一种无人船自主泊岸方法、计算机设备及存储介质技术

本发明专利技术涉及一种无人船自主泊岸方法、计算机设备及存储介质，该方法利用无人船自身搭载的传感器设备，在确定需要进行泊岸时，通过激光雷达和摄像头分别采集无人船周围的三维点云数据和岸基标线图像，分别进行处理，得到障碍物栅格图，对两幅障碍物栅格进行融合，得到优化岸基标线障碍物的优化障碍物栅格图，并依据优化障碍物栅格图，控制无人船调整姿态自主泊岸。通过本发明专利技术，能够实现自主泊岸的功能，无需增加成本，方便复制泊岸点设定，增加了无人船的自主回收能力。

A method, computer equipment and storage medium for autonomous berthing of unmanned vessel

【技术实现步骤摘要】
一种无人船自主泊岸方法、计算机设备及存储介质
本专利技术属于无人船控制领域，特别是涉及到一种无人船自主泊岸方法、计算机设备及存储介质。
技术介绍
随着无人船的应用范围越来越广，无人船的任务执行和回收工作耗费大量的人力物力，一种无人船自主泊岸方法可以极大的节省人力值守成本。传统的自主泊岸方法存在着需要在停泊点搭载传感设备，比如红外对射、接触传感器等设备。专利技术专利“一种无人船自动停泊系统及方法”(公开号CN106896815A)。提供了自主停泊的技术方案中，在回收平台安装了基座、导轨、压力传感器设备，这样需要建造一个停泊点安装该设备，限制了停泊点的使用场景，并增加了施工难度和建造成本。专利技术专利“一种智能船舶靠泊辅助系统及方法”(公开号CN103901806B)提供了一种固定的岸边的监控系统，基于多传感器提供可靠的环境信息。然后在低速航行的过程中，精确的判断船舶的动力学模型比较困难，由于传感器存在一定的误差经度，造成对船体的控制精度无法实现精确的自主泊岸。专利技术名称“一种基于邻域智能水滴算法的水面无人船路径规划方法”(公开号CN103744428A)的专利申请针对基本IWD方法存在的易陷入局部最优解导致方法停滞及收敛速度较慢的问题进行了改进，可以避免该方法陷入局部最优导致早熟，提高了方法寻优的收敛速度。但是该方法没有考虑无人船靠泊过程中岸边的码头对无人船航向航速的影响，无法实现无人船的安全自主靠泊专利技术专利“基于单目视觉和激光数据融合的无人船自主停泊系统和方法”(公开号CN108445880A)公开的系统及方法，通过视觉传感器检测标定泊位角度、激光传感器测定泊位距离相结合来实现无人船的停泊。该方法没有给出具体可操作性的停泊策略；没有考虑当视觉传感器丢失特征时的紧急航行策略；且该方法没有考虑停泊中无人船的姿态控制问题，无法直接应用于有限狭窄空间的停泊。
技术实现思路
本专利技术克服现有技术的不足，提供了一种自主式靠岸的方法、计算机设备及存储介质。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种无人船自主泊岸方法，包括步骤：S1、通过GNSS定位获取当前无人船的坐标位置，并判断与岸边距离是否在第一范围内，以及是否接收到泊岸指令，判断是否进行自主泊岸航行模式；S2、通过惯性测量单元IMU装置获得无人船船体的姿态信息，通过给定的方向量调整船体动力分配，以调整船体的姿态；S3、通过激光雷达获取无人船周围第一范围的三维点云数据，通过滤波、去孤立点及二维映射进行点云数据处理，同时对岸线点云进行跟踪，获取第一障碍物栅格图；S4、通过摄像头获取岸线标线图像信息，通过图像卷积操作提取岸线标线图像中直线信息，通过纹理信息提取岸线标线图像中岸边标识，通过仿生变换得到岸标线正视图，计算岸线在岸线标线图像中的像素和实际的岸线距离信息，换算得到每个像素对应的距离值，消除摄像头的距离信息损失，并通过跟踪算法，对岸线进行跟踪，建立第二障碍物栅格图；S5、将第一障碍物栅格图和第二障碍物栅格图进行融合，得到优化岸基标线障碍物的优化障碍物栅格图；S6、依据优化障碍物栅格图，控制无人船调整姿态自主泊岸。在本专利技术所述的无人船自主泊岸方法中，第一范围设定是半径25m的圆周范围，通过激光雷达获取无人船周围25m范围内的点云数据，对点云数据进行分割和聚类实现对岸线的提取，建立第一障碍物栅格图；其中，第一障碍物栅格图的规格设定为600*600,像素代表实际大小为5cm*5cm，对提取的岸线目标建立卡尔曼滤波跟踪。在本专利技术所述的无人船自主泊岸方法中，通过惯性测量单元IMU装置获取无人船的当前的姿态信息，判断船体与真北方向的夹角是否在标定的岸线[θ1，θ2]内，进而控制动力装置和控制器调节船体姿态。在本专利技术所述的无人船自主泊岸方法中，在计算岸线在岸线标线图像中的像素和实际的岸线距离信息的步骤中，包括步骤：对摄像头采集到的图像进行平滑处理，并进行自适应阈值的二值化处理；对二值化的图像进行垂直方向的直线提取，获取直线区域的坐标范围，在原图中该区域RGB值与标定区域的RGB值做差值，是否小于阈值判定为需要选定的色标直线，再将二值化图像进行逆透视变换，根据色标区域的直线距离值，实时计算图像区域中像素点代表的距离坐标；图像处理算法对岸线提取，并利用卡尔曼滤波器对岸线进行跟踪。在本专利技术所述的无人船自主泊岸方法中，在将第一障碍物栅格图和第二障碍物栅格图进行融合的步骤中，利用匈牙利算法对第一障碍物栅格图和第二障碍物栅格图进行中的岸线进行配对融合，消除测量噪声误差。在本专利技术所述的无人船自主泊岸方法中，依据优化障碍物栅格图，控制无人船调整姿态自主泊岸的步骤包括：通过欧式距离变化，计算无人船的行驶路径区域。作为本专利技术的优选技术方案，对于融合后的障碍物栅格图中的M*N,设定为A[M][N]，设其中的A[i][j]＝1表示对应的栅格有目标，A[i][j]＝0表示为背景点，B＝{(x,y)|A[i][j]＝1}为目标点集合，A中栅格点欧式距离变化由如下公式表示：D[i][j]＝min{Distance[(i,j),(x,y)],(x,y)∈B}其中，i,j为融合后的障碍物栅格图中的像素坐标。在本专利技术所述的无人船自主泊岸方法中，利用Astar算法和贝塞尔曲线拟合，计算得到可行路径，并发送给动力转置，控制无人船依据可行路径实现自主泊岸。此外，本专利技术还提供了一种计算机设备，包括输入输出单元、存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权前一技术方案所述的无人船自主泊岸方法中的步骤。此外，本专利技术还提供了一种存储有计算机可读指令的存储介质，计算机可读指令被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行如前一技术方案所述的无人船自主泊岸方法中的步骤。区别于现有技术，本专利技术的无人船自主泊岸方法利用无人船自身搭载的传感器设备，在确定需要进行泊岸时，通过激光雷达和摄像头分别采集无人船周围的三维点云数据和岸线表现图像，分别进行处理，得到障碍物栅格图，对两幅障碍物栅格进行融合，得到优化岸基标线障碍物的优化障碍物栅格图，并依据优化障碍物栅格图，控制无人船调整姿态自主泊岸。通过本专利技术，能够实现自主泊岸的功能，无需增加成本，方便复制泊岸点设定，增加了无人船的自主回收能力。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1为本专利技术提供的一种无人船自主泊岸方法的逻辑示意图。图2为本专利技术提供的一种无人船自主泊岸方法的无人船目标跟踪的流程图。图3为本专利技术提供的一种无人船自主泊岸方法中融合算法流程图。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应该指出的是，对本领域的技术人员来说，在不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人船自主泊岸方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、通过GNSS定位获取当前无人船的坐标位置，并判断与岸边距离是否在第一范围内，以及是否接收到泊岸指令，判断是否进行自主泊岸航行模式；/nS2、通过惯性测量单元IMU装置获得无人船船体的姿态信息，通过给定的方向量调整船体动力分配，以调整船体的姿态；/nS3、通过激光雷达获取无人船周围第一范围的三维点云数据，通过滤波、去孤立点及二维映射进行点云数据处理，同时对岸线点云进行跟踪，获取第一障碍物栅格图；/nS4、通过摄像头获取岸线标线图像信息，通过图像卷积操作提取岸线标线图像中直线信息，通过纹理信息提取岸线标线图像中岸边标识，通过仿生变换得到岸标线正视图，计算岸线在岸线标线图像中的像素和实际的岸线距离信息，换算得到每个像素对应的距离值，消除摄像头的距离信息损失，并通过跟踪算法，对岸线进行跟踪，建立第二障碍物栅格图；/nS5、将第一障碍物栅格图和第二障碍物栅格图进行融合，得到优化岸基标线障碍物的优化障碍物栅格图；/nS6、依据优化障碍物栅格图，控制无人船调整姿态自主泊岸。/n

【技术特征摘要】
1.一种无人船自主泊岸方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过GNSS定位获取当前无人船的坐标位置，并判断与岸边距离是否在第一范围内，以及是否接收到泊岸指令，判断是否进行自主泊岸航行模式；
S2、通过惯性测量单元IMU装置获得无人船船体的姿态信息，通过给定的方向量调整船体动力分配，以调整船体的姿态；
S3、通过激光雷达获取无人船周围第一范围的三维点云数据，通过滤波、去孤立点及二维映射进行点云数据处理，同时对岸线点云进行跟踪，获取第一障碍物栅格图；
S4、通过摄像头获取岸线标线图像信息，通过图像卷积操作提取岸线标线图像中直线信息，通过纹理信息提取岸线标线图像中岸边标识，通过仿生变换得到岸标线正视图，计算岸线在岸线标线图像中的像素和实际的岸线距离信息，换算得到每个像素对应的距离值，消除摄像头的距离信息损失，并通过跟踪算法，对岸线进行跟踪，建立第二障碍物栅格图；
S5、将第一障碍物栅格图和第二障碍物栅格图进行融合，得到优化岸基标线障碍物的优化障碍物栅格图；
S6、依据优化障碍物栅格图，控制无人船调整姿态自主泊岸。


2.根据权利要求1所述的一种无人船自主泊岸方法，其特征在于：第一范围设定是半径25m的圆周范围，通过激光雷达获取无人船周围25m范围内的点云数据，对点云数据进行分割和聚类实现对岸线的提取，建立第一障碍物栅格图；其中，第一障碍物栅格图的规格设定为600*600,像素代表实际大小为5cm*5cm，对提取的岸线目标建立卡尔曼滤波跟踪。


3.根据权利要求1所述的一种无人船自主泊岸方法，其特征在于：通过惯性测量单元IMU装置获取无人船的当前的姿态信息，判断船体与真北方向的夹角是否在标定的岸线[θ1，θ2]内，进而控制动力装置和控制器调节船体姿态。


4.根据权利要求1所述的一种无人船自主泊岸方法，其特征在于：在计算岸线在岸线标线图像中的像素和实际的岸线距离信息的步骤中，包括步骤：
对摄像头采集到的图像进行平滑处理，并进行自适应阈值的二值化处理；
对二值化的图像进行垂直方向的直...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚涛，杨咏林，邵宇平，张呈，付帅，叶艳军，
申请(专利权)人：四方智能武汉控制技术有限公司，北京四方继保自动化股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42