【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及船舶过闸控制，具体涉及一种船闸内船舶静止情况下基于地理方位对船首向进行校准的方法。
技术介绍
1、随着长江过闸船舶大型化和标准化趋势，通过三峡船闸和葛洲坝船闸的大型船舶所占比例不断增大。大型船舶在闸室内操纵性差，且过闸船舶驾驶员操控水平普遍不高，船舶在闸室内停船作业不理想，存在船舶使用闸室内浮式系船柱挂缆制动，导致浮式系船柱损毁的现象，对加大船闸被迫停航维修、坝区通航压力增大等通航风险。同时，船舶操纵难以及过闸移泊快速性要求，加大了闸室内船舶碰撞闸门的风险。此外，船首向识别与校准因为在进船闸的过程中闸室遮挡会影响船舶定位，从而影响罗经的数据产生误差。因此，如何提高精确感知船舶过闸航行动态，实现大型船舶精确停船控制，是在三峡-葛洲坝船闸通航服务与船舶控制技术上亟需解决的技术问题。
技术实现思路
1、本专利技术提出一种船闸内船舶静止情况下基于地理方位对船首向进行校准的方法，能有效实现船首向进行识别与校准。
2、本专利技术采取的技术方案为：
3、船闸内船舶静止情况下基于地理方位对船首向进行校准的方法，包括以下步骤：
4、步骤1：利用摄像机识别出船舶区域，提取船舶区域图像，获取船舶外轮廓图像边沿；
5、步骤2：通过激光雷达获取船舶三维点云，将三维点云投影至二维平面，采用dbscan聚类算法分割点云，形成船舶目标集合，提取每个船舶目标的边沿；
6、步骤3：将视频数据与激光点云数据进行融合；
7、步骤4：获取
8、所述步骤1包括以下步骤：
9、s1.1：首先，利用闸室上的高位摄像机图像数据，采用深度学习的方式进行语义分割，识别出船舶区域、闸室壁区域、水区域；
10、s1.2：其次，提取船舶区域图像，获取船舶外轮廓图像边沿；
11、s1.3：最后，对船舶外轮廓图像边沿进行平滑处理。
12、所述步骤2包括以下步骤：
13、s2.1：首先，将三维点云投影至二维平面；
14、为最大限度获取船闸水域点云数据，激光雷达需要旋转一定角度安装。为此，需要将激光雷达坐标系，即以激光雷达中心为原点的坐标系，转换为大地坐标系。通过测量激光雷达安装时的俯仰角φ、横滚角θ、航向角ψ，分别计算激光点云绕x、y及z轴的转矩阵rx,φ、ry,θ和rz,ψ。再通过公式公式(4)，将激光雷达坐标系转为大地坐标系，其中(x,y,z)激光雷达坐标系下的点云坐标，(x,y,z)为其转换至船闸坐标系下的点云坐标。然后，将三维激光点云投影至xy平面，即令z＝0。
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19、图13为点云坐标转换示意图；图14为三维点云投影至二维平面示意图。
20、s2.2：其次，通过条件滤波与下采样算法滤除噪点；
21、通过设定滤波条件进行滤波，类似于分段函数，判断点云是否在规则的范围则中，如果不在则舍弃。根据船闸水域实景数据，设置x与y坐标值的阈值，在阈值范围内的点云保留，在阈值范围外的点云删除。采用下采样算法，创建点云的体素栅格，通过重心表示体素内的所有点，在保持点云特征的同时，滤除冗余点云数据，极大地降低点云数量，提升计算效率。图16(b)为体素滤波后的点云示意图。
22、并采用dbscan聚类算法分割点云，具体如下：
23、dbscan是一种基于密度的聚类算法，能够发现任意形状的簇，对有噪声(即孤立点或异常值)的数据集也有很好鲁棒性。dbscan将簇定义为密度相连的点的最大集合，能够把具有足够高密度的区域划分为簇，并可在噪声的空间数据库中发现任意形状的聚类。
24、dbscan算法需要用户输入2个参数，一个参数是半径(eps)，代表给定点p为中心的圆形邻域的范围，另一个参数是以点p为中心的邻域内最少点的数量(minpts)。对于船舶激光点云，设置半径(eps)为1，最少点的数量(minpts)为4。聚类后形成的船舶目标如图17所示，图17中所示为激光雷达从船头方向扫描到一艘客船的激光点云图。
25、s2.3：通过凸包算法提取每个船舶目标的边沿，具体如下：
26、凸包问题可以描述为:给定一个点集p，求小点集s，使得s构成的形状能包含这些点集。凸包的定义为:平面的一个子集s被称为是“凸”的，当且进当对于任意两点p,q∈s，线段都完全属于s。由此推出凸包的性质：一条直线如果与凸包相交(不是相切)的话，最多交于两条边或者两个面。如图18所示，由点p0、p1、p3、p10、p12所围城的红色多边形即为凸包。
27、凸包算法采用graham扫描法：
28、(1)以船闸入闸法向为y轴，闸口与y轴垂直方向为x轴，将激光点云所有点置于xoy平面；
29、(2)对于任意一艘船舶激光点云，在所有点中选取y坐标最小的一点h，当作基点。如果存在多个点的y坐标都为最小值，则选取x坐标最小的一点。坐标相同的点应排除。
30、(3)按照其它各点p和基点构成的向量<h,p>；与x轴的夹角进行排序，夹角由大至小进行顺时针扫描，反之则进行逆时针扫描。实现中无需求得夹角，只需根据余弦定理求出向量夹角的余弦值即可。以图19为例，基点为h，根据夹角由小至大排序后依次为h，k，c，d，l，f，g，e，i，b，a，j。下面进行逆时针扫描。
31、(4)线段<h,k>；一定在凸包上，接着加入c。假设线段<k,c>；也在凸包上，因为就h，k，c三点而言，它们的凸包就是由此三点所组成。但是接下来加入d时会发现，线段<k,d>；才会在凸包上，所以将线段<k,c>；排除，c点不可能是凸包。
32、(5)即当加入一点时，必须考虑到前面的线段是否在凸包上。从基点开始，凸包上每条相临的线段的旋转方向应该一致，并与扫描的方向相反。如果发现新加的点使得新线段与上线段的旋转方向发生变化，则可判定上一点必然不在凸包上。实现时可用向量叉积进行判断，设新加入的点为pn+1，上一点为pn，再上一点为pn-1。顺时针扫描时，如果向量{pn-1,pn}与{pn,pn+1}的叉积为正(逆时针扫描判断是否为负)，则将上一点删除。删除过程需要回溯，将之前所有叉积符号相反的点都删除，然后将新点加入凸包。
33、在图19中，加入k点时，由于线段<h,c>要旋转到<h,k>的角度，为顺时针旋转，所以c点不在凸包上，应该删除，保留k点。接着加入d点，由于线段<k,d>要旋转到<h,k>的角度，为逆时针旋转，故d点保留。按照上述步骤进行扫描，直到点集中所有的点都遍历完成，即得到凸包。
34、所述步骤3包括以下步骤：
35、s3.1：首先，时间对准，以1s为时间基准，将视频数据本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.船闸内船舶静止情况下基于地理方位对船首向进行校准的方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述船闸内船舶静止情况下基于地理方位对船首向进行校准的方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述船闸内船舶静止情况下基于地理方位对船首向进行校准的方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述船闸内船舶静止情况下基于地理方位对船首向进行校准的方法，其特征在于：所述步骤3包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述船闸内船舶静止情况下基于地理方位对船首向进行校准的方法，其特征在于：所述步骤3中，视频是通过多个摄像机采集后拼接而成，拼接方法包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述船闸内船舶静止情况下基于地理方位对船首向进行校准的方法，其特征在于：所述步骤3中，在图像拼接的基础上，采用基于语义分割的背景信息提取算法，根据背景处的时间特征匹配点估计相机运动路径；
7.根据权利要求1所述船闸内船舶静止情况下基于地理方位对船首向进行校准的方法，其特征在于：所述步骤4中，寻找包围船舶轮
...【技术特征摘要】
1.船闸内船舶静止情况下基于地理方位对船首向进行校准的方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述船闸内船舶静止情况下基于地理方位对船首向进行校准的方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述船闸内船舶静止情况下基于地理方位对船首向进行校准的方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述船闸内船舶静止情况下基于地理方位对船首向进行校准的方法，其特征在于：所述步骤3包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述船闸内船舶静止情况下基于地理方位对船首向进行校准的方法，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：齐俊麟，王东，陈学文，吴勇，苏丽，李廷秋，柳晨光，胡树华，兰加芬，郑茂，胡玮，李乾，
申请(专利权)人：长江三峡通航管理局，
类型：发明
国别省市：
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