基于激光雷達(dá)的三用工作船智能感知系統(tǒng)研究

汪偉奎 張子賢 謝斯

1.天津中海油油田設(shè)施管理有限公司；2.廣東海洋大學(xué)

1.研究背景

隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、AI算法以及各類傳感器技術(shù)的高速發(fā)展，為船舶智能化技術(shù)研究與應(yīng)用提供了可能性。提高外界環(huán)境實(shí)時(shí)感知的精度和實(shí)時(shí)性是智能船自主航行、避碰的前提與基礎(chǔ)，也是目前智能船舶領(lǐng)域面臨的一大技術(shù)挑戰(zhàn)。激光雷達(dá)、視頻等傳感器被廣泛應(yīng)用于汽車自動駕駛、無人機(jī)技術(shù)等研發(fā)中，在目標(biāo)探測、環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、目標(biāo)跟蹤及自主航行避碰中發(fā)揮了不可忽視的作用。這些技術(shù)為智能船舶相關(guān)技術(shù)的研發(fā)提供了借鑒，將激光雷達(dá)融合應(yīng)用于智能船舶的環(huán)境感知中，可以有效彌補(bǔ)船舶導(dǎo)航雷達(dá)盲區(qū)的探測能力，使船舶擁有全距離的高精度的環(huán)境感知與探測能力，在船舶故障感知、自動操縱與避碰和自動靠離泊功能方面將提升船舶智能化水平。

三用工作船是近海鉆探、開采海洋石油中為平臺服務(wù)的一種專用拖輪。它具有為平臺守護(hù)、拖航移位、起拋錨、輸送物資器材(包括油水)等功能[1]。三用工作船在靠泊平臺作業(yè)過程中需要船長長時(shí)間高強(qiáng)度工作，需要包括船舶與平臺間距離、空間等信息的支持，歷史上曾多次發(fā)生三用工作船與鉆井平臺碰撞事故，造成了一定的人員傷亡和比較大的經(jīng)濟(jì)損失。盡管隨著動力定位技術(shù)在三用工作船上的使用，提升了船舶位置感知和控制的能力，但還有部分船舶并不具備此類技術(shù)，需要針對性開發(fā)，用以提升三用工作船的感知能力和安全[2]。

2.研究現(xiàn)狀

風(fēng)浪流以及密集交通流等環(huán)境的復(fù)雜性對船舶提出了的高便捷和高可靠性要求，隨著激光雷達(dá)技術(shù)的不斷迭代，為其在海上安全應(yīng)用提供了機(jī)會。2017年10月，谷歌公司與羅羅公司聯(lián)合開發(fā)的智能船舶態(tài)勢感知系統(tǒng)技術(shù)，利用激光雷達(dá)、傳統(tǒng)雷達(dá)、GPS等信息與電子海圖技術(shù)對水面環(huán)境進(jìn)行三維構(gòu)建，借以實(shí)現(xiàn)船舶自主航行、避障與靠離泊功能[3]，具體如圖1所示。

圖1 谷歌與羅羅公司研發(fā)的船舶船智能態(tài)勢感知系統(tǒng)示意圖

同年，挪威“Yara”號智能船在實(shí)驗(yàn)中采用了雷達(dá)激光測距感知系統(tǒng)，借以實(shí)現(xiàn)對船舶周圍態(tài)勢的感知，輔助船舶探測岸線與障礙物，為實(shí)現(xiàn)船舶的自動靠離泊提供了技術(shù)支持，具體如圖2所示。

圖2 “Yara”號態(tài)勢感知示意圖[4]

2018年丹麥馬士基公司宣布將在一艘冰級集裝箱船上安裝計(jì)算機(jī)視覺、激光雷達(dá)傳感器和開發(fā)的專業(yè)感知軟件，利用激光雷達(dá)等傳感器收集船舶周圍的環(huán)境信息。2019年5月16日，中國“智騰”號智能船搭載了激光雷達(dá)等傳感器作為感知設(shè)備，利用相關(guān)算法借以實(shí)現(xiàn)近距離目標(biāo)的探測和態(tài)勢感知，并進(jìn)行了世界首個(gè)公開的實(shí)船避碰演示，取得了良好的效果。激光雷達(dá)還被應(yīng)用在船舶靠泊監(jiān)測[4]、無人測量船感知[5-6]、無人船障礙物識別[7]、超載吃水監(jiān)測[8]、水面船只監(jiān)測[9]等多個(gè)方面，顯示了技術(shù)的一定優(yōu)越性。

3.激光雷達(dá)信息提取算法模型及流程

3.1 激光雷達(dá)測距

激光雷達(dá)是一種基于飛行時(shí)間原理的主動光學(xué)傳感器，具有非常精準(zhǔn)與可靠性，可以實(shí)時(shí)獲得反射點(diǎn)的距離信息并構(gòu)造出點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建出船舶周圍水面上的實(shí)時(shí)三維環(huán)境。后續(xù)可以對采集的原始點(diǎn)云信息充分提取，進(jìn)行濾波處理、目標(biāo)擬合模型構(gòu)建、目標(biāo)聚類識別、運(yùn)動狀態(tài)估計(jì)等，為態(tài)勢智能感知系統(tǒng)提供有效的支持[4]。

3.2 點(diǎn)云算法模型

點(diǎn)云算法模型如圖3所示，其流程主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理和點(diǎn)云信息提取兩個(gè)環(huán)節(jié)。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，首先對采集的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)變換和去噪，為激光點(diǎn)云信息提取提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。在點(diǎn)云信息提取環(huán)節(jié)，通過對三維數(shù)據(jù)重建獲得關(guān)鍵的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，并將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，最終獲得目標(biāo)（船舶、碼頭、泊位或者障礙物）信息，供船舶操縱使用。

圖3 點(diǎn)云分析算法模型

4.算法驗(yàn)證

4.1 測試環(huán)境

如圖4所示，激光雷達(dá)被分別安裝在船舶和碼頭上進(jìn)行感知測試。激光雷達(dá)作為數(shù)據(jù)采集模塊，其數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)接口傳輸至處理模塊，在算法的支持下發(fā)布到顯示模塊。

圖4 測試環(huán)境示意圖

4.2 雷達(dá)感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)采用激光雷達(dá)參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

表1 激光雷達(dá)參數(shù)

圖5 雷達(dá)感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 測試效果

具體測試效果如圖6、圖7所示。圖6為激光雷達(dá)被安裝在船舶上進(jìn)行感知測試。圖中a為感知的船舶尾跡，b為航道邊界的物體，c為船舶前方橋梁，d為船舶穿越橋洞后的橋梁。通過觀察d點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)激光雷達(dá)對于超出一定角度的物標(biāo)難以感知。圖7為激光雷達(dá)被安裝在碼頭上進(jìn)行感知測試，e為感知的船舶，f為感知的波浪數(shù)據(jù)。

圖6 感知系統(tǒng)布置在船舶感知環(huán)境動態(tài)示意圖

圖7 感知系統(tǒng)布置在碼頭感知船舶動態(tài)示意圖

5.總結(jié)

本文在研究國內(nèi)外船舶智能感知技術(shù)的前提下，提出了基于激光雷達(dá)傳感器三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三用工作船智能感知技術(shù)，利用三維激光傳感器掃描周邊環(huán)境，經(jīng)相關(guān)算法解析感知周邊環(huán)境，自動捕捉船舶運(yùn)動形態(tài)，為船舶避障提供技術(shù)支持。在船舶靠泊時(shí)提供船首、船尾相對碼頭距離、速度等關(guān)鍵動態(tài)參數(shù)信息。本研究初步研究了基于三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息提取模型，為相關(guān)研究提供了理論基礎(chǔ)和原型系統(tǒng)。由于客觀條件限制，研究還存在一些不足，建議可以采用較高線束的激光雷達(dá)，進(jìn)一步改進(jìn)算法，逐步改進(jìn)感知能力。