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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:余萬勇
研究生(外文):Wan-Yung Yu
論文名稱:影像處理及模糊控制在船舶避碰系統之應用
論文名稱(外文):Application of Image Processing Technique and Fuzzy Control to a Ship Collision Avoidance System
指導教授:曾慶耀曾慶耀引用關係
指導教授(外文):Ching-Yaw Tzeng
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:通訊與導航工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:128
中文關鍵詞:影像處理、疊標導航、船舶避碰、模糊控制、自航器
外文關鍵詞:Image Processing、Leading Line Guidance、Ship Collision Avoidance、Fuzzy Control、Autopilot
相關次數:
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本文主旨在於利用影像處理技術,結合模糊自航器,以小型船舶為測試平台,於船舶入港過程中,沿特定導航疊標線前進時遭遇固定障礙物,計算本船與障礙物之相對方位資訊,提供給自航器以完成避碰操演。首先以模糊理論為基礎設計控制器,再結合影像處理技術建置一套避碰系統,當船舶遭遇碰撞危機時,採取適當之避碰行為。實驗之進行乃透過架設於本船船艏之CCD攝影機,擷取置於障礙物(他船)之目標圓桶,並經由影像處理計算目標圓桶質心位置等資料,以做為估算本船與他船相對方位及距離之依據。當本船完成避碰操演後,再經由疊標導引及自航器將船舶導引回至預定航道線上。本文之實驗軟體使用MATLAB/ Simulink xPC Target環境,在影像處理方面採用HSV色彩模型,經由適當選取影像成分中H、S、V的篩選值達到目標物選定。最後於海洋大學小艇碼頭水域進行海上測試,經實驗結果證實,由本文所提之藉由影像辨識來達到船舶自動避碰確實可行。而藉由CCD攝影機下加裝旋轉台機制,可有效降低因視角侷限所造成出鏡的情況,使影像資訊較為連續,距離估測也因而更加準確。
關鍵詞:影像處理、疊標導航、船舶避碰、模糊控制、自航器

This work is on the application of image processing technique and fuzzy logic control to the design and implementation of a small boat_based collision avoidance system. Specifically, during the approaching maneuver, the ownship is required to avoid an obstacle ship anchored on its way into the port, and the ownship should track its original path defined by two leading marks immediately after the avoidance maneuver. An image processing unit mounted on the bow of the ownship is used in capturing a set of targets placed on the obstacle ship and the relative orientation and distance are used as inputs to a fuzzy controller to conduct necessary obstacle avoidance maneuvers. The Matlab/Simulink xPC target framework has been adopted and appropriate threshold values for the HSV(Hue, Saturation, Value) are assigned to ensure correct image acquirement. Use of a rotating stand successfully deals with the limited view angle problem associated the tradition CCD camera. A series of small boat_based collision avoidance maneuvers conducted on the waterways of the NTOU small boat harbour indicates the feasibility of the proposed ship collision avoidance system basing on image processing technique and fuzzy control method.
Keywords:Image Processing, Leading Line Guidance,
Ship Collision Avoidance, Fuzzy Control,Autopilot

目錄
頁次
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1-1 簡介 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 研究動機 4
1-4 論文架構 5
第二章 實驗船舶環境架構 6
2-1 實驗環境佈置 6
2-2 實驗船舶硬體環境 7
2-2-1 實驗載具 8
2-2-2 影像擷取設備 11
2-2-3 GPS定位系統 12
2-2-4 電子羅盤TCM2 14
第三章 控制器設計 16
3-1 模糊理論概念 16
3-2 模糊控制器架構 17
3-3 避碰規則 19
3-4 模糊控制器設計 21
3-4-1 進港控制器 21
3-4-2 避碰控制器 25
3-5 旋轉台控制器設計 29
第四章 影像處理與避碰流程 30
4-1 疊標導航概念 30
4-2 航向角修正量與距離估測之計算 31
4-2-1 航向角修正量計算 32
4-2-2 距離估測計算 34
4-3 影像處理方法及流程 37
4-3-1 進港階段處理流程 37
4-3-2 避碰階段處理流程 38
4-3-3 影像處理方法 39
4-4 避碰操演流程 47
第五章 實驗結果分析與討論 49
5-1 旋轉台效果 49
5-2 避碰安全距離 51
5-3 實驗結果分析 52
5-3-1 岸上測試 52
5-3-2 水域測試 53
5-3-3 動舵時機對船舶移動軌跡之影響 64
5-3-4 模糊(Fuzzy)系統與內模式(IMC)系統之比較 68
5-3-5 岸壁距離估測結果分析 69
5-3-6 岸壁距離估測精確度之提升 72
第六章 結論與建議 74
6-1 結論 74
6-2 建議 75
參考文獻 77
附錄 [A] Color Space Conversion 80
附錄 [B] xPC Target環境設定 81
附錄 [C] 實驗船舶硬體架構 96
附錄 [D] 旋轉台 103
附錄 [E] 旋轉台控制盒電路 105
附錄 [F] NCT-2000D系統及Engine Board相關規格 106
附錄 [G] 無線電傳輸設備PDL 108
附錄 [H] GPS動態誤差量測 109
附錄 [I] 不同形式之θ1與θ2歸屬函數實驗結果 114
附錄 [J] 水中倒影造成岸壁距離低估情形之改善方法 123
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討會暨國科會成果發表會 論文集

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