一种水面无人船自动停泊方法及系统与流程

1.本发明涉及一种自动停泊方法及系统，尤其是指一种水面无人船自动停泊方法及系统。


背景技术：

2.近年来，随着移动机器人与自动驾驶技术的快速发展，水面自动驾驶无人船智能化发展也愈发得到重视，各种型号与用途的水面无人驾驶船也渐渐出现在各行各业的应用之中。无人船智能化技术的发展体现在无人驾驶技术的成熟应用，无人船自动停泊技术的应用则是其智能化的重要体现。当前，户外水面无人船的停泊、高精度定位主要依靠卫星定位导航。然而，在卫星定位信号弱、地面卫星基站信号覆盖薄弱、上方有物体遮挡的水面场景等等情形下，无人船定位精度降低甚至无卫星定位信息时，无人船定位信息无法准确获得。如何在定位信号较弱甚至没有定位信号的情况下无人船依然能获得精确度较高的定位信息是无人船精确定位及自动停泊控制领域的技术难点。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是：提供了一种水面无人船自动停泊方法及系统。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种水面无人船自动停泊方法，包括步骤，
5.s10、设定无人船返航停泊的停泊点；
6.s20、建立双二维码坐标系；
7.s30、在双二维码坐标系下，计算视觉定位与gps定位的对比评价置信度分数，设计双二维码视觉与gps融合定位策略，以获得无人船的定位信息；
8.s40、根据无人船的定位信息，通过gps融合定位策略控制无人船停泊到设定的停泊点。
9.进一步的，步骤s10具体包括，
10.s11、预先初始化记录第一个二维码m1、第二个二维码m2、以及停泊点p三点的精确地gps定位信息，并计算获得的一段连续定位信息的精度因子，以筛选获得停泊点p点的精度较高的定位经纬度信息，所述二维码m1及二维码m2设立在停泊点p两侧；
11.s12、计算垂直于双二维码连线位置的中垂线l在大地坐标系下的朝向角度α，计算生成停泊点p沿中垂线l方向上距离为z的第一停泊点p1。
12.进一步的，步骤s20具体包括，
13.s21、接收无人船的摄像机拍摄的图片，对图片进行图像预处理，对图片进行滤波后转为二值化图像，对二值化图像进行图像形态学处理；
14.s22、对进行形态学处理的图像进行sift角点检测与直线特征检测，对识别到的二维码内容进行提取，二维码是设立在停泊点p两侧的两个aruco二维码；
15.s23、从二维码内容中获得每个二维码的位姿及二维码内容像素的大小对比二维
码的大小，分别获得无人船与两个二维码之间的位姿；
16.s24、根据两个二维码的位姿及两个二维码之间的距离，建立以双二维码位置为坐标的双二维码坐标系，计算在双二维码坐标系下无人船的摄像头位置(x，y)及无人船的船头朝向β。
17.进一步的，步骤s30具体包括，
18.s31、测量视觉定位误差大小随z大小变化的曲线比例变化关系；
19.s32、计算gps定位的误差大小与gps信号强度的变化关系；
20.s33、计算对比视觉定位精度与gps定位精度的误差大小，分别得到综合视觉定位与gps定位的对比评价置信度分数；
21.s34、对比在同一时刻下视觉定位精度与gps定位精度的置信度分数，设计双二维码视觉与gps融合定位策略，以获得更高精度的无人船的定位信息。
22.进一步的，步骤s40具体包括，
23.s41、在智能移动终端上软件载入标记的停泊点p的返航停泊任务，并开始返航停泊任务；
24.s42、在无人船到达第一停泊点p1时，同时开始视觉定位与gps定位，同时依照双二维码视觉与gps融合定位策略，实时、动态地计算出视觉定位结果与gps定位结果之间置信度分数最高的融合定位结果；
25.s43、根据实时动态的融合定位结果，计算并规划无人船最优的倒库停泊路线r；控制无人船沿着规划路线r行进停泊；
26.s44、对无人船是否停泊至停泊点p进行自主验证，通过验证视觉定位结果、gps定位结果以及是否卡位，综合自主验证是否到达目标停泊点p，完成自动停泊过程。
27.本实施例中，通过在建立的双二维码坐标系下，进行视觉定位及与gps定位，并对比出置信度分数，设计双二维码视觉与gps融合定位策略，以获得无人船的定位信息，然后根据该定位信息，通过双二维码视觉与gps融合定位策略控制无人船停泊到设定的停泊点。该过程中，通过视觉定位及与gps定位相结合，获取到最优的定位精度，使得在定位信号较弱甚至没有定位信号的情况下无人船依然能获得精确度较高的定位信息，实现无人船精确定位及自动停泊控制。
28.本发明还提供了一种水面无人船自动停泊系统，包括，
29.停泊点设定模块，用于设定无人船返航停泊的停泊点；
30.坐标系建立模块，用于建立双二维码坐标系；
31.定位信息计算模块，用于在双二维码坐标系下，计算视觉定位与gps定位的对比评价置信度分数，设计双二维码视觉与gps融合定位策略，以获得无人船的定位信息；
32.停泊控制模块，用于根据无人船的定位信息，通过gps融合定位策略控制无人船停泊到设定的停泊点。
33.进一步的，停泊点设定模块具体包括，
34.gps定位信息记录单元，用于预先初始化记录第一个二维码m1、第二个二维码m2、以及停泊点p三点的精确地gps定位信息，并计算获得的一段连续定位信息的精度因子，以筛选获得停泊点p点的精度较高的定位经纬度信息，所述二维码m1及二维码m2设立在停泊点p两侧；
35.第一停泊点计算单元，用于计算垂直于双二维码连线位置的中垂线l在大地坐标系下的朝向角度α，计算生成停泊点p沿中垂线l方向上距离为z的第一停泊点p1。
36.进一步的，坐标系建立模块具体包括，
37.图片处理单元，接收无人船的摄像机拍摄的图片，对图片进行图像预处理，对图片进行滤波后转为二值化图像，对二值化图像进行图像形态学处理；
38.图片信息获取单元，用于对进行形态学处理的图像进行sift角点检测与直线特征检测，对识别到的二维码内容进行提取，二维码是设立在停泊点p两侧的两个aruco二维码；
39.图片信息计算单元，用于从二维码内容中获得每个二维码的位姿及二维码内容像素的大小对比二维码的大小，分别获得无人船与两个二维码之间的位姿；
40.坐标系形成单元，用于根据两个二维码的位姿及两个二维码之间的距离，建立以双二维码位置为坐标的双二维码坐标系，计算在双二维码坐标系下无人船的摄像头位置(x，y)及无人船的船头朝向β。
41.进一步的，定位信息计算模块具体包括，
42.视觉定位误差曲线测量单元，用于测量视觉定位误差大小随z大小变化的曲线比例变化关系；
43.gps定位误差计算单元，用于计算gps定位的误差大小与gps信号强度的变化关系；
44.置信度分数计算单元，用于计算对比视觉定位精度与gps定位精度的误差大小，分别得到综合视觉定位与gps定位的对比评价置信度分数；
45.融合定位策略设计单元，用于对比在同一时刻下视觉定位精度与gps定位精度的置信度分数，设计双二维码视觉与gps融合定位策略，以获得更高精度的无人船的定位信息。
46.进一步的，停泊控制模块具体包括，
47.停泊任务载入单元，用于在智能移动终端上软件载入标记的停泊点p的返航停泊任务，并开始返航停泊任务；
48.融合定位单元，用于在无人船到达第一停泊点p1时，同时开始视觉定位与gps定位，同时依照双二维码视觉与gps融合定位策略，实时、动态地计算出视觉定位结果与gps定位结果之间置信度分数最高的融合定位结果；
49.停泊规划单元，用于根据实时动态的融合定位结果，计算并规划无人船最优的倒库停泊路线r，控制无人船沿着规划路线r行进停泊；
50.停泊验证单元，用于对无人船是否停泊至停泊点p进行自主验证，通过验证视觉定位结果、gps定位结果以及是否卡位，综合自主验证是否到达目标停泊点p，完成自动停泊过程。
51.本发明的有益效果在于：通过在建立的双二维码坐标系下，进行视觉定位及与gps定位，并对比出置信度分数，设计双二维码视觉与gps融合定位策略，以获得无人船的定位信息，然后根据该定位信息，通过双二维码视觉与gps融合定位策略控制无人船停泊到设定的停泊点。该过程中，通过视觉定位及与gps定位相结合，获取到最优的定位精度，使得在定位信号较弱甚至没有定位信号的情况下无人船依然能获得精确度较高的定位信息，实现无人船精确定位及自动停泊控制。
附图说明
52.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的机构获得其他的附图。
53.图1为本发明实施例的水面无人船自动停泊方法流程图；
54.图2为本发明实施例的水面无人船自动停泊方系统框图；
55.图3为本发明实施例的水面无人船的位置示意图。
具体实施方式
56.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
57.需要说明，本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
58.如图1、图3所示，本发明的第一实施例为：一种水面无人船自动停泊方法，包括步骤，
59.s10、设定无人船返航停泊的停泊点；
60.s20、建立双二维码坐标系；
61.s30、在双二维码坐标系下，计算视觉定位与gps定位的对比评价置信度分数，设计双二维码视觉与gps融合定位策略，以获得无人船的定位信息；
62.s40、根据无人船的定位信息，通过gps融合定位策略控制无人船停泊到设定的停泊点。
63.其中，步骤s10具体包括，
64.s11、预先初始化记录第一个二维码m1、第二个二维码m2、以及停泊点p三点的精确地gps定位信息，并计算获得的一段连续定位信息的精度因子ni，向量或向量组合，形成一段长时间内连续稳定的定位信息精度因子列表依据正态分布的方法：得到这段连续稳定的定位信息精度因子数据中的期望值，即出现次数最多的定位信息的精度因子，即获得该精度因子对应gps定位经纬度信息分别对应作为停泊点p、第一个二维码m1以及第二个二维码m2的经纬度坐标。二维码m1及二维码m2设立在停泊点p两侧；
65.s12、计算垂直于双二维码连线位置的中垂线l在大地坐标系下的朝向角度α，计算生成停泊点p沿中垂线l方向上距离为z的第一停泊点p1。
66.其中，步骤s20具体包括，
67.s21、接收无人船的摄像机拍摄的图片，对图片进行图像预处理，将无人船的摄像头采集的图片转换成灰度图，对图片进行噪点滤波后转为二值化图像，对二值化图像进行图像形态学处理；
68.s22、对进行形态学处理的图像进行sift角点检测与直线特征检测，以获得每个二维码的四个角点，使用直线特征检测的霍夫变换方法，对识别到的二维码内容中的黑白界线进行提取，以得到二维码内外轮廓；该二维码是设立在停泊点p两侧的两个aruco二维码；
69.s23、从二维码内容中获得每个二维码的位姿及二维码内容像素的大小对比二维码的大小，分别获得无人船与两个二维码之间的位姿；具体为：
70.得到的具有形变特征的二维码计算位姿信息，通过建立形变二维码的坐标系与无人船上摄像头的坐标系，计算两个坐标系之间的空间转换关系，以获得每个aruco二维码在无人船上固定安装的摄像头坐标系下的位姿；空间三维坐标变换原理：
[0071][0072]
通过三维坐标变化的数学关系，可得到上述二维码坐标系相对于摄像头坐标系的位姿；以提取的二维码内容像素的大小对比二维码的大小，获得两个二维码的距离大小；
[0073]
s24、根据两个二维码的位姿及两个二维码之间的距离，建立以上述双二维码(m1-m2)连线为x轴、以停泊点p为坐标原点、以中垂线l为y轴的双二维码坐标系；并计算在建立的双二维码坐标系下无人船摄像头的位置(x，y)与无人船船头朝向β；
[0074]
其中，步骤s30具体包括，
[0075]
s31、测量视觉定位误差大小随z大小变化的曲线比例变化关系；具体为：测量在停泊点p与第一停泊点p1之间z距离范围内不同位置处无人船的视觉定位误差；得到不同位置、不同无人船摄像头朝向角时的真实坐标(x
t
，y
t
)与视觉定位得到的视觉坐标(x
cv
，y
cv
)，可得该位置处视觉定位坐标误差为(δx，δy)：
[0076]
(δx，δy)＝(x
cv
，y
cv
)-(x
t
，y
t
)
[0077]
定位误差为：得到视觉定位误差大小随z大小变化的曲线比例变化关系；
[0078]
s32、计算gps定位的误差大小与gps信号强度的变化关系；具体为：
[0079]
计算不同强度gps定位信号条件下的gps信号，通过gngst数据中的lat dev和lng dev计算得出，公式为：
[0080][0081]
得到gps定位位置(lat
gps
，lng
gps
)真实的误差大小与gps信号强度的变化关系；
[0082]
s33、计算对比视觉定位精度与gps定位精度的误差大小，分别得到综合视觉定位与gps定位的对比评价置信度分数；具体为：
[0083]
计算视觉定位精度与gps定位精度的真实误差大小，转换为以厘米(cm)为距离单
位以度量和比较视觉定位误差与gps定位误差的真实大小，以此分别计算得到综合视觉定位与gps定位的对比评价置信度分数；
[0084]
s34、对比在同一时刻下视觉定位精度与gps定位精度的置信度分数，设计双二维码视觉与gps融合定位策略，以获得更高精度的无人船的定位信息，具体为：
[0085]
双二维码视觉与gps融合定位策略，将视觉定位结果(x
cv
，y
cv
)通过二维坐标系旋转转换、直角坐标系转北东坐标系转换为经纬度坐标系下坐标(lat
cv
，lng
cv
)，二维坐标系旋转转换计算形式如下：
[0086][0087]
依据在同一时刻时的视觉定位精度置信度分数k
cv
，以及得到的gps定位精度置信度分数k
gps
，结合同一时间实时的视觉初始定位结果与gps初始定位结果，对比二者置信度分数大小：
[0088]
若k
cv
＞k
gps
则将视觉定位方法对应当前时刻的初始定位结果(lat
cv
，lng
cv
)作为无人船此刻的准确定位(lat，lng)；
[0089]
若k
cv
＜k
gps
则将gps定位方法对应当前时刻的初始定位结果(lat
gps
，lng
gps
)作为无人船此刻的准确定位(lat，lng)。
[0090]
其中，步骤s40具体包括，
[0091]
s41、在智能移动终端上软件载入标记的停泊点p的返航停泊任务，并开始返航停泊任务；
[0092]
s42、在无人船到达第一停泊点p1时，同时开始视觉定位与gps定位，同时依照双二维码视觉与gps融合定位策略，实时、动态地计算出视觉定位结果与gps定位结果之间置信度分数最高的融合定位结果；具体为：
[0093]
无人船到达第一停泊点p1，此时无人船的真实位置s与p1点会存在一定的位置偏移；随后开始视觉定位与gps定位，同时依照双二维码视觉与gps融合定位策略，实时、动态的计算出视觉定位与gps定位二者中最高置信度分数对应的定位结果作为无人船真实位置点s处最终的经纬度坐标(lat，lng)；图示箭头方向为此时的无人船朝向，与中垂线l的夹角即为无人船船头朝向β；
[0094]
s43、根据实时动态的融合定位结果，计算并规划无人船最优的倒库停泊路线r；控制无人船沿着规划路线r行进停泊；具体为：
[0095]
根据实时动态的融合定位结果，已知停泊点p与第一停泊点p1连线(p-p1)的经纬度与大地坐标系下的方向α，以及无人船的经纬度位置(lat，lng)，计算并规划无人船最优的倒库停泊路线r；控制无人船沿着规划路线行进停泊；
[0096]
s44、对无人船是否停泊至停泊点p进行自主验证，通过验证视觉定位结果、gps定位结果以及是否卡位，综合自主验证是否到达目标停泊点p，完成自动停泊过程。
[0097]
如图2、图3所示，本发明的另一实施例为：一种水面无人船自动停泊系统，包括，
[0098]
停泊点设定模块，用于设定无人船返航停泊的停泊点；
[0099]
坐标系建立模块，用于建立双二维码坐标系；
[0100]
定位信息计算模块，用于在双二维码坐标系下，计算视觉定位与gps定位的对比评
价置信度分数，设计双二维码视觉与gps融合定位策略，以获得无人船的定位信息；
[0101]
停泊控制模块，用于根据无人船的定位信息，通过gps融合定位策略控制无人船停泊到设定的停泊点。
[0102]
其中，停泊点设定模块具体包括，
[0103]
gps定位信息记录单元，用于预先初始化记录第一个二维码m1、第二个二维码m2、以及停泊点p三点的精确地gps定位信息，并计算获得的一段连续定位信息的精度因子，以筛选获得停泊点p点的精度较高的定位经纬度信息，所述二维码m1及二维码m2设立在停泊点p两侧；
[0104]
第一停泊点计算单元，用于计算垂直于双二维码连线位置的中垂线l在大地坐标系下的朝向角度α，计算生成停泊点p沿中垂线l方向上距离为z的第一停泊点p1。
[0105]
其中，坐标系建立模块具体包括，
[0106]
图片处理单元，接收无人船的摄像机拍摄的图片，对图片进行图像预处理，对图片进行滤波后转为二值化图像，对二值化图像进行图像形态学处理；
[0107]
图片信息获取单元，用于对进行形态学处理的图像进行sift角点检测与直线特征检测，对识别到的二维码内容进行提取，二维码是设立在停泊点p两侧的两个aruco二维码；
[0108]
图片信息计算单元，用于从二维码内容中获得每个二维码的位姿及二维码内容像素的大小对比二维码的大小，分别获得无人船与两个二维码之间的位姿；
[0109]
坐标系形成单元，用于根据两个二维码的位姿及两个二维码之间的距离，建立以双二维码位置为坐标的双二维码坐标系，计算在双二维码坐标系下无人船的摄像头位置(x，y)及无人船的船头朝向β。
[0110]
其中，定位信息计算模块具体包括，
[0111]
视觉定位误差曲线测量单元，用于测量视觉定位误差大小随z大小变化的曲线比例变化关系；
[0112]
gps定位误差计算单元，用于计算gps定位的误差大小与gps信号强度的变化关系；
[0113]
置信度分数计算单元，用于计算对比视觉定位精度与gps定位精度的误差大小，分别得到综合视觉定位与gps定位的对比评价置信度分数；
[0114]
融合定位策略设计单元，用于对比在同一时刻下视觉定位精度与gps定位精度的置信度分数，设计双二维码视觉与gps融合定位策略，以获得更高精度的无人船的定位信息。
[0115]
其中，停泊控制模块具体包括，
[0116]
停泊任务载入单元，用于在智能移动终端上软件载入标记的停泊点p的返航停泊任务，并开始返航停泊任务；
[0117]
融合定位单元，用于在无人船到达第一停泊点p1时，同时开始视觉定位与gps定位，同时依照双二维码视觉与gps融合定位策略，实时、动态地计算出视觉定位结果与gps定位结果之间置信度分数最高的融合定位结果；
[0118]
停泊规划单元，用于根据实时动态的融合定位结果，计算并规划无人船最优的倒库停泊路线r，控制无人船沿着规划路线r行进停泊；
[0119]
停泊验证单元，用于对无人船是否停泊至停泊点p进行自主验证，通过验证视觉定位结果、gps定位结果以及是否卡位，综合自主验证是否到达目标停泊点p，完成自动停泊过
程。
[0120]
需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，上述水面无人船自动停泊系统的具体实现过程，可以参考前述方法实施例中的相应描述，为了描述的方便和简洁，在此不再赘述。
[0121]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。