[发明专利]一种基于三维激光雷达的无人艇假目标检测方法

权利要求书

1.一种基于三维激光雷达的无人艇假目标检测方法，其特征在于：用于以不影响无人艇航行的障碍物目标为假目标，实现假目标的精确检测，获取假目标的位置和大小信息，所述假目标包括船舶尾浪、浮游生物和漂浮垃圾，检测过程包括以下步骤，

步骤1，在无人艇上安装三维激光雷达、差分GNSS接收机和姿态角传感器，支持对无人艇目标障碍物的检测；

步骤2，对三维激光雷达数据进行预处理，包括坐标转换、点云校正、异常噪声点去除、栅格表示；所述坐标转换，是三维激光雷达实时扫描获取到目标点返回的球坐标，然后将球坐标转换为以无人艇为中心的附体坐标(x,y,z)，在附体坐标系中，x轴为船首向方向，y轴为船体横向方向，z轴为垂直向上方向；所述点云校正，是利用姿态角传感器所得无人艇实时姿态角数据和差分GNSS接收机所得实时自身运动状态数据，对激光点云进行校正，得到目标返回点在大地坐标系下的坐标；所述异常噪声点去除，是将点云数据点的z值作为图像中像素点的灰度值，假设某数据点(x,y,z)邻域点的高度平均值为z_m，设置中值滤波阈值为Th，如果|z-z_m|＞Th，则该数据点为噪声点，高度值z由z_m替代，否则该点为信号点高度值保持不变；所述栅格表示，是根据激光雷达检测范围建立二维栅格地图，无人艇始终为栅格地图的原点，栅格属性包括栅格坐标、有无激光返回点、栅格包含的返回点数量、平均高度值和最大高度差；实现过程如下，

S1、坐标转换，

设扫描平面上激光雷达发射点为球面坐标系的原点，扫描平面本身是方向角α和高度角ω的参考平面；

三维激光雷达实时扫描，获取到目标点返回的球坐标(ρ,α,ω)，其中ρ、α和ω分别为球坐标的球径、方位角和高度角；将球坐标转换为以无人艇为中心的附体坐标(x,y,z)，其中x、y和z分别为x轴、y轴和z轴的坐标值；在附体坐标系中，x轴为船首向方向，y轴为船体横向方向，z轴为垂直向上方向；

转换公式如下：

S2、点云校正，利用通过姿态角传感器获得的无人艇实时姿态角数据(φ,θ,ψ)和通过差分GNSS接收机获得的实时自身运动状态数据(u,v,w)，对激光点云进行校正，得到目标返回点在大地坐标系下的坐标(X,Y,Z)；其中，φ、θ和ψ分别为无人艇横倾角、纵倾角和方位角；u、v和w分别为无人艇坐标系x轴、y轴和z轴方向的速度；X、Y和Z分别为点云在大地坐标系X轴、Y轴和Z轴方向的坐标；

大地坐标系(X,Y,Z)与无人艇坐标系的转换关系为：

S3、异常噪声点去除，将点云数据点的z值作为图像中像素点的灰度值，假设某数据点(x,y,z)邻域点的高度平均值为z_m，设置中值滤波阈值为Th，如果|z-z_m|＞Th，则该数据点为噪声点，高度值z由z_m替代；否则，该点为信号点，高度值保持不变；

S4、格栅表示，包括根据激光雷达检测范围建立二维栅格地图，无人艇始终为栅格地图的原点；栅格属性包括栅格坐标、有无激光返回点、栅格包含的返回点数量、平均高度值和最大高度差；

栅格坐标属性定义为{(x_G,y_G),S,PointNum,AveHeight,MaxHeight}，

其中(x_G,y_G)为栅格在附体坐标系的坐标值，S表示栅格内有无激光返回点，PointNum表示栅格包含的返回点数量，AveHeight表示栅格内返回点的平均高度差，是所有返回点z坐标值的平均值，MaxHeight表示栅格内返回点的最大高度，是所有返回点z坐标值的最大值；

步骤3，利用三维激光雷达进行假目标检测，包括以下子步骤，

步骤3.1，进行对栅格的分割得到障碍物目标，包括利用八邻域膨胀的快速区域标记法实现对栅格的分割，将连在一起的栅格作为一组，识别为一个障碍物目标，并编号；

步骤3.2，根据步骤2所得栅格属性对步骤3.1所得障碍物目标进行多项特征提取；所述障碍物目标特征包括栅格数量、栅格平均高度、栅格高度差、点云稀疏度，这4种特征分别作为目标类型判断的证据；对于船舶尾浪、浮藻假目标，假目标的点云较为稀疏；

步骤3.3，目标分类，包括将步骤3.2提取到的障碍物目标每一项特征分别作为判断目标类型的证据，建立目标类型识别框架，将每一项证据分别对目标类型可信度进行分配，计算识别框架内每一个焦元的可信度；根据各个焦元可信度，通过预设阈值判断障碍物目标是否为假目标；

识别障碍物目标类型的具体证据包括NumGrid、AveHeightGrid、DiffHeighGrid和SparsityPoint，其中，NumGrid表示障碍物包含的栅格数量，AveHeightGrid表示障碍物目标所有栅格的平均高度，DiffHeighGrid表示障碍物目标所有栅格最大高度差的绝对值，SparsityPoint表示点云稀疏度，m_i(X)表示第i个证据对命题X的信任度，i＝1,2,3,4，m(X)表示证据合成后命题X的信任度。