自航船模航行轨迹测量方法研究

发布时间：2020-10-21 22:23

【摘要】：为了保证通航安全,自航船模作为一种特殊的实验手段被广泛应用于河工模型中展开通航研究,从而为航道的设计提供合理的建议。由于船模航行轨迹是评价通航船模试验效果的重要参数,能否准确且快速的测量自航船模航行轨迹至关重要。与此同时,深度学习的迅猛发展给许多领域带来了新的技术革新,因此本文将深度学习引入到水运工程领域,提出了一种基于深度学习的自航船模航行轨迹测量方法。采用Faster RCNN算法对船模进行初定位,再利用帧间差分法和Freeman链码提取船头和船尾的坐标信息。实验结果表明,Faster RCNN算法在船模检测方面的有着较高的检测精度,平均精确度达到98.5%。此外,为了更加直观地显示船模在河工模型中的航行轨迹,本文还进行了软件可视化开发,具有强大且丰富的数据处理功能,可绘制河工模型地图以及船模航行轨迹,实现了对船模航行轨迹的快速监测。本文不仅是对自航船模航行轨迹测量方法的理论研究,也从产品化的角度出发对自航船模航行轨迹测量系统的功能进行完善,具有理论研究和实际应用的双重意义。本文开展的主要工作如下:(1)调研常用的目标检测及识别算法,包括基于运动信息的方法和基于统计学习模型的方法。分别介绍了背景减除法、帧间差分法、光流法的基本原理和实现方法,总结了三种算法适用场景以及优缺点。基于统计学习模型的方法主要介绍了近年来大热的深度学习,阐述了卷积神经网络的基本结构以及各个网络层(卷积层、池化层以及全连接层)的作用,介绍了卷积神经网络训练方法的基本流程。(2)对通航船模试验的现场环境进行实地考察,进而提出自航船模航行轨迹测量系统的设计方案。针对河工模型的尺寸各异且难以实现在一个视频采集设备下完成对整个河工模型的监测这一现状,本文提出采用多个视频采集设备组合完成对整个河工模型的监测,且该系统具备可扩展特性,即视频采集设备可按测量范围的大小自由扩展,而不受系统本身的设计局限。(3)针对大多数河工模型监测中视频采集设备设置流程复杂的问题,本文采用了一种视频采集设备视角自由的方法,利用投影变换算法来获取鸟瞰图,免去每次测量前的手工矫正,且该方法对复杂地形和外界光照具有较好的鲁棒性。为了提高系统的检测精度,本文采用在目标识别方面有着良好表现的Faster RCNN算法对船模进行检测,介绍了该算法的实现原理以及数据集的制作方法。此外,介绍了自航船模航行轨迹测量软件系统的开发流程以及每个模块的具体功能。(4)为了验证本文方法相关理论的正确性以及提出方案的可行性,本文开展了一系列实验。网络模型得到的精确度-召回率曲线和平均精确度表明了Faster RCNN网络模型在船模检测方面的有效性。展示了本文提出方法的主要步骤结果图和航迹分析软件绘制的航迹图,直观的显示出本文提出的方法对船模航行轨迹有着良好的测量效果,可成功应用于河工模型现场开展的通航船模试验。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U675
【图文】：

y dy , t dt ) I ( x, y , t)式按 Taylor 公式展开得： 2, , , ,I I II x y t dx dy dt I x y tx y t 中，ο( 2)是 dx,dy,dt 的二阶项及大于二阶的高阶项，该项可忽略不计， dxdt , , , dyv x y tdt ，则上式可改写为：0I I Iu vx y t 式被称为光流约束方程，可以看出存在两个未知量 u 和 v，而约束方程只有出唯一解。这就是光流法中的孔径问题。孔径问题的含义如图 2.4 所示，度估计产生相同的解。对于三种不同的图案，灰色圆圈孔径中的运动明显

式清空退出船模航行数据地图航行轨迹图舵角图测量区域漂角帮助关于放大缩小移动航行速度视频设备设置视场设置测量设置船模设置关闭最小化图片报表文件图 3.12 软件系统功能模块图Fig. 3.12The function module diagram of software system.航迹测量软件开发迹测量软件相关算法的实现基于开源计算机视觉库（OpenSourceCompu，OpenCV），并选用 Visual Studio 2010 作为开发平台。从图 3.12 中可测量软件包含了六个模块：初始化、开始、停止、导出、设置和其他。图测量软件的主界面。

学位论文 3 船模航行轨迹”按钮，导入本次测量的河工模型地图。其次，在“设置”中完成设置、测量设置以及船模设置。完成上述操作后，点击“开始”按点击“停止”按钮时，将停止视频采集。完成视频采集之后，软件进行分析处理，在状态窗口中将会看到处理进度。最后，点击“导出行数据的“*.xls”格式文件。备设置界面图如图 3.14 所示，清楚地展示了视频设备的序号、设备状态、启用情况。用户可以在该界面自行添加摄像机、修改摄像机
【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：2850666