基于激光传感器的在航船舶流量检测技术研究

摘要

随着水上交通运输事业的发展，提高船舶航行安全越来越受到专家和学者的重视。要解决内河水上交通安全问题，必须加强船舶的监管力度，特别是船舶流量的检测，而目前行驶于内河航道上的船型十分复杂，大小不一，大部分船只并未配备雷达应答器、AIS等设备。雷达、AIS这样的常用船舶统计方式都无法发挥应有的功能。闭路电视、红外等视觉监控模式虽然可以在关键航段做出补充，但是基于视觉的监控模式，往往需要人工的不问断参与，并容易受到天气、光照的影响，且无法获得船只的几何尺寸信息等。
　　 本研究针对上述情况，提出一种基于激光测距的船舶检测方法，即利用激光测距头的高速旋转，实现对桥区航道不问断的二维扫描，以期获得船舶流量。激光测距具有速度快、实时性强、成本低、获取数据精度高、不受天气光照影响、可全天候工作，并能适应多变的自然环境，如大雾、黑夜等，很好的满足系统的工作需求。对基于激光传感器的在航船舶流量检测系统进行了系统组成分析，该系统由数据采集子系统、数据处理子系统、辅助子系统组成，并对各个子系统的需求分析、组成以及要实现的功能作了介绍，特别对ROD4plus型激光传感器的接口、协议、数据格式等作了说明。根据激光传感器采集到的数据特点，阐述了针对该数据的处理算法，该算法具体分为四步:数据简化、特征数据模糊C-均值聚类应用、坐标系转化、轮廓线恢复。在航船舶流量检测系统软件的构建是系统的最重要组成部分。对软件的界面、模块、功能进行了设计。从框架上说，软件分为串口通信模块、接收回显模块、数据图形化显示模块、图形识别判断模块。通过这些模块实现串口通信任务、图形化实时显示、水面识别、船舶流量统计等任务。系统构建完成之后，进行了多次实验，采集了实验数据，并对数据处理算法进行了验证。选取长江一桥作为实验地点，系统能准确无误的判别了船只的通过，验证了该方法可以作为一种可靠的船舶流量检测手段。区别于CCTV和红外测量手段，该测量手段返回的数据，本身就是数字化尺寸信息。对这些数字信息进行后期处理，去掉信息冗余与干扰，经过模糊聚类算法、直线拟合算法的处理，成为一种更为有效的船舶流量统计手段。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 船舶流量检测技术的国内外研究现状

1.2.1 雷达成像系统

1.2.2 CCTV成像系统

1.2.3 红外成像系统

1.2.4 AIS系统

1.2.5 人工统计方式

1.3 研究的目的及意义

1.4 课题的来源与本文研究内容

1.4.1 课题的来源

1.4.2 研究内容

第2章 在航船舶流量检测系统的组成

2.1 在航船舶流量检测系统的组成

2.2 数据采集子系统

2.2.1 激光传感器测距原理概述

2.2.2 基于激光的体积和面域测量技术

2.2.3 ROD 4plus型激光传感器简介

2.2.4 ROD 4plus型激光传感器的通信协议

2.2.5 ROD 4plus型激光传感器传输率及数据格式

2.3 数据处理子系统

2.3.1 串口复制电路结构图

2.3.2 电平转换

2.3.3 串口复制电路工作过程

2.4 辅助子系统

2.4.1 电源

2.4.2 电源控制板

2.4.3 固定设备

2.5 本章小结

第3章 激光传感器数据采集算法

3.1 数据简化

3.2 特征数据模糊C-均值聚类应用

3.2.1 模糊聚类

3.2.2 模糊C-均值聚类算法

3.2.3 模糊C-均值聚类算法应用

3.3 激光数据坐标系转化

3.4 轮廓线恢复

3.5 本章小结

第4章 在航船舶流量检测系统软件设计

4.1 界面设计

4.2 串口通信模块

4.3 接收回显模块

4.4 数据图形化显示模块

4.5 图形识别判断模块

4.6 本章小结

第5章 实验结果及分析

5.1 实验原理

5.2 激光传感器的标定

5.3 船舶流量检测流程

5.3.1 船舶判断

5.3.2 干扰判断及处理

5.3.3 累计流量统计结果

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 研究内容总结

6.2 研究工作展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研情况