[发明专利]基于三维激光雷达的无人船水面目标检测及路径规划方法

说明书

本发明公开了一种基于三维激光雷达的无人船水面目标检测及路径规划方法，意在感知水面环境并根据环境信息进行自主导航。首先定义激光雷达坐标系，然后对激光雷达参数进行标定，再将极坐标下的角度和距离信息转化为笛卡尔坐标系下的坐标，接下来为了区分地面点云与水面点云，进行地面分割，对地面点云进行过滤，从而减少后续算法的计算量，然后对激光雷达扫描到的水面障碍物进行聚类，最终根据障碍物信息进行水面路径规划，使无人船在水面上避开障碍物规划出一条路径，以确保可以安全、准确地到达指定的目标点。

技术领域

本发明属于目标检测技术领域，具体涉及一种目标检测及路径规划方法。

背景技术

随着计算及性能和传感技术的不断提高，自动驾驶技术发展迅速，其应用领域已从陆地扩展到了空中和水面，而无人船则是典型的水面无人驾驶设备。为了实现无人船的安全航行，需要进行水面路径规划，环境感知是进行路径规划的前提条件。

激光雷达是无人船进行水面环境感知中最常用的传感器之一，其是一种使用激光探测位置、形状和速度等几何特征的系统。它向目标物体发射激光，然后接收这些物体反射的信号。通过比较接收信号与发送信号的相位差，可以得到目标物体的信息，如距离、反射率等。通过进一步的算法，还可以得到位置、高度、速度、姿态和形状。一般来说，激光雷达能够探测到精度为厘米级的目标。常见的二维激光雷达能在较宽的范围内提供周围船只的相对方位和距离，具有合理的探测性能。然而，由于传感器的传感特性和环境干扰，当传感器在近距离到达盲区时，二维激光雷达的检测性能会下降。此外，二维激光雷达的采样率低、分辨率低，因此在识别高速船只或突出水面的小物体时，二维激光雷达的检测性能会下降。因此，需要增加传感器的维度和精度从而实现对无人船周围水面环境更为精确的检测与感知。三维激光雷达由垂直排列的多个激光束组成，通过旋转激光器来收集周围障碍物信息，获得360°的环境全景，从而提高目标检测的性能。

在获取到周围环境的障碍物信息后，相应地，进行环境地图构建和路径规划便成为了下一步的研究目标。无人船作为小型水面平台，需要在不可预测的环境中进行自主导航，如何确保航行的安全是重中之重。为了满足这一要求，无人船需具备强大的环境感知能力，即无人船可以从周围环境中收集数据，构造相应的环境信息模型进行分析，从而规划出一条安全可行的航行路径，以顺利执行航行任务。目前常见的路径规划算法有Dijkstra算法、A^*算法以及RRT(Rapidly exploring Random Tree)算法等。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于三维激光雷达的无人船水面目标检测及路径规划方法，意在感知水面环境并根据环境信息进行自主导航。首先定义激光雷达坐标系，然后对激光雷达参数进行标定，再将极坐标下的角度和距离信息转化为笛卡尔坐标系下的坐标，接下来为了区分地面点云与水面点云，进行地面分割，对地面点云进行过滤，从而减少后续算法的计算量，然后对激光雷达扫描到的水面障碍物进行聚类，最终根据障碍物信息进行水面路径规划，使无人船在水面上避开障碍物规划出一条路径，以确保可以安全、准确地到达指定的目标点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1：定义坐标系；

定义船体坐标系o_Bx_By_Bz_B，记为{B}；船体坐标系的原点o_B为无人船的浮心，轴x_B沿船体轴线方向并指向前方，轴y_B在水平面内垂直于x_B，轴z_B垂直水平面向上；