基于機(jī)器視覺技術(shù)的船橋防碰撞自動控制系統(tǒng)

楊 明，韓 旭，金媛媛，劉 露

(沈陽城市建設(shè)學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110167)

0 引 言

航運行業(yè)未來的發(fā)展趨勢之一是船舶自動控制，僅采用人員駕駛的方式無法適應(yīng)航運業(yè)未來的發(fā)展[1]。目前橋梁數(shù)量不斷增長，建設(shè)橋梁雖然解決了陸上交通問題，但卻提升了船橋碰撞事故的發(fā)生概率[2]。導(dǎo)致船橋碰撞事故發(fā)生的主要因素是人為失誤。設(shè)計船橋防碰撞自動控制系統(tǒng)，是解決這個問題的主要手段[3]。陳卓等[4]設(shè)計一種小型船橋防碰撞自動控制系統(tǒng)，通過基于柵格地圖的權(quán)值FMM 法，完成全局船橋防碰撞控制；過基于VO 模型的方法，完成局部船橋防碰撞控制。該系統(tǒng)在開闊的水域中進(jìn)行了船橋防碰撞試驗，證明其具備一定的可行性與可靠性。但該系統(tǒng)并未考慮風(fēng)力與水流等環(huán)境因素，對船橋防碰撞自動控制效果的影響，在存在外界干擾情況下，該系統(tǒng)的控制效果較差，無法確保船舶安全航行。羅賢程等[5]利用動態(tài)分階勢場法，設(shè)計船橋防碰撞自動控制系統(tǒng)，通過動態(tài)分階勢場法，構(gòu)造船舶航行環(huán)境模型，形成航行控制指令，自動控制船舶航行。該系統(tǒng)在不同船舶航行環(huán)境下，均可完成船橋防碰撞自動控制。但該系統(tǒng)建立的環(huán)境模型存在一定的不確定性，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出和實際輸出存在偏差，降低船橋防碰撞自動控制的實時性，并存在抖動問題。機(jī)器視覺是通過計算機(jī)完成客觀三維世界的信息采集與決策控制。機(jī)器視覺技術(shù)包含結(jié)構(gòu)光視覺與雙目視覺2 種類型，其中，雙目視覺通過2 臺攝像機(jī)采集目標(biāo)信息，根據(jù)人眼左右視差原理，并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲取目標(biāo)的位置信息。在船橋防碰撞自動控制中，應(yīng)用機(jī)器視覺，可實時獲取船舶航行環(huán)境信息與位置信息，提升自動控制的實時性。為此，設(shè)計基于機(jī)器視覺的船橋防碰撞自動控制系統(tǒng)，降低船橋碰撞事故發(fā)生概率。

1 船橋防碰撞自動控制系統(tǒng)

基于機(jī)器視覺技術(shù)的船橋防碰撞自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。雙目視覺傳感器負(fù)責(zé)實時采集船舶航行的環(huán)境圖像，初始化A/D 轉(zhuǎn)換芯片，通過A/D 轉(zhuǎn)換芯片對船舶航行環(huán)境圖像進(jìn)行預(yù)處理，利用雙目視覺測距技術(shù)結(jié)合預(yù)處理后的船舶航行環(huán)境圖像計算船舶與橋墩間的距離，并利用GPS 實時采集船舶的位置信息。CPU 利用改進(jìn)差分算法優(yōu)化PID，根據(jù)船舶與橋墩間的距離、船舶實時位置信息得到船舶舵角自動控制結(jié)果，Avalon 總線負(fù)責(zé)傳輸船舶舵角自動控制結(jié)果至UART。通過UART 根據(jù)舵角自動控制結(jié)果，生成自動控制指令，作用于船舵，完成船橋防碰撞自動控制。存儲器控制模塊負(fù)責(zé)控制存儲器存儲船橋防碰撞自動控制結(jié)果。利用LCD 驅(qū)動模塊生成LCD 的顯示驅(qū)動時序，由LCD 呈現(xiàn)船橋防碰撞自動控制結(jié)果。

圖1 船橋防碰撞自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of automatic control system for bridge anti-collision

1.1 船舶航行環(huán)境圖像采集的雙目視覺傳感器

利用雙目視覺傳感器，實時采集船舶航行過程中的環(huán)境圖像信息，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。通過內(nèi)存仲裁器將雙目攝像機(jī)與主處理器連接到一起，負(fù)責(zé)將船舶航行環(huán)境圖像信息采集指令傳輸至雙目攝像機(jī)，并將采集的環(huán)境圖像信息傳輸至處理器內(nèi)。通過同步時鐘確保雙目視覺傳感器內(nèi)各單元能夠同步進(jìn)行。射頻數(shù)據(jù)接口負(fù)責(zé)接收船舶航行環(huán)境圖像信息采集指令，并發(fā)送采集結(jié)果至A/D 轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)。通過電源單元為雙目視覺傳感器提供電源。利用穩(wěn)壓器維持電源單元的恒定電壓。采用解調(diào)器與調(diào)制器將采集的船舶航行環(huán)境圖像信息，轉(zhuǎn)換成可傳輸?shù)哪M信號。在數(shù)據(jù)總線、地址總線與控制總線內(nèi)添加20 Ω 的匹配電阻，提升船舶航行環(huán)境圖像信息采集質(zhì)量。

圖2 雙目視覺傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of binocular vision sensor

1.2 基于雙目視覺測距的船舶與橋墩間的距離計算

視覺處理器中，利用雙目視覺測距技術(shù)，根據(jù)采集的船舶航行環(huán)境圖像，計算船舶與橋墩間的距離。利用雙目視覺傳感器采集的2 幅船舶航行環(huán)境圖像屬于共面，同時行對齊的。物理世界中橋墩位置點Q，采集船舶航行環(huán)境圖像成像點是ql=(Xl,Yl)與qr=(Xr,Yr)，Q在2 幅船舶航行環(huán)境圖像中存在一樣的像素縱坐標(biāo)Y，即Y=Yl=Yr，對應(yīng)的像素橫坐標(biāo)是Xl與Xr。雙目視覺傳感器焦距為s，雙目攝像機(jī)基線寬度為A，通過Xl與Xr獲取兩圖像間的視差D=Xl-Xr，根據(jù)D計算船舶與橋墩間的距離為：

1.3 船橋防碰撞自動控制方法

CPU 中利用改進(jìn)差分進(jìn)化PID 控制方法，建立改進(jìn)差分進(jìn)化PID 控制器。在該控制器內(nèi)輸入船舶與橋墩間的距離誤差、航跡誤差與航向誤差，輸出船舶舵角自動控制結(jié)果，完成船橋防碰撞自動控制。船舶與橋墩間的實際距離為Z′，船舶與橋墩間的距離誤差為ΔZ=|Z′-Z|。船舶在橋區(qū)水域航向時，會受到風(fēng)力與水流等外界環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致船舶航向出現(xiàn)偏差，為此需要計算船舶航向偏差，輸入改進(jìn)差分進(jìn)化PID 控制器內(nèi)。船舶的期望航向為：

其中：a為船舶過橋轉(zhuǎn)向時的縱向尺度；t時刻，(x(t),y(t))為GPS 實時采集的船舶當(dāng)下位置坐標(biāo)；(X?(k+1),Y?(k+1))為航線上的航路點k+1 坐標(biāo)。

因此，航向偏差Δθ=|θ′-θ|，θ′為實際航向。航跡誤差的計算公式如下：

在h＞0情況下，說明船舶航跡偏右，需自動控制左舵；否則自動控制右舵。

改進(jìn)差分進(jìn)化PID 控制器輸入的綜合偏差為：

其中：ΔZ，Δθ，h加權(quán)系數(shù)是w1，w2，w3。

改進(jìn)差分進(jìn)化PID 控制器輸出的舵角自動控制結(jié)果為：

其中：Gp，Gi，Gd為比例系數(shù)，積分常數(shù)，微分常數(shù)。

利用改進(jìn)差分進(jìn)化算法，優(yōu)化PID 控制參數(shù)Gp，Gi，Gd的目標(biāo)函數(shù)為：

其中：t′為上升時間；ω1，ω2，ω3為e(t)，ρ2，t′的權(quán)重。

2 實驗結(jié)果分析

以某橋區(qū)水域為試驗對象，該橋區(qū)水域內(nèi)共包含8 個航路點，船舶在靜水與干擾環(huán)境情況下，經(jīng)過該部分橋區(qū)水域時的環(huán)境參數(shù)如表1 所示。

表1 船舶航行的環(huán)境參數(shù)Tab.1 Environmental parameters of ship navigation

本文系統(tǒng)可有效采集船舶在橋區(qū)水域的航行環(huán)境圖像，為船員提供清晰的船舶航行環(huán)境信息，為后續(xù)計算船舶與橋墩間的距離提供數(shù)據(jù)支持。

利用本文系統(tǒng)計算船舶航行過程中，船舶與橋墩間的距離，計算結(jié)果如圖3 所示。可知，本文系統(tǒng)可有效計算不同船舶航行環(huán)境時，船舶與橋墩間的距離。隨著時間的延長，2 種航行環(huán)境下，船舶與橋墩間的距離均不斷縮短。在靜水環(huán)境下，船舶運行至12 s時，船舶與橋墩間的距離最近；在干擾環(huán)境下，船舶運行至14 s 時，船舶與橋墩間的距離最近。干擾環(huán)境下船舶與橋墩間的距離略大于靜水環(huán)境，因為干擾環(huán)境下影響因素較多，所以船舶與橋墩間的距離需要較大，才能避免發(fā)生船橋碰撞事故。

圖3 船舶與橋墩間距離計算結(jié)果Fig.3 Calculation results of distance between ship and pier

在靜水環(huán)境下，利用本文系統(tǒng)對該船舶進(jìn)行船橋防碰撞自動控制，分析本文系統(tǒng)優(yōu)化前后的自動控制效果如圖4 所示。根據(jù)圖4(a)可知，本文系統(tǒng)優(yōu)化前可有效完成船橋防碰撞自動控制，但舵角的抖動頻率較高，導(dǎo)致自動控制的穩(wěn)定性較差；根據(jù)圖5(b) 可知，本文系統(tǒng)優(yōu)化后，舵角的變化曲線較為平滑，且無抖動情況，自動控制的穩(wěn)定性較強。試驗證明，本文系統(tǒng)可有效自動控制船舶舵角，提升船橋防碰撞自動控制的穩(wěn)定性。

圖4 優(yōu)化前后的船橋防碰撞自動控制結(jié)果Fig.4 Automatic control results of bridge anti-collision before and after optimization

在不同航行環(huán)境下，經(jīng)過本文系統(tǒng)自動控制后的船舶航跡如圖5 所示。可知，在2 種船舶航行環(huán)境下，經(jīng)過本文系統(tǒng)控制后的船舶航跡均與實際航跡相差較小，其中，干擾環(huán)境下的船舶航跡誤差略大于靜水環(huán)境；2 種環(huán)境下船舶與橋墩間均無碰撞危險。試驗證明：在不同船舶航行環(huán)境下，本文系統(tǒng)均可完成船橋防碰撞自動控制，且自動控制精度較高。

圖5 自動控制后的船舶航跡Fig.5 Ship track after automatic control

3 結(jié) 語

為確保船舶在復(fù)雜橋區(qū)水域情況下，能夠保持正常航行秩序，安全抵達(dá)目的地，需采用合理的自動控制方式。為此，設(shè)計基于機(jī)器視覺技術(shù)的船橋防碰撞自動控制系統(tǒng)，精準(zhǔn)自動控制船舶航行軌跡，提升船舶航行安全性，為船舶順利完成運輸與救援等任務(wù)提供保障。