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1. 研究目的与意义（文献综述）
1. 研究目的及意义
中国是世界上最大的海运国，有众多吞吐量巨大的港口，而港口污染物的最大来源就是靠港船舶[1-2]。船舶在靠港停泊后大多通过燃油发电机获取日常电力，而燃油发电机在工作过程中不仅会产生很大的噪音，严重影响附近居民及船员的工作和生活，还会排放包含氮氧化合物（nox）、硫氧化合物（sox）、挥发性有机化合物以及可吸入颗粒污染物（pm）在内的多种污染物，每年国内港口停靠的船舶污染废气排放量相当于数百万人口每年所排出的二氧化碳和硫化物总量。这些污染物已经严重影响了港口所在地区人民的日常生活，并且对当地的空气质量和大气状况产生了恶劣的影响。因此，关闭船舶发电机选用其他替代供电方式成为治理港口污染的发展趋势[3]。
目前，岸电技术己经成为了各大港口治理污染、节能减排的重点。岸电技术，也被称作冷铁(cold ironing)或可替代海洋动力，其通过从岸边向船舶提供电力，从而使船舶在停泊时避免使用船用柴油机，以减少船舶污染的排放。作为清洁且高效的供电方式，船用岸电技术遵循我国能源战略的发展方向，既有利于推进电能替代的实施，又可以促进节能减排，具有十分良好的环境效益和经济效益[4]。
2. 研究的基本内容与方案
3.1基本内容和目标
现有的岸船对接系统多以人工操作为主且没有统一的操作标准，不仅对接难度大而且对接效率还低。因此，本课题的主要研究目标是当船舶完成靠泊时实现电缆接头与船舶受电装置的自动精确对接，从而有效提高岸船对接的效率。
论文所要进行的研究的基本内容主要包括以下三个方面。
（1）调查研究岸船自动对接系统的硬件组成和双目视觉基本原理。
（2）设计基于视觉的岸船对接流程。
（3）提出一种基于双目视觉的电缆接头与船舶受电装置自动精确对接方法。
3.2拟采取的技术方案
（1）岸船自动对接的硬件组成及其对接流程分析
本文提出的岸船自动对接系统主要包括岸基装置、电缆提升装置、船载装置三部分。岸基装置是由岸基的供电设备和远程监控设备组成。由港口提供的岸电一般通过配置在泊位旁边的的接电箱引出并通过电缆接入接受岸电的船舶。监控系统分别安装于岸边和电缆提升装置头部，通过在该装置上安装自动稳定云台、高清监控摄像机及红外成像仪来实现。电缆提升装置是具备有限的自主旋转和移动能力的机械臂，其处于工作状态时将码头岸电箱输出的电缆缠绕在电缆卷盘上且电缆沿臂架布置，电缆接头固定在电缆提升装置头部，并在装置头部设置有摄像头，用于自主对接时的位置导航。船载装置由安装在船上
的受电装置和对接引导装置组成。船载装置由安装在船上的受电装置和对接引导装置组成。对接引导装置为一个能够伸缩引导对接的托盘，当电缆接头移动至托盘的卡口上并固定好后，该伸缩托盘可以引导电缆接头插入受电装置。
图1岸船自动对接系统图
岸船自动对接流程主要分为识别对接船只、捕捉接口区域、电缆接头跟随接口区域移动、电缆接头与受点装置精确对接四个阶段。本文主要针对第四个阶段电缆接头与受点装置精确对接进行研究，其对接的主要过程为电缆提升装置通过图像识别技术对托盘卡口进行识别并获取卡口的位姿信息；得到伸缩托盘卡口的位姿信息后，电缆提升装置将电缆接口放置在托盘上并利用托盘卡口进行固定；最后船舶受电装置利用伸缩托盘将电缆接头送至受电口，实现电缆与船舶受电装置之间的精确对接。
图2电缆接头与受点装置精确对接流程图
（2）汇聚型双目视觉[14]系统数学模型
本文采用汇聚型双目视觉系统，该系统的优点是对摄像机摆放位置的要求较少，一般只需要左、右相机的视场有一定区域的重合以及在使用时目标物体在重合的视场中。其结构原理如图2所示
图3汇聚型双目视觉原理结构图
如图２所示，取左摄像机坐标系作为世界坐标系，对该双目视觉系统进行准确的标定后，得到了左、右摄像化的内参矩阵分别为以及外部参数矩阵分别为。用该双目视觉系统同时拍摄空间点Ｐ，点Ｐ在左、右摄像机拍摄得到的图像中成像，成像点分别为。此时空间点Ｐ即在直线上，又在直线上，且空间点Ｐ是送两条直线的交点，在这种情况下，空间点P的三维坐标可以唯一确定。
由摄像机成像原理和坐标系的转换可得，图像像素坐标系与世界坐标系与世界坐标系之间的关系如式1所示
(1)
在上式中，是空间点Ｐ的世界坐标，分别是左、右摄像机的内部参数矩阵，分别是左、右摄像机的外部参数矩阵，，分别是空间点Ｐ在左、右图像像素坐标系中的像素坐标,均是比例系数。
需要说明的是，在双目视觉系统中通常取左摄像机坐标系为世界坐标系，故左摄像机坐标系不用旋转，也不用平移，则其外部参数矩阵Ｍ，应该如式２所示:
(2)
而另外的参数矩阵为，则都需要通过双目视觉系统的标定来获取。
所当空间点Ｐ在左、右图像像素坐标系中的像素坐标己知，左、右摄像机的内部参数矩阵和外部参数矩阵己知的情况下，由式２就可以求得空间点Ｐ在世界坐标系中的三维坐标，这即是双目视觉原理。
（3）双目视觉系统的标定
双目视觉系统的标定其实就是确定二维图像坐标与三维世界坐标之间关系的过程[15]。通过双目视觉系统的标定将获得左、右摄像机内部固有的特性参数（即内部参数）和描述左、右摄像机间空间位置关系的参数（即外部参数）。双目视觉系统的内部参数和外部参数将在利用双目视觉原理求取三维坐标时发挥重要的作用。本文采用MATLAB工具箱中的Toolbox_calib化工具对双目视觉系统进行标定，该标定工具是基于张正友摄像机标定法原理的。
（4）图像预处理
1图像灰度化。灰度图像是每个像素具有单一颜色的单通道图像，显示范围在最暗的黑色与最亮的白色之间。可以通过式3将ＲＧＢ三通道彩色图像转换成灰度图像：
Gray=R*0.299 G*0.587 B*0.114 (3)
其中，Ｒ是彩色三通道图像中红色的数值，Ｇ是绿色的数值，Ｂ是蓝色的数值，Gray是转换为灰度图像后该像素点的像素值。
2灰度图像二值化。图像二值化分割方法如下：首先，设定一个阀值，然后将灰度图像中所有像素点的灰度值与这个阀值比较，将大于这个阀值的像素点灰度值变为255，将小于这个阀值的像素点灰度值变为０，这样就将原来的灰度图像转换成了二值图像，图像中的有用信息也就被分割开来。其数学模型如式４所示：
(4)
3滤波处理。本文所采用的图像滤波是中值滤波，中值滤波会将图像中的
每一个像素点的值设置为该点所在的滤波窗口内所有像素点值的中间值。
（5）图像特征点的提取与匹配
本文采用的特征提取方法是求取图像连通区域质心作为特征点。求取连通区域质也作为特征点可分为两步，第一步先查找并标记图像中所有的连通区域，第二步即求取每个连通区域的质心作为特征点。
基于区域生长法查找标记连通区域的流程图如图3所示：
图4基于区域生长法查找标记连通区域的流程图
查找标记连通区域最终是为了求取连通区域的质心作为特征点，所以接下来就要计算每个连通区域的质心。从查找标记连通区域后得到的标记矩阵提取每个连通区域内所有像素点的像素坐标，采用如式5所示的方法求取连通区域质心。
（5）
特征点匹配的过程是首先用改进的haar小波变换法对特征点进斤描述，得到了特征点的描述向量，再计算左、右图像特征点描述向量之间的欧氏距离，将具有最小欧氏距离的左、右图像特征点作为一对匹配点。
（6）托盘卡口位姿估计
通过双目视觉系统的标定得到左、右摄像机的内部参数矩阵和外部参数矩阵，以及通过特征点的提取与立体匹配得到特征点在左、右图像中对应的像素坐标，后，就可以利用双目视觉原理计算特征点在世界坐标系中的三维坐标。然后采用最小二乘法对特征点的三维坐标进行空间球体和空间平面的拟合，得到特征点的三维坐标所在的空间球体和空间平面的方程。最后联立空间球体和空间平面方程，求托盘卡口底部端面圆的圆心坐标和半径，再利用立体几何知识计算获取端面圆的法向量。最后获取的端面圆圆心和法向量正是电缆接口与船舶受电装置自动精确对接时所需要的托盘卡口的位置和姿态信息。
3.1基本内容和目标
现有的岸船对接系统多以人工操作为主且没有统一的操作标准，不仅对接难度大而且对接效率还低。因此，本课题的主要研究目标是当船舶完成靠泊时实现电缆接头与船舶受电装置的自动精确对接，从而有效提高岸船对接的效率。
论文所要进行的研究的基本内容主要包括以下三个方面。
（1）调查研究岸船自动对接系统的硬件组成和双目视觉基本原理。
（2）设计基于视觉的岸船对接流程。
（3）提出一种基于双目视觉的电缆接头与船舶受电装置自动精确对接方法。
3.2拟采取的技术方案
（1）岸船自动对接的硬件组成及其对接流程分析
本文提出的岸船自动对接系统主要包括岸基装置、电缆提升装置、船载装置三部分。岸基装置是由岸基的供电设备和远程监控设备组成。由港口提供的岸电一般通过配置在泊位旁边的的接电箱引出并通过电缆接入接受岸电的船舶。监控系统分别安装于岸边和电缆提升装置头部，通过在该装置上安装自动稳定云台、高清监控摄像机及红外成像仪来实现。电缆提升装置是具备有限的自主旋转和移动能力的机械臂，其处于工作状态时将码头岸电箱输出的电缆缠绕在电缆卷盘上且电缆沿臂架布置，电缆接头固定在电缆提升装置头部，并在装置头部设置有摄像头，用于自主对接时的位置导航。船载装置由安装在船上
的受电装置和对接引导装置组成。船载装置由安装在船上的受电装置和对接引导装置组成。对接引导装置为一个能够伸缩引导对接的托盘，当电缆接头移动至托盘的卡口上并固定好后，该伸缩托盘可以引导电缆接头插入受电装置。
图1岸船自动对接系统图
岸船自动对接流程主要分为识别对接船只、捕捉接口区域、电缆接头跟随接口区域移动、电缆接头与受点装置精确对接四个阶段。本文主要针对第四个阶段电缆接头与受点装置精确对接进行研究，其对接的主要过程为电缆提升装置通过图像识别技术对托盘卡口进行识别并获取卡口的位姿信息；得到伸缩托盘卡口的位姿信息后，电缆提升装置将电缆接口放置在托盘上并利用托盘卡口进行固定；最后船舶受电装置利用伸缩托盘将电缆接头送至受电口，实现电缆与船舶受电装置之间的精确对接。
图2电缆接头与受点装置精确对接流程图
（2）汇聚型双目视觉[14]系统数学模型
本文采用汇聚型双目视觉系统，该系统的优点是对摄像机摆放位置的要求较少，一般只需要左、右相机的视场有一定区域的重合以及在使用时目标物体在重合的视场中。其结构原理如图2所示
图3汇聚型双目视觉原理结构图
如图２所示，取左摄像机坐标系作为世界坐标系，对该双目视觉系统进行准确的标定后，得到了左、右摄像化的内参矩阵分别为以及外部参数矩阵分别为。用该双目视觉系统同时拍摄空间点Ｐ，点Ｐ在左、右摄像机拍摄得到的图像中成像，成像点分别为。此时空间点Ｐ即在直线上，又在直线上，且空间点Ｐ是送两条直线的交点，在这种情况下，空间点P的三维坐标可以唯一确定。
由摄像机成像原理和坐标系的转换可得，图像像素坐标系与世界坐标系与世界坐标系之间的关系如式1所示
(1)
在上式中，是空间点Ｐ的世界坐标，分别是左、右摄像机的内部参数矩阵，分别是左、右摄像机的外部参数矩阵，，分别是空间点Ｐ在左、右图像像素坐标系中的像素坐标,均是比例系数。
需要说明的是，在双目视觉系统中通常取左摄像机坐标系为世界坐标系，故左摄像机坐标系不用旋转，也不用平移，则其外部参数矩阵Ｍ，应该如式２所示:
(2)
而另外的参数矩阵为，则都需要通过双目视觉系统的标定来获取。
所当空间点Ｐ在左、右图像像素坐标系中的像素坐标己知，左、右摄像机的内部参数矩阵和外部参数矩阵己知的情况下，由式２就可以求得空间点Ｐ在世界坐标系中的三维坐标，这即是双目视觉原理。
（3）双目视觉系统的标定
双目视觉系统的标定其实就是确定二维图像坐标与三维世界坐标之间关系的过程[15]。通过双目视觉系统的标定将获得左、右摄像机内部固有的特性参数（即内部参数）和描述左、右摄像机间空间位置关系的参数（即外部参数）。双目视觉系统的内部参数和外部参数将在利用双目视觉原理求取三维坐标时发挥重要的作用。本文采用MATLAB工具箱中的Toolbox_calib化工具对双目视觉系统进行标定，该标定工具是基于张正友摄像机标定法原理的。
（4）图像预处理
1图像灰度化。灰度图像是每个像素具有单一颜色的单通道图像，显示范围在最暗的黑色与最亮的白色之间。可以通过式3将ＲＧＢ三通道彩色图像转换成灰度图像：
Gray=R*0.299 G*0.587 B*0.114 (3)
其中，Ｒ是彩色三通道图像中红色的数值，Ｇ是绿色的数值，Ｂ是蓝色的数值，Gray是转换为灰度图像后该像素点的像素值。
2灰度图像二值化。图像二值化分割方法如下：首先，设定一个阀值，然后将灰度图像中所有像素点的灰度值与这个阀值比较，将大于这个阀值的像素点灰度值变为255，将小于这个阀值的像素点灰度值变为０，这样就将原来的灰度图像转换成了二值图像，图像中的有用信息也就被分割开来。其数学模型如式４所示：
(4)
3滤波处理。本文所采用的图像滤波是中值滤波，中值滤波会将图像中的
每一个像素点的值设置为该点所在的滤波窗口内所有像素点值的中间值。
（5）图像特征点的提取与匹配
本文采用的特征提取方法是求取图像连通区域质心作为特征点。求取连通区域质也作为特征点可分为两步，第一步先查找并标记图像中所有的连通区域，第二步即求取每个连通区域的质心作为特征点。
基于区域生长法查找标记连通区域的流程图如图3所示：
图4基于区域生长法查找标记连通区域的流程图
查找标记连通区域最终是为了求取连通区域的质心作为特征点，所以接下来就要计算每个连通区域的质心。从查找标记连通区域后得到的标记矩阵提取每个连通区域内所有像素点的像素坐标，采用如式5所示的方法求取连通区域质心。
（5）
特征点匹配的过程是首先用改进的haar小波变换法对特征点进斤描述，得到了特征点的描述向量，再计算左、右图像特征点描述向量之间的欧氏距离，将具有最小欧氏距离的左、右图像特征点作为一对匹配点。
（6）托盘卡口位姿估计
通过双目视觉系统的标定得到左、右摄像机的内部参数矩阵和外部参数矩阵，以及通过特征点的提取与立体匹配得到特征点在左、右图像中对应的像素坐标，后，就可以利用双目视觉原理计算特征点在世界坐标系中的三维坐标。然后采用最小二乘法对特征点的三维坐标进行空间球体和空间平面的拟合，得到特征点的三维坐标所在的空间球体和空间平面的方程。最后联立空间球体和空间平面方程，求托盘卡口底部端面圆的圆心坐标和半径，再利用立体几何知识计算获取端面圆的法向量。最后获取的端面圆圆心和法向量正是电缆接口与船舶受电装置自动精确对接时所需要的托盘卡口的位置和姿态信息。
3. 研究计划与安排
1 2020.02.18-2020.03.06文献阅读、开题报告外文文献至少5篇，参考文献至少15篇；
2 2020.03.07-2020.03.20相关思路的确定参照相关论文方案确定思路；
3 2020.03.21-2020.04.01按照开题报告和相关思路进行相关计算；
4. 参考文献（12篇以上）
[1] an engine for growth. european commission. comcommunication from the commission-ports (2013) 295final . 2013:12-13
[2]marine transportation system performance measures executive summary. committeeon the marine transportation system. navigation systems research programerdc/chl tr- 2016 :16(8):8-14
[3]synchronization of national grid network with the electricity ships network inthe "shore to ship" system. tarnapowicz d. manag syst prod eng . 2013:3(11):9-13
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