[發明專利]一種基于立體視覺的全方向船舶防撞預警與導航系統

有效

• 申請號: 201810085362.3
• 申請日: 2018-01-29
• 公開（公告）號: CN108303078B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 王平;韓澤慧;薛開;李秋紅;黃文浩
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C21/20;H04N7/18;H04N5/247
• 代理公司: 黑龍江立超同創知識產權代理有限責任公司 23217
• 代理人: 楊立超

本發明公開一種基于立體視覺的全方向防撞預警與導航系統，屬于圖像處理及自動化技術領域。包括全景攝像裝置；穩像系統；水面目標檢測、立體視覺測距、防撞預警與導航數據處理系統；終端處理器；全景攝像裝置用于采集海上視頻圖像及全景圖像拼接，穩像系統用于機械穩像。水面目標檢測、立體視覺測距、防撞預警與導航數據處理系統用于目標檢測、測距、防撞預警與規避計算。終端處理器用于處理該系統中的數據計算及外部通訊。本發明應用多組普通攝像頭及穩像云臺可在海洋環境下對船舶進行全方向的防撞預警與導航，可適用于惡劣的海洋環境及各型號船只的不同任務。

技術領域

本發明屬于圖像處理及自動化技術領域，具體涉及一種基于立體視覺的全方向船舶防撞預警與導航系統。

背景技術

隨著航海相關技術日益發展，海洋權益受到各國重視，水面船舶自動化技術領域相應的迅猛發展，而相關問題也接踵而至。2017年8月內接連發生了兩起美國軍艦與民船相撞事件，造成人員傷亡和巨大的財產損失，為解決這一問題美軍花費巨資為各軍艦安裝了船舶自動識別系統。該系統不但造價昂貴，且無法廣泛應用于各類船舶，這使得船舶的避碰問題成為了一個急于解決的問題。船舶巨頭RR公司發表的未來船舶計劃中指出，未來的船舶發展趨勢為無人化、小型化、大型化和快速化。這種發展趨勢使得小型無人化船舶難以在安全距離外被發現，相對速度大又難以躲避；大型無人化船舶因自身慣性大難以制動，且動能大撞擊破壞大。針對海上狀況突發多變，環境惡劣，地面環境的自動化車輛基于雷達傳感器的導航系統無法直接應用于自動化船舶。同時雷達傳感器無法使遠程操控者通過最直接的方式，即視覺感官，獲得船舶周邊環境信息。另一方面，因船舶航行時間長，需操控者長時間對船舶全方向進行警戒，需要眾多人手輪班值守，且耗費精力，往往因疲勞或疏忽大意而無法第一時間發現險情。這使得不僅無人化船舶，普通船舶也需要自動化的防撞預警與導航系統。為解決這一問題則需要一種基于立體視覺的全方向船舶防撞預警與導航系統。

視覺導航技術可以的向操控者提供方便理解的視覺信息，實現同時導航與監控兩種功能；雙目立體視覺技術可以計算出視野內物體的距離；全景拼接技術可以向使用者展示同一時刻鏡頭所在位置的360°范圍內的景象，改善了僅能觀察單個鏡頭視場角內景象的缺點。機械穩像技術可以減少載具平臺運動帶來的顛簸振蕩，優化采集到的視頻信息，降低無效幀的概率，減少操控者因畫面劇烈抖動而帶來的視覺上的不適。

現有的基于視覺的避碰導航系統。多采用單攝像頭與傳感器融合的技術，或利用全景攝像頭與雙目測距模塊結合的方法。兩種方法都一定程度解決了船舶在行駛過程中基于視覺的避碰問題。通過攝像頭與激光測距傳感器相融合的方法因攝像頭視場角及激光測距傳感器的工作原理限制，僅可獲得船舶船首方向的圖像與視場中物體的距離。并且，船舶在高速行駛時會出現劇烈顛簸，小型船舶在急轉彎時因承受較大向心力，船身傾斜、抖動、轉動等原因使得在現有技術方法下，攝像頭無法采集到連續而穩定的圖像，傳感器檢測不到較遠距離物體反射信號，整套系統無法連續的正常工作。而本發明采用帶有穩像系統的全景攝像系統與立體視覺測距相結合的方法，既可以獲得船首方向物體距離信息，又可以獲得船只周邊視覺信息及物體距離信息。并且該發明在船舶高速運動、急轉彎與面對惡劣海況時可以通過穩像裝置的機械穩像，消除俯仰及翻轉擾動并持攝像頭采集到的圖像中始終可見海天線及陸天線，保障整套系統可以連續的正常工作。此外，大多數船舶相撞事件都是船舶的側面船板遭受撞擊，因此大型無人船的避碰系統必要考慮多方向的物體距離信息。未來的商用無人貨船也要防范海盜從船側船尾靠近的可能性。對此，本發明的全景攝像頭與雙目測距模塊結合的方法可以有效觀察船舶全方向的景象，并對工作范圍內的物體進行測距，在日后船舶自動化、無人化的發展趨勢中可以用于防范大型化無人貨船遭遇側面撞擊以及海盜登船。

發明內容

本發明的目的在于提供一種改善了現有視覺導航裝置在大風、海浪等海洋環境或船舶高速前進，急轉情況下輸出圖像不穩定，改善了原有的船舶只能獲取前向視野內目標距離的限制的一種基于立體視覺的全方向船舶防撞預警與導航系統。

本發明的目的通過如下技術方案來實現：