基于激光與視覺(jué)融合的無(wú)人船靠泊環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳 靜 王 強(qiáng)

武漢理工大學(xué)交通與物流學(xué)院 武漢 430063

0 引言

無(wú)人船靠泊環(huán)境感知系統(tǒng)在無(wú)人船自主靠泊過(guò)程中獲取無(wú)人船與岸邊泊位的相對(duì)位置信息，是無(wú)人船自主靠泊技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重要保證。無(wú)人船靠泊環(huán)境感知系統(tǒng)輔助無(wú)人船航行狀態(tài)數(shù)據(jù)，運(yùn)用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，對(duì)多個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，獲取精確的靠泊環(huán)境信息。本文根據(jù)無(wú)人船的工作特點(diǎn)，分析了無(wú)人船靠泊航行與?？窟^(guò)程，設(shè)計(jì)了一套基于立體視覺(jué)與激光傳感器融合的無(wú)人船靠泊環(huán)境感知系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)外部分先進(jìn)港口和船舶開(kāi)始研究與開(kāi)發(fā)無(wú)人船技術(shù)，引進(jìn)各種測(cè)速、測(cè)距裝置輔助無(wú)人船安全靠泊。閆曉飛等[1]利用三維激光掃描儀可快速獲取船舶動(dòng)態(tài)參數(shù)，解決了點(diǎn)式激光監(jiān)測(cè)方法尋找目標(biāo)難的問(wèn)題，但是三維激光掃描儀固定于碼頭對(duì)船舶的適應(yīng)性較差，難于連續(xù)照射同一目標(biāo)點(diǎn)，用于無(wú)人船自主靠泊過(guò)程時(shí)，需要實(shí)時(shí)連續(xù)的對(duì)距離進(jìn)行測(cè)量，可能出現(xiàn)捕捉不到岸邊信息的問(wèn)題，系統(tǒng)可靠性較低。Yasuhiro Nomura等[2]提出一種利用立體攝像機(jī)對(duì)船舶進(jìn)行三維位置測(cè)量的方法，密集立體相機(jī)放置于岸邊測(cè)量船體多個(gè)部位三維位置，提高了船舶監(jiān)測(cè)的安全性和魯棒性。Hideki Kawai等[3，4]提出了由2個(gè)可移動(dòng)的圖像傳感器組成的測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)碼頭上的目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和跟蹤來(lái)測(cè)量相對(duì)距離，完成自動(dòng)靠泊系統(tǒng)中船舶的橫搖、縱搖和偏航運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)。此方案試驗(yàn)了船舶在20～100 m以內(nèi)的靠泊過(guò)程且誤差在1 m以內(nèi)，當(dāng)無(wú)人船靠泊系統(tǒng)精度要求較高時(shí)，本方法并不能適應(yīng)。甘興旺等[5]提出基于視覺(jué)的船舶環(huán)境感知數(shù)據(jù)融合算法可實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶周邊環(huán)境的高效感知?；赮OLOv3建立船舶自動(dòng)識(shí)別模型，通過(guò)相機(jī)圖像實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊船舶的自動(dòng)化目標(biāo)檢測(cè)，與船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）信息融合，提高感知精度。本方法用于船舶海上航行安全性較高，用于自主靠泊過(guò)程中精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

因此，為滿足無(wú)人船自主靠泊過(guò)程中對(duì)測(cè)量精度和測(cè)量連續(xù)性的要求，本文采用基于立體視覺(jué)和激光傳感器的環(huán)境感知系統(tǒng)，利用視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別與快速定位到岸邊系泊機(jī)械裝置，調(diào)整旋轉(zhuǎn)云臺(tái)使激光雷達(dá)精確測(cè)距，再依據(jù)空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換修正視覺(jué)測(cè)量值，快速準(zhǔn)確地獲得無(wú)人船與岸邊泊位的相對(duì)位置信息，實(shí)現(xiàn)無(wú)人船靠泊過(guò)程的連續(xù)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本方案可大幅度提高測(cè)量精度。

1 無(wú)人船靠泊環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)人船采用安裝在泊位處的岸邊系泊機(jī)械裝置將其固定至泊位，抑制無(wú)人船?？繒r(shí)與岸邊泊位間的移動(dòng)。岸邊系泊機(jī)械裝置是一種不依靠任何人工勞動(dòng)力就可以完成無(wú)人船系泊工作的新型機(jī)械裝置。它改變了傳統(tǒng)的手工式系纜方式，為無(wú)人船全自動(dòng)化發(fā)展提供了可能。岸邊系泊機(jī)械裝置作為感知系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)點(diǎn)，無(wú)人船靠泊環(huán)境感知系統(tǒng)在無(wú)人船自主靠泊過(guò)程中通過(guò)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的識(shí)別與監(jiān)測(cè)得到無(wú)人船與岸邊泊位間的相對(duì)位置信息，引導(dǎo)無(wú)人船進(jìn)行靠泊。

無(wú)人船采用角度靠泊法實(shí)現(xiàn)平靠于泊位，?？窟^(guò)程（見(jiàn)圖1）為：1）無(wú)人船沿航道駛?cè)氩次桓浇?，控制舵機(jī)使無(wú)人船開(kāi)始轉(zhuǎn)向，無(wú)人船在主推進(jìn)器的作用下其船首慢慢靠近泊位；2）無(wú)人船船首保持不動(dòng)，控制器發(fā)出指令控制其船尾的側(cè)推器，在側(cè)推器的作用下，無(wú)人船慢慢側(cè)移入泊位并平行于泊位。3）無(wú)人船平行?？坑诓次桓浇?，岸邊系泊機(jī)械裝置作用于無(wú)人船船體，實(shí)現(xiàn)無(wú)人船在泊位處的?？俊?/p>

圖1 無(wú)人船自主靠泊過(guò)程

1.1 無(wú)人船靠泊環(huán)境感知系統(tǒng)組成

為實(shí)現(xiàn)無(wú)人船在整個(gè)靠泊過(guò)程中的工作安全與可靠，設(shè)計(jì)了一套環(huán)境感知系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人船靠泊過(guò)程的連續(xù)監(jiān)測(cè)。采用立體視覺(jué)和激光同時(shí)匹配工作，系統(tǒng)由深度相機(jī)、2D激光雷達(dá)和旋轉(zhuǎn)云臺(tái)組成。無(wú)人船靠泊過(guò)程中需要的2個(gè)岸邊系泊機(jī)械裝置作為無(wú)人船自主靠泊環(huán)境感知系統(tǒng)測(cè)量的目標(biāo)點(diǎn)。2個(gè)相機(jī)分別放置于無(wú)人船的船首與船尾，2個(gè)相機(jī)的連線與無(wú)人船中心線重合，激光雷達(dá)放置于2個(gè)深度相機(jī)中間。無(wú)人船靠泊環(huán)境感知系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無(wú)人船靠泊環(huán)境感知系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

無(wú)人船自主靠泊過(guò)程中無(wú)人船緩緩靠近岸邊泊位，相機(jī)受視場(chǎng)角的影響，測(cè)量范圍受限無(wú)法同時(shí)將2個(gè)岸邊系泊機(jī)械裝置同時(shí)檢測(cè)到，無(wú)法獲得無(wú)人船的完整位置信息。2個(gè)相機(jī)分別放置在船首和船尾可以彌補(bǔ)單個(gè)相機(jī)的缺陷，船首相機(jī)和船尾相機(jī)構(gòu)成立體視覺(jué)系統(tǒng)。

無(wú)人船靠泊過(guò)程中無(wú)人船在風(fēng)、浪、流的作用下，不能始終保持激光雷達(dá)掃描平面與目標(biāo)物所在平面重合，2D激光雷達(dá)受結(jié)構(gòu)的影響只能測(cè)量某個(gè)特定平面上的信息，故需要引入旋轉(zhuǎn)云臺(tái)去拓寬激光雷達(dá)的工作范圍。激光雷達(dá)裝載到旋轉(zhuǎn)云臺(tái)后可調(diào)整其掃描平面，擴(kuò)大雷達(dá)的監(jiān)視范圍，實(shí)現(xiàn)單一平面掃描到三維空間內(nèi)任意一個(gè)平面上目標(biāo)的捕捉。

1.2 無(wú)人船靠泊環(huán)境感知系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與控制

無(wú)人船靠泊環(huán)境感知系統(tǒng)獲得信息后需要通過(guò)無(wú)人船的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人船靠泊過(guò)程并順利?？坑诎哆叢次弧o(wú)人船的控制系統(tǒng)分為岸基控制平臺(tái)和船載控制系統(tǒng)2部分[6]。主要硬件組件有船載PC、控制器、激光傳感器、立體相機(jī)、控制局域網(wǎng)（Control Area Network，CAN）、以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，無(wú)人船控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 無(wú)人船控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

無(wú)人船駛?cè)氚哆叢次桓浇庍M(jìn)行靠泊操作時(shí)，無(wú)人船靠泊環(huán)境感知系統(tǒng)開(kāi)始工作，獲取無(wú)人船與岸邊泊位精確的相對(duì)位置信息，以達(dá)到靠泊過(guò)程對(duì)精度的要求。首先，立體視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)無(wú)人船?？坎次惶巸赡繕?biāo)點(diǎn)的位置進(jìn)行粗略測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)CAN通信模塊傳至船載PC進(jìn)行處理分析；船載PC分析立體視覺(jué)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果傳遞給激光測(cè)距系統(tǒng)，控制旋轉(zhuǎn)云臺(tái)運(yùn)動(dòng)使目標(biāo)點(diǎn)處于激光雷達(dá)的捕捉范圍內(nèi)，隨后激光雷達(dá)進(jìn)行高精度距離測(cè)量；船載PC將激光雷達(dá)測(cè)量結(jié)果與立體視覺(jué)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行融合，得出目標(biāo)點(diǎn)的精確位置信息，獲得無(wú)人船靠泊過(guò)程中動(dòng)態(tài)參數(shù)信息。船載PC通過(guò)CAN通信模塊將信息傳給控制器，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成無(wú)人船自主靠泊過(guò)程。

2 無(wú)人船靠泊環(huán)境感知數(shù)據(jù)融合算法

無(wú)人船靠泊環(huán)境感知系統(tǒng)包括立體視覺(jué)系統(tǒng)和激光測(cè)距系統(tǒng)，融合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有精度高、搜尋目標(biāo)快的特點(diǎn)。立體視覺(jué)系統(tǒng)和激光測(cè)距系統(tǒng)相互作用進(jìn)行信息融合，最終得到無(wú)人船自主靠泊過(guò)程中的無(wú)人船與泊位的相對(duì)位置與姿態(tài)信息，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

深度相機(jī)采集到目標(biāo)點(diǎn)的圖片，通過(guò)識(shí)別定位算法獲得目標(biāo)點(diǎn)在深度相機(jī)坐標(biāo)系下的位置，受相機(jī)測(cè)量屬性的限制，此信息為目標(biāo)點(diǎn)的粗略位置。根據(jù)相機(jī)獲得的目標(biāo)點(diǎn)的粗略信息，激光雷達(dá)在旋轉(zhuǎn)云臺(tái)的帶動(dòng)下快速定位到目標(biāo)點(diǎn)，測(cè)出目標(biāo)點(diǎn)的精確位置。激光測(cè)距系統(tǒng)中測(cè)量出的位置信息再傳遞給立體視覺(jué)系統(tǒng)，修正由于相機(jī)自身限制引起的目標(biāo)點(diǎn)測(cè)量精度差的問(wèn)題，在無(wú)人船自主靠泊過(guò)程中循環(huán)此測(cè)量過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人船的船首、船尾距離岸邊泊位相對(duì)位置的連續(xù)與精確測(cè)量。

2.1 岸邊系泊機(jī)械裝置識(shí)別定位

深度相機(jī)獲得彩色圖像信息和深度圖像信息，識(shí)別和定位到岸邊系泊機(jī)械裝置。具體實(shí)現(xiàn)步驟是：首先，深度相機(jī)同時(shí)拍攝獲取彩色圖像和深度圖像并保存；其次，彩色圖像經(jīng)過(guò)深度學(xué)習(xí)YOLOv4框架[7]，識(shí)別出岸邊系泊機(jī)械裝置位置并定位到像素位置；最后，深度圖像與彩色圖像進(jìn)行配準(zhǔn)對(duì)齊，獲取彩色圖像對(duì)應(yīng)于深度圖像像素位置處的深度信息，即岸邊系泊機(jī)械裝置在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

其中，深度相機(jī)的深度圖像和彩色圖像融合過(guò)程[8]為：P為空間一點(diǎn)，Ki為相機(jī)深度圖像內(nèi)參，Kr為相機(jī)彩色圖像內(nèi)參，Ri、Ti為相機(jī)深度圖像旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，Rr、Tr為相機(jī)彩色圖像旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，[ui，vi]T為相機(jī)深度圖像像素平面一點(diǎn)Pi的像素坐標(biāo)，[ur，vr]T為相機(jī)彩色圖像像素平面一點(diǎn)Pi的像素坐標(biāo)。

深度相機(jī)使用前進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定完成后固定旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，實(shí)現(xiàn)彩色圖像與深度圖像的像素對(duì)齊，深度相機(jī)通過(guò)彩色圖像識(shí)別與定位到目標(biāo)點(diǎn)后，通過(guò)像素對(duì)齊即可獲得目標(biāo)點(diǎn)的深度信息。

2.2 視覺(jué)與雷達(dá)融合定位

根據(jù)圖5建立4個(gè)坐標(biāo)系：船首相機(jī)坐標(biāo)系、船尾相機(jī)坐標(biāo)系、激光測(cè)距系統(tǒng)工作坐標(biāo)系和激光測(cè)距系統(tǒng)初始坐標(biāo)系。

圖5 系統(tǒng)坐標(biāo)系示意圖

1）立體視覺(jué)系統(tǒng)中船首相機(jī)的坐標(biāo)系OhXhYhZh，以船首相機(jī)的光心作為坐標(biāo)原點(diǎn)Oh，船首相機(jī)的光心指向船尾相機(jī)的光心連線方向?yàn)閄h軸正方向，垂直于2個(gè)相機(jī)中心連線方向向上為Yh軸正方向，Zh軸方向采用右手定則確定。目標(biāo)點(diǎn)A在OhXhYhZh坐標(biāo)系中坐標(biāo)為（XhA，YhA，ZhA）。

2）立體視覺(jué)系統(tǒng)中船尾相機(jī)的坐標(biāo)系OtXtYtZt，以船尾相機(jī)的光心作為坐標(biāo)原點(diǎn)Ot，船首相機(jī)的光心指向船尾相機(jī)的光心連線方向?yàn)閄t軸正方向，垂直于2個(gè)相機(jī)中心連線方向向上為Yt軸正方向，Zt軸方向采用右手定則確定。目標(biāo)點(diǎn)B在OtXtYtZt坐標(biāo)系中坐標(biāo)為（XtB，YtB，ZtB）。

3）激光測(cè)距系統(tǒng)工作坐標(biāo)系OLXLYLZL，以激光雷達(dá)的發(fā)射中心點(diǎn)為原點(diǎn)，激光發(fā)射方向?yàn)閆L軸方向，YL軸為垂直于發(fā)射平面豎直向上方向，XL軸方向采用右手定則確定。激光測(cè)距系統(tǒng)初始坐標(biāo)系以旋轉(zhuǎn)平臺(tái)無(wú)工作狀態(tài)下，激光雷達(dá)的發(fā)射中心點(diǎn)為原點(diǎn)，激光發(fā)射方向?yàn)閆L1軸方向，Xh的平行方向?yàn)檩S方向，YL1軸方向采用右手定則確定。目標(biāo)點(diǎn)A在OLXLYLZL坐標(biāo)系中坐標(biāo)為（XLA，YLA，ZLA），目標(biāo)點(diǎn)B在OLXLYLZL坐標(biāo)系中坐標(biāo)為（XLB，YLB，ZLB）。目標(biāo)點(diǎn)A在坐標(biāo)系中坐標(biāo)為（XLA1，YLA1，目標(biāo)點(diǎn)B在坐標(biāo)系中坐標(biāo)為

無(wú)人船靠泊環(huán)境感知系統(tǒng)獲取無(wú)人船與碼頭之間相對(duì)位置信息的具體工作過(guò)程為：

1）標(biāo)定立體視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)與激光測(cè)距系統(tǒng)，R為旋轉(zhuǎn)矩陣、T為平移矩陣，得到立體視覺(jué)系統(tǒng)坐標(biāo)系OhXhYhZh到激光測(cè)距系統(tǒng)初始坐標(biāo)系的變換為

（r1，r4，r7）、（r2，r5，r8）、（r3，r6，r9）分別表示xL1、yL1、zL1坐標(biāo)軸在坐標(biāo)系中的單位方向矢量分量。式（4）可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)A、目標(biāo)點(diǎn)B的坐標(biāo)信息在立體視覺(jué)坐標(biāo)系和激光測(cè)距系統(tǒng)坐標(biāo)系間的相互轉(zhuǎn)換。

2）無(wú)人船駛?cè)肟坎磪^(qū)域開(kāi)始靠泊操作，本設(shè)計(jì)方案啟動(dòng)，安裝在船首和船尾的相機(jī)分別對(duì)2目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，測(cè)量出目標(biāo)點(diǎn)A在船首坐標(biāo)系OhXhYhZh中坐標(biāo)為（XhA，YhA，ZhA），目標(biāo)點(diǎn)B在船尾坐標(biāo)系OtXtYtZt中坐標(biāo)為（XtB，YtB，ZtB）。

3）根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)A在船首坐標(biāo)系坐標(biāo)可計(jì)算出OhA和OhOL的夾角θ1和OLA。

聯(lián)立式（5）～式（7）求出OLA和OhOL的夾角φA，即測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)A時(shí)激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)角度；根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)B在船尾坐標(biāo)系坐標(biāo)可計(jì)算出OtB和OtOL的夾角θ2和XLB。

聯(lián)立式（8）～式（10）求出OLB和OtOL的夾角180°-φB、φB即為測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)B時(shí)激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)角度。

4）由式（4）得到激光測(cè)距系統(tǒng)初始坐標(biāo)系下目標(biāo)點(diǎn)A、目標(biāo)點(diǎn)B的坐標(biāo)信息，據(jù)此計(jì)算旋轉(zhuǎn)云臺(tái)的轉(zhuǎn)角α為

船載PC控制調(diào)整旋轉(zhuǎn)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)α角度，激光雷達(dá)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行掃描，得到精確的相對(duì)距離信息dLA、dLB。

5）依據(jù)相對(duì)精確的相對(duì)距離信息計(jì)算相機(jī)需要跟蹤的目標(biāo)點(diǎn)A、目標(biāo)點(diǎn)B的位置信息，修正立體視覺(jué)系統(tǒng)相機(jī)光軸測(cè)量誤差大的問(wèn)題。重復(fù)以上步驟，在無(wú)人船靠泊過(guò)程中連續(xù)測(cè)量無(wú)人船船首與船尾距離岸邊泊位的距離。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的算法是否滿足無(wú)人船在靠泊過(guò)程中環(huán)境感知系統(tǒng)的精度需求，搭建本文設(shè)計(jì)的環(huán)境感知系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，2個(gè)相機(jī)固定放置且相隔1.5 m來(lái)模擬船首相機(jī)與船尾相機(jī)，激光雷達(dá)放置在2相機(jī)連線之間并距船首相機(jī)0.15 m處。木桿的兩端固定2個(gè)箱體貼上目標(biāo)標(biāo)志物，模擬泊位岸線，移動(dòng)木桿慢慢靠近環(huán)境感知系統(tǒng)來(lái)代替無(wú)人船緩慢向泊位靠近的狀態(tài)。

激光傳感器使用TOF激光雷達(dá)（RPLIDAR A2），其水平掃描范圍為0°～360°，水平掃描采樣間隔為0.25°。激光雷達(dá)安裝在旋轉(zhuǎn)云臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)掃描平面的變化，掃描面俯仰運(yùn)動(dòng)范圍為-30°～30°，俯仰采樣間隔0.3°。立體相機(jī)采用Realsense D435i，可以30幀/s的速度實(shí)現(xiàn)分辨率為1 280×720、深度距離在0.1～10 m之間、視場(chǎng)角度為85°×58°。

首先將目標(biāo)物放在測(cè)量系統(tǒng)前方20 m處，慢慢移動(dòng)目標(biāo)物使其靠近感知系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持立體視覺(jué)系統(tǒng)和激光測(cè)距系統(tǒng)的位置固定不動(dòng)，控制目標(biāo)從20 m逐漸移動(dòng)到0.2 m，連續(xù)跟蹤目標(biāo)并采集多組數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件具體設(shè)計(jì)為：1）相機(jī)幀頻50 Hz，2相機(jī)間基線距離為1.5 m；2）激光測(cè)距的出射點(diǎn)處在視覺(jué)傳感器所在的坐標(biāo)系的坐標(biāo)值為（0，0.15，0），單位為m；3）激光測(cè)距系統(tǒng)的工作距離0.05～15 m；4）目標(biāo)物的尺寸為0.2 m×0.2 m。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

無(wú)人船自主靠泊過(guò)程中最重要的是無(wú)人船相對(duì)于泊位的位置信息，為避免無(wú)人船與泊位線相撞，測(cè)量系統(tǒng)中近距離測(cè)量面對(duì)的挑戰(zhàn)更大。因此，在目標(biāo)物緩慢移動(dòng)靠近測(cè)量系統(tǒng)的過(guò)程中，本次實(shí)驗(yàn)分別選取了目標(biāo)物距離測(cè)量系統(tǒng)0.9 m、1.5 m、2 m時(shí)的狀態(tài)，反復(fù)測(cè)量了140次目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行了記錄，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6～圖8所示。其中，紅色的離散點(diǎn)是視覺(jué)測(cè)量的距離值，連續(xù)的藍(lán)色點(diǎn)是通過(guò)激光與視覺(jué)融合后的距離值。

圖6 目標(biāo)物與測(cè)量系統(tǒng)間距離為0.9 m處測(cè)量數(shù)據(jù)

圖7 目標(biāo)物與測(cè)量系統(tǒng)間距離為1.5 m處測(cè)量數(shù)據(jù)

圖8 目標(biāo)物與測(cè)量系統(tǒng)間距離為2 m處測(cè)量數(shù)據(jù)

視覺(jué)系統(tǒng)在不同測(cè)量距離時(shí)，測(cè)量結(jié)果偏離真實(shí)值范圍和最大相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)如表1所示，隨著視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)距離目標(biāo)點(diǎn)越來(lái)越遠(yuǎn)，測(cè)量值偏離真實(shí)值越大。當(dāng)測(cè)量距離為0.9 m時(shí)，最大相對(duì)誤差為0.44%；當(dāng)測(cè)量距離為1.5 m時(shí)，最大相對(duì)誤差為23.33%；當(dāng)測(cè)量距離為2 m時(shí)，最大相對(duì)誤差達(dá)到39%。這是由于相機(jī)受自身特點(diǎn)的限制[9]，距離越遠(yuǎn)，測(cè)量誤差越大。

表1 視覺(jué)測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由圖6可以看出視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值相差較小，且視覺(jué)測(cè)量結(jié)果比融合后測(cè)量結(jié)果更好。這是由于在近距離測(cè)量時(shí)，視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)量精度較高，融合激光雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)之后反而效果差。本方案在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量結(jié)果偏移真實(shí)值的范圍始終控制在10 mm以內(nèi)。

本文設(shè)計(jì)的環(huán)境感知系統(tǒng)用于無(wú)人船自主靠泊過(guò)程，可實(shí)時(shí)獲取無(wú)人船靠近時(shí)船首和船尾分別距岸邊泊位的距離，滿足在整個(gè)無(wú)人船靠泊過(guò)程中系統(tǒng)測(cè)量誤差控制在10 mm的范圍內(nèi)，為無(wú)人船靠泊工程提供技術(shù)保證。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于立體視覺(jué)與激光雷達(dá)的測(cè)量系統(tǒng)，提出傳感器數(shù)據(jù)融合算法，用于無(wú)人船自主靠泊過(guò)程中無(wú)人船距離岸邊泊位精確位置測(cè)量。先依據(jù)相機(jī)識(shí)別與定位到船首、船尾與岸邊系泊機(jī)械裝置，再將相機(jī)得到的信息轉(zhuǎn)換后傳遞給激光測(cè)距系統(tǒng)中，由激光雷達(dá)測(cè)量出精確的距離信息，最后激光雷達(dá)得到的信息傳遞給相機(jī)重新修正相機(jī)測(cè)量值，用于更精準(zhǔn)的跟蹤岸邊系泊機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)無(wú)人船靠泊過(guò)程中對(duì)環(huán)境信息的連續(xù)測(cè)量。本方法融合了視覺(jué)與激光的數(shù)據(jù)、結(jié)合了二者的優(yōu)勢(shì)，有效提高了測(cè)量精度與測(cè)量的實(shí)時(shí)性，為無(wú)人船的自主化、智能化提供了一種可行的技術(shù)思路。為保證整個(gè)感知系統(tǒng)的穩(wěn)定性，后面可考慮提高融合算法精度實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量的連續(xù)性。