔助艦載操作員安全作業(yè)。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。