基于风浪识别的高速全电船智能航行预警系统技术方案

本发明专利技术提出一种基于风浪识别的高速全电船智能航行预警系统，视觉采集模块、风速测量模块及数据处理模块；所述视觉采集模块用于对船舶前方的海浪进行轮廓识别；所述风速测量模块用于对船舶所处海域目前的风速数据进行采集；所述数据处理模块用于根据视觉采集模块和风速测量模块采集的数据计算危险时间和转舵的控制参量。通过将0TSU二值化算法与canny边缘检测算法相结合，获得海浪的轮廊图像及像素点坐标，从而通过计算海浪的有义波高，并引导全电船对高峰海浪进行避让。实验结果表明，系统能对所采集到图像进行有效识别，对中小型船舶的航行预警系统起到较好的引导作用。舶的航行预警系统起到较好的引导作用。舶的航行预警系统起到较好的引导作用。

【技术实现步骤摘要】
基于风浪识别的高速全电船智能航行预警系统


[0001]本专利技术属于智能全电船、航行预警
，具体涉及一种基于风浪识别的高速全电船智能航行预警系统。

技术介绍

[0002]近年来，随着电池储能技术，舰船推进技术的飞速发展，电力推进船舶成为目前研究的热点。与此同时，中小型船舶在智能化的进程上日益突出。航行预警系统作为船舶风险控制的一个重要组成部分，通过实时在线传输技术得到准确的海洋环境数据可以为船舶开展各类活动提供及时可靠的依据，同时降低船舶由于环境因素引发危险的可能性，增强航行安全。
[0003]智能船舶航行系统是在复杂多变的环境扰动下的控制系统，研究在多变海况下尤其是恶劣海况下的应用于高速全电船舶的智能控制器具有较强的现实意义。目前船海业界普遍使用的航行控制系统采用非线性控制，并取得了良好的控制效果，消除了系统方程线性化所做出的假设，并得到全局稳定的船舶控制定律。但是此设计过程忽略了风、浪、流等外部扰动。船舶控制系统对海浪识别的装置主要采用独立的海流计，浪高仪等，但无法构成一个数据融合的实时系统，而海浪对船舶航行的影响又是不容小觑的。实时建立数据模型，规划航行路线，最大程度地避开影响船舶航行和漏电风险的环境因素是值得考虑的一个关键因素。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的缺陷和不足，本专利技术提出了一种基于风浪识别的高速全电船智能航行预警系统，用于更好地提高智能全电船在危险海域执行任务的鲁棒性。通过将0TSU二值化算法与canny边缘检测算法相结合，获得海浪的轮廊图像及像素点坐标，从而通过计算海浪的有义波高，并引导全电船对高峰海浪进行避让。实验结果表明，系统能对所采集到图像进行有效识别，对中小型船舶的航行预警系统起到较好的引导作用。
[0005]本专利技术具体采用以下技术方案：
[0006]一种基于风浪识别的高速全电船智能航行预警系统，其特征在于，包括：视觉采集模块、风速测量模块及数据处理模块；
[0007]所述视觉采集模块用于对船舶前方的海浪进行轮廓识别；
[0008]所述风速测量模块用于对船舶所处海域目前的风速数据进行采集；
[0009]所述数据处理模块用于根据视觉采集模块和风速测量模块采集的数据计算危险时间和转舵的控制参量。
[0010]进一步地，所述数据处理模块的计算过程包括：
[0011]当前方海浪高度Z
danger
到达船舶净空高度时，根据风速和船速及海浪距离进行危险程度测算；若当前风速仪测得风速为V
b
，且船舶航行速度为V
c
，则计算危险时间为：
[0012][0013]此时，视觉模块寻找出当前海浪的最低波高点区域，分析采集到的该海浪最高波浪点与最低波浪点的距离。若最高波浪点
‑
最低波浪点的水平距离绝对值小于0.5船身长L，则船舶转舵θ角后摆正，使其船身以垂直角度穿过最低区域海浪。若水平距离超过0.5船身长L,则在船头前0.5Y
long
距离寻找相对最低波浪点进行转舵穿浪。设当前检测的区域海浪宽度为Y
long
，则转舵θ角为：
[0014][0015]当转舵完成后,再次进行判断，若仍有危险海浪，则继续进行穿浪，若海浪高度以下降至净空高度以下，则以停止穿浪并返回原航线
[0016]进一步地，将预警系统装配于船舶上时，首先进行系统与船舶的适配，在获得装配船舶的各项船体数据包括船舶的净空高度H1后，传输至数据处理模块；
[0017]将由风速仪测得的多组数据去除坏值后，对某一时段的风速数据取平均值V
b
；由测距雷达测得的船艏到波浪的位置进行误差处理后所得X
danger
计入系统进行计算。
[0018]进一步地，所述视觉采集模块采用CMOS摄像头布设于船舶正前方，在装置安装完毕后，通过张正友标定法利用黑白棋盘对摄像头进行标定，获取相机的内部参数；
[0019]进一步地，所述视觉采集模块首先对所采集的海浪图像进行预处理，利用图像灰度与二值化操作减少计算量，之后对图像建立感兴趣区域ROI，在保障海浪特征和高度数据的前提下进行矩形分割；最后采用双阈值canny边缘检测算子对海浪的边缘高度进行判定和检测，根据获取的边缘点彼此相连以画出轮廓，再选取像素点最密集连续的轮廓，对边缘所画出的轮廓进行处理，最后输出最终的海浪轮廓识别图像。
[0020]进一步地，对图像进行二值化操作时采用0TSU二值化算法。
[0021]进一步地，所述风速测量模块采用型号为PR
‑
3000
‑
FSJT
‑
*的三杯式风速仪。
[0022]本专利技术及其优选方案设计了一套适用于智能全电船的航行预警系统，并通过机器视觉进行海浪图像的轮廓提取与坐标转换，实现进行了轮廓图像的数据处理，并结合风速仪构建了基于船身数据和风浪流的船舶危险判断方案，对船舶安全航行具有借鉴意义。
附图说明
[0023]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进一步详细的说明：
[0024]图1为本专利技术实施例航行预警系统工作流程示意图；
[0025]图2为本专利技术实施例智能全电船及航行预警系统整体框架示意图；
[0026]图3为本专利技术实施例图像标定前后对比示意图；
[0027]图4为本专利技术实施例海浪图像预处理过程示意图，包括：原图像、灰度图和增强后图像；
[0028]图5为本专利技术实施例海浪边缘检测过程示意图，包括：二值化、ROI区域提取和轮廓提取；
[0029]图6为本专利技术实施例海浪波高像素值与真实海浪的波高像素值拟合曲线对比示意图；
[0030]图7为本专利技术实施例风速仪信号输出电路图；
[0031]图8为本专利技术实施例三杯式风速仪形状示意图；
[0032]图9为本专利技术实施例对船舶进行转舵控制的示意图。
具体实施方式
[0033]为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
[0034]1航行预警系统设计
[0035]本实施例针对智能全电船，搭建系统实现对船舶前方海浪轮廓的数据采集和对所处海域风速的测量功能并下传数据进行预警。系统主要分为视觉采集模块、风速测量模块及数据处理模块。
[0036]其中，视觉采集模块由USB接口的CMOS单目广角组成，为保证拍摄效果，镜头搭配像素为三百万，图像传输速率30fps/s,架设至全电船的船艏，主要负责对船舶前方的海浪进行轮廓识别。风速测量模块安装至船舶顶部，对船舶所处海域目前的风速数据进行采集。数据处理模块作为装置的核心，为方便中小船舶安装与使用，采用一块树莓派4B主板作为处理器。该主板采用的处理器为BCM2711B0的64位1.5GHz四核处理器，4GB运行内存，能够较好满足数据处理需求。其自带的2.4G/5G双频wifi能有效的与全电船的控制上位机进行数据通信，并通过串口向DSP控制系统发送控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于风浪识别的高速全电船智能航行预警系统，其特征在于，包括：视觉采集模块、风速测量模块及数据处理模块；所述视觉采集模块用于对船舶前方的海浪进行轮廓识别；所述风速测量模块用于对船舶所处海域目前的风速数据进行采集；所述数据处理模块用于根据视觉采集模块和风速测量模块采集的数据计算危险时间和转舵穿浪的控制参量。2.根据权利要求1所述的基于风浪识别的高速全电船智能航行预警系统，其特征在于：所述数据处理模块的计算过程包括：当前方海浪高度Z
danger
到达船舶净空高度时，根据风速和船速进行海浪距离测算；若当前风速仪测得风速为V
b
，且船舶航行速度为V
c
，则计算危险时间为：此时，船舶左转舵绕过海浪，设当前检测的区域海浪宽度为Y
long
，则转舵θ角为：当转舵完成后,再次进行判断，若仍有危险海浪，则继续进行转舵，若海浪高度以下降至净空高度以下，则以相反舵角转舵返回原航线。3.根据权利要求2所述的基于风浪识别的高速全电船智能航行预警系统，其特征在于：将预警系统装配于船舶上时，首先进行系统与船舶的适配，在获得装配船舶的各项船体数据包括船舶的净空高度H1后，传输至数据处理模块；将由风速仪测得的多组数据去除坏值后，对某一时段的风速数据取平均值V
...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖卫强，邢志鹏，陈星汝，纪厚芝，刘晓雨，康雄杰，刘兴铖，
申请(专利权)人：厦门市泛能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：