本文旨為影像處理導航法及內模式控制在小型船進港及靠泊之應用。實驗之進行，進港主要是透過船上CCD攝影機經由影像處理之內模式控制器下達航向修正量命令，完成追跡程序。靠泊為透過架設於岸邊之CCD攝影機，擷取置於船舶艏、艉目標物影像，並由岸上電腦分析目標物之幾何特性資料，從中取得船舶航向與離岸距離資訊。靠泊時，船艏航向與離岸距離資訊之提供，經由岸上電腦以無線網路傳輸方式，傳至船上EKI無線網路AP，再由內模式控制器(Internal Model Control,IMC)靠泊控制器控制，達成完全經由影像處理為依據之自動化進港及靠泊。實驗軟體之使用在船上為MATLAB/Simulink xpc Target系統、岸上為LABVIEW/Vision Build AI 系統。兩系統間，藉由EKI無線網路AP設備相互溝通。靠泊過程，透過岸邊CCD擷取置於船艏艉黃色、藍色圓桶之影像進行分析。影像處理採取RGB(彩色)轉換HSV(色調、飽和度、色深度)中之S「 飽和度(saturation)」適當值，以達到目標物的鎖定。實驗首先，於陸地上進行測試，以人工方式旋轉船舶，並由影像辨識得船艏航向角之變化，驗證所提影像演算法可靠度。隨後又於海洋大學小艇碼頭測試完成了進港與靠泊全程影像自動化控制，實驗數據資料顯示，以影像處理提供導航之資訊，確可達到控制所需之精確度，顯示本文所提方案具有可行性。

This work is concerned with the application of image processing-based guidance method and Internal Model Control (IMC) to the approaching and berthing control of a small boat. During the approaching maneuver, a boat-based CCD camera is used in acquiring the images of two leading marks placed near the berth, and the computed deviated heading angle is fed into the IMC autopilot to steer the boat towards the leading line defined by the leading marks, During the berthing maneuver, shore-based CCD camera is used in acquiring the images of targets placed at the bow and stern of the boat and the geometric features of the images are analyzed with a shore-based pc to determine the heading of the boat. The computed heading angle is transmitted to the boat via wireless network, and this heading information along with a distance information can be fed into the berthing controller to achieve automatic berthing exclusively relies on information determined with image processing techniques. The experiments adopt the Matlab/Simulink xpc target and the Labview/Vision Build AI environments and the data communication is achieved through EKI wireless network and AP equipment. The shore-based CCD camera captures the images of yellow and blue cylindrical targets placed at the bow and stern of the boat respectively and the saturation component is used in the identification of the targets. Specifically, the boat is rotated manually and the images are processed to determine the realiability of the adopted image processing method. The shore-based image processing unit provides the heading angle does meet the accuracy requirement for berthing control purpose. Finally,a small boat-based experiments are conducted in the small boat harbour attached to the NTOU, and the experimental results indicate the feasibility of use of the image processing technique in providing the guidance information for track keeping and berthing control.

中文摘要 I

英文摘要 II

目錄 III

圖目錄 IV

表目錄 VII

第一章 緒論 1
1-1 簡介 1
1-2 文獻回顧 1
1-3 研究動機 4
1-4 論文架構 5
第二章 控制器設計 6
2-1控制器設計 6
2-1-1內模式控制工作原理 6
2-1-2 IMC穩定系統之設計 7
2-1-3 IMC不穩定系統之設計 8
2-2導航控制器 11
2-3靠泊控制器 13
2-3-1靠泊控制器中的平擺控制 14
2-3-2靠泊控制器中的橫移控制 15
第三章 影像處理與導航法 16
3-1影像處理方法 16
3-1-1進港 16
3-1-2靠泊 25
3-2導航疊標 31
3-2-1 影像座標 31
3-2-2 航向角修正量計算 32
3-2-3 距離估測計算 35
3-3靠泊疊標 37
3-3-1靠泊影像座標 37
3-3-2靠泊影像處理技巧及 計算法
37
3-4 靠泊時影像處理岸上測試及水域測試 43
3-4-1 岸上測試 43
3-4-2 水域測試 48
第四章 實驗船舶環境架構 57
4-1船上軟體硬體環境 57
4-1-1資料存取及I/O方塊 67
4-1-2 船上硬體環境佈置 73
4-2岸上軟體硬體環境 74
4-2-1船上EKI-AP與岸上傳輸方式 76
4-2-2 EKI 1352傳送端與接收端設定 78
第五章 實驗結果分析與討論 84
5-1 實船試驗 84
5-1-1實驗結果(初始位置於航道線右側) 85
5-1-2實驗結果(初始位置於航道線左側) 101
5-2 實驗結果分析 113
5-2-1航道線右側實驗分析 113
5-2-2航道線左側實驗分析 124
5-3 討論 134
第六章 結論與建議 137
6-1 結論 137
6-2 建議 139
參考文獻 140
附錄[A] Color Space Conversion 144
附錄[B]影像距離估測值 145
附錄[C]航向修舵量中的值 147
附錄[D] CCD Distortion實驗 151
附錄[E] 實驗設備EKI_1352 155
附錄[F]側移推力與實驗船舶系統參數 159
附錄[G]船上天線與岸上天線 165
附錄[H]岸上攝影機 168
附錄[I]靠泊時影像航向角之修正 169
符號說明 173

[1].Sperry E., “Directional Stability of Automatically Steered Bodies”,
Journal of the American Society of Naval Engineers , Vol.42 , No.2 ,
1922.

[2].Minorsky N., “Automatic Steering, Presented at the thirtieth meeting of the Society of Naval Architects and Marine Engineers”, New York , Nov 8th - 9th , 1922.

[3].Kamen Kanev, Nikolay Mirenkov, Akifumi Urata, “Parking Simulation and Guidance in a Model Environment”, 2006 IEEE, Proceedings of the Japan-China Joint Workshop on Frontier of Computer Science and Technology (FCST’06).

[4].Minh-Duc LE, Thi-Hoang-H NGHIEM, Thi-Huong VU, Duc-Vang
LE, Thi-Huong TRAN, “An Automatic Control System Applying
Decoupling Control Methodology for Ship Harbor Maneuvers”,
Advanced Intelligent Mechatronics, 2003. AIM 2003. Proceedings.
2003 IEEE/ASME International Conference on, Volume 1, 20-24
Page(s):574 - 579 vol.1 July 2003.
[5].J.B. Tang, etc, “Dynamic Vision Research on Modular Reconfigurable Robotics System”, IEEE Proeceeding on International Conference on Robtics,Inteligent Systems and Signal Processing ,vol. 2, pp.970- 974 Oct. 2003.
[6].陳耀俊，“視覺伺服在運動控制系統的應用”，國立臺灣海洋大學電機工程學系碩士學位論文，2004。
[7].黃雋博，“小型機器人足球系統之即時影像處理”淡江大學電機工程學系控制晶片與系統組碩士班，2003

[8].蔡博智，“影像追跡方法應用在監控系統之研究”，私立中原大學機械工程學系碩士學位論文，2002。
[9].陳彥良，“即時立體視覺物體追跡系統”，私立中原大學機械工程學系碩士學位論文，2003。

[10].傅培耕，“即時物體追跡之立體視覺導引自走車”，私立中原大學
機械工程學系碩士學位論文，2004。

[11].李信德，”模型船航路追跡自航器之探討”，國立台灣海洋大學導航與通訊研究所碩士論文，2003。
[12].林蔚良，“小型船舶船舶靠泊控制實驗分析與GIS整合探討”，國立台灣海洋大學通訊與導航研究所碩士論文，2005。
[13].許愷鈺，“小型船舶靠泊控制之探討”，國立臺灣海洋大學通訊與導航工程學系碩士學位論文，2007。
[14]. 黃啟峻，“結合影像處理之小型船舶內模式控制自航器設計及實驗”，國立台灣海洋大學通訊與導航工程系碩士學位論文，2008。
[15].Fossen T. I. , "Guidance and Control of Ocean Vehicles" , John Wiley and Sons , Chichester , U.K. , 1994.
[16].郭繼隆，“內模式及部分內模式控制法之比較及在自航器之應用”，國立台灣海洋大學導航與通訊系碩士學位論文，2003。
[17].李建儒，”模型船靠泊自航器之設計與分析”，國立台灣海洋大學通訊與導航研究所碩士論文，2004。
[18].繆紹綱，“數位影像處理”，東華書局，2003。
[19].黃炳森，“影像處理在小型船舶控制之應用”，國立臺灣海洋大學通訊與導航工程學系碩士學位論文，2007。
[20].“LabVIEW? Basics I Development Course Manual” Course Software Version 8.0 October 2005 Edition Part Number 320628N- 01.
[21].“LabVIEW? Basics II Development Course Manual” Course Software Version 8.0 May 2006 Edition Part Number 320629P-01.
[22].“LabVIEW? Machine Vision and Image Processing Course Manual” Course Software Version 8.0 June 2006 Edition Part Number 321998E-01.
[23]. Advantech eAutomation EKI – 1351 – 1352 Manual.
[24].鈦思科技，視覺化建模環境－Simulink 入門與進階，鈦思科技，2001。
[25].The MathWorks Inc, “xPC Target”, Version.3.
[26] 陳煜鈞，陳鏡年，李信德，曾慶耀，“影像處理在船舶姿態判斷之應用”，第二十一屆中國造船暨輪機工程學會暨國科會成果發表會，2009/3/7~8.
[27] S.D. Lee, Y.C Chen, C.N. Chen, C.Y. Tzeng,Y.Z. Kehr,2009, A study on the improvement of small boat-based track-keeping and berthing autopilot design and experiments, 9th ACMSSR Conference, Daejeon, Korea. 2009/6/25~26.
[28] 李信德、陳鏡年、陳煜鈞、曾慶耀，“影像處理於船舶進港及靠泊 之應用(3/3)”，行政院國家科學委員會專題計畫成果報告，計畫編 號:NSC95-2221-E-019-074-MY3，執行期限：97年8月1日至98年7月31日