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研 究 生 : 陳松駿 指導教授 : 曾慶耀老師 李信德老師

影像導引於小型船舶航行避碰之應用 Application of Image Guidance to Small Boat Collision Avoidance. 研 究 生 : 陳松駿 指導教授 : 曾慶耀老師 李信德老師. Outline. 一、緒論 二、影像處理與自動避碰控制 三、模糊自航器設計 四、實驗船舶架構與環境 五、實驗 結果分析與 討論 六、結論與建議. Outline. 一、 緒論 二、影像處理與自動避碰控制 三、模糊自航器設計 四、實驗船舶架構與環境 五、實驗 結果分析與 討論 六、結論與建議. 緒論.

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研 究 生 : 陳松駿 指導教授 : 曾慶耀老師 李信德老師

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Presentation Transcript

  1. 影像導引於小型船舶航行避碰之應用Application of Image Guidance to Small Boat Collision Avoidance 研 究 生:陳松駿 指導教授:曾慶耀老師 李信德老師

  2. Outline 一、緒論 二、影像處理與自動避碰控制 三、模糊自航器設計 四、實驗船舶架構與環境 五、實驗結果分析與討論 六、結論與建議

  3. Outline 一、緒論 二、影像處理與自動避碰控制 三、模糊自航器設計 四、實驗船舶架構與環境 五、實驗結果分析與討論 六、結論與建議

  4. 緒論 • 海上航行存在諸多潛在危險。如應變不當，將導致船舶遭遇意外碰撞等事故，造成人員傷亡及財產損失，因此解決船舶避碰問題實為當務之急。 • 本研究為降低人為操作疏失，所導致船舶遭遇意外碰撞事故，因此利用影像處理技術設計模糊自航器，應用自動操舵技術來輔助人工操舵。

  5. 船舶碰撞危機：追越、迎艏正遇、交叉相遇 • 迎艏正遇 • 交叉相遇 →障礙船舶相對本船航向為60度 →障礙船舶相對本船航向為120度 輔助燈號 輔助燈號 以左紅右綠燈號作辨識，以符合船舶在海上實際運作。 相對本船航向為60度 相對本船航向為120度 (圖片來源：http://meda.ntou.edu.tw/martran/?t=3&i=0041)

  6. 緒論 • 參考先前固定式障礙物避碰及操船模擬機動態避碰之實驗。 • 提出不同移動式障礙船舶動態會遇情形之實驗。 先前之研究 固定式障礙物 實船避碰 • [15].余萬勇，“影像處理及模糊控制在船舶避碰系統之應用”，國立臺灣海洋大學通訊與導航工程學系碩士學位論文，2010。 進港控制器 模糊控制器 傳統前後疊標導航法 先前之研究 避碰控制器 操船模擬機 模擬動態避碰 • [16].黃肇珩，“以操船模擬機為測試平台之影像導引船舶避碰系統探討”，國立臺灣海洋大學通訊與導航工程學系碩士學位論文，2011。 進港控制器 模糊控制器 實船不同移動式障礙船舶動態會遇 左右疊標導航法 避碰控制器 左右疊標導航法 • [20].林柏呈，“左右計前後視覺疊標導航法之小船實驗探討”，國立台灣海洋大學通訊與導航工程學系碩士學位論文，2012。 [13].李信德，“改良式導標導航法於整合式靠泊控制系統之應用”，國立臺灣海洋大學系統工程暨造船學系博士學位論文，2010。 • [21].李康維，“基於左右加後助航疊標導航概念之船舶模糊自航器設計”，國立台灣海洋大學通訊與導航工程學系碩士學位論文，2013。

  7. Outline 一、緒論 二、影像處理與自動避碰控制 三、模糊自航器設計 四、實驗船舶架構與環境 五、實驗結果分析與討論 六、結論與建議 七、實驗影片

  8. 影像處理與自動避碰控制 • 實驗分進港、避碰兩部分結合 • 本研究探討船舶沿預定航道線入港過程遭遇障礙船時，藉由影像處理技術得知彼此間相對方位及距離資訊，提供自航器完成避碰操演。 本船 預定航道線 障礙船 示意圖

  9. 進港影像處理流程 進港：

  10. 避碰影像處理流程 避碰：

  11. 進港航向角修正量計算(1) XLM 左右疊標之θLM角度示意圖 θLM：虛擬導航點與CCD中心之夾角 進港輸入資訊 θCR： 船舶位置偏離虛擬導航線之船位偏航角

  12. 進港航向角修正量計算(2) 左右疊標之θCR角度示意圖 θLM：虛擬導航點與CCD中心之夾角 進港輸入資訊 θCR： 船舶位置偏離虛擬導航線之船位偏航角

  13. 障礙船之姿態判斷 • 利用影像辨識障礙船上三種顏色燈號所產生的兩個座標，亦即左舷紅燈與右舷綠燈兩者之幾何中心(x1,y1b)，與後辨識物黃燈中心(x2,y2b)，兩者所形成之姿態角(θ2)來判斷障礙船舶之姿態。 • 兩座標水平值用以判斷姿態，而座標垂直值用以距離估測所使用。 x 0 障礙船舶 (x2,y2b) 黃燈 (x2,y2b) (x1,y1b) 紅燈 (x1,y1b) 綠燈 y 本船 障礙船於CCD畫面

  14. 姿態角為正 x 0 黃燈 紅燈 (x2,y2b) (x1,y1b) 綠燈 y 障礙船於CCD畫面 影像座標圖 x1>x2 攝影機畫面之解析度為1024*768像素 θ2 =>(+)

  15. 姿態角為負 x 0 黃燈 (x2,y2b) 紅燈 (x1,y1b) 綠燈 y 障礙船於CCD畫面 影像座標圖 X1<x2 攝影機畫面之解析度為1024*768像素 θ2 =>(-)

  16. 船舶會遇設計 實際上，當兩船相遇時，若見他船綠燈者為避讓之權益船，應保持原航向航速前進，見他船紅燈者為避讓之義務船，應朝右轉向避免發生碰撞事故。 障礙船舶 本船 實驗船舶會遇情形圖

  17. 影像距離估測計算 船艉之燈號 與障礙船距離估測示意圖

  18. 避碰操演示意圖(障礙船靜止) 進港 追跡 20m 避碰 追跡

  19. 避碰操演示意圖(障礙船迎艏正遇) 30m 追跡 避碰 追跡

  20. 自動避碰流程 首先對岸上疊標 執行追跡動作 使本船 航行於航道線上 距離障礙船舶20m以內(動態為30m) 對障礙船舶 執行避碰動作 當CCD攝影機出鏡時 執行反舵動作 CCD重新搜尋 岸上疊標 確認搜尋到岸上疊標 使本船返回 原航道線上

  21. Outline 一、緒論 二、影像處理與自動避碰控制 三、模糊自航器設計 四、實驗船舶架構與環境 五、實驗結果分析與討論 六、結論與建議

  22. 控制器設計 :進港控制器架構 進港模糊控制系統架構

  23. 控制器設計 :避碰控制器架構 避碰模糊控制系統架構

  24. 控制器設計：進港模糊控制器設計 左右疊標導航法 控制器輸出項 控制器輸入項 ±8 θCR ±35 Rudder θLM ±18 模糊規則表 θLM：{N、Z、P} θCR：{N、Z、P} Rudder：{-4、-3、-2、-1、0、+1、+2、+3、+4}

  25. 控制器設計：避碰模糊控制器設計 控制器輸出項 θ2 ±10 控制器輸入項 靜態距離 0~20m ±35 Rudder 動態距離 模糊規則表 10~30m 距離 θ2 θ2：{N、Z、P} 距離：{N(近)、Z(中)、P(遠)} Rudder：{-3、-2、-1、0、+1、+2、+3}

  26. Outline 一、緒論 二、影像處理與自動避碰控制 三、模糊自航器設計 四、實驗船舶架構與環境 五、實驗結果分析與討論 六、結論與建議

  27. 實驗船舶架構與環境 FRP玻璃纖維小船 船長：400cm、船寬：90 cm 動力：12V 直流馬達 附掛：IEEE1394CCD攝影機 附錄[A]

  28. 實驗船舶架構與環境 CCD攝影機 TCM2(電子羅盤) 附錄[E]用以感測本船船艏向資訊，提供船舶移動軌跡繪製時之應用

  29. 實驗船舶架構與環境 保麗龍小船 船長：150cm、船寬：100 cm 動力：12V 直流馬達 附掛：左紅、右綠、後黃燈號 附錄[F]用以感測障礙船舶艏向資訊，提供船舶移動軌跡繪製時之應用 姿態儀

  30. 實驗船舶架構與環境 本船 障礙船 預定航道線 障礙船 障礙船

  31. Outline 一、緒論 二、影像處理與自動避碰控制 三、模糊自航器設計 四、實驗船舶架構與環境 五、實驗結果分析與討論 六、結論與建議

  32. 實驗結果分析與討論 航向角修正量中之權重比例參數、值設計原因: 進港時CCD擷取岸上左右疊標之影像頻頻發生出鏡問題，使控制器誤以為已避碰完成。 室內測試權重比例參數分為三種擺法： 左右疊標置中、置右、置左 實驗最初設計之、值分別為0.8、0.20.1、0.1

  33. 實驗結果分析與討論 一、左右疊標置中 原先權重比例參數對應舵角+10.91度 修改後權重比例參數對應舵角+4.75度

  34. 實驗結果分析與討論 二、左右疊標置右 原先權重比例參數對應舵角+20.58度 修改後權重比例參數對應舵角+15.68度

  35. 實驗結果分析與討論 三、左右疊標置左 原先權重比例參數對應舵角-22.42度 修改後權重比例參數對應舵角-15.26度

  36. 海上測試 修改後權重比例參數 原先權重比例參數 由結果顯示修改參數可以調整輸出舵角量又可以防止CCD出鏡以方便實驗之進行。 實驗之進行是使本船沿岸上左右疊標所產生之預定航道線航行入港，比較船舶用舵行為。

  37. 避碰安全距離 • 避碰實驗成功與否，關鍵在於用舵時機與本船的操縱能力。 • 本船右舵15度之迴旋直徑約為20公尺，若考慮障礙物為移動障礙船，故將安全距離設為30公尺，啟動避碰功能。 實驗設計，當距離越短使用之避讓舵角越大，所需之避讓空間需求越小，故此空間已足以提供本船緊急改變航向所需。 本船右舵15度之迴旋軌跡圖

  38. 影像距離估測 • 影像距離估測準確度為避碰成功與否的重要因素之一。 • 影像距離估測分為:室內測試與室外測試 室內影像距離估測表 由於室內並無船舶平擺、橫搖、伏仰運動等其他因素之干擾，所以較為準確。 因本研究是利用影像處理技術為基礎，利用此技術獲得本船與障礙船之相對方位與距離之資訊。

  39. 海上影像距離估測 誤差百分比約為4.270% 誤差百分比約為15.56% 誤差差百分比約為4.262% 誤差百分比約為4.761%

  40. 避碰之操演 • 本實驗將避碰操演分為四種情況 1.固定式障礙船舶相對本船航向為120度 2.移動式障礙船舶之迎艏正遇 3.移動式障礙船舶相對本船航向為60度 4.移動式障礙船舶相對本船航向為120度

  41. 實驗結果分析與討論 固定式障礙船舶相對本船航向120度 80~90 秒間避碰,120~130秒間執行反舵

  42. 實驗結果分析與討論 移動式障礙船舶之迎艏正遇 25~30 秒間避碰, 30秒~35秒執行反舵

  43. 實驗結果分析與討論 移動式障礙船舶相對本船航向為60度 執行避碰 執行反舵 30~40 秒間避碰,40秒~65秒執行反舵

  44. 實驗結果分析與討論 • 移動式障礙船舶相對本船航向120度(一) 40~45 秒避碰, 45秒~65秒執行反舵

  45. 實驗結果分析與討論 • 移動式障礙船舶相對本船航向120度(二) 25~37 秒間避碰, 37秒~57秒執行反舵

  46. Outline 一、緒論 二、影像處理與自動避碰控制 三、模糊自航器設計 四、實驗船舶架構與環境 五、實驗結果分析與討論 六、結論與建議

  47. 結論與建議(1) 結論: 本文應用疊標導航之概念並利用影像處理技術結合模糊自航器，自動導引船舶沿預定航道線入港，途中遭遇固定或移動障礙船時，自動執行避碰動作，再返回原預定航道線上，完成整體自動進港與自動避碰之操演。 提出「左紅右綠」加輔助燈號作辨識，以符合船舶在海上實際運作。也提出權重比例參數設計改善，調整船舶輸出舵角量之大小，並改善CCD攝影機出鏡問題，另提出LED主動式光源之目標辨識物，改善日間容易受到日照程度所影響，最後也針對移動式障礙船舶以不同之姿態分別進行探討。

  48. 結論與建議(2) 建議: • 影像辨識之改善 • 船舶特性考量 • 安全性之問題 →建立一套自動調整HSV色彩空間閥值之系統。 →因本研究未對障礙船之船身大小、船速做判斷。 →多組CCD攝影機改善視角有所限制(附錄[G]) 。

  49. 實驗影片:迎艏正遇

  50. Thank youfor your attention.

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