一种基于激光雷达的船载波浪动态测量装置的制作方法

本发明属于水文测量，同时涉及激光雷达的信息处理技术，具体为一种基于激光雷达的船载波浪动态测量装置。

背景技术：

船舶航行时很难实时测量波浪值(浪高和周期)，而波浪会直接影响船舶航行安全。特别是在夜间航行时，肉眼不容易直接估计浪高和周期，会给驾驶员操控船舶带来隐患；同时，对于自动驾驶船舶，波浪信息也需要作为环境感知信息提供给决策者。因此，设计一种能够动态测量波浪的装置是十分有必要的。

目前浪高仪主要有电容式、超声波式和电阻式、伺服式等形式，且它们几乎都是固定在水中进行测量，无法将它们直接用于在航船舶周围的波浪测量。另外，也可以通过合成孔径雷达(sar雷达)海浪回波分析反演海浪大小，但是这种方法只适合大范围的海浪等级分析，无法做到实时检测海浪大小。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于激光雷达的船载波浪动态测量装置。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为一种基于激光雷达的船载波浪动态测量装置，其特征在于：包括激光雷达、工控机、gnss差分接收机、姿态仪、支架、漂浮块和限位块，激光雷达、工控机、gnss差分接收机和姿态仪安装在船首，支架、漂浮块和限位块安装在船首外舷。

激光雷达、gnss差分接收机、姿态仪与工控机相连，其中，激光雷达用于实时获取漂浮块的位置；gnss差分接收机用于实时获取精确的世界大地坐标；姿态仪用于实时获取船舶姿态角，工控机用于根据激光雷达、gnss差分接收机、姿态仪获取的结果提取波浪动态测量结果；

漂浮块和限位块安装在竖杆上，竖杆依靠支架固定在船首前侧，其中，限位块固定在竖杆上，限制漂浮块的移动极限。

而且，所述的激光雷达安装在船首最前端，采用上下扫描的方式，并保证激光雷达可以无遮挡地扫描到水面。

而且，漂浮块能够漂浮在水面，漂浮块套在竖杆上，漂浮块能够随波浪高低变化沿竖杆自由上下移动。

而且，激光雷达上下扫描形成的激光扫描面与漂浮物中心处于同一平面。

而且，激光雷达扫描得到连续点云帧，针对每一帧点云数据，通过目标识别算法检测出漂浮块相对激光雷达的位置。

而且，激光雷达连续扫描得到漂浮块局部坐标，当船舶摇晃时，通过姿态仪提供的姿态角补偿和坐标转换得到漂浮块在船体坐标系下的坐标，由差分gnss接收机获得的精确大地坐标得到漂浮块的精确海拔值。

而且，在船舶保持平稳状态时，建立以激光发射中心点o(0,0,0)为坐标原点、船舶首尾方向为x轴、船舶横向方向为y轴的、竖直方向为z轴的三轴笛卡尔坐标系o-xyz，船舶横摇、纵摇和首摇角度分别用θx、θy和θz表示，提取漂浮块的精确海拔值实现如下，

(1)激光雷达扫描得到连续点云帧，针对每一帧点云数据，通过目标识别算法检测出漂浮块相对激光发射中心点的距离dl和相对激光发射中心点的偏差角度φ，假设激光雷达测得的漂浮块坐标为po(xo,yo,zo)，其中yo＝0，则

(2)当船舶处于摇晃状态时，漂浮物坐标由po(xo,0,zo)变为po′(xo′,yo′,zo′)，漂浮块相对坐标原点的z轴坐标zo′为，

zo′＝cos(θy)(zocos(θx)+yosin(θx))-xosin(θy)

＝dl(-cos(φ)sin(θy)-sin(φ)cos(θx)cos(θy))

(3)推算得到漂浮物的真实大地坐标，船舶稳定时gnss差分接收机在o-xyz坐标系坐标为pg(xg,yg,zg)，安装时保证yg＝0，其中

其中，dg为pg点与o点的距离，γ为pg与o点的连线与x轴的夹角；

则当船舶摇晃时，gnss差分接收机的坐标pg′(xg′,yg′,zg′)，差分接收机z轴坐标zg′为：

zg′＝cos(θy)(zgcos(θx)+ygsin(θx))-xgsin(θy)

＝dg(cos(γ)sin(θy)+sin(γ)cos(θx)cos(θy))

(4)在船舶摇晃时，gnss差分接收机和漂浮块的垂直高度差δh为：

δh＝zg′-zo′＝(dgcos(γ)-dlcos(φ))sin(θy)+(dgsin(γ)-dlsin(φ))cos(θx)cos(θy)

假设gnss差分接收机的真实大地坐标为pg″(xg″,yg″,zg″)，则得到gnss差分接收机对应的海拔为hg，得到波浪的海拔高度hw为

hw＝hg-δh-h0

其中，h0为漂浮物激光雷达检测高度和水面高度之差。

而且，由漂浮块大地坐标计算得到波浪实时海拔高度，进而可得到波浪的有效波高、波浪周期，以及船舶航行区域海面的海拔高度，实现如下，

(1)假设波浪的海拔高度为hw，在一个波浪周期内，得到波浪海拔高度的最大值hwmax和最小值hwmin，得到波浪的波高hwave为，

hwave＝hwmax-hwmin

定义波浪周期为相邻两个波峰的时间差，记为twave；

(2)定义一段时间δt内测得的连续波高值为{hwave(1),hwave(2),...,hwave(n)}(n为δt内采集的波浪个数)，因此有效波高值为其中，hwave(i)为前n/3个波的波高值，定义有效波高值就是浪高值；

(3)得到δt时间内船舶航行海域的海面平均海拔值(m为δt内采集的海拔值次数)，其中，hw(i)表示时刻i的波浪海拔高度值。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明可以在船舶航行过程中动态测量波浪高度和周期，并可以自动记录和在线分析测量数据，得到实时波浪等级，为船舶驾驶员提供辅助服务，也为船舶自动驾驶提供环境感知信息。

2、本发明除可以获得波浪数据外，还可以测量船舶所在海域海面的海拔高度，间接反映潮汐的大小。

3、本发明可以将动态测量的波浪数据和海面高度发送至水文、气象部门，为分析海洋、河流气候研究提供依据。

附图说明

图1为本发明实施例中基于激光雷达的船载动态测量装置的安装示意图。

图2为本发明实施例中基于激光雷达的船载动态测量装置的侧视图。

图3为本发明实施例中基于激光雷达的船载动态测量装置的俯视图。

图4为本发明实施例中漂浮块测量波浪的原理图。

图5为本发明实施例中基于激光雷达的船载动态测量装置测量波浪的流程图。

图中：1-船舶，2-激光雷达，3-漂浮块，4-限位块，5-工控机，6-gnss差分接收机，7-姿态仪，8-波浪，9-激光雷达扫描面，10-支架，11-电池。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

本发明考虑到，激光雷达是一种可以精确测量物体位置的设备，因此，利用激光雷达高测距精度特性和实时测距能力，可以设计一种融合激光雷达、姿态仪、gnss差分接收机和工控机的船载动态测量波浪装置，以填补现有静态测量波浪装置的不足。

本发明实施例提供一种基于激光雷达的船载波浪动态测量装置，装置的组成和测量流程分别见图1和图5。其中，激光雷达提供漂浮块局部坐标，姿态仪提供实时姿态仪，gnss差分接收机提供精确大地坐标。工控机实时处理这些数据，得到实时浪高值、波浪周期值和海面海拔值等。

参见图1，实施例所提供基于激光雷达的船载波浪动态测量装置，包括激光雷达2、电池11、工控机5、gnss差分接收机6、姿态仪7、支架10、漂浮块3和限位块4。其中，激光雷达2、工控机5、gnss差分接收机6、姿态仪7安装在船首，支架10、漂浮块3、限位块4安装在船首外舷，其中：

所述激光雷达、工控机、gnss差分接收机、姿态仪由电池供电，电源线保证防水。

进一步地，所述的激光雷达、gnss差分接收机、姿态仪通过信号线与工控机相连，可通过网口或者串口与工控机进行数据通信。其中，激光雷达用于实时获取漂浮块的位置；gnss差分接收机用于实时获取精确的世界大地坐标；姿态仪用于实时获取船舶姿态角。工控机用于根据激光雷达、gnss差分接收机、姿态仪获取的结果提取波浪动态测量结果。

进一步地，所述的激光雷达安装在船首最前端，采用上下扫描的方式，并保证激光雷达可以无遮挡地扫描到水面。

进一步地，所述的漂浮块和限位块安装在竖直的杆子(简称竖杆)上，竖杆依靠支架固定在船首前侧。其中，限位块固定在竖杆上，限制漂浮块的移动极限。漂浮块通常由泡沫材料制成，密度很小，可漂浮在水面。漂浮块套在竖杆上，竖杆和漂浮块接触面十分光滑，摩擦系数很小，保证船舶摇晃时漂浮块可以随波浪高低变化沿竖杆自由上下移动。

进一步地，激光雷达上下扫描形成的激光扫描面与漂浮块中心刚好处于同一平面，保证在任意时刻，激光雷达都可以扫描到漂浮块。

进一步地，激光雷达连续扫描得到漂浮块局部坐标，当船舶摇晃时，通过姿态仪提供的姿态角补偿和坐标转换得到漂浮块在船体坐标系下的坐标，由gnss差分接收机获得的精确大地坐标可得到漂浮块的精确大地坐标。

实施例中，可由工控机根据激光雷达、gnss差分接收机、姿态仪获取的结果提取波浪动态测量结果，具体实现如下：

如图2所示，在船舶保持平稳状态时，建立以激光发射中心点o(0,0,0)为坐标原点、船舶首尾方向为x轴、船舶横向方向为y轴的、竖直方向(与平静水面垂直)为z轴的三轴笛卡尔坐标系o-xyz。船舶横摇(roll，绕y轴的回转摇晃运动)、纵摇(pitch，绕y轴的回转振荡运动)和首摇(yaw，绕z轴的回转摇晃运动)方向定义如图2所示，其定义满足右手螺旋法则，横摇、纵摇和首摇角度分别用θx、θy和θz表示。

(1)本发明装置启动后，激光雷达扫描得到连续点云帧，将点云帧通过网口实时传送到工控机，工控机处理程序针对每一帧点云数据，通过目标识别算法(可采用如角点检测等现有方法)检测出漂浮块相对激光发射中心点的距离dl和相对激光发射中心点的偏差角度φ。假设激光雷达测得的漂浮块坐标为po(xo,yo,zo)，其中在安装时保证漂浮块和激光雷达的连线与x轴平行，即yo＝0，则：

(2)在考虑船舶摇晃的情况下，漂浮块相对坐标原点的垂直坐标zo′：当船舶处于摇晃状态时，漂浮物坐标由po(xo,0,zo)变为po′(xo′,yo′,zo′)，于是漂浮块相对坐标原点的z轴坐标zo′为：

其中，θx、θy分别表示船舶横摇、纵摇角度。

(3)推算得到漂浮物的真实大地坐标：

接下来，如果能够得到坐标原点的真实大地坐标，则可以推算得到漂浮物的真实大地坐标。船舶稳定时gnss差分接收机在o-xyz坐标系坐标为pg(xg,yg,zg)，安装时保证yg＝0，如图3所示。其中：

上式中，dg为pg点与o点的距离，γ为pg与o点的连线与x轴的夹角，可通过测量标定得到。于是当船舶摇晃时，gnss差分接收机的坐标pg′(xg′,yg′,zg′)，其中差分接收机z轴坐标zg′为：

(4)由式(1)和(2)，可得在船舶摇晃时，gnss差分接收机和漂浮块的垂直高度差δh为：

δh＝zg′-zo′＝(dgcos(γ)-dlcos(φ))sin(θy)+(dgsin(γ)-dlsin(φ))cos(θx)cos(θy)(3)

假设gnss差分接收机的真实大地坐标为pg″(xg″,yg″,zg″)，则可以得到gnss差分机对应的海拔为hg(各地海拔高度基准可能不同)。因此，可以得到波浪的海拔高度hw为：

hw＝hg-δh-h0(4)

其中，h0为漂浮物激光雷达检测高度和水面高度之差，如图4所示。结合(3)和(4)，可以得到波浪实时的海拔高度。

进一步地，由漂浮块大地坐标可计算得到波浪实时海拔高度，进而可得到波浪的有效波高(浪高)、波浪周期，以及船舶航行区域海面的海拔高度。

实施例中，具体实现如下：

(1)根据式(4)所得波浪的海拔高度hw，在一个波浪周期内，得到波浪海拔高度的最大值hwmax和最小值hwmin，进而可以得到波浪的波高hwave为：

hwave＝hwmax-hwmin

定义波浪周期为相邻两个波峰的时间差，记为twave。

具体实施时，可以将连续得到的波浪海拔高度hw保存在工控机内，并在处理程序中绘制波浪高度变化曲线。通过分析波浪海拔高度的连续变化值，得到每一个波浪周期的波浪海拔高度最大值hwmax和最小值hwmin。

(2)设在一段时间δt(比如1分钟)内，可以得到一系列n个波高值{hwave(1),hwave(2),...,hwave(n)}(相邻两个波峰之间的波形记为一个波浪周期的波形)，即n为δt内采集的波浪个数，根据有效波高定义，任一个由n个波浪组成的波群中，将波列中的波高由大到小依次排列，有效波的波高等于n/3个波的平均浪高。因此，有效波高值为：

其中，hwave(i)为前i个波的波高值，取前n/3个波的波高值计算有效波高值。定义有效波高值就是浪高值。

同时，可以得到δt时间内波浪周期值为：

其中，twave(i)表示采集的第i个波浪周期值，i＝1,2,…,n。

(3)同时，可以得到δt时间内船舶航行海域的海面海拔值为：

其中，hw(j)表示第j次采集的波浪海拔高度值，其中m为δt内采集的海拔值次数，j＝1,2,…,m。

将得到的浪高值和海面海拔值保存至工控机内，并且工控机可提供数据接口(网口或串口)给外部，船舶自动驾驶系统可以通过数据接口实时获取浪高、波浪周期、海面海拔值，为自动驾驶提供信息支持。同时，也可为海洋气象部门提供信息服务。具体实施时，可通过软件技术实现自动运行流程。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。