CN105241457A - 一种用于船舶驾驶的三维辅助导航***建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于船舶驾驶的三维辅助导航***建立方法，包括：根据电子海图和实地采集数据构建三维航道模型；从所述电子海图中提取静态航道信息并与所述三维航道模型融合构建三维电子海图；将从导航仪器中实时接收的与船舶驾驶相关的位置信息实时标绘在所述三维电子海图中，以实时表征出附近水域动静态船舶的位置信息和描述航道信息；通过所述三维电子海图上展示的三维航道信息辅助本船的驾驶。本发明提供的方法可以实现在复杂的航道环境，逼真的模拟出海洋、内河上船舶航行的航道、气象、水文、水工建筑信息，可以更好的辅助船舶驾驶，增加船舶在海洋中行驶中的安全性。

Description

一种用于船舶驾驶的三维辅助导航***建立方法

技术领域

本发明属于航海驾驶技术领域，尤其涉及一种用于船舶驾驶的三维辅助导航***建立方法。

背景技术

船舶通航环境指航行中除人员与设备以外的客观环境。从航行涉及的客观因素分析，航行环境包含地理环境、气象环境、水文环境与通航环境等，它们的空间形态随航行过程演变，具有多维性。

运用虚拟现实技术模拟航行环境，首先需要把航行环境数字化，即建立航行环境的数字模型，这是航行环境可视化仿真的基础，通过三维地形、声效和海浪等要素展现航行环境。船舶驾驶员通过一定的操作界面感知周围环境，达到辅助熟悉环境、掌握态势和辅助决策等目的，这种“环境感知化”的结果供人脑认识船舶周围环境。

现有的辅助导航***均是基于二维平面，只能显示或模拟部分的航行环境信息，在遇到一些复杂的航道环境，仍然无法全面真实的提供准确的航道信息(如船舶的尺度，类型、附近水域水文信息等)，难以保证船舶驾驶的安全。

发明内容

针对上述现有的问题和不足，本发明提供一种用于船舶驾驶的三维辅助导航***建立方法，包括：

根据电子海图和实地采集数据构建三维航道模型；

从所述电子海图中提取静态航道信息并与所述三维航道模型融合构建三维电子海图；

将从导航仪器中实时接收的与船舶驾驶相关的位置信息实时标绘在所述三维电子海图中，以实时表征出附近水域动静态船舶的位置信息和描述航道信息；

通过所述三维电子海图上展示的三维航道信息辅助本船的驾驶。

进一步地，在上述技术方案的基础上，所述根据电子海图和实地采集数据构建三维航道模型包括：

根据实地调研获取模拟水域现有通航要素技术资料和导助航设置相关资料，分别将其数字化后生成用于显示模拟过程的模拟航行环境和模拟船舶的电子海图；

对实地拍摄视景数据进行预处理生成视景数据库，用建模工具对视景数据库进行建模生成视景数据库模型；

根据模拟环境参数，利用船舶操纵模拟器对通航环境进行建模，并结合所述视景数据库模型建立符合实际环境的三维航道模型。

进一步地，在上述技术方案的基础上，在对实地拍摄视景数据进行预处理生成视景数据库，用建模工具对视景数据库进行建模生成视景数据库模型之后，还包括：

对视景数据库中的数据结构进行优化、地理地形细节层次处理和导入到船舶操纵模拟***进行调试。

进一步地，在上述技术方案的基础上，从所述电子海图中提取静态航道信息并与所述三维航道模型融合构建三维电子海图包括：

依据所述电子海图的数据结构读取数据图层；

创建数据表单并将所述图层数据分类放入对应的表单；

将本船的位置信息加载到所述三维航道模型上，并根据读取的表单的图层数据在三维航道模型中动态绘制航道信息并以此生成三维电子海图。

进一步地，在上述技术方案的基础上，所述导航仪器至少包括导航雷达、AIS、GPS、测深仪、计程仪。

进一步地，在上述技术方案的基础上，与船舶驾驶相关的位置信息至少包括本船、目标船、静态岛屿及礁石的位置信息。

本发明实施例提供的用于船舶驾驶的三维辅助导航***建立方法，通过从所述电子海图中提取静态航道信息并与三维航道模型融合构建三维电子海图，再将从导航仪器中实时接收的与船舶驾驶相关的位置信息实时标绘在三维电子海图中以辅助本船的驾驶。实现在多种导航仪器同时作用于船舶导航时，合理利用有关资源，确保本船与目标船等障碍物的精确定位，通过三维虚拟场景展示航道上船舶信息，辅助船舶驾驶。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于船舶驾驶的三维辅助导航***建立方法的实施例流程图；

图2为本发明中电子海图的制作流程图；

图3为本发明中视景数据库进行建模的流程图；

图4为本发明中构建三维电子海图的流程图；

图5为本发明中AIS与雷达信息融合模型图；

图6为本发明中开发的ECDIS***平台的功能结构图；

图7为本发明中用于船舶驾驶的三维辅助导航***的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

图1为本发明用于船舶驾驶的三维辅助导航***建立方法的实施例流程图，如图1所示，该方法包括：

步骤101、根据电子海图和实地采集数据构建三维航道模型，上述电子海图为二维地图；

步骤103、从所述电子海图中提取静态航道信息并与所述三维航道模型融合构建三维电子海图；

步骤105、将从导航仪器中实时接收的与船舶驾驶相关的位置信息实时标绘在所述三维电子海图中，以实时表征出附近水域动静态船舶的位置信息和描述航道信息；本步骤中具体地与船舶驾驶相关的位置信息至少包括本船、目标船、静态岛屿及礁石的位置信息。所述导航仪器至少包括导航雷达、AIS、GPS、测深仪、计程仪。

步骤107、通过所述三维电子海图上展示的三维航道信息辅助本船的驾驶。

在上述实施例中，具体地，在步骤101中，可以包括三个步骤：

第一步：根据实地调研获取模拟水域现有通航要素技术资料和导助航设置相关资料，分别将其数字化后生成用于显示模拟过程的模拟航行环境和模拟船舶的电子海图；图2为本发明中电子海图的制作流程图，如图2所示，根据实地调研获取模拟水域现***头、航道等通航要素技术资料和导助航设置等相关资料，分别将其数字化后，对不同投影方式生成的数字化海图数据进行整理、变换，形成符合本模拟试验要求的数字化平面图(即电子海图)，用于显示模拟过程的模拟航行环境和模拟船舶。

第二步：对实地拍摄视景数据进行预处理生成视景数据库，用建模工具对视景数据库进行建模生成视景数据库模型；图3为本发明中视景数据库进行建模的流程图，如图3所示，通过实地采集现有特征(标志性)建筑高分辨率视景影像材料为建模做准备，对实地拍摄视景数据进行预处理，获取真实材质和模型，并用3DMax或AutoCAD等主流建模工具进行三维模型建立及优化，然后将纹理材质图片进行渲染，生成真实感很强的三维模型。

优选地，在上述步骤之后还包括：对视景数据库中的数据结构进行优化、地理地形细节层次处理和导入到船舶操纵模拟***进行调试。

第三步：根据模拟环境参数，利用船舶操纵模拟器对通航环境进行建模，并结合所述视景数据库模型建立符合实际环境的三维航道模型。

本步骤中，根据模拟水域水文、气象、航道尺度、船舶特征等环境参数，利用全任务大型船舶操纵模拟器对通航环境进行建模，建立符合实际环境的三维视景***、建立ECDIS海图及具有六自由度(前后、侧移、船首向变化、纵摇、横摇、垂荡)的特征船舶数学模型。模型真实地模拟本船在开阔水域及限制水域的水动力学特征，包括气象、潮汐、水流影响；模型真实地模拟本船在锚、车、舵、缆、拖轮作用下的多工况响应。航行水域应包括与所用电子海图相应的随时间变更的水流模型，水位应反映与所用电子海图相应的水深，并应反映相应的水位状况。船舶操纵模型考虑限制水域特性，计及船间效应、岸吸等影响船舶安全通航的安全指标。

步骤103中，可以从电子海图中提取等深线、航道线、轮渡线、锚地等信息，融合与三维航道模型中，构建三维电子海图。图4为本发明中构建三维电子海图的流程图，具体如图所示，包括：

步骤401、依据所述电子海图的数据结构读取数据图层；

步骤403、创建数据表单并将所述图层数据分类放入对应的表单；

步骤405、将本船的位置信息加载到所述三维航道模型上，并根据读取的表单的图层数据在三维航道模型中动态绘制航道信息并以此生成三维电子海图。

步骤105中，接入AIS、GPS、导航雷达、测深仪等导航仪器，融合AIS与导航雷达信息，提高目标船等碍航物的信息精度，实时接收本船、目标船、静态岛屿及礁石的位置等信息，并在三维电子电子海图中实时准确的标绘出来；图5为本发明中AIS与雷达信息融合模型图，具体如图5所示，导助航信息主要包含导航雷达、AIS、GPS、测深仪、计程仪等，其中导航雷达与AIS设备主要是用来识别目标船与障碍物的位置、方位信息，所以导航信息融合方面主要是融合导航雷达与AIS信息实现对目标的精确定位，同时以辅助测深仪等信息进行辅助。

通过对信息融合结构模型的分析，AIS与雷达采用分布式结构进行信息融合是符合实际的。AIS与雷达观测的目标属于不同传感器，并且相互独立，若AIS与雷达观察信息在同步、无误差的条件下，二者跟踪目标是一致的，但由于现实条件的存在，不可能一致，所以将AIS与雷达信息融合，才能提高***的鲁棒性。

信息融合最重要的一个步骤是航迹相关，在航迹相关前，需要对AIS与雷达信息做预处理，因此需要做的就是坐标变换、时间校准，将AIS与雷达数据信息转换在同一坐标系中，通过某种方法将两传感器的观测时间调整为同一时刻来进行航迹相关判定，最后再进行信息融合。基于这种思想，根据分布式结构特点可以得出AIS与雷达的信息融合的结构模型。

图6为本发明中开发的ECDIS(电子海图显示与信息***)***平台的功能结构图，借助于该ECDIS***平台，可省去一些基础的设计开发，根据AIS与雷达信息融合开发需求，可保留相应的功能模块。平台具体的功能应该包括以下几个方面：

(1)三维电子海图的基本要素显示模块：比例、经纬度、图层控制的显示、查询要素(如潮汐、海流、温、盐、密、深度等)信息。

(2)三维电子海图量算：距离、方位量算。

(3)船舶基本信息显示模块：动态信息(船位、航向、计程仪航速、航行状态、船艏向等)、静态信息(船名、呼号、吃水、IMO编码、船长宽、航行计划等)。

(4)航行管理模块：航路监视、航行设计与规划、航行记载等。

(5)定位及导航模块：接收电罗经、计程仪、AIS、测深仪等传感器信息，并进行综合处理，实现船舶的定位与导航。

(6)信息融合处理模块：通过接收雷达、AIS信息，提供本船及周围的动态、静态目标问的位置关系。船舶操作员可据此判断避碰念势，做出相应的避碰决策。

在ECDIS上设计AIS与雷达信息融合，引入接口，接入AIS与雷达信息，可将AIS与雷达的信息融合模型作为一个辅助导航功能模块嵌入电子海图***中，进一步丰富了ECDIS***的功能。按照AIS与雷达信息融合的分析步骤，首先接收雷达、AIS两传感器数据信息，并将其进行数据存储；接着对数据信息进行预处理(包括坐标转换、时间配准)：最后，采用信息融合模型(包括航迹相关、信息融合)对目标数据进行融合处理，最终将融合后的航迹实时的显示在海图界面上。

图7为本发明中用于船舶驾驶的三维辅助导航***的工作流程图，如图7所示，首先利用融合技术，将网格化环境场、典型航段三维视景模型以及航道及地貌模型融合建立三维场景；再通过实验室建立的内河高精度船舶数学模型，对三维场景进行实景模拟以提供辅助驾驶台资源管理***。驾驶台资源管理***中车钟控制船舶的运行速度，舵控控制船舶运动转向，雷达及助航仪器负责接收船舶位置、障碍物信息，电子海图提供航道信息，Conning显示船舶运行状况，所有的数据由驾驶台资源管理***进行管理与协调。

该发明提供的方法在复杂的航道环境，逼真的模拟出海洋、内河上船舶航行的航道、气象、水文、水工建筑等；在多种导航仪器同时作用于船舶导航时，合理利用有关资源，确保本船与目标船等障碍物的精确定位，通过三维虚拟场景展示航道上船舶信息，辅助船舶驾驶。。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种用于船舶驾驶的三维辅助导航***建立方法，其特征在于，包括：

根据电子海图和实地采集数据构建三维航道模型；

从所述电子海图中提取静态航道信息并与所述三维航道模型融合构建三维电子海图；

将从导航仪器中实时接收的与船舶驾驶相关的位置信息实时标绘在所述三维电子海图中，以实时表征出附近水域动静态船舶的位置信息和描述航道信息；

通过所述三维电子海图上展示的三维航道信息辅助本船的驾驶。

2.根据权利要求1所述的用于船舶驾驶的三维辅助导航***建立方法，其特征在于，所述根据电子海图和实地采集数据构建三维航道模型包括：

根据实地调研获取模拟水域现有通航要素技术资料和导助航设置相关资料，分别将其数字化后生成用于显示模拟过程的模拟航行环境和模拟船舶的电子海图；

对实地拍摄视景数据进行预处理生成视景数据库，用建模工具对视景数据库进行建模生成视景数据库模型；

根据模拟环境参数，利用船舶操纵模拟器对通航环境进行建模，并结合所述视景数据库模型建立符合实际环境的三维航道模型。

3.根据权利要求2所述的用于船舶驾驶的三维辅助导航***建立方法，其特征在于，在对实地拍摄视景数据进行预处理生成视景数据库，用建模工具对视景数据库进行建模生成视景数据库模型之后，还包括：

对视景数据库中的数据结构进行优化、地理地形细节层次处理和导入到船舶操纵模拟***进行调试。

4.根据权利要求1所述的用于船舶驾驶的三维辅助导航***建立方法，其特征在于，从所述电子海图中提取静态航道信息并与所述三维航道模型融合构建三维电子海图包括：

依据所述电子海图的数据结构读取数据图层；

创建数据表单并将所述图层数据分类放入对应的表单；

将本船的位置信息加载到所述三维航道模型上，并根据读取的表单的图层数据在三维航道模型中动态绘制航道信息并以此生成三维电子海图。

5.根据权利要求1所述的用于船舶驾驶的三维辅助导航***建立方法，其特征在于，所述导航仪器至少包括导航雷达、AIS、GPS、测深仪、计程仪。

6.根据权利要求1所述的用于船舶驾驶的三维辅助导航***建立方法，其特征在于，与船舶驾驶相关的位置信息至少包括本船、目标船、静态岛屿及礁石的位置信息。