本發(fā)明涉及一種船舶操縱系統(tǒng)，特別涉及一種室內(nèi)自航模操縱性實(shí)驗(yàn)定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在船舶設(shè)計(jì)與建造中，操縱性能始終是設(shè)計(jì)者關(guān)注和控制的一個(gè)目標(biāo)。船舶操縱性是船舶航行重要的性能之一，它是指船舶在控制裝置的作用下，按照駕駛者的意圖保持或者改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性能，而且船舶操縱性與航行的安全性和經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。目前，船模操縱性實(shí)驗(yàn)是解決該問(wèn)題的途徑之一。在船模操縱性能實(shí)驗(yàn)中，船模運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量決定了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

目前船模航跡識(shí)別一般采用傳感器和激光掃描方法進(jìn)行船模軌跡測(cè)量，但這些方法缺乏實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，在現(xiàn)實(shí)操作中主要存在以下問(wèn)題：

第一，采用激光掃描的方法追蹤船模軌跡，需要利用激光軌跡儀對(duì)船模進(jìn)行定位，并在船模上加裝反光棱鏡。在船模上加裝反光棱鏡會(huì)對(duì)船模本身操縱性有影響；

第二，采用傳感器進(jìn)行測(cè)量航模軌跡時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，并且不能夠?qū)崟r(shí)反映船模航行軌跡，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)性要求。而且在購(gòu)買(mǎi)傳感器方面消費(fèi)大，增加實(shí)驗(yàn)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種室內(nèi)自航模操縱性實(shí)驗(yàn)定位系統(tǒng)，有效的提高軌跡測(cè)量的準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性，是通過(guò)慣導(dǎo)和攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)水池船模軌跡測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，它是省時(shí)、省力、省費(fèi)、可靠的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。對(duì)解決船模高難度實(shí)驗(yàn)技術(shù)起到關(guān)鍵作用。因此，本發(fā)明對(duì)船舶操縱性實(shí)驗(yàn)是非常必要的，該系統(tǒng)的研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值以及理論意義。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種室內(nèi)自航模操縱性實(shí)驗(yàn)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述的室內(nèi)自航模操縱性實(shí)驗(yàn)定位系統(tǒng)包括航跡識(shí)別系統(tǒng)、船載控制器、地面控制系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。

所述的航跡識(shí)別系統(tǒng)包括攝像機(jī)、航跡識(shí)別軟件系統(tǒng)，航跡識(shí)別系統(tǒng)采用船頭船尾加裝航標(biāo)燈的模式，在高于水池面10米處設(shè)置單個(gè)攝像頭進(jìn)行船模位置識(shí)別，該攝像機(jī)分辨率為7mm，速度精度約為15cm/s，位置精度20cm，當(dāng)船模在15.2m×11.4m區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，航跡識(shí)別軟件系統(tǒng)可讀取高速攝像機(jī)的圖像并進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理功能，實(shí)現(xiàn)船模運(yùn)行軌跡的提取，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)反饋給地面控制軟件，實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)軌跡的監(jiān)控。

所述的船載控制器，采用嵌入式控制器，通過(guò)控制兩路無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速反饋、兩路舵機(jī)控制進(jìn)行船舶的調(diào)速、舵機(jī)控制等底層控制，同時(shí)可通過(guò)接收通訊系統(tǒng)指令進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

所述的地面控制系統(tǒng)中的地面控制端軟件為系統(tǒng)控制中樞，同時(shí)接收船舶航跡檢測(cè)的反饋數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行處理，形成航跡控制指令發(fā)送給船載控制軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)該地面控制軟件，可實(shí)現(xiàn)船舶航跡設(shè)置等人機(jī)交互功能。

所述的無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)采用wifi通訊方式進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)地面控制系統(tǒng)、航跡識(shí)別系統(tǒng)、船載控制系統(tǒng)間構(gòu)建對(duì)等網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的功能，通訊半徑100m@54mbps。

所述的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含兩個(gè)100w推進(jìn)器，分別掛于雙體船的尾部，通過(guò)兩個(gè)舵機(jī)對(duì)掛于尾部的推進(jìn)器的推進(jìn)方向進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)，以控制船的航速及航向。

所述的電源系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)該船載電源的電量、電流監(jiān)控，提示低電量并進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，同時(shí)配有免維護(hù)鉛酸電池(12v20ah)，為船模系統(tǒng)提供電力。

有益效果：

一、在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量下，通過(guò)圖像處理方法可以同時(shí)監(jiān)測(cè)船模航行軌跡和航行速度，具有實(shí)時(shí)性；

二、應(yīng)用圖像處理方法直接對(duì)船模進(jìn)行檢測(cè)，不應(yīng)用以往傳感器等復(fù)雜硬件，省時(shí)，省力，省成本；

三、應(yīng)用圖像處理得到的像素，受到光照影響產(chǎn)生誤差，此時(shí)應(yīng)用線(xiàn)性回歸算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得以矯正，結(jié)果更加精確，準(zhǔn)確率提高。

附圖說(shuō)明：

附圖1為自航模操縱性實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景圖（1為攝像機(jī)，2為紅綠指示燈，3為船模，4為水池）；

附圖2為自航模操縱性實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景俯視圖（5為航向角，6為船質(zhì)心）。

具體實(shí)施方式：

一種室內(nèi)自航模操縱性實(shí)驗(yàn)定位系統(tǒng)，其組成包括：航跡識(shí)別系統(tǒng)、船載控制器、地面控制系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。

所述的航跡識(shí)別系統(tǒng)包括攝像機(jī)、航跡識(shí)別軟件系統(tǒng)，航跡識(shí)別系統(tǒng)采用船頭船尾加裝航標(biāo)燈的模式，在高于水池面10米處設(shè)置單個(gè)攝像頭進(jìn)行船模位置識(shí)別，該攝像機(jī)分辨率為7mm，速度精度約為15cm/s，位置精度20cm，當(dāng)船模在15.2m×11.4m區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，航跡識(shí)別軟件系統(tǒng)可讀取高速攝像機(jī)的圖像并進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理功能，實(shí)現(xiàn)船模運(yùn)行軌跡的提取，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)反饋給地面控制軟件，實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)軌跡的監(jiān)控。

所述的船載控制器，采用嵌入式控制器，通過(guò)控制兩路無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速反饋、兩路舵機(jī)控制進(jìn)行船舶的調(diào)速、舵機(jī)控制等底層控制，同時(shí)可通過(guò)接收通訊系統(tǒng)指令進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

所述的地面控制系統(tǒng)中的地面控制端軟件為系統(tǒng)控制中樞，同時(shí)接收船舶航跡檢測(cè)的反饋數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行處理，形成航跡控制指令發(fā)送給船載控制軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)該地面控制軟件，可實(shí)現(xiàn)船舶航跡設(shè)置等人機(jī)交互功能。

所述的無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)采用wifi通訊方式進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)地面控制系統(tǒng)、航跡識(shí)別系統(tǒng)、船載控制系統(tǒng)間構(gòu)建對(duì)等網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的功能，通訊半徑100m@54mbps。

所述的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含兩個(gè)100w推進(jìn)器，分別掛于雙體船的尾部，通過(guò)兩個(gè)舵機(jī)對(duì)掛于尾部的推進(jìn)器的推進(jìn)方向進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)，以控制船的航速及航向。

所述的電源系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)該船載電源的電量、電流監(jiān)控，提示低電量并進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，同時(shí)配有免維護(hù)鉛酸電池(12v20ah)，為船模系統(tǒng)提供電力。

根據(jù)上述所述的室內(nèi)自航模操縱性實(shí)驗(yàn)定位系統(tǒng)，該套系統(tǒng)采用?？禂z像頭作為獲取圖像的視頻設(shè)備，船尾部安裝航標(biāo)燈作為圖像識(shí)別目標(biāo)。

航跡識(shí)別系統(tǒng)使用c/s架構(gòu)進(jìn)行widows客戶(hù)端軟件開(kāi)發(fā)。以windows7系統(tǒng)為背景，qtcreator為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

攝像頭通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)通過(guò)開(kāi)發(fā)的航跡識(shí)別系統(tǒng)軟件對(duì)攝像頭拍攝的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。系統(tǒng)通過(guò)攝像頭提供的dll動(dòng)態(tài)連接庫(kù)，在識(shí)別系統(tǒng)主界面顯示出監(jiān)控的視頻圖像，并提供截圖、視頻錄像等功能。

使用sdk中的函數(shù)對(duì)攝像頭解碼回調(diào)，時(shí)時(shí)獲取圖像信息，系統(tǒng)將獲取到的圖像信息保存到圖像隊(duì)列中；系統(tǒng)中另外開(kāi)啟一個(gè)線(xiàn)程實(shí)時(shí)讀取圖像緩沖隊(duì)列中的圖像；獲取到的圖像進(jìn)行圖像處理，首先進(jìn)行矩陣仿射，使得得到的圖像中水池為標(biāo)準(zhǔn)矩形；變換后的圖像進(jìn)行二值化處理；對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行角點(diǎn)識(shí)別，得到角點(diǎn)個(gè)數(shù)和角點(diǎn)坐標(biāo)。（船上放入一個(gè)很亮的燈，因次只會(huì)識(shí)別出一個(gè)角點(diǎn)，獲得這個(gè)圖像的角點(diǎn)坐標(biāo)即為無(wú)人船的坐標(biāo)）。

航跡系統(tǒng)采用winsocket開(kāi)發(fā)是本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的一個(gè)客戶(hù)端，主控制系統(tǒng)為服務(wù)器端。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信航跡系統(tǒng)與主控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)保持通信，將獲取到的位置坐標(biāo)實(shí)時(shí)發(fā)送給主控制系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)接收到的位置信息保存到excel中，供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)處理采用線(xiàn)性回歸算法。設(shè)x（x1,x2）為像素?cái)?shù)據(jù)向量，y（y1,y2）為導(dǎo)航儀數(shù)據(jù)向量。在y中截取精度符合要求的數(shù)據(jù)子集y1（y11，y21），通過(guò)時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們可以得到y(tǒng)中與y1相同時(shí)刻測(cè)得的像素?cái)?shù)據(jù)子集x1（x11，x21），由此我們可以得到一組具有對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)集，由此對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們可以將導(dǎo)航儀的數(shù)據(jù)值認(rèn)為成以像素?cái)?shù)據(jù)為自變量的函數(shù)，并構(gòu)造函數(shù)y11=f1（x11），y21=f2（x21），我們通過(guò)數(shù)據(jù)擬合方式對(duì)f1、f2進(jìn)行估計(jì)，可以得到線(xiàn)性函數(shù)y11=k1*x11+b1和y21=k2*x21+b2，如此我們構(gòu)造出了像素?cái)?shù)據(jù)與導(dǎo)航儀數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后將此對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)用于x的全部數(shù)據(jù)，可以求出基于y中的精確數(shù)據(jù)矯正的像素?cái)?shù)據(jù)。

總體設(shè)計(jì)可以概括為：該套系統(tǒng)為在距離水池10米高布置一臺(tái)垂直向下拍攝的高速、高清攝像機(jī)系統(tǒng)（后文計(jì)算按照aca2040-180km攝像機(jī)計(jì)算），通過(guò)該攝像機(jī)可實(shí)現(xiàn)每秒180幀的圖像抓拍。并具有2048p×2048p的分辨率,通過(guò)配有一個(gè)8mm焦距廣角鏡頭，可覆蓋15.2m×11.4m的空間并以此作為船模航跡反饋系統(tǒng)。通過(guò)wifi局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)船在控制器、航跡反饋、地面控制站的聯(lián)網(wǎng)，地面控制站可根據(jù)操做人員設(shè)定參數(shù)結(jié)合航跡識(shí)別系統(tǒng)對(duì)船模進(jìn)行控制。