(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210737397.7 (22)申请日 2022.06.27 (71)申请人 湖南大学 地址 410082 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路1号 (72)发明人 缪志强　王传成　王耀南　刘慧明　 陈振航　钟杭　 (74)专利代理 机构 长沙市护航专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 43220 专利代理师 张洁 (51)Int.Cl. G06T 17/00(2006.01) G06T 17/05(2011.01) G06T 7/30(2017.01) G06T 7/10(2017.01)G01C 21/16(2006.01) (54)发明名称 一种基于SLAM技术的船舶进出港三维场景 重建与展示系统 (57)摘要 本发明公开了一种基于SLAM技术的船舶进 出港三维场景重建与展示系统， 包括基于SLAM技 术实现港口三维地图和船舶模型构建、 船舶GPS 和IMU数据通过无线网络通信与船舶进出港三维 展示平台进行数据交互以及船舶进出港三维展 示平台构建， 港口三维地图与船舶三维模型的构 建用于在船舶进出港三维展示平台展现港口周 围环境信息和进出港的船舶形态， 船舶进出港时 位置和姿态的动态更新用于在船舶进出港三维 展示平台实时监测船舶进出港的运动状态和方 位信息， 船舶进出港三维展示平台用于进行人机 交互、 地图和模型的加载显示、 实时动态更新船 舶的位置和姿态以及港口与船舶相关信息的显 示。 可移植 性好、 分辨率高以及可视化 性能好。 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 CN 115115777 A 2022.09.27 CN 115115777 A 1.一种基于SLAM技术的船舶进出港三维场景重建与展示系统， 其特征在于， 包括港口 三维地图与船舶三维模型构建模块、 船舶进 出港时位置和姿态的动态更新模块和船舶进 出 港三维展示平台， 所述船舶 进出港时位置和姿态的动态更新模块通过无线通信方式连接所 述船舶进出港三维展示平台； 所述港口三维地图与船舶三维模型构建模块用于获取多传感器采集到的激光雷达点 云数据和IMU姿态数据， 根据所述激光雷达点云数据和所述IMU姿态数据基于SLAM算法构建 港口三维点云地图和船舶三维模型， 并离线保存后存 储至所述船舶进出港三维展示平台； 所述船舶进出港时位置和姿态的动态更新模块用于获取船舶GPS数据和船舶IMU数据， 并通过无线通信方式发送至所述船舶进出港三维展示平台； 所述船舶进出港三维展示平台用于加载显示所述港口三维地图与船舶三维模型构建 模块发送的所述港口三维点云地图和船舶三 维模型， 接收所述舶 进出港时位置和姿态的动 态更新模块 发送的所述船舶GPS数据和所述船舶IMU 数据更新船舶的位置和姿态， 以及 控制 港口和船舶对应信息的显示。 2.根据权利要求1所述的系统， 其特征在于， 根据所述激光雷达点云数据和所述IMU姿 态数据基于SLAM算法构建港口三维地图和船舶三维模型， 包括： 使用IMU姿态数据对所述激光雷达点云数据进行去畸变处理后， 对处理后的激光雷达 点云数据进 行配准， 配准后采用迭代 最近点方法进 行位姿估计、 地图和船舶模型构建， 最后 采用因子图优化， 以紧耦合方式融合配准后的激光雷达和IMU测量值， 进 行三维点云地图和 船舶三维模型的生成与保存， 依据港口实际经纬度信息对所述三 维点云地图赋予实际地理 坐标信息 。 3.根据权利要求2所述的系统， 其特征在于， 所述对处理后的激光雷达点云数据进行配 准， 包括： 设定在t时刻获取的点云Pt， Pi是t时刻的点云Pt中的一个点， 将所述点云Pt投影到预 设的距离图像中,确定投影图像的水平方向分辨 率和竖直分辨 率； 将所述点云Pt 投影到所述预设的距离图像上后， 每个三维空间的点变为二维空间的像 素点， 获取点Pi对应的像素点到激光雷达传感器的欧氏距离Ri， 依据 Ri和竖直维度的特性 标记出地 面点和非地 面点； 点云分割之后采用广度优先搜索对点云进行聚类处理， 将距离 图像分割为多个聚类， 同一个聚类的点被标记上唯一的标识， 点数少 于预设数量点的聚类被作为噪声去除， 只保 留原始的地面点和相对较大的静态 物体； 依据激光雷达每帧点云中每个点的曲率确定角点和平面特征， 再依据确定的特征信 息 进行相邻关键帧之间点云配准。 4.根据权利要求2所述的系统， 其特征在于， 所述使用IMU姿态数据对所述激光雷达点 云数据进行去畸变处 理之前， 包括： 采用imu_utils开源代码对IMU内参进行标定， 标定参数包括陀螺仪和加速度计各自的 零偏、 标度因数和安装误差； 在船舶上安装激光雷达和9轴IMU传感器， 安装时将两个传感器固定在一个基座上， 坐 标系统一朝向， 将基座 安装在船头或者船尾； 使用Lidar_IMU_calib方法对激光雷达和IMU之间进行外参标定， 将各自传感器的坐标权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115115777 A 2系统一到同一个 世界坐标系下； 采集船舶围绕港口航行的激光雷达和IMU数据， 采用Ub untu系统下ROS数据包录制功能 使得采集数据过程中激光雷达数据和IMU数据时间同步。 5.根据权利要求1所述的系统， 其特 征在于， 所述SLAM算法具体为 开源算法L IO‑SAM。 6.根据权利要求1所述的系统， 其特征在于， 所述无线通信方式具体为基于UDP通信协 议的SOCKET网络通信方式。 7.根据权利要求1所述的系统， 其特征在于， 所述船舶GPS数据具体为船舶经纬度数据， 船舶IMU数据具体为船舶与真北方向的夹角信息， 所述获取船舶GPS数据和船舶IMU数据包 括： 所述船舶经纬度数据通过船舶上所搭载GPS传感器获取， 所述船舶与真北方向的夹角通 过在船舶上装载的9轴IMU的磁力计获取。 8.根据权利要求1所述的系统， 其特征在于， 所述船舶进出港三维展示平台包括ROS节 点管理模块、 RV IZ显示设置模块以及显示模块， 所述 ROS节点管理模块和所述RV IZ显示设置 模块均连接所述显示模块， 所述显示模块包括三维地图显示窗口、 港口和船舶必要信息显 示窗口以及人机交互按钮控制窗口， 所述 ROS节点管理模块用于处理平台所使用的ROS终端 和线程， 所述RVIZ显示设置模块用于对所述港口三维地图显示 参数进行设置 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115115777 A 3