[发明专利]一种船舶间相对位姿检测方法及系统

说明书

本发明涉及一种船舶间相对位姿检测方法及系统。该方法包括：利用双目相机左相机对Aruco标记进行单目视觉检测，得到左相机像素坐标系下Aruco标记的四个有序角点；获取双目相机的立体成像模型；将Aruco标记的单目视觉检测结果与立体成像模型融合，得到相机坐标系与Aruco坐标系之间的坐标转换矩阵；结合相机坐标系与Aruco坐标系之间的坐标转换矩阵、被测船坐标系与Aruco坐标系之间的坐标转换矩阵和相机坐标系相对于世界坐标系的坐标转换矩阵，得到被测船舶与世界坐标系之间的相对六自由度位姿信息。本发明可以提高船舶间相对位姿检测的准确度和精度。

技术领域

本发明涉及船舶检测领域，特别是涉及一种船舶间相对位姿检测方法及系统。

背景技术

舰船在风浪涌作用下会产生横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇及艏摇六自由度运动，导致恶劣海况下，舰船产生剧烈摇荡，严重影响海上作业安全和效率。通过绳牵引并联机构或Stewart补偿平台等波浪补偿技术能够有效抑制或消除舰船剧烈摇荡的影响，保证海上航行和作业安全高效精确的进行。在波浪补偿过程中，必须实时获得舰船间的相对运动位姿，才能通过波浪补偿系统有效地进行波浪补偿。

现有技术中，赵建冬采用两个惯性测量单元(IMU)和激光传感器设计了六自由度波浪补偿检测系统。唐原广等设计基于MEMS(微机电系统)技术的波高倾斜一体化传感器的船舶运动姿态测量系统。Sondre Sanden等采用运动参考单元(MRU)获得一种可靠的船舶的横摇、纵摇和升沉运动测量方法。以上研究表明陀螺仪、加速度计等传感器可实现补给舰船的接触性位姿检测，但是接触性测量方式不能获得被补给舰船的位姿，这限制了其在多舰船之间波浪补偿方面的应用。李海博使用两台相机和RGB标志物，基于颜色特征粗定位和基于特征点精定位，实现非接触式的船模六自由度测量。崔伟设计了基于双目视觉的运动目标六自由度位姿检测系统，在一定条件下位置误差控制在10mm以内，姿态误差控制在5°以内。Sondre Sanden等人采用单目视觉检测Aruco和MRU传感器融合的方案，实时跟踪舰船相对运动，测试位置的总体精度最大标准偏差为31mm。研究表明在船舶间进行补给作业时，若能获得船舶间的相对位姿，能更好的实现波浪补偿功能。

其中，在国内外波浪补偿系统中船舶位姿检测方面比较成熟的是基于惯性传感器的接触性测量方式，比如惯性测量单元(IMU)、运动参考单元(MRU)等。但是惯性传感器一般价格昂贵，且针对被补给船的多样性，接触性测量方式不适用被补给船的位姿检测，这限制了其在舰船之间波浪补偿方面的应用。

为了实现船舶间相对位姿的实时检测，国内外学者对非接触式的位姿检测方式进行了广泛的研究。一类是提出使用单台或多台相机，通过对特定标志物进行定位和检测，实现非接触式运动目标六自由度位姿检测；一类是通过对视觉检测结果和惯性测量单元、激光等传感器进行多传感器融合，获得位姿测量结果。第一类方法使用单个相机分别检测标志物，然后进行相机间的匹配，涉及相机间匹配误差和标志物布置误差。而且使用单目视觉检测Aruco平面位姿，通常面临以下三个问题：(1)正面方向的姿势估计不准确；(2)姿势含糊；(3)深度方向上的位置估计不准确。若使用双目或者多目视觉进行视觉测量时，可获得图像深度信息，但是使用各个相机进行检测后进行相机匹配或者直接使用深度图进行平面位姿的检测较为复杂，且可能会产生额外的误差。第二类涉及到多传感器融合的坐标系和时间戳对应等问题。这两类方法在实际的应用中很复杂，且容易受到额外的误差影响检测精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种船舶间相对位姿检测方法及系统，以提高船舶间相对位姿检测的准确度和精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种船舶间相对位姿检测方法，包括：

利用双目相机左相机对Aruco标记进行单目视觉检测，得到左相机像素坐标系下Aruco标记的四个有序角点；所述Aruco标记位于被测船舶上，所述双目相机固定于检测船舶上，所述检测船舶上还包括波浪运动传感器和运动补偿平台；