[发明专利]一种基于激光雷达的跨江输电线防船舶碰撞方法

权利要求书

1.一种基于激光雷达的跨江输电线防船舶碰撞方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过激光雷达获取检测区域内船舶的点云数据；

S2、采用一种快速全局对齐机制和改ICP配准算法相结合的方法对步骤S1获取到的点云数据进行配准，通过快速全局对齐机制求解目标函数得到最佳初始变换矩阵进行初始配准，再采用点到平面距离公式将ICP配准算法非线性问题近似转化为线性问题，迭代求解点云数据刚性变换矩阵进行精细配准；

S3、通过改进点云物体检测器对配准后的点云数据进行目标检测生成3-D目标框，并得到3-D目标框的参数，包括中心坐标、3-D目标框尺寸和方向角数据；其中，所述改进点云物体检测器是在CIA-SSD的基础上，通过叠加设计的轻量化残差模块构建空间语义特征聚合模块SSFA Module中的空间卷积组和语义卷积组，并且对分类回归进行优化；

S4、根据步骤S3生成的3-D目标框的参数计算检测区域中目标船舶的航向和实际高度；

S5、根据跨江输电线高度设定高度阈值γ，对于检测区域中驶向跨江输电线的船舶，当船舶高度大于γ发出碰撞预警指令，当船舶高度小于γ结束操作。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的跨江输电线防船舶碰撞方法，其特征在于，在步骤S1中，所述激光雷达通过安装平台以固定的俯仰角分别安装在江两岸输电塔特定高度的跟踪架上，保证扫描范围能够覆盖检测区域，检测区域为临近跨江输电线的限高区域；根据船舶的航行航道，一个激光雷达用于扫描获取船舶的主要点云数据，另一个激光雷达用于扫描进行点云数据补全，避免由于点云数据稀疏造成的船舶高度计算误差。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的跨江输电线防船舶碰撞方法，其特征在于，在步骤S2中，首先对点云数据进行初始配准，对于任意两组点云数据集X和Y建立匹配点对集：

K＝{(x,y)|x∈X,y∈Y}

式中，x表示点云数据集X中的点云数据，y表示点云数据集Y中的点云数据；通过匹配点对集K构建刚性变换矩阵T，使得两组点云数据之间的欧氏距离最小化；

为了生成匹配点对集K，使用快速点特征直方图FPFH计算点云数据集X的特征直方图F(X)＝{F(x):x∈X}和点云数据集Y的特征直方图F(Y)＝{F(Y):y∈Y}，提取点云的区域特征；

对于点云数据集X和Y的特征直方图采用互相估计方法，当F(x)是F(X)中F(y)的最邻近，F(y)是F(Y)中F(x)的最邻近时，将满足此关系的所有(x,y)添加到最邻近点集K₁中，从最邻近点集K₁中随机选择点云数据利用以下公式检查两者间的相似性：

式中，τ表示阈值，(x_i,y_i)、(x_j,y_j)表示满足最邻近关系的匹配点对，其中i≠j；当满足该条件时，将点云数据添加到匹配点对集K中；对于匹配点对集K，构造的目标函数E(T)如下：

通过稳健统计与线性过程相结合的方法搜索大距离的对应点作为失效的错误点，根据建立的匹配点对集K计算线性过程权重L＝{l_x,y}，式中，l_x,y为计算得到的权重值，构造的目标函数E(T,L)如下：

式中，μ为超参数控制目标函数中残差的权重；当E(T,L)对l_x,y求导等于0时，目标函数E(T,L)取得最小值，求得：

从而获得最佳初始变换状态完成初始配准；

再采用改进ICP配准算法进行精细配准获得高精度配准效果，包括以下改进：

将非线性问题通过点到平面的距离函数近似转化为线性问题，获得更快的收敛速度；

为消除初始配准过程中存在的错误对应点，首先匹配点对通过K-means聚类算法指定最大的聚类，以消除部分错误的对应点，再使用拆分方法，当发现错误的对应点，采用欧几里德距离和标准相结合的判断方法，精细地消除配对偏离；

在k-d树邻近搜索方法的基础上，加入了超时响应机制，当邻近范围内所有点云数据都被遍历，或者搜索超过设置的时间阈值时，当前最佳结果被用作最近点。