一种基于SLAM技术的船舶进出港三维场景重建与展示系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于SLAM技术的船舶进出港三维场景重建与展示系统，包括基于SLAM技术实现港口三维地图和船舶模型构建、船舶GPS和IMU数据通过无线网络通信与船舶进出港三维展示平台进行数据交互以及船舶进出港三维展示平台构建，港口三维地图与船舶三维模型的构建用于在船舶进出港三维展示平台展现港口周围环境信息和进出港的船舶形态，船舶进出港时位置和姿态的动态更新用于在船舶进出港三维展示平台实时监测船舶进出港的运动状态和方位信息，船舶进出港三维展示平台用于进行人机交互、地图和模型的加载显示、实时动态更新船舶的位置和姿态以及港口与船舶相关信息的显示。可移植性好、分辨率高以及可视化性能好。分辨率高以及可视化性能好。分辨率高以及可视化性能好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SLAM技术的船舶进出港三维场景重建与展示系统


[0001]本专利技术涉及船舶智能化
，特别是涉及一种基于SLAM技术的船舶进出港三维场景重建与展示系统。

技术介绍

[0002]船舶作为一种海洋利器，其广泛应用在货物运输、旅游观光、海鲜捕捞和海上作战等领域，全球船舶的需求量正在逐年增加，2021年中国稳坐世界第一造船大国。大量的船舶需求推动着航运经济的快速发展，而港口作为船舶的停靠点，对航运经济有着重大影响，其智能化水平，将直接影响船舶货物装卸的效率，船舶进出港作为智能港口的重要环节，提升其高效性、直观性以及智能化水平至关重要。
[0003]当前，船舶进出港口主要依靠引航员来完成，引航员根据船舶运动与控制的基本原理，结合本船性能、特点以及当时环境信息,正确使用车、舵、锚、缆等工具及时修正航向和流压,并充分发挥拖轮功能实现船舶的安全进出港。然而，岸基人员却无法实时直观细致掌握船舶进出港状态，只能通过船舶自动识别系统(AIS)了解船舶周围状态，船舶自动识别系统，其是指一种应用于船和岸基、船和船之间的海事安全与通信的新型助航系统。常由VHF通信机、GPS定位仪和与船载显示器及传感器等相连接的通信控制器组成，能自动交换船位、航速、航向、船名、呼号等重要信息。装在船上的AIS在向外发送这些信息的同时，同样接收VHF覆盖范围内其他船舶的信息，从而实现自动应答。此外，作为一种开放式数据传输系统,它可与雷达、ARPA、ECDIS、VTS等终端设备和INTERNET实现连接，构成海上交管和监视网络，不使用雷达探测也能获取交通信息，可以有效减少船舶碰撞事故。AIS的工作原理决定其受外界环境干扰因素较多，且可视化性能较差。此外，进行港口三维地图和船舶三维模型的动画制作，因其可视化效果好，正在成为一种新的解决方式，但动画制作成本高昂、绝对地理信息需要手动标定、且我国港口众多可移植性较差，无法真实简便的展示船舶进出港。
[0004]综上，目前用于船舶进出港监测和三维实时展示的方法包括：基于船舶自动识别系统(AIS)监测船舶进出港状态、采用动画制作方式实时展示船舶进出港状态等。但已有方法存在可视性效果差或通用性差等特点，无法简单、真实、形象的展示船舶进出港。

技术实现思路

[0005]针对以上技术问题，本专利技术提供一种基于SLAM技术的船舶进出港三维场景重建与展示系统。
[0006]本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：
[0007]一种基于SLAM技术的船舶进出港三维场景重建与展示系统，包括港口三维地图与船舶三维模型构建模块、船舶进出港时位置和姿态的动态更新模块和船舶进出港三维展示平台，船舶进出港时位置和姿态的动态更新模块通过无线通信方式连接船舶进出港三维展示平台，
[0008]港口三维地图与船舶三维模型构建模块用于获取多传感器采集到的激光雷达点云数据和IMU姿态数据，根据激光雷达点云数据和IMU姿态数据基于SLAM算法构建港口三维点云地图和船舶三维模型，并离线保存后存储至船舶进出港三维展示平台；
[0009]船舶进出港时位置和姿态的动态更新模块用于获取船舶GPS数据和船舶IMU数据，并通过无线通信方式发送至船舶进出港三维展示平台；
[0010]船舶进出港三维展示平台用于加载显示港口三维地图与船舶三维模型构建模块发送的港口三维点云地图和船舶三维模型，接收舶进出港时位置和姿态的动态更新模块发送的船舶GPS数据和船舶IMU数据更新船舶的位置和姿态，以及控制港口和船舶对应信息的显示。
[0011]优选地，根据激光雷达点云数据和IMU姿态数据基于SLAM算法构建港口三维地图和船舶三维模型，包括：
[0012]使用IMU姿态数据对激光雷达点云数据进行去畸变处理后，对处理后的激光雷达点云数据进行配准，配准后采用迭代最近点方法进行位姿估计、地图和船舶模型构建，最后采用因子图优化，以紧耦合方式融合配准后的激光雷达和IMU测量值，进行三维点云地图和船舶三维模型的生成与保存，依据港口实际经纬度信息对三维点云地图赋予实际地理坐标信息。
[0013]优选地，对处理后的激光雷达点云数据进行配准，包括：
[0014]设定在t时刻获取的点云Pt，Pi是t时刻的点云Pt中的一个点，将点云Pt投影到预设的距离图像中,确定投影图像的水平方向分辨率和竖直分辨率；
[0015]将点云Pt投影到预设的距离图像上后，每个三维空间的点变为二维空间的像素点，获取点Pi对应的像素点到激光雷达传感器的欧氏距离Ri，依据Ri和竖直维度的特性标记出地面点和非地面点；
[0016]点云分割之后采用广度优先搜索对点云进行聚类处理，将距离图像分割为多个聚类，同一个聚类的点被标记上唯一的标识，点数少于预设数量点的聚类被作为噪声去除，只保留原始的地面点和相对较大的静态物体；
[0017]依据激光雷达每帧点云中每个点的曲率确定角点和平面特征，再依据确定的特征信息进行相邻关键帧之间点云配准。
[0018]优选地，使用IMU姿态数据对激光雷达点云数据进行去畸变处理之前，包括：
[0019]采用imu_utils开源代码对IMU内参进行标定，标定参数包括陀螺仪和加速度计各自的零偏、标度因数和安装误差；
[0020]在船舶上安装激光雷达和9轴IMU传感器，安装时将两个传感器固定在一个基座上，坐标系统一朝向，将基座安装在船头或者船尾；
[0021]使用Lidar_IMU_calib方法对激光雷达和IMU之间进行外参标定，将各自传感器的坐标系统一到同一个世界坐标系下；
[0022]采集船舶围绕港口航行的激光雷达和IMU数据，采用Ubuntu系统下ROS数据包录制功能使得采集数据过程中激光雷达数据和IMU数据时间同步。
[0023]优选地，SLAM算法具体为开源算法LIO
‑
SAM。
[0024]优选地，无线通信方式具体为基于UDP通信协议的SOCKET网络通信方式。
[0025]优选地，船舶GPS数据具体为船舶经纬度数据，船舶IMU数据具体为船舶与真北方
向的夹角信息，获取船舶GPS数据和船舶IMU数据包括：船舶经纬度数据通过船舶上所搭载GPS传感器获取，船舶与真北方向的夹角通过在船舶上装载的9轴IMU的磁力计获取。
[0026]优选地，船舶进出港三维展示平台包括ROS节点管理模块、RVIZ显示设置模块以及显示模块，ROS节点管理模块和RVIZ显示设置模块均连接显示模块，显示模块包括三维地图显示窗口、港口和船舶必要信息显示窗口以及人机交互按钮控制窗口，ROS节点管理模块用于处理平台所使用的ROS终端和线程，RVIZ显示设置模块用于对港口三维地图显示参数进行设置。
[0027]上述一种基于SLAM技术的船舶进出港三维场景重建与展示系统，包括基于SLAM技术实现港口三维地图和船舶模型构建、船舶GPS和IMU数据通过无线网络通信与船舶进出港三维展示平台进行数据交互以及船舶进出港三维展示平台构建，可移植性好、分辨率高以及可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SLAM技术的船舶进出港三维场景重建与展示系统，其特征在于，包括港口三维地图与船舶三维模型构建模块、船舶进出港时位置和姿态的动态更新模块和船舶进出港三维展示平台，所述船舶进出港时位置和姿态的动态更新模块通过无线通信方式连接所述船舶进出港三维展示平台；所述港口三维地图与船舶三维模型构建模块用于获取多传感器采集到的激光雷达点云数据和IMU姿态数据，根据所述激光雷达点云数据和所述IMU姿态数据基于SLAM算法构建港口三维点云地图和船舶三维模型，并离线保存后存储至所述船舶进出港三维展示平台；所述船舶进出港时位置和姿态的动态更新模块用于获取船舶GPS数据和船舶IMU数据，并通过无线通信方式发送至所述船舶进出港三维展示平台；所述船舶进出港三维展示平台用于加载显示所述港口三维地图与船舶三维模型构建模块发送的所述港口三维点云地图和船舶三维模型，接收所述舶进出港时位置和姿态的动态更新模块发送的所述船舶GPS数据和所述船舶IMU数据更新船舶的位置和姿态，以及控制港口和船舶对应信息的显示。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，根据所述激光雷达点云数据和所述IMU姿态数据基于SLAM算法构建港口三维地图和船舶三维模型，包括：使用IMU姿态数据对所述激光雷达点云数据进行去畸变处理后，对处理后的激光雷达点云数据进行配准，配准后采用迭代最近点方法进行位姿估计、地图和船舶模型构建，最后采用因子图优化，以紧耦合方式融合配准后的激光雷达和IMU测量值，进行三维点云地图和船舶三维模型的生成与保存，依据港口实际经纬度信息对所述三维点云地图赋予实际地理坐标信息。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述对处理后的激光雷达点云数据进行配准，包括：设定在t时刻获取的点云Pt，Pi是t时刻的点云Pt中的一个点，将所述点云Pt投影到预设的距离图像中,确定投影图像的水平方向分辨率和竖直分辨率；将所述点云Pt投影到所述预设的距离图像上后，每个三维空间的点变为二维空间的像素点，获取点Pi对应的像素点到激光雷达传感器的欧氏距离Ri，依据Ri和竖直维度的特性标记出地面点和非地面点；点云分割之后采用广度优先搜索对点...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪志强，王传成，王耀南，刘慧明，陈振航，钟杭，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：