CN116974305A - 一种海上视觉追踪***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种海上视觉追踪***及方法，涉及海上自主追踪领域；该***包括：三轴云台、视觉控制***和波浪滑翔器；视觉控制***根据预设任务区域的位置信息发出运行指令；三轴云台根据运行指令确定行进路线；波浪滑翔器根据行进路线行驶至预设任务区域；视觉控制***实时获取预设任务区域的图像数据，对图像数据进行检测识别，得到识别数据，然后根据识别数据计算三轴云台的状态数据，并生成追踪指令；三轴云台根据追踪指令驱动波浪滑翔器，对船只进行追踪；本发明能够对海面船只进行实时监控并提高检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及海上自主追踪领域，特别是涉及一种海上视觉追踪***及方法。
背景技术
目前海洋上的船舶活动已经非常频繁，为了维护海洋秩序需要的人员和设备也急剧增加。开发基于无人船的船舶识别技术用于海事监督、检测可疑船舶和维护海上交通安全成为了必要。由于海上巡查、监视需要耗费大量的人力、物力且作业风险较大，无法对海面进行实时监控，就会导致可疑船舶的检测出现遗漏，进而使得海面船只的检测精度不高。所以，能够实时对海面船只进行监控并且提高检测精度，至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种海上视觉追踪***及方法，能够对海面船只进行实时监控并提高检测精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种海上视觉追踪***，所述***包括：三轴云台、视觉控制***和波浪滑翔器。
所述三轴云台和所述视觉控制***均设置在所述波浪滑翔器上；所述三轴云台和所述波浪滑翔器连接；所述视觉控制***和所述三轴云台连接。
所述视觉控制***用于根据预设任务区域的位置信息发出运行指令。
所述三轴云台用于根据所述运行指令确定行进路线。
所述波浪滑翔器用于根据所述行进路线行驶至预设任务区域。
所述视觉控制***，还用于：实时获取预设任务区域的图像数据。
对所述图像数据进行检测识别，得到识别数据；所述识别数据包括：船只和船只的位置信息。
根据所述识别数据计算所述三轴云台的状态数据，并生成追踪指令；所述状态数据包括：速度和加速度。
所述三轴云台还用于根据所述追踪指令驱动所述波浪滑翔器，对船只进行追踪。
可选地，所述视觉控制***包括：控制器、图像获取模块、识别模块和追踪模块。
所述图像获取模块、所述识别模块和所述追踪模块均与所述控制器连接；所述图像获取模块与所述识别模块连接；所述识别模块与所述追踪模块连接；所述追踪模块与所述三轴云台连接。
所述控制器用于控制所述图像获取模块实时获取预设任务区域的图像数据。
所述识别模块，用于：接收所述图像数据，并对所述图像数据进行区域分割，得到图像分割数据；对所述图像分割数据进行框选以及特征提取，得到图像特征数据；采用SSD算法对所述图像特征数据进行船只检测识别，得到识别数据，并将所述识别数据传送至所述控制器和所述追踪模块。
所述追踪模块用于采用前馈伪微分反馈控制方法，根据所述识别数据计算所述三轴云台的状态数据。
所述控制器还用于根据所述识别数据和所述状态数据生成追踪指令。
可选地，所述***还包括：岸基平台；所述岸基平台与所述控制器连接。
所述岸基平台用于发送控制信息；所述控制信息包括：预设任务区域的位置信息和采集指令。
所述控制器用于接收所述控制信息，根据预设任务区域的位置信息发出运行指令，根据所述采集指令，控制所述图像获取模块实时获取预设任务区域的图像数据。
可选地，所述视觉控制***还包括：存储模块；所述存储模块分别与所述识别模块和所述岸基平台连接。
所述存储模块，用于：将所述识别模块得到识别数据对应的图像进行存储，得到存储图像；将所述存储图像进行压缩，传输至所述岸基平台。
可选地，所述三轴云台包括：三个直流有刷电机；每个所述直流有刷电机内均设置有减速器；每个所述直流有刷电机均与所述视觉控制***连接。
可选地，所述波浪滑翔器包括：浮体船、牵引机和铠装缆；所述牵引机和所述铠装缆均设置在所述浮体船上；所述牵引机与所述三轴云台连接。
可选地，所述图像获取模块采用CCD相机。
可选地，岸基平台与所述视觉控制***通过北斗通信卫星或者基站进行信号连接。
一种海上视觉追踪方法，所述方法采用上述所述***，所述方法包括：根据预设任务区域的位置信息发出运行指令；控制三轴云台根据所述运行指令确定行进路线；实时获取预设任务区域的图像数据；对所述图像数据进行检测识别，得到识别数据；所述识别数据包括：船只和船只的位置信息；根据所述识别数据计算三轴云台的状态数据，并生成追踪指令；所述状态数据包括：速度和加速度；控制三轴云台根据所述追踪指令驱动波浪滑翔器，对船只进行追踪。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种海上视觉追踪***及方法，该***包括：三轴云台、视觉控制***和波浪滑翔器；通过视觉控制***实时获取预设任务区域的图像数据，对图像数据进行检测识别，得到识别数据；然后根据识别数据计算三轴云台的状态数据，并生成追踪指令；通过三轴云台根据追踪指令驱动波浪滑翔器，对船只进行追踪；本发明通过将三轴云台和视觉控制***相结合，能够对海面船只进行实时监控，提高监控时长从而避免船只遗漏，提高检测精度。
附图说明
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为本发明实施例提供的海上视觉追踪***的结构图。
图2为本发明实施例提供的三轴云台的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的海上视觉追踪方法的流程图。
符号说明：三轴云台-1、视觉控制***-2、波浪滑翔器-3。
具体实施方式
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做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。
本发明的目的是提供一种海上视觉追踪***及方法，能够对海面船只进行实时监控并提高检测精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供了一种海上视觉追踪***，该***包括：三轴云台1、视觉控制***2和波浪滑翔器3。
三轴云台1和视觉控制***2均设置在波浪滑翔器3上；三轴云台1和波浪滑翔器3连接；视觉控制***2和三轴云台1连接。
其中，波浪滑翔器3包括：浮体船、牵引机和铠装缆；牵引机和铠装缆均设置在浮体船上；牵引机与三轴云台1连接。
视觉控制***2用于根据预设任务区域的位置信息发出运行指令。
三轴云台1用于根据运行指令确定行进路线。
波浪滑翔器3用于根据行进路线行驶至预设任务区域。
视觉控制***2还用于实时获取预设任务区域的图像数据；视觉控制***2对图像数据进行检测识别，得到识别数据；识别数据包括：船只和船只的位置信息。
视觉控制***2根据识别数据计算三轴云台1的状态数据，并生成追踪指令；状态数据包括：速度和加速度。
三轴云台1还用于根据追踪指令驱动波浪滑翔器3，对船只进行追踪。
具体地，视觉控制***2包括：控制器、图像获取模块、识别模块和追踪模块。
图像获取模块、识别模块和追踪模块均与控制器连接；图像获取模块与识别模块连接；识别模块与追踪模块连接；追踪模块与三轴云台1连接。其中，图像获取模块可以采用CCD相机。
控制器用于控制图像获取模块实时获取预设任务区域的图像数据。
识别模块用于接收图像数据，并对图像数据进行区域分割，得到图像分割数据。
识别模块用于对图像分割数据进行框选以及特征提取，得到图像特征数据。
识别模块用于采用SSD算法对图像特征数据进行船只检测识别，得到识别数据，并将识别数据传送至控制器和追踪模块。
追踪模块用于采用前馈伪微分反馈控制方法，根据识别数据计算三轴云台1的状态数据。
控制器还用于根据识别数据和状态数据生成追踪指令。
在一种实施例中，该***还包括：岸基平台；岸基平台与控制器连接；岸基平台用于发送控制信息；控制信息包括：预设任务区域的位置信息和采集指令。
控制器用于接收控制信息，根据预设任务区域的位置信息发出运行指令，根据采集指令，控制图像获取模块实时获取预设任务区域的图像数据。
具体地，视觉控制***2还包括：存储模块；存储模块分别与识别模块和岸基平台连接；存储模块用于将识别模块得到识别数据对应的图像进行存储，得到存储图像。
存储模块还用于将存储图像进行压缩，传输至岸基平台。
在一种实施例中，三轴云台1包括：三个直流有刷电机；每个直流有刷电机内均设置有减速器。其中，三轴云台1的结构示意图见图2。
每个直流有刷电机均与视觉控制***2连接。
具体地，三轴云台1由三个直流有刷电机组成，每一个电机里面装有一个减速器用来增大直流有刷电机的力矩。通过计算每个直流有刷电机所受的外界力以及需要调整的角度，综合之后，得出三轴云台1需要调整的角度。
在实际应用中，视觉控制***2还可以由一个800万像素摄像头，以及jetson nano核心板作为主控构成的。该摄像头可以安装在三轴云台1的末端，通过三轴云台1对海面进行周扫，当捕捉到船只或者舰船之后进行追踪。
波浪滑翔器3是一种用于海洋研究的无人水面及水下混合舰艇。波浪滑翔器3主要由三部分组成：浮体船，牵引机以及铠装缆。
岸基平台是由北斗通讯和数据接收软件组成的。岸基平台可以由波浪滑翔器3上的北斗收发模块和岸上的基站的收发模块组成的。Jetson nano核心板可以通过网线或者其他方式将数据传输到波浪滑翔器3上的北斗收发模块发送数据，岸上的基站的收发模块，在接收指令后，会在对应的应用中显示图像信息。
在一种实施例中，岸基平台与视觉控制***2通过北斗通信卫星或者基站进行信号连接。
在实际应用中，波浪滑翔器3搭载三轴视觉追踪***并为三轴视觉追踪***提供能源。三轴视觉追踪***为三轴云台1和视觉控制***2的组合。
波浪滑翔器3还用于根据岸基平台发出控制信息行驶，即，首先经视觉控制***2根据预设任务区域的位置信息发出运行指令，然后三轴云台1根据运行指令确定行进路线，最后，波浪滑翔器3根据行进路线行驶至预设任务区域。当波浪滑翔器3行驶到预设任务区域时，岸基平台发送采集指令，通过三轴云台1和视觉控制***2对预设任务区域进行实时拍照监控以及信息采集，即实时获取预设任务区域的图像数据。
通过视觉控制***2中的识别模块对图像数据进行区域分割，得到图像分割数据后，再对图像分割数据进行框选以及特征提取，得到图像特征数据；识别模块采用SSD算法对图像特征数据进行船只检测识别，得到识别数据。
当识别成功之后，即得到识别数据后，会将该识别数据对应的图像或者图片存储到存储模块当中，同时对原图进行压缩回传到岸上的基站，即最终传送至岸基平台。
关于SSD算法，在应用之前，首先在工作站上利用自建数据集训练船只识别的权重文件，然后将SSD识别算法嵌入jetson nano核心板中，设置开机自动开启识别程序，就可以做到海上自动识别。其中SSD算法里面的图像预处理、图像分割、图像识别框选都是选用SSD标准模型的方法。
当识别模块识别到船只，也就是捕获到船只之后，能够将船只的位置信息传送至追踪模块；追踪模块采用前馈伪微分反馈控制方法，根据识别数据计算三轴云台1的状态数据。
前馈伪微分反馈控制方法考虑了海面的环境阻力、海浪波动和每个直流有刷电机单独所受到的阻力以及摩擦力。
具体地，三轴云台1是由轴线相互垂直的直流有刷电机组成的精密加工运转平台，其符合的模型如下：
。
其中，为直流有刷电机的电机动子的位置；/>为直流有刷电机的电机力常数；为直流有刷电机的电机力；/>为三轴云台的质量；/>为摩擦系数；/>为直流有刷电机的电机动子的总扰动力；/>包括/>摩擦力、/>外扰力和/>海风阻力。/>为直流有刷电机的电流；/>为时间。
选择直流有刷电机的电机动子的位置和运动速度作为状态变量，此时，作为变量的直流有刷电机的电机动子的位置为；运动速度为/>。
计算状态方程如下所示。
。
。
其中，为瞬时的速度；/>为瞬时的加速度；/>为摩擦系数；/>为三轴云台的质量；/>为直流有刷电机的电机动子的总扰动力；/>为反馈增益。
为输入值；其中，/>。
进而，通过计算可以得到三轴云台1的标准模型。三个直流有刷电机调整角度组合之后就是三轴云台1的运动状态。三轴云台1的标准模型就是分别计算每个直流有刷电机的速度和加速度。
。
其中，为第1个直流有刷电机的加速度；/>为第2个直流有刷电机的加速度；/>为第3个直流有刷电机的加速度；/>为摩擦系数；/>为三轴云台的质量；为第1个直流有刷电机的速度；/>为第2个直流有刷电机的速度；/>为第3个直流有刷电机的速度；/>为第1个直流有刷电机的电机动子的总扰动力；/>为第2个直流有刷电机的电机动子的总扰动力；/>为第3个直流有刷电机的电机动子的总扰动力。
为第1个直流有刷电机的输入值；/>为第2个直流有刷电机的输入值；/>为第3个直流有刷电机的输入值。
控制器根据识别数据和上述计算得到的状态数据生成追踪指令，以使得将船只始终保持在图像中心，实现追踪的目的。
实施例2
如图3所示，本发明实施例提供了一种海上视觉追踪方法，该方法采用实施例1中的***，该方法包括：
步骤100：根据预设任务区域的位置信息发出运行指令。
步骤200：控制三轴云台根据运行指令确定行进路线。
步骤300：实时获取预设任务区域的图像数据。
步骤400：对图像数据进行检测识别，得到识别数据；识别数据包括：船只和船只的位置信息。
步骤500：根据识别数据计算三轴云台的状态数据，并生成追踪指令；状态数据包括：速度和加速度。
步骤600：控制三轴云台根据追踪指令驱动波浪滑翔器，对船只进行追踪。
波浪滑翔器具有不受能源限制、成本低、续航长、范围大、抗风险能力大且能够在低空范围内实现海面设备巡检、海面信息采集、海面污染源分布探测以及具有抵近侦察领域并在海上进行自主作业的能力。当波浪滑翔器搭载视觉控制***形成编队组网之后，可以稳定地对大面积海域进行实时监控。这不仅提高了维护海洋秩序的可靠性，也减少了海上设备和人员的使用量。
同时三轴云台和视觉控制***的结合可以将海事监督做到自动化、集成化和智能化。可以有目的的对可疑船只进行追踪，保证海上交通的安全。
本发明采用SSD算法进行识别，识别率可以达到90%。图像获取模块使用的是CCD相机，其识别距离可以达到10km，可以完全满足船只、船舶检测的需要。
本发明根据波浪滑翔器具备全球定位、远程通讯、自主导航和位置保持、可以实现长期大范围的航行的优点，克服了海上交通监督困难、监督时间短的难题，提高了无人船的海上检测范围。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种海上视觉追踪***，其特征在于，所述***包括：三轴云台、视觉控制***和波浪滑翔器；
所述三轴云台和所述视觉控制***均设置在所述波浪滑翔器上；所述三轴云台和所述波浪滑翔器连接；所述视觉控制***和所述三轴云台连接；
所述视觉控制***用于根据预设任务区域的位置信息发出运行指令；
所述三轴云台用于根据所述运行指令确定行进路线；
所述波浪滑翔器用于根据所述行进路线行驶至预设任务区域；
所述视觉控制***，还用于：
实时获取预设任务区域的图像数据；
对所述图像数据进行检测识别，得到识别数据；所述识别数据包括：船只和船只的位置信息；
根据所述识别数据计算所述三轴云台的状态数据，并生成追踪指令；所述状态数据包括：速度和加速度；
所述三轴云台还用于根据所述追踪指令驱动所述波浪滑翔器，对船只进行追踪。
2.根据权利要求1所述的海上视觉追踪***，其特征在于，所述视觉控制***包括：控制器、图像获取模块、识别模块和追踪模块；
所述图像获取模块、所述识别模块和所述追踪模块均与所述控制器连接；所述图像获取模块与所述识别模块连接；所述识别模块与所述追踪模块连接；所述追踪模块与所述三轴云台连接；
所述控制器用于控制所述图像获取模块实时获取预设任务区域的图像数据；
所述识别模块，用于：
接收所述图像数据，并对所述图像数据进行区域分割，得到图像分割数据；
对所述图像分割数据进行框选以及特征提取，得到图像特征数据；
采用SSD算法对所述图像特征数据进行船只检测识别，得到识别数据，并将所述识别数据传送至所述控制器和所述追踪模块；
所述追踪模块用于采用前馈伪微分反馈控制方法，根据所述识别数据计算所述三轴云台的状态数据；
所述控制器还用于根据所述识别数据和所述状态数据生成追踪指令。
3.根据权利要求2所述的海上视觉追踪***，其特征在于，所述***还包括：岸基平台；
所述岸基平台与所述控制器连接；
所述岸基平台用于发送控制信息；所述控制信息包括：预设任务区域的位置信息和采集指令；
所述控制器用于接收所述控制信息，根据预设任务区域的位置信息发出运行指令，根据所述采集指令，控制所述图像获取模块实时获取预设任务区域的图像数据。
4.根据权利要求3所述的海上视觉追踪***，其特征在于，所述视觉控制***还包括：存储模块；
所述存储模块分别与所述识别模块和所述岸基平台连接；
所述存储模块，用于：
将所述识别模块得到识别数据对应的图像进行存储，得到存储图像；
将所述存储图像进行压缩，传输至所述岸基平台。
5.根据权利要求1所述的海上视觉追踪***，其特征在于，所述三轴云台包括：三个直流有刷电机；每个所述直流有刷电机内均设置有减速器；
每个所述直流有刷电机均与所述视觉控制***连接。
6.根据权利要求1所述的海上视觉追踪***，其特征在于，所述波浪滑翔器包括：浮体船、牵引机和铠装缆；
所述牵引机和所述铠装缆均设置在所述浮体船上；所述牵引机与所述三轴云台连接。
7.根据权利要求2所述的海上视觉追踪***，其特征在于，所述图像获取模块采用CCD相机。
8.根据权利要求4所述的海上视觉追踪***，其特征在于，岸基平台与所述视觉控制***通过北斗通信卫星或者基站进行信号连接。
9.一种海上视觉追踪方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1-8中任意一项所述***，所述方法包括：
根据预设任务区域的位置信息发出运行指令；
控制三轴云台根据所述运行指令确定行进路线；
实时获取预设任务区域的图像数据；
对所述图像数据进行检测识别，得到识别数据；所述识别数据包括：船只和船只的位置信息；
根据所述识别数据计算三轴云台的状态数据，并生成追踪指令；所述状态数据包括：速度和加速度；
控制三轴云台根据所述追踪指令驱动波浪滑翔器，对船只进行追踪。
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